CN106393111B - 针对机器人形变问题的机器人曲面切削力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对机器人形变问题的机器人曲面切削力控制方法，该方法首先根据直角坐标机器人切削系统结构，建立机器人刚度矩阵，随后针对机器人切削的复杂性，将切削过程分为刚性冲击状态和稳定切削状态，并推导出机器人冲击形变公式和稳定切削形变公式；以切削力作为控制目标，将六维力传感器测量机器人末端受力并与目标力作对比，计算出实时切削力误差和误差变化速度，将其作为控制输入，PID参数作为模糊推理输出，进给速度作为PID控制输出，进行模糊化处理，建立模糊规则对切削状态进行分类判断，通过力传感器实时测试末端受力判断切削力偏离情况选择适当的PID参数，实时调整PID控制模型，通过调节机器人切削进给速度实现切削力控制。

Description

针对机器人形变问题的机器人曲面切削力控制方法

技术领域

本发明属于机器人加工应用技术领域，涉及一种工业机器人曲面切削力控制技术,特别是一种针对机器人形变问题的机器人曲面切削力控制方法。

背景技术

作为机械加工的主要手段之一，切削加工在制造业中受到广泛应用。目前机器人切削加工实现方法主要包括两种：进行大量的切削实验，利用回归分析求取特定材料的机器人切削模型；对机器人末端进行力控制，在保证机器人末端与工件接触的情况下，控制切削工具的位置以及工具和工件之间的接触力。

1)通过回归分析求取机器人切削模型，该方法的实现需要大量的实验数据，且该方法求取的切削模型只能针对指定的材料，无法应用到其他材料上，缺乏通用性。

2)对机器人末端进行接触力控制。该方法主要可分为带传感器和不带传感器两种。不带传感器的力控制方法主要是依靠对机器人电机数据进行读取，通过电机数据对机器人末端位置进行判断。这种方法成本低，但未考虑机器人本身形变以及工件装配误差等问题，加工精度低；带传感器的力控制方法主要是依靠传感器的数据反馈判断机器人末端的力位情况，实现实时的力位控制。目前的力控制方法主要考虑力位问题，没有考虑曲面切削进给速度对系统形变的影响。

发明内容

为实现工业机器人在曲面切削加工的普及，本发明提供一种针对机器人形变问题的机器人曲面切削力控制方法，该方法根据直角坐标机器人曲面切削特点，将切削过程分为刚性冲击状态和稳定切削状态，并考虑切削过程中进给速度对切削形变乃至加工精度的影响，在传统PID控制模型的基础上引入了模糊控制策略，通过调整切削进给速度实现机器人切削力的自适应控制，解决了现有工业机器人在曲面切削中存在的上述问题。

本发明所采用的技术方案是，一种针对机器人形变问题的机器人曲面切削力控制方法，该方法首先是根据直角坐标机器人切削系统结构，建立机器人刚度矩阵，随后针对机器人切削的复杂性，将切削过程分为刚性冲击状态和稳定切削状态，并推导出机器人冲击形变公式和稳定切削形变公式；以切削力作为控制目标，将六维力传感器测量机器人末端受力并与目标力作对比，计算出实时切削力误差和误差变化速度，将其作为控制输入，PID参数作为模糊推理输出，进给速度作为PID控制输出，进行模糊化处理，建立模糊规则对切削状态进行分类判断，通过力传感器实时测试末端受力判断切削力偏离情况选择适当的PID参数，实时调整PID控制模型，通过调节机器人切削进给速度实现切削力控制。

本发明所述的针对机器人形变问题的机器人曲面切削力控制方法，其特征还在于，

该方法包括以下步骤：

步骤1，根据机器人切削系统结构，建立刚度模型系统，所述刚度模型系统其主要包括三轴直角坐标机器人K_g、切削工具支架等效刚度K_j、工件刚度K_o、六维力传感器刚度K_c、两轴旋转工作平台K_x；

K^-1＝K_g ^-1+K_j ^-1+K_o ^-1+K_c ^-1+K_x ^-1

从而得到末端切削力F_p和机器人形变σ的关系公式；

σ＝F_pK^-1

步骤2，驱使机器人带动切削刀具切入工件对工件进行切削，测量刀具切入工件瞬间的冲击力F_cp和随后的稳定切削力，结合过切削角度，计算出工件表面法向的冲击形变A_c和稳定切削形变σ_t；其中冲击形变利用公式：

其中初始位置X_c设为0，则有

A_c＝V_wω_d ^-1

A＝A_c+A_z

其中ω_d为固有频率；A_z为刀具离心力引起的形变；A为总体形变；由于刀具旋转速度固定，离心力可以看作是常量，因此主要变化的是冲击产生的形变A_c；稳定状态形变σ_t则利用公式求取，并推导出形变与进给速度V_w之间的关系：

σ_t＝F_pK^-1＝∫(V_w(t)-V_e(t))dt

其中V_e(t)为材料去除速度；

步骤3，根据步骤2中推导出的形变与进给速度关系式，以误差和误差速度作为控制输入，以切削进给速度作为控制量，建立PID切削力控制模型；

步骤4，利用步骤2得到的实验初步数据建立模糊控制规则，将切削力误差和误差速度变化为输入，以PID中的比例系数T_p、积分系数T_i，微分系数T_d作为控制输出，进行模糊度分类：{NB，NS，Z，PS，PB}；对于控制量T_p模糊推理采用多前提多规则，即

IF A1 and B1 Then C1

IF A1 and B2 Then C2

而对于控制量T_i、T_d则采用单前提单规则

IF A1 Then C1

模糊隶属函数采用高斯函数，计算出隶属度后，采用最大隶属度进行解模糊；

步骤5，根据形变约束，结合机器人切削系统刚度计算出曲面工件轨迹上各点的切削力允许值，作为控制目标，驱动机器人带动六维传感器和末端刀具切入工件进行切削，将六维传感器测量得到的末端受力与切削力控制目标进行对比，利用模糊控制规则判断系统实时状态，选择PID控制参数对切削进行速度进行控制，从而调整冲击形变和稳定切削形变大小，最终实现切削力的自适应实时控制。

本发明针对机器人形变问题的机器人曲面切削力控制方法，根据直角坐标机器人曲面切削特点，将切削过程分为刚性冲击状态和稳定切削状态，充分考虑了切削过程中进给速度对切削形变乃至加工精度的影响，在传统PID控制模型的基础上引入了模糊控制策略，建立了基于速度的切削模型，并在PID控制模型的基础上，引入了模糊控制规则，根据机器人末端力传感器的反馈信息，选择适合的PID参数，通过调整切削进给速度实现机器人切削力的自适应控制。

附图说明

图1是本发明针对机器人形变问题的机器人曲面切削力控制方法工作原理图；

图2是本发明机器人曲面切削力控制系统结构示意图；

图3是本发明基于模糊PID的机器人切削力控制流程图；

图4是本发明基于模糊PID的机器人切削力控制器结构示意图。

图2中，1.工作台架，3.伺服驱动器，4.六维力传感器，5.磨削刀具，6.曲面工件；

2-1.X轴导向单元；2-2.Y轴导向单元；2-3.Z轴导向单元，7-1.A轴旋转平台；7-2.B轴旋转平台。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明针对机器人形变问题的机器人曲面切削力控制方法，如图1所示，该方法首先是根据直角坐标机器人切削系统结构，建立机器人刚度矩阵，随后针对机器人切削的复杂性，将切削过程分为刚性冲击状态和稳定切削状态，并推导出机器人冲击形变公式和稳定切削形变公式；以切削力作为控制目标，将六维力传感器测量机器人末端受力并与目标力作对比，计算出实时切削力误差和误差变化速度，将其作为控制输入，PID参数作为模糊推理输出，进给速度作为PID控制输出，进行模糊化处理，建立模糊规则对切削状态进行分类判断，通过力传感器实时测试末端受力判断切削力偏离情况选择适当的PID参数，实时调整PID控制模型，通过调节机器人切削进给速度实现切削力控制。

本发明机器人曲面切削力控制系统结构，如图2所示，包括工作台架1、三轴直角坐标机器人的导向单元、驱动单元3，六维力传感器测量单元4、磨削刀具5、曲面工件6、两轴旋转工作平台以及形变计算模块和插补点优化调整模块；导向单元设置在工作台架1上并受驱动单元3的驱动，六维力传感器测量单元4、磨削刀具5依次安装在三轴直角坐标机器人导向单元的末端，曲面工件6被安装在两轴旋转工作平台上。

本发明的导向单元包括X轴导向单元2-1、Y轴导向单元2-2、Z轴导向单元2-3，各轴导向单元均包括滚珠丝杠和滑块；驱动单元3包括带传动装置、减速器及交流伺服电机；X轴导向单元2-1水平安装在工作台架1上，Y轴导向单元2-2的其中一端安装在X轴导向单元2-1的滑块上；Z轴导向单元2-3竖直安装在Y轴导向单元2-2的滑块上；六维力传感器测量单元4及磨削刀具5依次以串联方式安装在Z轴直线导轨2-3的滑块上；曲面工件6安装在两轴旋转平台上，其中A轴旋转平台7-1轴线与Y轴导向单元2-2直线导轨平行，B轴旋转平台7-2轴线与Z轴导向单元2-3直线导轨平行。

本发明针对机器人形变问题的机器人曲面切削力控制方法具体步骤如下：

步骤1，先根据器人磨削系统结构，建立包括三轴直角坐标机器人1的导向单元、六维力传感器测量单元4、磨削刀具5、曲面工件6、两轴旋转工作平台的机器人磨削系统刚度矩阵。

步骤2，驱使机器人带动磨削刀具切入工件对曲面工件进行切削，测量磨削刀具切入曲面工件瞬间的冲击力F_cp和随后的稳定切削力，结合过切削角度，计算出曲面工件表面法向的冲击形变A_c和稳定切削形变σ_t，并推导出形变与进给速度V_w之间的关系。

步骤3，根据步骤2中推导出的形变与进给速度关系式，以误差和误差速度作为控制输入，以切削进给速度作为控制量，建立PID切削力控制模型。

步骤4，在传统PID控制模型的基础上，引进模糊规则，针对机器人切削复杂性，对切削状态的冲击状态和稳定切削状态进行模糊控制，用步骤2得到的实验初步数据建立模糊控制规则，将切削力误差和误差速度变化为输入，以PID中的比例系数T_p；积分系数T_i；微分系数T_d作为控制输出，进行模糊度分类：{NB，NS，Z，PS，PB}；对于控制量T_p模糊推理采用多前提多规则；对于控制量T_i、T_d则采用单前提单规则；模糊隶属函数采用高斯函数，计算出隶属度后，采用最大隶属度进行解模糊，控制过程如图3、图4所示。

步骤5,根据形变约束，结合机器人切削系统刚度计算出曲面工件轨迹上各点的切削力允许值，作为控制目标，驱动机器人带动六维传感器和末端刀具切入工件进行切削，将六维传感器测量得到的末端受力与切削力控制目标进行对比，利用模糊控制规则判断系统实时状态，选择PID控制参数对切削进行速度进行控制，从而调整冲击形变和稳定切削形变大小，最终实现切削力的自适应实时控制。

上述实施例为本方面较佳的实施方式，但本方明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种针对机器人形变问题的机器人曲面切削力控制方法，其特征在于，该方法首先是根据直角坐标机器人切削系统结构，建立机器人刚度矩阵，随后针对机器人切削的复杂性，将切削过程分为刚性冲击状态和稳定切削状态，并推导出机器人冲击形变公式和稳定切削形变公式；以切削力作为控制目标，将六维力传感器测量机器人末端受力并与目标力作对比，计算出实时切削力误差和误差变化速度，将其作为控制输入，PID参数作为模糊推理输出，进给速度作为PID控制输出，进行模糊化处理，建立模糊规则对切削状态进行分类判断，通过力传感器实时测试末端受力判断切削力偏离情况选择适当的PID参数，实时调整PID控制模型，通过调节机器人切削进给速度实现切削力控制；

冲击形变公式为：

式中：X_c-初始位置，

ω_d-固有频率，

A_c-冲击形变，

V_wc-冲击时的进给速度；

稳定切削形变公式为：

σ_t＝F_pK^-1

式中：σ_t-稳定切削形变，

F_p-末端切削力，

K-机器人刚度矩阵。

2.根据权利要求1所述的针对机器人形变问题的机器人曲面切削力控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1，根据机器人切削系统结构，建立刚度模型系统，所述刚度模型系统其主要包括三轴直角坐标机器人K_g、切削工具支架等效刚度K_f、工件刚度K_o、六维力传感器刚度K_c、两轴旋转工作平台K_x；

K^-1＝K_g ^-1+K_f ^-1+K_o ^-1+K_c ^-1+K_x ^-1

从而得到末端切削力F_p和机器人形变σ的关系公式；

σ＝F_pK^-1

步骤2，驱使机器人带动切削刀具切入工件对工件进行切削，测量刀具切入工件瞬间的冲击力F_cp和随后的稳定切削力，结合过切削角度，计算出工件表面法向的冲击形变A_c和稳定切削形变σ_t；其中冲击形变利用公式：

其中初始位置X_c设为0，则有

A_c＝V_wω_d ^-1

A＝A_c+A_z

其中ω_d为固有频率；A_z为刀具离心力引起的形变；A为总体形变；由于刀具旋转速度固定，离心力可以看作是常量，因此主要变化的是冲击产生的形变A_c；稳定切削形变σ_t则利用公式求取，并推导出形变与进给速度V_w之间的关系：

σ_t＝F_pK^-1＝∫(V_w(t)-V_e(t))dt

其中V_e(t)为材料去除速度；

步骤3，根据步骤2中推导出的形变与进给速度关系式，以误差和误差速度作为控制输入，以切削进给速度作为控制量，建立PID切削力控制模型；

步骤4，利用步骤2得到的实验初步数据建立模糊控制规则，将切削力误差和误差速度变化为输入，以PID中的比例系数T_p、积分系数T_i，微分系数T_d作为控制输出，进行模糊度分类：{NB，NS，Z，PS，PB}；对于控制量T_p模糊推理采用多前提多规则，即

IF A1 and B1 Then C1

IF A1 and B2 Then C2

而对于控制量T_i、T_d则采用单前提单规则

IF A1 Then C1

模糊隶属函数采用高斯函数，计算出隶属度后，采用最大隶属度进行解模糊；

步骤5，根据形变约束，结合机器人切削系统刚度计算出曲面工件轨迹上各点的切削力允许值，作为控制目标，驱动机器人带动六维传感器和末端刀具切入工件进行切削，将六维传感器测量得到的末端受力与切削力控制目标进行对比，利用模糊控制规则判断系统实时状态，选择PID控制参数对切削进行速度进行控制，从而调整冲击形变和稳定切削形变大小，最终实现切削力的自适应实时控制。