CN109093477A - 一种多机器人协同打磨铸锻件飞边的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多机器人协同打磨铸锻件飞边的装置及方法，它通过将铸锻件的飞边划分为一系列个飞边打磨区域，再采用工件机器人自动抓取工件到指定工作区域，并根据规划的运动路径不断调整末端姿态使其进入不同的飞边打磨区域，每次调整到位后采用工具机器人夹持打磨刀具对每个飞边打磨区域内的所有飞边进行打磨，同时通过力控部、工控机和机器人控制柜的协同作用，实现对铸锻件进行恒力打磨。本发明可以根据规划的运动路径不断调整工件姿态，以最大限度地减少铸锻件飞边打磨盲区，从而实现铸锻件飞边的高效精确去除，缩短打磨周期，提高打磨效率，特别适用于汽车、航空航天等领域尺寸较大、形状复杂的铸锻件飞边的打磨作业。

Description

一种多机器人协同打磨铸锻件飞边的装置及方法
技术领域
本发明属于工业机器人自动化加工技术领域，具体涉及一种多机器人协同打磨铸锻件飞边的装置及方法。
背景技术
以变速器壳体、发动机缸体、叶片、叶盘等为代表的铸锻件品种繁多、结构复杂，在汽车、航空航天等领域有着广泛应用，其飞边高效打磨去除对自动化打磨装备及技术提出了迫切需求。虽然目前已有关于用工业机器人夹持铸锻件或工业机器人夹持打磨刀具对铸锻件飞边进行去除的现有技术，其相对人工打磨作业方式，具有高效率、加工一致性好等优势，但也存在以下缺点：
1)当工业机器人夹持打磨刀具，工件固定时，由于工件结构复杂，工件上特殊部位由于干涉规避，存在较大的打磨盲区，须人工调整工件的方位后再进行打磨，加工不连续易导致打磨自动化程度不高、打磨周期长、打磨效率低等问题；
2)当工业机器人夹持工件(特别是尺寸较大的工件)时，由于飞边分布的位置复杂多变，在用固定打磨刀具对工件飞边去除时，机器人打磨系统因结构弱刚性问题导致机器人进给速度不宜太大，进而影响飞边去除效率，同时整个系统需要足够大的空间来调整工件的位姿以打磨工件不同部位的飞边。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多机器人协同打磨铸锻件飞边的装置及方法，其采用一个机器人自动抓取工件到指定工作区域并根据规划的运动路径不断调整工件姿态，采用另一个机器人夹持打磨刀具，可以最大限度地减少铸锻件飞边打磨盲区，从而实现铸锻件飞边的高效精确去除。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种多机器人协同打磨铸锻件飞边的装置，包括工件机器人、工具机器人、机器人控制柜和工控机；
所述工件机器人包括工件机器人本体以及安装在所述工件机器人本体的执行末端上的夹持部，所述夹持部用于夹持铸锻件；
所述工具机器人包括工具机器人本体、安装在所述工具机器人本体上的力控部以及安装在所述力控部上的打磨部，所述力控部用于实时采集铸锻件飞边打磨过程中的打磨力信息，所述打磨部用于对铸锻件的飞边进行打磨；
所述机器人控制柜用于控制工件机器人和工具机器人按照预设的协同打磨路径运动，所述协同打磨路径包括将铸锻件的飞边划分为一系列个飞边打磨区域，每个飞边打磨区域通过调整工件机器人执行末端的姿态来实现，当工件机器人执行末端的姿态调整到位后，工具机器人运动带动打磨部进入铸锻件的飞边打磨区域，且在打磨过程中，所述力控部将采集到的打磨力信息发送给工控机；
所述工控机将接收到的打磨力信息进行分析处理，并将处理结果发送给机器人控制柜，所述机器人控制柜据此调整打磨部的位置使其对铸锻件进行恒力打磨。
按上述技术方案，所述工件机器人本体的执行末端安装有快换部，所述快换部用于对夹持部进行快速更换。
按上述技术方案，所述力控部包括安装于所述工具机器人本体上的六维力传感器和设置于所述工控机内的力控模块，所述六维力传感器与所述力控模块连接，所述力控模块与所述机器人控制柜连接。
按上述技术方案，所述打磨部包括安装在所述工具机器人本体上的气动动力主轴、安装在所述气动动力主轴上的刀具快换接口以及安装在所述刀具快换接口上的打磨刀具。
按上述技术方案，该装置还包括用于将待打磨铸锻件运送至上料工位的上料传送机构和用于将已完成打磨的铸锻件运送至下料工位的下料传送机构，所述上料传送机构和下料传送机构分别与所述工控机连接。
按上述技术方案，所述上料传送机构上设置有上料限位传感器，所述下料传送机构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所述工控机连接。
按上述技术方案，该装置还包括设置在所述工件机器人、工具机器人、机器人控制柜和工控机外围的安全护栏。
按上述技术方案，所述安全护栏上设置有紧急停止机构。
一种基于上述装置的多机器人协同打磨铸锻件飞边的方法，包括以下步骤：
S1、根据铸锻件模型，规划工件机器人和工具机器人的协同打磨路径；
S2、通过夹持部将铸锻件夹持在工件机器人上，机器人控制柜控制工件机器人运动至工作区域，调整工件机器人执行末端的姿态，使铸锻件进入第一个飞边打磨区域，机器人控制柜控制工具机器人运动使其带动打磨部进入铸锻件的第一个飞边打磨区域，对第一个飞边打磨区域的所有飞边依次进行打磨，且在打磨过程中，力控部实时采集打磨部的打磨力信息并发送给工控机，工控机将接收到的打磨力信息进行分析处理，并将处理结果发送给机器人控制柜，机器人控制柜据此调整打磨部的位置使其对铸锻件进行恒力打磨；
S3、当铸锻件的第一个打磨区域的所有飞边打磨完成后，调整工件机器人末端姿态，使铸锻件进入下一个飞边打磨区域，工具机器人带动打磨部进入铸锻件的下一个飞边打磨区域，按照协同打磨路径工件机器人和工具机器人相互配合完成对铸锻件所有飞边的恒力打磨。
按上述技术方案，所述恒力打磨的具体步骤是：建立阻抗力控模型，将力控部实时采集到的实际打磨力与参考打磨力之间的差值输入阻抗力控模型，求得位置修正量，工具机器人执行末端当前位移加上位置修正量即得到其下一步要执行的实际位移，进而实现打磨部的打磨力为恒定值。
本发明产生的有益效果是：本发明通过离线编程规划工件机器人与工具机器人的协同打磨路径，使两者协同工作，工件机器人通过调整其末端姿态使铸锻件进入不同的飞边打磨区域，工具机器人通过打磨部对各飞边打磨区域内的所有飞边进行打磨，并通过力控部、工控机和机器人控制柜的配合实现打磨部的恒力打磨。本发明通过多机器人协同自动化作业，代替传统单机器人夹持工件或单机器人夹持工具的作业方式，易于实现铸锻件飞边的高效自动化去除，最大限度地减少铸锻件飞边打磨盲区，同时可以缩短单个工件的加工周期，提高生产效率。
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为多机器人协同打磨铸锻件飞边的装置的结构示意图；
图2为多机器人协同打磨铸锻件飞边的方法的流程图；
图3为恒力打磨的原理示意图；
图4为本发明对铸锻件各打磨区域飞边的具体打磨流程图。
图中：1-下料传送机构、2-下料限位传感器、3-工控机、4-安全护栏、5-机器人控制柜、6-驱动模块、7-工件机器人本体、8-上料限位传感器、9-快换部、10-夹持部、11-铸锻件、12-上料传送机构、13-打磨刀具、14-刀具快换接口、15-气动动力主轴、16-六维力传感器、17-工具机器人本体、18-底座。
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，一种多机器人协同打磨铸锻件飞边的装置，包括工件机器人、工具机器人、机器人控制柜5和工控机3；
工件机器人包括工件机器人本体7(工件机器人本体固定安装在地板上)以及安装在工件机器人本体7的执行末端上的夹持部10，夹持部10用于夹持铸锻件11；
工具机器人包括工具机器人本体17(工具机器人本体安装在圆柱形的底座18上)、安装在工具机器人本体17上的力控部以及安装在力控部上的打磨部，力控部用于实时采集铸锻件11飞边打磨过程中的打磨力信息，打磨部用于对铸锻件11的飞边进行打磨；
机器人控制柜5(其与一驱动模块6连接)用于生成机器人移动控制指令并驱动工件机器人和工具机器人按照预设的协同打磨路径运动，协同打磨路径包括将铸锻件11的飞边划分为一系列个飞边打磨区域，每个飞边打磨区域通过调整工件机器人执行末端的姿态来实现，当工件机器人执行末端的姿态调整到位后，工具机器人运动带动打磨部进入铸锻件11的飞边打磨区域，且在打磨过程中，力控部将采集到的打磨力信息发送给工控机3；
工控机3将接收到的打磨力信息进行分析处理，并将处理结果发送给机器人控制柜5，机器人控制柜5据此调整打磨部的位置使其对铸锻件11进行恒力打磨。
在本发明的优选实施例中，如图1所示，工件机器人本体7的执行末端安装有快换部9，快换部9用于对夹持部10进行快速更换，具体的，快换部安装在工件机器人本身执行末端的法兰盘上。
在本发明的优选实施例中，如图1所示，力控部包括安装于工具机器人本体17上的六维力传感器16和设置于工控机3内的力控模块，六维力传感器16与力控模块连接，力控模块与机器人控制柜5连接，六维力传感器用于实时采集飞边去除过程中的打磨力信息，并将其传输给力控模块进行处理，力控模块用于监测并控制飞边去除过程中的打磨力。
在本发明的优选实施例中，如图1所示，打磨部包括安装在工具机器人本体17上的气动动力主轴15、安装在气动动力主轴15上的刀具快换接口14以及安装在刀具快换接口14上的打磨刀具13，其中，气动动力主轴15通过连接板安装在六维力传感器的末端，用于为打磨刀具13提供高的转速，刀具快换接口用于快速更换不同类型的打磨刀具，打磨刀具用于对铸锻件的飞边进行打磨去除。
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铸锻件11运送至上料工位的上料传送机构12和用于将已完成打磨的铸锻件11运送至下料工位的下料传送机构1，上料传送机构12和下料传送机构1分别与工控机3连接，优选的，上料传送机构12上设置有上料限位传感器8，下料传送机构1上设置有下料限位传感器2，上料限位传感器8和下料限位传感器2分别与工控机3连接，用于对整个装置的启动与停止、上料与下料、恒力打磨进行监测与控制。
当上料传送机构中的上料限位传感器检测到铸锻件毛坯到达预设工位时，通过连接线缆发送信号给工控机，工控机发出停止指令使上料传送机构停止，并同时发送信号给工控机，工控机控制工件机器人到预设工位抓取工件；当工件机器人把打磨好的铸锻件放到下料传送机构上时，下料传送机构上的下料限位传感器检测到铸锻件并发送信号给工控机，工控机控制下料传送机构运转，把铸锻件运送到预设的下料工位，同时工控机控制上料传送机构起动将下一铸锻件向预设上料工位传送，以便进行下一铸锻件的打磨。
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工件机器人、工具机器人、机器人控制柜5和工控机3外围的安全护栏4，安全护栏用于保证整个装置的安全运行，安全护栏4上设置有紧急停止机构，以应对紧急情况。
相应的，基于上述多机器人协同打磨铸锻件飞边的装置，本发明还提供一种多机器人协同打磨铸锻件飞边的方法，如图2所示，该方法包括以下步骤：
S1、根据铸锻件11的CAD模型，在机器人离线编程软件中规划工件机器人和工具机器人的协同打磨路径；
S2、通过夹持部10将铸锻件11夹持在工件机器人上，机器人控制柜5控制工件机器人运动至工作区域，调整工件机器人执行末端的姿态，使铸锻件11进入第一个飞边打磨区域，机器人控制柜5控制工具机器人运动使其带动打磨部进入铸锻件11的第一个飞边打磨区域，对第一个飞边打磨区域的所有飞边依次进行打磨，且在打磨过程中，力控部实时采集打磨部的打磨力信息并发送给工控机3，工控机3将接收到的打磨力信息进行分析处理，并将处理结果发送给机器人控制柜5，机器人控制柜5据此调整打磨部的位置使其对铸锻件11进行恒力打磨；
S3、当铸锻件11的第一个打磨区域的所有飞边打磨完成后，调整工件机器人末端姿态，使铸锻件11进入下一个飞边打磨区域，工具机器人带动打磨部进入铸锻件11的下一个飞边打磨区域，按照协同打磨路径工件机器人和工具机器人相互配合完成对铸锻件11所有飞边的恒力打磨。
在本发明的优选实施例中，恒力打磨的具体步骤是：建立阻抗力控模型，将力控部实时采集到的实际打磨力与参考打磨力之间的差值输入阻抗力控模型，求得位置修正量，工具机器人执行末端当前位移加上位置修正量即得到其下一步要执行的实际位移，进而实现打磨部的打磨力为恒定值。
如图3所示，恒力打磨的原理如下：六维力传感器检测当前作用于机器人末端执行器的力F，经过坐标变换后进行重力补偿得到打磨过程中的实际打磨力Fo，从而可求得法向打磨力Fn，与参考法向打磨力Fdn作差得到法向打磨力偏差Fε，将其输入到阻抗控制器，通过阻抗模型F＝MX″+DX′+KX在频域下的表达式求得法向位移的补偿量e，与此同时通过机器人运动学正解求得当前末端执行器的法向位移Xp，将其与e求和得到机器人系统接下来要执行的法向位移Xt，通过机器人运动学逆解得到机器人各关节需要转过的角度θt，并将其输入到机器人控制器调整末端执行器的位置，如此形成一个反馈闭环系统，从而保证恒力打磨，其中法向参考打磨力Fdn由飞边特性和工艺要求通过大量试验确定。
如图4所示，工具机器人带动打磨刀具对铸锻件不同打磨区域的不同飞边进行打磨的具体流程为：首先工件机器人按程序控制指令运动到预先设定的工作区域，再调整工件机器人末端夹持铸锻件的姿态，当到达铸锻件的第i(i>0)个期望姿态后停止，工具机器人进入铸锻件的第i个打磨区域并带动打磨刀具对铸锻件第i个打磨区域的第j(j>0)条飞边进行打磨，打磨完成后工具机器人按程序控制指令调整姿态对第i个打磨区域的第j+1条飞边进行打磨，工具机器人依次完成对铸锻件的第i个打磨区域所有飞边的打磨后，在移动指令的控制下运动到安全区域等待，工件机器人在程序指令的控制下运动到铸锻件的第i+1个期望姿态后停止，工具机器人进入铸锻件的第i+1个打磨区域并带动打磨刀具完成对第i+1个打磨区域所有飞边的打磨，直到工具机器人完成对铸锻件所有打磨区域飞边的打磨后，铸锻件打磨完成。
本发明在具体应用时，如图2所示，包括以下步骤：
S1、根据铸锻件飞边真实分布情况以及飞边特性确定飞边打磨刀具；
S2、根据铸锻件的CAD模型以及铸锻件飞边真实分布情况确定不同的飞边打磨区域；
S3、利用轨迹规划插件规划机器人的运动轨迹并生成机器人程序指令，在机器人离线编程软件中对生成的程序指令做相应的修改，并加入工件机器人与工具机器人同步工作指令；
S4、在机器人离线编程软件中对整个系统进行仿真加工，判断机器人与周边物体是否发生干涉以及工件机器人与工具机器人是否发生碰撞，从而规划出最合理的协同打磨路径；
S5、确定工件机器人的基座标系并以工件机器人的基座标系为参考坐标系，对工件机器人的基座标系进行相对校准；
S6、标定工具机器人所夹持打磨刀具的工具坐标系和工件机器人夹持铸锻件的工件坐标系并将其更新到机器人运动指令中；
S7、结合铸锻件飞边特性以及打磨工艺要求，通过大量试验确定打磨过程中的参考打磨力Fdn；
S8、当上料限位传感器检测到铸锻件到达预设上料工位时，工控机控制上料传送机构使其停止；
S9、工件机器人从上料工位抓取铸锻件毛坯，运动到指定工作区域后，工具机器人带动打磨刀具对铸锻件不同打磨区域上的飞边进行恒力打磨；
S10、打磨完成后，工具机器人回到打磨等待点，工件机器人则将铸锻件放置到下料传送机构上，当下料传送机构上的下料限位传感器检测到已打磨好的铸锻件时，工控机控制下料传送机构使其运转，将铸锻件运送到下料工位，与此同时，工件机器人再次抓取铸锻件毛坯，进行新一轮的打磨。
工件机器人的控制模式为纯位置控制，而工具机器人的控制模式为力/位混合控制，当工具机器人带动的打磨刀具未与工件机器人夹持的铸锻件接触时采用位置控制，当打磨刀具与铸锻件接触开始打磨时自动切换到恒力控制模式，当打磨完成后工具机器人自动切换回位置控制。
机器人控制柜包括一个控制模块和两个驱动模块，控制模块用于生成两个机器人的移动控制指令，根据生成的机器人移动控制指令，两个驱动模块分别驱动工件机器人和工具机器人运动。
本发明具有以下特点：1)通过多机器人协同自动化作业，代替传统单机器人夹持工件或单机器人夹持工具的作业方式，易于实现铸锻件飞边的高效自动化去除，最大限度地减少铸锻件飞边打磨盲区，同时可以缩短单个工件的加工周期，提高生产率；
2)通过离线编程生成工件机器人与工具机器人的运行程序，做适当修改并在程序中加入同步工作指令，使工具机器人带动打磨刀具打磨铸锻件不同打磨区域的不同飞边；
3)在法线方向上采用恒力打磨铸锻件飞边，提高飞边打磨质量的同时有效地减小了刀具与铸锻件之间的冲击，从而提高了打磨的稳定性与刀具的使用寿命。
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 (10)

1.一种多机器人协同打磨铸锻件飞边的装置，其特征在于，包括工件机器人、工具机器人、机器人控制柜（5）和工控机（3）；
所述工件机器人包括工件机器人本体（7）以及安装在所述工件机器人本体（7）的执行末端上的夹持部（10），所述夹持部（10）用于夹持铸锻件（11）；
所述工具机器人包括工具机器人本体（17）、安装在所述工具机器人本体（17）上的力控部以及安装在所述力控部上的打磨部，所述力控部用于实时采集铸锻件（11）飞边打磨过程中的打磨力信息，所述打磨部用于对铸锻件（11）的飞边进行打磨；
所述机器人控制柜（5）用于控制工件机器人和工具机器人按照预设的协同打磨路径运动，所述协同打磨路径包括将铸锻件（11）的飞边划分为一系列个飞边打磨区域，每个飞边打磨区域通过调整工件机器人执行末端的姿态来实现，当工件机器人执行末端的姿态调整到位后，工具机器人运动带动打磨部进入铸锻件（11）的飞边打磨区域，且在打磨过程中，所述力控部将采集到的打磨力信息发送给工控机（3）；
所述工控机（3）将接收到的打磨力信息进行分析处理，并将处理结果发送给机器人控制柜（5），所述机器人控制柜（5）据此调整打磨部的位置使其对铸锻件（11）进行恒力打磨。
2.根据权利要求1所述的多机器人协同打磨铸锻件飞边的装置，其特征在于，所述工件机器人本体（7）的执行末端安装有快换部（9），所述快换部（9）用于对夹持部（10）进行快速更换。
3.根据权利要求1所述的多机器人协同打磨铸锻件飞边的装置，其特征在于，所述力控部包括安装于所述工具机器人本体（17）上的六维力传感器（16）和设置于所述工控机（3）内的力控模块，所述六维力传感器（16）与所述力控模块连接，所述力控模块与所述机器人控制柜（5）连接。
4.根据权利要求1所述的多机器人协同打磨铸锻件飞边的装置，其特征在于，所述打磨部包括安装在所述工具机器人本体（17）上的气动动力主轴（15）、安装在所述气动动力主轴（15）上的刀具快换接口（14）以及安装在所述刀具快换接口（14）上的打磨刀具（13）。
5.根据权利要求1所述的多机器人协同打磨铸锻件飞边的装置，其特征在于，该装置还包括用于将待打磨铸锻件（11）运送至上料工位的上料传送机构（12）和用于将已完成打磨的铸锻件（11）运送至下料工位的下料传送机构（1），所述上料传送机构（12）和下料传送机构（1）分别与所述工控机（3）连接。
6.根据权利要求5所述的多机器人协同打磨铸锻件飞边的装置，其特征在于，所述上料传送机构（12）上设置有上料限位传感器（8），所述下料传送机构（1）上设置有下料限位传感器（2），所述上料限位传感器（8）和下料限位传感器（2）分别与所述工控机（3）连接。
7.根据权利要求1所述的多机器人协同打磨铸锻件飞边的装置，其特征在于，该装置还包括设置在所述工件机器人、工具机器人、机器人控制柜（5）和工控机（3）外围的安全护栏（4）。
8.根据权利要求7所述的多机器人协同打磨铸锻件飞边的装置，其特征在于，所述安全护栏（4）上设置有紧急停止机构。
9.一种多机器人协同打磨铸锻件飞边的方法，其特征在于，该方法基于权利要求1-8中任一项所述的多机器人协同打磨铸锻件飞边的装置，包括以下步骤：
S1、根据铸锻件（11）模型，规划工件机器人和工具机器人的协同打磨路径；
S2、通过夹持部（10）将铸锻件（11）夹持在工件机器人上，机器人控制柜（5）控制工件机器人运动至工作区域，调整工件机器人执行末端的姿态，使铸锻件（11）进入第一个飞边打磨区域，机器人控制柜（5）控制工具机器人运动使其带动打磨部进入铸锻件（11）的第一个飞边打磨区域，对第一个飞边打磨区域的所有飞边依次进行打磨，且在打磨过程中，力控部实时采集打磨部的打磨力信息并发送给工控机（3），工控机（3）将接收到的打磨力信息进行分析处理，并将处理结果发送给机器人控制柜（5），机器人控制柜（5）据此调整打磨部的位置使其对铸锻件（11）进行恒力打磨；
S3、当铸锻件（11）的第一个打磨区域的所有飞边打磨完成后，调整工件机器人末端姿态，使铸锻件（11）进入下一个飞边打磨区域，工具机器人带动打磨部进入铸锻件（11）的下一个飞边打磨区域，按照协同打磨路径工件机器人和工具机器人相互配合完成对铸锻件（11）所有飞边的恒力打磨。
10.根据权利要求9所述的多机器人协同打磨铸锻件飞边的方法，其特征在于，所述恒力打磨的具体步骤是：建立阻抗力控模型，将力控部实时采集到的实际打磨力与参考打磨力之间的差值输入阻抗力控模型，求得位置修正量，工具机器人执行末端当前位移加上位置修正量即得到其下一步要执行的实际位移，进而实现打磨部的打磨力为恒定值。
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