CN106041933A - 机器人磨抛系统及被动柔顺与主动柔顺混合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机器人磨抛系统及被动柔顺与主动柔顺混合控制方法，包括机器人本体、力传感器、被动柔顺装置、磨抛末端执行器、气动磨机、气动吸盘和工装平台；其中，所述力传感器设置在所述机器人本体上，用于测量磨抛时磨机的磨具与工件表面的作用力，反馈给机器人本体的力控制器；所述被动柔顺装置设置在所述力传感器上；所述磨抛末端执行器设置在被动柔顺装置上；所述气动磨机和所述气动吸盘设置在所述磨抛末端执行器上，所述气动吸盘用于搬运待加工工件；所述工装平台用于待加工工件的装卡。本发明还提供使用方法。本发明能够保证磨机能够贴合待加工工件的复杂表面，磨抛均匀，不会出现多磨或磨不到的情况。

Description

机器人磨抛系统及被动柔顺与主动柔顺混合控制方法

技术领域

本发明涉及机器人磨削抛光和精密制造技术，具体地，涉及一种机器人磨抛系统及被动柔顺与主动柔顺混合控制方法。

背景技术

目前国内外复杂几何形状工件的磨削加工方法有人工磨削和数控磨床。人工磨削，费时且劳动强度大，加工成品率低，一个熟练工人需要花数个小时才能完成某一个汽轮机叶片的打磨，且废品率很高。手工磨削工作环境恶劣，严重威胁操作员的身心健康。专用磨床通用性差，适合批量生产。数控磨削机床成本高、编程复杂，不能在线更换砂带，效率低。

近年来，机器人加工引起了人们的关注，与数控机床比较，它具有柔性好、智能化、低成本等优点。机器人磨削系统可以实现复杂形状工件磨削抛光加工过程的自动化，提高成品率，并极大地缩短加工时间。机器人柔性磨削系统，使用机器人离线编程技术，集标定、生产、检测于一体，工件的磨削效率高，表面质量好，可自动装卡工件，适于工件的自动化流水线的加工。在航空叶片、汽轮机叶片、水轮机叶片、钛合金人造关节、洁具、数码家电和文体用品等曲面越来越复杂，精确程度要求越来越高的应用场合具有广阔的市场前景。但是，在前期调整磨削工件程序时，由于操作不当容易导致磨机与工件撞击，产生破坏；同时由于磨削的工件都比较薄，装卡在工装上容易变形，不同零件之间的实际尺寸差异，使用易变形的砂纸等原因，易导致磨机与工件表面的接触力不均匀，产生多磨或少磨的缺陷；人工调整加工路径，只能遍历式的试验，找到相对而言比较好的磨削路径及加工参数，人员工作比较繁琐，同时更换设备或工件还需要重新调整，没有可移植性。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种机器人磨抛系统及被动柔顺与主动柔顺混合控制方法。本发明通过机器人本体的运动实现末端执行器上的磨机与待磨削工件的接触，当达到接触力符合磨削工艺的要求后，保持磨机在接触方向与工件的恒力接触，进而控制机器人本体末端按照磨削路径以指定的进给速度运动，完成磨削过程，其中，机器人本体的位置控制器保证机器人末端的磨机沿磨削路径的精密运动，力控制器保证磨机在整个磨削过程中与待磨削工件的接触力恒定，被动柔顺装置缓冲撞击，提高恒力控制相应的快速性；针对不同的材料的工件和不同类型的砂纸，工艺参数自适应调整模块预先设定不同的初始值来控制磨机与工件的接触力。

根据本发明提供的机器人磨抛系统，包括机器人本体、力传感器、被动柔顺装置、磨抛末端执行器、气动磨机、气动吸盘和工装平台；

其中，所述力传感器设置在所述机器人本体上，用于测量磨抛时磨机的磨具与工件表面的作用力，反馈给机器人本体的力控制器；

所述被动柔顺装置设置在所述力传感器上；所述磨抛末端执行器设置在被动柔顺装置上；所述气动磨机和所述气动吸盘设置在所述磨抛末端执行器上，所述气动吸盘用于搬运待加工工件；

所述工装平台用于待加工工件的装卡。

优选地，所述机器人本体采用串联结构的六自由度工业机器人；所述力传感器采用六维力传感器；

所述机器人本体包括关节传感器和控制器；

所述控制器包括前馈控制器、力控制器和位置控制器；

其中，所述关节传感器与位置控制器相连接，所述力传感器与力控制器相连接，所述前馈控制器、力控制器均与所述位置控制器相连接；

所述位置控制器用于控制机器人本体的机械手运动；力控制器用于控制磨具与工件表面的接触力恒定；所述前馈控制器用于根据工件的待加工表面规划磨削路径；所述控制器用于控制机器人本体的机械手实现六自由度运动，能够实现磨削过程中气动磨机的运动。

优选地，所述位置控制器用于控制机器人本体连接的气动磨机沿磨削路径轨迹运动，力控制器用于控制气动磨机在整个磨削过程中与待磨削工件的接触力恒定。

本发明提供的所述的机器人磨抛系统的被动柔顺与主动柔顺混合控制方法，包括以下步骤：

步骤S1：机器人本体控制末端执行器，气动磨机下移，当气动磨机未与待加工工件接触时，被动柔顺装置与力控制器不被激活，机器人本体仅在位置控制器控制下工作；当气动磨机与待加工工件接触后，被动柔顺装置和力控制器模块被激活，在接触力方向上，被动柔顺装置及力控制器的混合控制气动磨机，在非接触力方向上，位置控制器控制气动磨机；

步骤S2：根据工件的待磨削表面得到气动磨机的目标规划轨迹，将目标规划轨迹输入到前馈控制器，前馈控制器获取在任务空间下目标规划轨迹的位移和姿态变量到机器人本体关节空间下关节位置的映射，输出机器人本体的目标关节空间位移轨迹；

步骤S3：根据设定的阈值接触力，力控制器控制机器人本体在接触力方向相对应的指定方向上保持恒力运动；当接触力发生变化时，被动柔顺装置立刻做出负反馈，以提高响应的时效性；

步骤S4：力控制器输出的恒力控制和目标关节空间位移轨迹同时传输给位置控制器，位置控制器控制气动磨机在接触力方向上保持恒力，在非接触力方向上按照目标规划轨迹运动。

优选地，还包括如下步骤：

步骤S5：关节传感器采集机器人本体的实际关节空间位移数据，通过比较实际关节空间位移数据与目标关节空间位移轨迹，调整位置控制器的控制量；同时，力传感器采集磨削实际接触力，通过比较实际接触力与设定的阈值接触力，调整力控制器的输出控制量。

优选地，还包括主动柔顺力位混合控制步骤，具体包括如下步骤：

步骤A101：获取磨削轨迹规划并控制气动磨机运动到磨削轨迹的初始点；

步骤A102，控制磨机作下移运动，力传感器检测是否存在压力，当检测到压力，则进入步骤A103；若没有检测到压力，则磨机继续作下移运动；

步骤A103，判断压力是否到达设定阈值，当压力到达设定阈值，则磨机到达指定工作状态，否则，磨机继续作下移运动，调整机器人本体的机械手姿态，直至压力到达设定阈值。

本发明提供的所述机器人磨抛系统的使用方法，包括预制参数模式和设定参数模式：

所述预制参数模式，具体为，所述机器人磨抛系统根据预制参数进行工作，所述预制参数为根据工件材料和砂纸，预先设置的与工件材料和砂纸相对应的接触力阈值；

所述设定参数模式，具体为，所述机器人磨抛系统根据设定参数进行工作，所述设定参数为直接设定的接触力阈值。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明机器人本体根据待加工工件的表面编定目标磨抛轨迹路线，同时根据六维力传感器反馈的力信号，运用逆运动学或动力学模型的控制算法，实时调整磨抛的轨迹，使得装卡在末端执行器上的磨机与待磨抛的工件的接触力恒定，保证磨机能够贴合待加工工件的复杂表面，磨抛均匀，不会出现多磨或磨不到的情况；

2、本发明同时采用磨削参数自适应调整的方法，适应不同加工条件的需求，增加了被动柔顺装置，提高系统的响应速度，防止碰撞产生伤害，减轻人工调整的繁琐劳累，最终实时控制机器人完成磨抛的高精度运动。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中机器人磨抛系统的结构示意框图；

图2为本发明中机器人磨抛系统的被动柔顺与主动柔顺混合控制方法示意图；

图3为本发明中机器人磨抛系统控制模式选择的示意图；

图4为本发明中气动磨机与待加工工件的接触力检测的控制流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本实施例中，本发明提供的机器人磨抛系统，包括机器人本体、力传感器、被动柔顺装置、磨抛末端执行器、气动磨机、气动吸盘和工装平台；

其中，所述力传感器设置在所述机器人本体上，具体为机器人本体的腕部法兰盘上，用于测量磨抛时磨机的磨具与工件表面的作用力，反馈给机器人本体的力控制器，实时调整磨削轨迹路线，实现平稳磨削；

所述被动柔顺装置设置在所述力传感器上，在前期磨削工件调整程序时，赋予了比较大的自由空间，减轻了人工调整的难度，同时防止磨机与工件撞击；所述磨抛末端执行器设置在被动柔顺装置上；所述气动磨机和所述气动吸盘设置在所述磨抛末端执行器上，所述气动吸盘用于搬运待加工工件；磨抛末端执行器是提供装卡气动磨机及气动吸盘的机械结构；气动磨机通过粘连不同型号的砂纸来工作；

所述工装平台用于待加工工件的装卡。

所述机器人本体采用串联结构的六自由度工业机器人，六个关节自带编码器，可以实现精确的位置控制，在气动磨机与待加工工件接触后，启用主动柔顺的力位混合控制方法，在接触力的方向上采用恒力控制，保证磨削加工均匀稳定，在其余方向采用位置控制，保证磨削轨迹的准确性；所述力传感器采用六维力传感器；

所述机器人本体包括关节传感器和控制器；

所述控制器包括前馈控制器、力控制器和位置控制器；

其中，所述关节传感器与位置控制器相连接，所述力传感器与力控制器相连接，所述前馈控制器、力控制器均与所述位置控制器相连接；

所述位置控制器用于控制机器人本体的机械手运动；力控制器用于控制磨具与工件表面的接触力恒定；所述前馈控制器用于根据工件的待加工表面规划磨削路径；所述控制器用于控制机器人本体的机械手实现六自由度运动，能够实现磨削过程中气动磨机的运动。

所述位置控制器用于控制机器人本体连接的气动磨机沿磨削路径轨迹运动，力控制器用于控制气动磨机在整个磨削过程中与待磨削工件的接触力恒定。

本发明提供的所述的机器人磨抛系统的被动柔顺与主动柔顺混合控制方法，包括以下步骤：

步骤S1：机器人本体控制末端执行器，气动磨机下移，当气动磨机未与待加工工件接触时，被动柔顺装置与力控制器不被激活，机器人本体仅在位置控制器控制下工作；当气动磨机与待加工工件接触后，被动柔顺装置和力控制器模块被激活，在接触力方向上，被动柔顺装置及力控制器的混合控制气动磨机，在非接触力方向上，位置控制器控制气动磨机；

步骤S2：根据工件的待磨削表面得到气动磨机的目标规划轨迹，将目标规划轨迹输入到前馈控制器，前馈控制器根据逆运动学或动力学模型的控制算法获取在任务空间下目标规划轨迹的位移和姿态变量到机器人本体关节空间下关节位置的映射，输出机器人本体的目标关节空间位移轨迹；

步骤S3：根据设定的阈值接触力，力控制器控制机器人本体在接触力方向相对应的指定方向上保持恒力运动；当接触力发生变化时，被动柔顺装置立刻做出负反馈，以提高响应的时效性；

步骤S4：力控制器输出的恒力控制和目标关节空间位移轨迹同时传输给位置控制器，位置控制器控制气动磨机在接触力方向上保持恒力，在非接触力方向上按照目标规划轨迹运动。位置控制器为机器人关节按照目标轨迹运动提供控制策略；力控制器为实现机器人在指定方向上保持恒力运动提供控制策略；

本发明提供的所述的机器人磨抛系统的被动柔顺与主动柔顺混合控制方法，还包括如下步骤：

步骤S5：关节传感器采集机器人本体的实际关节空间位移数据，比较实际关节空间位移数据与目标关节空间位移轨迹，通过鲁棒自适应闭环控制算法调整位置控制器的控制量；同时，力传感器采集磨削实际接触力，通过比较实际接触力与设定的阈值接触力，通过比例积分微分控制算法调整力控制器的输出控制量。位置控制器的采用鲁棒自适应控制器，力控制器一般采用PID或滑模控制。

本发明提供的所述的机器人磨抛系统的被动柔顺与主动柔顺混合控制方法，还包括主动柔顺力位混合控制步骤，具体包括如下步骤：

步骤A101：获取磨削轨迹规划并控制气动磨机运动到磨削轨迹的初始点；

步骤A102，控制磨机作下移运动，力传感器检测是否存在压力，当检测到压力，则进入步骤A103；若没有检测到压力，则磨机继续作下移运动；

步骤A103，判断压力是否到达设定阈值，当压力到达设定阈值，则磨机到达指定工作状态，否则，磨机继续作下移运动，调整机器人本体的机械手姿态，直至压力到达设定阈值。

本发明提供的所述机器人磨抛系统的使用方法，包括预制参数模式和设定参数模式：

所述预制参数模式，具体为，所述机器人磨抛系统根据预制参数进行工作，所述预制参数为根据工件材料和砂纸，预先设置的与工件材料和砂纸相对应的接触力阈值；当工件材料和砂纸不同，设置的接触力阈值不同；

所述设定参数模式，具体为，所述机器人磨抛系统根据设定参数进行工作，所述设定参数为直接设定的接触力阈值，具体为，设定参数中的接触力阈值由工作人员直接设定。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种机器人磨抛系统，其特征在于，包括机器人本体、力传感器、被动柔顺装置、磨抛末端执行器、气动磨机、气动吸盘和工装平台；

其中，所述力传感器设置在所述机器人本体上，用于测量磨抛时磨机的磨具与工件表面的作用力，反馈给机器人本体的力控制器；

所述被动柔顺装置设置在所述力传感器上；所述磨抛末端执行器设置在被动柔顺装置上；所述气动磨机和所述气动吸盘设置在所述磨抛末端执行器上，所述气动吸盘用于搬运待加工工件；

所述工装平台用于待加工工件的装卡。

2.根据权利要求1所述的机器人磨抛系统，其特征在于，所述机器人本体采用串联结构的六自由度工业机器人；所述力传感器采用六维力传感器；

所述机器人本体包括关节传感器和控制器；

所述控制器包括前馈控制器、力控制器和位置控制器；

其中，所述关节传感器与位置控制器相连接，所述力传感器与力控制器相连接，所述前馈控制器、力控制器均与所述位置控制器相连接；

所述位置控制器用于控制机器人本体的机械手运动；力控制器用于控制磨具与工件表面的接触力恒定；所述前馈控制器用于根据工件的待加工表面规划磨削路径；所述控制器用于控制机器人本体的机械手实现六自由度运动，能够实现磨削过程中气动磨机的运动。

3.根据权利要求2所述的机器人磨抛系统，其特征在于，所述位置控制器用于控制机器人本体连接的气动磨机沿磨削路径轨迹运动，力控制器用于控制气动磨机在整个磨削过程中与待磨削工件的接触力恒定。

4.一种权利要求1至3任一项所述的机器人磨抛系统的被动柔顺与主动柔顺混合控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：机器人本体控制末端执行器，气动磨机下移，当气动磨机未与待加工工件接触时，被动柔顺装置与力控制器不被激活，机器人本体仅在位置控制器控制下工作；当气动磨机与待加工工件接触后，被动柔顺装置和力控制器模块被激活，在接触力方向上，被动柔顺装置及力控制器的混合控制气动磨机，在非接触力方向上，位置控制器控制气动磨机；

步骤S2：根据工件的待磨削表面得到气动磨机的目标规划轨迹，将目标规划轨迹输入到前馈控制器，前馈控制器获取在任务空间下目标规划轨迹的位移和姿态变量到机器人本体关节空间下关节位置的映射，输出机器人本体的目标关节空间位移轨迹；

步骤S3：根据设定的阈值接触力，力控制器控制机器人本体在接触力方向相对应的指定方向上保持恒力运动；当接触力发生变化时，被动柔顺装置立刻做出负反馈，以提高响应的时效性；

步骤S4：力控制器输出的恒力控制和目标关节空间位移轨迹同时传输给位置控制器，位置控制器控制气动磨机在接触力方向上保持恒力，在非接触力方向上按照目标规划轨迹运动。

5.根据权利要求4所述的机器人磨抛系统的被动柔顺与主动柔顺混合控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：

步骤S5：关节传感器采集机器人本体的实际关节空间位移数据，通过比较实际关节空间位移数据与目标关节空间位移轨迹，调整位置控制器的控制量；同时，力传感器采集磨削实际接触力，通过比较实际接触力与设定的阈值接触力，调整力控制器的输出控制量。

6.根据权利要求4所述的机器人磨抛系统的被动柔顺与主动柔顺混合控制方法，其特征在于，还包括主动柔顺力位混合控制步骤，具体包括如下步骤：

步骤A101：获取磨削轨迹规划并控制气动磨机运动到磨削轨迹的初始点；

步骤A102，控制磨机作下移运动，力传感器检测是否存在压力，当检测到压力，则进入步骤A103；若没有检测到压力，则磨机继续作下移运动；

步骤A103，判断压力是否到达设定阈值，当压力到达设定阈值，则磨机到达指定工作状态，否则，磨机继续作下移运动，调整机器人本体的机械手姿态，直至压力到达设定阈值。

7.一种权利要求1至3任一项所述机器人磨抛系统的使用方法，其特征在于，包括预制参数模式和设定参数模式：

所述预制参数模式，具体为，所述机器人磨抛系统根据预制参数进行工作，所述预制参数为根据工件材料和砂纸，预先设置的与工件材料和砂纸相对应的接触力阈值；

所述设定参数模式，具体为，所述机器人磨抛系统根据设定参数进行工作，所述设定参数为直接设定的接触力阈值。