CN108044438B - 基于机器人变速控制的汽车铸锻件飞边去除装置及方法 - Google Patents

基于机器人变速控制的汽车铸锻件飞边去除装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于机器人变速控制的汽车铸锻件飞边去除装置及方法，该装置包括力控机器人和打磨机构，所述力控机器人包括机器人本体、安装在所述机器人本体上的夹持部和力控部，所述夹持部用于夹持汽车铸锻件，所述力控部用于实时检测汽车铸锻件打磨加工过程中磨抛力并据此控制夹持部的进给速度，所述打磨机构用于对汽车铸锻件的飞边进行打磨。本发明易于实现汽车铸锻件非均匀飞边的自动化去除，飞边打磨效率高、去除精确，并能有效改善企业现有生产模式，将工人从恶劣的作业环境中解放出来。

Description

基于机器人变速控制的汽车铸锻件飞边去除装置及方法
技术领域
本发明属于工业机器人自动化加工技术领域，具体涉及一种基于机器人变速控制的汽车铸锻件飞边去除装置及方法。
背景技术
以主减速器壳、差速器壳、发动机排气歧管、制动蹄、制动底板等为代表的汽车铸锻件有着多品种、小批量的制造特点，其结构复杂多变、飞边余量呈非均匀分布，目前国内汽车零部件生产企业在其制造过程中普遍采用人工打磨方式清除飞边，因此带来诸多技术、经济及社会问题，特别是高污染、招工难等现象对能够改变当前传统制造模式的先进制造方法提出了迫切需求。
机器人应用技术为汽车铸锻件非均匀飞边的高效高品质制造提供了新思路。其技术难点主要在于：1)加工性能约束的机器人最优运动规划；2)融合加工过程工艺知识的“机器人-工艺”系统闭环控制。因此本申请考虑将力控制技术与机器人技术相结合，通过位置/力混合控制来现实非均匀飞边的精确去除，从而代替传统的铸锻件飞边清理技术仅考虑位置控制的方式。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于机器人变速控制的汽车铸锻件飞边去除装置及方法，它可以自动调整运行速度从而维持较均匀的材料去除率，实现异形汽车铸锻件非均匀飞边的自动化精确去除。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于机器人变速控制的汽车铸锻件飞边去除装置，包括力控机器人和打磨机构，所述力控机器人包括机器人本体、安装在所述机器人本体上的夹持部和力控部，所述夹持部用于夹持汽车铸锻件，所述力控部用于实时检测汽车铸锻件打磨加工过程中磨抛力并据此控制夹持部的进给速度，所述打磨机构用于对汽车铸锻件的飞边进行打磨。
按上述技术方案，所述打磨机构包括砂轮打磨机、砂带磨抛机和内孔打磨机，所述砂轮打磨机用于打磨汽车铸锻件的分型面，所述砂带磨抛机用于抛磨汽车铸锻件的端面，所述内孔打磨机用于打磨汽车铸锻件的内孔。
按上述技术方案，该装置还包括用于将待打磨汽车铸锻件运送至上料工位的上料机和用于将已打磨汽车铸锻件运送至下料工位的下料机，所述上料机和下料机分别与一中控操作台连接。
按上述技术方案，所述上料机上设置有上料限位传感器，所述下料机上设置有下料限位传感器，所述上料限位传感器和下料限位传感器分别与中控操作台连接。
按上述技术方案，该装置还包括设置在力控机器人和打磨机构外周的防护栏。
一种基于机器人变速控制的汽车铸锻件飞边去除方法，采用上述基于机器人变速控制的汽车铸锻件飞边去除装置，包括以下步骤：
S1、根据汽车铸锻件制造模型以及铸锻造后的飞边真实分布情况，规划打磨路径；
S2、根据飞边余量大小和汽车铸锻件材料，设定加工过程参数，并设定参考力Fr；
S3、力控机器人的夹持部夹持待打磨汽车铸锻件，打磨机构对汽车铸锻件的飞边进行打磨，打磨过程中力控部实时检测磨抛力Ff，若Fr-a≤Ff≤Fr+a时，则控制夹持部保持恒速运动，若Ff>Fr+a，则控制夹持部降低进给速度直至Fr-a≤Ff≤Fr+a，若Ff<Fr-a，则控制夹持部增加进给速度直至Fr-a≤Ff≤Fr+a。
按上述技术方案，步骤S2中，参考力Fr是一个关于汽车铸锻件飞边余量大小d、机器人加工过程参数k和汽车铸锻件材料m有关的函数，即Fr＝f(d,k,m)。
本发明产生的有益效果是：本发明通过力控机器人实现汽车铸锻件飞边的自动打磨，并通过力控部实时检测磨抛力，使其与设定的参考力进行比较，自动调整机器人夹持部的进给速度从而维持较均匀的材料去除率，实现非均匀飞边的精确去除。本发明实现了异形汽车铸锻件的自动化飞边去除作业，代替传统人工作业方式，将工人从恶劣的作业环境中解放出来；采用力控机器人方式可以精确去除汽车铸锻件的非均匀飞边，从而获得较精密的打磨作业效果。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明对汽车铸锻件的非均匀飞边进行打磨的过程示意图；
图3为本发明实施例的加工流程图；
图4为本发明实施例的变速控制原理示意图。
图中：1-砂轮打磨机、2-内孔打磨机、3-上料限位传感器、4-上料机、5-下料限位传感器、6-下料机、7-机器人控制器、8-防护栏、9-中控操作台、10-机器人本体、11-砂带磨抛机、12-力控部、13-夹持部、14-汽车铸锻件。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种基于机器人变速控制的汽车铸锻件飞边去除装置，包括力控机器人和打磨机构，力控机器人包括机器人本体10(机器人本体固定在机器人底板上)、安装在所述机器人本体10上的夹持部13和力控部12(力控部可以安装在机器人本体末端法兰盘上)，夹持部13用于夹持汽车铸锻件14，力控部12用于实时检测汽车铸锻件打磨加工过程中磨抛力(磨抛力Ff为加工过程中打磨机构与汽车铸锻件表面接触的法向力)并据此控制夹持部的进给速度，保证磨抛力小于预先设定的参考力，打磨机构用于对汽车铸锻件的飞边进行打磨。
在本发明的优选实施例中，如图1所示，打磨机构包括砂轮打磨机1、砂带磨抛机11和内孔打磨机2，砂轮打磨机1用于打磨汽车铸锻件的分型面，砂带磨抛机11用于抛磨汽车铸锻件的端面，内孔打磨机2用于打磨汽车铸锻件的内孔，能满足多品种、小批量汽车铸锻件飞边打磨需求。
在本发明的优选实施例中，如图1所示，该装置还包括用于将待打磨汽车铸锻件运送至上料工位的上料机4和用于将已打磨汽车铸锻件运送至下料工位的下料机6，上料机和下料机分别与一中控操作台9连接，其中，上料机4上设置有上料限位传感器3，下料机6上设置有下料限位传感器5，上料限位传感器和下料限位传感器分别与中控操作台9连接，中控操作台还与力控机器人、打磨机构连接，用于整体控制上料机和下料机、力控机器人和打磨机构的启动、停止和过程监控。
上料机将待打磨汽车铸锻件运送至上料工位，当上料限位传感器检测到待打磨汽车铸锻件进入后，中控操作台控制上料机停止运动，然后力控机器人启动并通过夹持部从上料工位抓取待打磨汽车铸锻件进行打磨，此时上料机根据生产节拍将下一个待打磨汽车铸锻件运送至上料工位等待力控机器人再次抓取；汽车铸锻件打磨完成后，下料机将其运送至下料工位，当下料限位传感器检测到已打磨汽车铸锻件进入后，中控操作台控制下料机启动，随后将已打磨汽车铸锻件运送至下料工位，完成飞边自动化打磨。
在本发明的优选实施例中，如图1所示，该装置还包括设置在力控机器人和打磨机构外周的防护栏8，用于确保打磨作业系统安全。
如图2-图4所示，一种基于机器人变速控制的汽车铸锻件飞边去除方法，包括以下步骤：
S1、根据汽车铸锻件制造模型以及铸锻造后的飞边真实分布情况，规划打磨路径；
S2、根据飞边余量大小和汽车铸锻件材料，设定加工过程参数，并设定参考力Fr；
S3、力控机器人的夹持部夹持待打磨汽车铸锻件，打磨机构对汽车铸锻件的飞边进行打磨，打磨过程中力控部实时检测磨抛力Ff，夹持部进给速度通过参考力Fr与反馈力Ff的比较而进行自动调节，若Fr-a≤Ff≤Fr+a时，表明夹持部能以恒定的进给速度去除汽车铸锻件飞边，则控制夹持部保持恒速运动；若Ff>Fr+a，表明夹持部在运行过程中遇到较大凸起的飞边，则控制夹持部降低进给速度，此时夹持部将自动减速运行，并保持恒定的材料去除率从而去除非均匀分布的汽车铸锻件飞边，直至Fr-a≤Ff≤Fr+a；若Ff<Fr-a，表明夹持部在运行过程遇到的飞边较小，则控制夹持部增加进给速度，此时夹持部将自动加速运行，直至Fr-a≤Ff≤Fr+a。
如图4所示，夹持部速度变化主要基于PI力控制策略，并根据定义的规则，自动调节机器人打磨加工过程中的速比(0～1)，从而维持一个相对稳定的加工过程力。PI力控制策略主要是指输入测量力信息到机器人控制器后，输出的机器人末端速比以一个多段式的输出例子来表示，例如三段式，其速比分别为1、中、低。三段式速比主要用于定义机器人下一阶段的保持当前速比、减小速比或增大速比，其目的在于通过改变机器人末端进给速度，从而尽快保持反馈力(即磨抛力)Ff低于设定的参考力Fr。
优选的，步骤S2中，参考力Fr通过大量工艺试验获得，试验过程需充分结合汽车铸锻件飞边余量大小d(测量获得并针对不同汽车铸锻件进行规律统计)、机器人加工过程参数k(包括机器人进给速度vf、打磨工具速度vs)、汽车铸锻件材料m(主要是球墨铸铁、灰铸铁、铝合金等)等变量，即参考力Fr是一个关于汽车铸锻件飞边余量大小d、机器人加工过程参数k和汽车铸锻件材料m有关的函数，其函数关系式如下：Fr＝f(d,k,m)。
本实施例中，力控机器人集成了力控部和力控制模块，通过比较所设定的参考力Fr与测量的反馈力Ff，来实时改变力控机器人的进给速度，从而适应打磨过程，保证汽车铸锻件非均匀飞边精确去除。如图1所示，力控机器人还与一机器人控制器7连接，机器人控制器生成机器人运动控制指令，用于控制力控机器人按照规划路径进行汽车铸锻件飞边去除作业。
本发明在具体应用时，如图3所示，包括以下步骤：
S1、根据汽车铸锻件CAD模型以及铸锻造后的飞边真实分布情况，确定不同的打磨工具组合；
S2、在路径规划软件中规划飞边打磨路径并进行系统加工仿真；
S3、通过仿真判断是否打磨到位和发生干涉，规划出合理的打磨路径；
S4、根据飞边余量大小、汽车铸锻件材料，基于前期大量工艺试验，确定合理的力控机器人加工过程参数，并在机器人控制器中设定参考力Fr；
S5、将待打磨汽车铸锻件放置于上料机，上料限位传感器检测到汽车铸锻件进入上料工位后，上料机停止运行；
S6、力控机器人从上料工位抓取待打磨汽车铸锻件，并通过打磨机构对飞边处进行打磨；
S7、若打磨过程中测量的反馈力Ff位于参考力范围(Fr-a～Fr+a)，则机器人保持恒速运动；当打磨过程遇到较大凸出的飞边从而引起加工过程不稳定，即测量的反馈力Ff大于参考力的上限Fr+a，则机器人通过PI力控制策略，自动降低运行速比至一个合理的值，从而维持恒材料去除率；当打磨过程遇到较小余量的飞边时，即测量的反馈力Ff小于参考力的下限Fr-a，则机器人通过PI力控制策略，自动增加运行速比至一个合理的值，从而维持恒材料去除率；
S8、依次打磨汽车铸锻件不同部位的飞边，直至打磨完成，然后力控机器人将已打磨汽车铸锻件卸放在下料机上，下料限位传感器检测到汽车铸锻件进入，随后启动运行，将已打磨铸锻件运送至下料工位，最后力控机器人再抓取新的待打磨汽车铸锻件进行下一个循环。
当机器人夹持汽车铸锻件尚未与打磨机构接触时，机器人控制模式采用位置控制，并在汽车铸锻件接触到打磨工具时，及时切换到力控制状态，并根据反馈力与参考力的比较，自动调整机器人运行速度从而维持较均匀的材料去除率，实现非均匀飞边的精确去除。
本发明具有以下特点：1)、实现了异形汽车铸锻件的自动化飞边去除作业，代替传统人工作业方式，将工人从恶劣的作业环境中解放出来；2)、根据汽车铸锻件飞边特点，采用不同的打磨工具进行不同部位的飞边去除；3)、采用力控机器人方式精确去除汽车铸锻件的非均匀飞边，从而获得较精密的打磨作业效果；4)、采用PROFIBUS总线技术，实现了系统中控操作台与机器人控制器之间的实时通信，有效保证系统各单元之间的良好协作。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于机器人变速控制的汽车铸锻件飞边去除装置，其特征在于，包括力控机器人和打磨机构，所述力控机器人包括机器人本体、安装在所述机器人本体上的夹持部和力控部，所述夹持部用于夹持汽车铸锻件，所述力控部用于实时检测汽车铸锻件打磨加工过程中磨抛力并据此控制夹持部的进给速度以维持恒材料去除率，所述打磨机构用于对汽车铸锻件的飞边进行打磨；
当打磨过程中力控部实时检测的磨抛力Ff满足Fr-a≤Ff≤Fr+a时，则夹持部保持恒速运动，若Ff满足Ff >Fr+a，则夹持部降低进给速度直至Fr-a≤Ff≤Fr+a，若Ff满足 Ff<Fr-a，则夹持部增加进给速度直至Fr-a≤Ff≤Fr+a，其中，Fr为参考力，Fr-a为参考力下限，Fr+a为参考力上限。
2.根据权利要求1所述的基于机器人变速控制的汽车铸锻件飞边去除装置，其特征在于，所述打磨机构包括砂轮打磨机、砂带磨抛机和内孔打磨机，所述砂轮打磨机用于打磨汽车铸锻件的分型面，所述砂带磨抛机用于抛磨汽车铸锻件的端面，所述内孔打磨机用于打磨汽车铸锻件的内孔。
3.根据权利要求1所述的基于机器人变速控制的汽车铸锻件飞边去除装置，其特征在于，该装置还包括用于将待打磨汽车铸锻件运送至上料工位的上料机和用于将已打磨汽车铸锻件运送至下料工位的下料机，所述上料机和下料机分别与一中控操作台连接。
4.根据权利要求3所述的基于机器人变速控制的汽车铸锻件飞边去除装置，其特征在于，所述上料机上设置有上料限位传感器，所述下料机上设置有下料限位传感器，所述上料限位传感器和下料限位传感器分别与中控操作台连接。
5.根据权利要求1所述的基于机器人变速控制的汽车铸锻件飞边去除装置，其特征在于，该装置还包括设置在力控机器人和打磨机构外周的防护栏。
6.一种基于机器人变速控制的汽车铸锻件飞边去除方法，其特征在于，采用权利要求1-5中任一项所述的基于机器人变速控制的汽车铸锻件飞边去除装置，包括以下步骤：
S1、根据汽车铸锻件制造模型以及铸锻造后的飞边真实分布情况，规划打磨路径；
S2、根据飞边余量大小和汽车铸锻件材料，设定加工过程参数，并设定参考力Fr；
S3、力控机器人的夹持部夹持待打磨汽车铸锻件，打磨机构对汽车铸锻件的飞边进行打磨，打磨过程中力控部实时检测磨抛力Ff，若Fr-a≤Ff≤Fr+a时，则控制夹持部保持恒速运动，若Ff >Fr+a，则控制夹持部降低进给速度直至Fr-a≤Ff≤Fr+a，若 Ff<Fr-a，则控制夹持部增加进给速度直至Fr-a≤Ff≤Fr+a。
7.根据权利要求6所述的基于机器人变速控制的汽车铸锻件飞边去除方法，其特征在于，步骤S2中，参考力Fr是一个关于汽车铸锻件飞边余量大小d、机器人加工过程参数k和汽车铸锻件材料m有关的函数，即。
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Address after: 441534 workshop 9, Mingtai electromechanical Industrial Park, Yongquan Industrial Park, Nanzhang Economic Development Zone, Xiangyang City, Hubei Province

Patentee after: Hubei Zhongzhi Future Intelligent Equipment Manufacturing Co.,Ltd.

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Patentee before: WUHAN University OF TECHNOLOGY