CN109202686B - 机器人研磨系统及研磨控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人研磨系统及研磨控制方法；该研磨控制方法包括：研磨加工时，考虑所述磨具组件的自身重力因素对所述压力传感器所检测的压力信号进行修正，以控制磨具与被加工件之间的研磨力处于预定磨削力范围内；本发明所提供的研磨控制方法在研磨加工前，直接通过设置于压力产生装置与磨具组件之间的压力传感器获取磨具组件的重力，无需将磨具组件进行单独承重，简化工艺环节，提高研磨工艺效率，并且本发明在进行研磨时综合考虑磨具组件自身重力对被加工件的影响，可以精确控制。

Description

机器人研磨系统及研磨控制方法

技术领域

本发明涉及研磨技术领域，特别涉及一种机器人研磨系统及研磨控制方法。

背景技术

机器人研磨系统是一种利用机器人实现产品研磨的自动化生产系统。该系统可以快速且有效地去除被加工零件表面的多余材料，故机器人研磨系统现已广泛应用于各工业领域。

被加工零件表面的研磨质量是本领域内技术人员一直关注的焦点。

发明内容

本发明提供一种研磨控制方法，压力产生装置与包括磨具在内的磨具组件之间设置有压力传感器；该研磨控制方法具体包括：

研磨加工时，考虑所述磨具组件的自身重力因素对所述压力传感器所检测的压力信号进行修正，以控制磨具与被加工件之间的研磨力处于预定磨削力范围内。

与现有技术称量磨具组件获得其重量相比，本发明所提供的研磨控制方法在研磨加工前，直接通过设置于压力产生装置与磨具组件之间的压力传感器获取磨具组件的重力，无需将磨具组件进行单独承重，简化工艺环节，提高研磨工艺效率，并且本发明在进行研磨时综合考虑磨具组件自身重力对被加工件的影响，可以精确控制施加于被加工件表面的研磨压力，有利于获得精度比较高的研磨表面。

可选的，当所述被加工件的研磨表面为平面时，在研磨开始前，还预先设定研磨表面法向与竖直方向的夹角θ于控制器内部；研磨加工时，根据公式F_实＝F_施±W*cosθ控制磨具与被加工件之间的研磨力处于预定磨削力范围内；

其中，F_实表示压力产生装置实际输出的压力；F_施表示所述压力传感器检测的压力。

可选的，当所述被加工件的研磨表面为曲面时，研磨加工时，根据机器人各节机械臂上设置的各角度传感器确定当前状态所述被加工件的研磨位置法向与竖直方向的夹角θ；根据公式F_实＝F_施±W*cosθ控制磨具与被加工件之间的研磨力处于预定磨削力范围内。

可选的，所述压力产生装置中设置有角度传感器，用于检测所述压力产生装置中驱动部件的姿态；在研磨加工时，根据所述压力产生装置中设置的角度传感器确定当前状态所述被加工件的研磨位置法向与竖直方向的夹角θ；根据公式F_实＝F_施±W*cosθ控制磨具与被加工件之间的研磨力处于预定磨削力范围内。

可选的，在获取所述磨具组件重力W时，综合考虑所述压力传感器所检测的压力信号及所述磨具组件的姿态参数二者因素。

此外，本发明还提供了一种机器人研磨系统，包括以下部件：

磨具组件，包括磨具以及驱动磨具转动的动力部件；

压力产生装置，包括驱动部件，用于带动所述磨具靠近或者远离被加工件；

压力传感器，设置于所述驱动部件和所述磨具组件之间；

控制器，具有重力计算模块，用于根据所述压力传感器所检测的压力信号计算所述磨具组件的重力W，并将该重力W存储于控制器内部；

研磨加工时，所述控制器考虑所述磨具组件的自身重力因素对所述压力传感器所检测的压力信号进行修正，以控制所述磨具与被加工件之间的研磨力处于预定磨削力范围内。

可选的，所述控制器内部还预存储有公式F_实＝F_施±W*cosθ；研磨加工时，所述控制器根据公式F_实＝F_施±W*cosθ控制所述磨具与被加工件之间的研磨力处于预定磨削力范围内；

其中，θ为研磨位置表面法向与竖直方向的夹角；F_实表示压力产生装置实际输出的压力；F_施表示所述压力传感器检测的压力。

可选的，还包括设置于所述压力产生装置中的角度传感器，用于检测所述驱动部件的姿态；在研磨加工时，根据所述压力产生装置中设置的所述角度传感器确定当前状态研磨位置法向与竖直方向的夹角θ。

可选的，还包括用于检测机器人各节机械臂姿态参数的角度传感器；在研磨加工时，根据所述各节机械臂姿态参数直接获取当前状态研磨位置法向与竖直方向的夹角θ。

可选的，还包括操作界面，所述操作界面上设置有与所述重力计算模块进行通信的称重按钮，当操作所述称重按钮时，所述重力计算模块计算所述磨具组件的重力，并将该重力存储于内部。

可选的，所述驱动部件为气缸或者液压缸，所述压力产生装置还包括为所述气缸或者液压缸提供动力的气源或者液压源，并且所述气源或者所述液压源与相应所述气缸或者液压缸之间的还设置有流量控制阀。

可选的，所述驱动部件为伺服马达，所述压力产生装置还包括螺母丝杠组件。

附图说明

图1为本发明一种具体实施例中机器人研磨系统的结构示意图；

图2为本发明对水平面进行加工时磨具组件的姿态示意图；

图3为本发明对斜面进行加工时磨具组件的姿态示意图；

图4为本发明一种具体实施例中压力产生装置对动力部件的控制框图；

图5为本发明另一种具体实施例中机器人研磨系统的结构示意图；

图6为本发明所提供的研磨控制方法的流程图。

其中，图1至图5中：

驱动器10、伺服马达11、丝杠12、螺母13；

速度驱动器20、动力部件21、磨具22、传动部件23、安装架24、电流检测器25、电源26；

空压机30、气缸31、角度传感器32、压力检测部件33、流量控制阀34；

机械臂100、自由端部100a、机器人控制器110、压力控制器120、工作平台200、被加工件300；

操作界面60。

具体实施方式

机器人研磨系统利用安装于机器人自由端部的磨具对待研磨产品的表面进行加工研磨。在产品研磨过程中，影响研磨产品成型表面品质的因素很多，例如磨具类型、工件材质、研磨力等，其中研磨力是影响最终研磨成型表面质量的重要因素之一。

目前，研磨力主要通过以下方式进行确定：操作人员根据待研磨表面的研磨精度要求选择合适的研磨力数值，结合操作经验调节磨具于待研磨表面的合适距离位置，以使磨具在研磨工作时，施加于待研磨表面的压力大致满足工作要求。

实践证明现有技术中机器人研磨系统虽然能够快速完成产品表面研磨，但是研磨表面精度却不统一，有时相差较大，即部分研磨表面的精度满足要求，部分研磨表面的精度却不满足要求。有时需要对研磨后的表面再进行局部研磨，费工费时。

在上述研究发现的基础上，本发明进行了进一步的研究探索，提出了一种解决上述研磨表面精度差异较大的技术问题。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合研磨装置、控制方法、机器人研磨系统、附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1，图1为本发明一种具体实施例中机器人研磨系统的结构示意图。

本发明提供了一种机器人研磨系统，包括机器人、压力产生装置和磨具组件。

机器人具有多节机械臂100，各节机械臂100依次连接，压力产生装置和磨具组件一同安装于最末一节机械臂100的自由端部100a，被加工件300通过夹具固定于工作台200上，机器人的自由端部100a沿预定路线横向移动完成被加工件300表面的研磨。当然，被加工件300也可以设置于机器人的自由端部100a，研磨装置固定于工作台200，机器人带动被加工件300沿预定路线运动，进而完成被加工件300表面的研磨。

驱动部件安装于机械臂的自由端部100a，驱动部件主要作用为驱动磨具22和被加工件300其中一者相对另一者相对运动，以调整磨具22和被加工件300之间的距离。驱动部件11可以驱动磨具22靠近或者远离被加工件300，也可以驱动被加工件300靠近或者远离磨具22，即改变磨具22与被加工件300被研磨表面之间的距离，相应可以改变磨具22与被研磨表面之间的压力。优选地，驱动部件驱动磨具22相对被加工件300相对运动。

需要说明的是，驱动部件可以直接驱动磨具22或被加工件300，也可以间接驱动磨具22或者被加工件300，即设置中间部件，驱动部件驱动中间部件实现对磨具22或者被加工件300的驱动。驱动部件可以为伸缩部件，例如气缸或者液压缸；驱动部件还也可以为伺服马达11。

磨具组件包括动力部件21、磨具22、传动部件23和安装架24。磨具22主要作用为与被加工件300待打磨表面接触并完成对其表面的打磨，根据被加工件300的不同选取合适的磨具22，对于磨具22的材料本文不做详述，可参考现有技术。动力部件21主要为磨具22提供研磨所需转动力，即动力部件21驱动磨具22转动。动力部件21可以为伺服马达，当然，本领域内技术人员应当理解本文中磨具的动力部件不局限于伺服马达，还可以为普通马达等其他部件，只要能够提供磨具的转动动力即可。

一般地，磨具22、动力部件21和传动部件均安装于安装架24上，其中动力部件21通过传动部件23驱动磨具22转动，即动力部件21的动力经传动部件23传递至磨具22。传动部件23可以为带-齿轮结构，也可以为其他形式，本文不做限定。其中，安装架24和传动部件23为组成磨具组件的非必要部件。

压力产生装置与包括磨具22在内的磨具组件之间还设置有压力传感器14，压力传感器14用于检测磨具22与被加工件300之间的压力。具体地，压力传感器14可以设置于驱动部件与磨具组件的安装架之间。

请参考图6，本发明提供了一种具体研磨控制方法，具体包括：

S1、在研磨开始前，通过压力传感器14所检测的压力信号直接获取磨具组件的重力W，并将该重力W存储于控制器内部；

当然磨具组件的重力W不局限于上述步骤S1中在研磨开始前通过压力传感器14测量，在研磨过程中也可以通过压力传感器14的压力信号进行测量。

相应地，控制器具有重力计算模块，用于根据所述压力传感器14所检测的压力信号计算所述磨具组件的重力W，并将该重力W存储于控制器内部。

当磨具组件处于竖直状态，即磨具22的轴线与竖直方向夹角为零时，磨具组件的重力W完全作用于压力传感器14；当磨具组件处于倾斜状态，即磨具22的轴线与竖直方向具有夹角θ时，磨具组件的部分重力W*cosθ作用于压力传感器14。控制器可以根据检测所得的或者已知的θ的数值，计算出磨具组件的重力W。

也就是说，在获取磨具组件重力W时，磨具组件处于竖直状态最佳，但是可能受限于外部环境，磨具组件是处于倾斜状态的，此时在获取所述磨具组件重力W时，需要综合考虑所述压力传感器14所检测的压力信号及磨具组件的姿态参数二者因素。磨具组件的姿态参数的获取后续将做具体介绍。

对于机器人研磨系统而言，压力产生装置中通常包括压力控制器120，压力控制器120可以接收压力产生装置以及磨具组件中包括驱动部件以及动力部件在内的执行部件的工作参数并控制相关部件动作。故本发明的研磨控制方法可以设置于压力控制器120内部，即磨具组件的重力W存储于压力控制器120内部。

本发明中的机器人研磨系统还可以进一步包括操作界面60，操作界面60上设置有与重力计算模块进行通信的称重按钮，当操作称重按钮时，重力计算模块计算磨具组件的重力，并将该重力存储于内部。本文不限定称重按钮的形式

在研磨开始前，操作人员只需按动承重按钮，系统即可自动获取磨具组件的重量并将重量存储于控制器内部。

当然，机器人研磨系统中也包括机器人控制器110，用于接收机器人各部件的工作参数并控制机器人各执行部件动作。执行本发明的研磨控制方法也可以为机器人控制器110。

当然，也可以设置专门的控制器执行本发明的研磨控制方法。

优选，执行本发明研磨控制方法的控制器为压力控制器120。

压力传感器14设置于驱动部件与磨具组件之间。当磨具22处于不同姿态时，压力传感器14实际检测的压力值可能与磨具22和被加工件300之间的实际接触压力并非相同。也就是说，压力传感器14的反馈数值并非为磨具22与被加工件300之间的实际压力值。故在研磨加工时执行步骤S2。

S2、研磨加工时，考虑磨具组件的自身重力因素对压力传感器14所检测的压力信号进行修正，以控制磨具22与被加工件300之间的研磨力处于预定磨削力范围内。

理论上预定磨削力范围可以为一个具体数值，但是综合考虑被加工件300的加工精度、加工效率以及其他因素，预定磨削力范围通常可以为某一数值范围。预定磨削压力范围可以通过输入控制器的预定磨削压力F1进行确定范围。预定磨削力范围定义为：F_min至F_max。在研磨加工时，通过压力传感器14所检测压力信号以及磨具组件的姿态信号计算驱动部件的实际应当作用于磨具组件上的作用力，以控制磨具22与被加工件300之间的接触压力处于预定磨削力范围。

与现有技术称量磨具组件获得其重量相比，本发明所提供的研磨控制方法在研磨加工前，直接通过设置于压力产生装置与磨具组件之间的压力传感器14获取磨具组件的重力，无需将磨具组件进行单独承重，简化工艺环节，提高研磨工艺效率，并且本发明在进行研磨时综合考虑磨具组件自身重力对被加工件300的影响，可以精确控制施加于被加工件300表面的研磨压力，有利于获得精度比较高的研磨表面。

请参考图2和图3，图2为本发明对水平面进行加工时磨具组件的姿态示意图；图3为本发明对斜面进行加工时磨具组件的姿态示意图。

在一种具体实施例中，当被加工件300的研磨表面为平面时，该研磨表面的倾角可能为已知或者可以通过测量工具快速获取的，这样在研磨开始前，可以将已知的或者通过测量工具获取研磨表面法向与竖直方向的夹角θ，然后设定θ于控制器(压力控制器120或机器人控制器110)内部。并且在研磨加工时，直接根据公式F_实＝F_施±W*cosθ控制磨具22与被加工件300之间的研磨力处于预定磨削力范围内。

其中，F_实表示压力产生装置实际输出的压力；F_施表示所述压力传感器14检测的压力。

公式F_实＝F_施±W*cosθ提前预存于控制器内部。

需要说明的是，研磨表面可以为水平面，如图2所示，此时θ为零；研磨表面也可以为斜面，如图3

当所述被加工件300的研磨表面为曲面时，研磨过程中θ始终是变化的。θ可以通过以下两种方式获取。

第一种方式：对于机器人研磨系统而言，通常机器人研磨系统的各节机械臂100上均设置有角度传感器，用于检测机器人各节机械臂100姿态参数的角度传感器，故θ可以直接通过机械臂100上设置的角度传感器获得。研磨加工时，根据机器人各节机械臂100上设置的各角度传感器确定当前状态被加工件300的研磨位置法向与竖直方向的夹角θ；根据公式F_实＝F_施±W*cosθ控制磨具22与被加工件300之间的研磨力处于预定磨削力范围内。机器人角度传感器检测参数可以直接从机器人控制器110内部读取。

该实施方式无需增加其他检测部件即可获取磨具组件的姿态信息，有利于简化机器人研磨系统结构。

第二种方式：压力产生装置中设置有角度传感器，用于检测压力产生装置中驱动部件的姿态；在研磨加工时，根据压力产生装置中设置的角度传感器确定当前状态被加工件300的研磨位置法向与竖直方向的夹角θ；根据公式F_实＝F_施±W*cosθ控制磨具22与被加工件300之间的研磨力处于预定磨削力范围内。

该实施方式中设置专门的角度传感器以检测驱动部件的姿态，检测准确性比较高。

上述各实施例中的驱动部件可以为气缸或者液压缸，压力产生装置还可以包括为气缸或者液压缸提供动力的气源或者液压源，并且气源或者液压源与相应气缸或者液压缸之间的还设置有流量控制阀。

如图1所示，驱动部件可以为伺服马达，压力产生装置还可以包括螺母丝杠组件、编码器PG1和驱动器10，螺母丝杠组件包括丝杠12和螺母13，伺服马达11的输出轴连接丝杠12，磨具组件与螺母13固定连接，伺服马达11通过螺母13和丝杠12驱动磨具组件。

编码器PG1用于获取伺服马达11的转动参数。驱动器10内部存储有至少一种伺服马达11的工作模式，并控制伺服马达11处于相应工作模式工作。

压力控制器120的信号输入端口连接编码器PG1的信号输出端口，以便直接从编码器PG1获取伺服马达11的转动参数，并且压力控制器120的信号输出端口连接驱动器10的信号输入端口，以输出相应控制指令于驱动器10，驱动器10根据控制指令控制伺服马达11处于相应的工作模式。

压力控制器120直接从编码器PG1获取伺服马达11的转动参数，信号传输比较快，控制效率比较高。

当然，压力控制器120的信号输入端口也可以通过驱动器10连接编码器PG1的信号输出端口，以间接获取伺服马达11的转动参数，并且压力控制器120的信号输出端口连接驱动器10的信号输入端口，以输出相应控制指令于驱动器10，驱动器10根据控制指令控制伺服马达11处于相应的工作模式。

驱动器10可以集成于压力控制器120内部，也可以集成于伺服马达11内部。

同理，磨具组件中的动力部件也可以为伺服马达，为了与伺服马达11区分，本文将磨具组件中的伺服马达定义为速度马达。磨具组件进一步包括编码器PG2和速度驱动器20。编码器PG2用于获取速度马达的转动参数。速度驱动器20用于调节速度马达的转速。

如图4所示，压力控制器120的信号输入端口连接速度马达的编码器PG2的信号输出端口，以便直接从速度马达的编码器PG2获取速度马达的转动参数，并且压力控制器120的信号输出端口连接速度驱动器20的信号输入端口，以输出相应控制指令于速度驱动器20，速度驱动器20根据控制指令控制速度马达的转速。

当然，压力控制器120的信号输入端口可以通过速度驱动器20连接速度马达的编码器PG2的信号输出端口，以间接获取速度马达的转动参数，并且压力控制器120的信号输出端口连接速度驱动器20的信号输入端口，以输出相应控制指令于速度驱动器20，速度驱动器20根据控制指令控制速度马达的转速。

如图5所示，压力产生装置包括空压机30、流量控制阀34和气缸31，流量控制阀设于空压机30的出气口和气缸31的工作口之间连通管路，磨具22设于气缸31的活动端部。角度传感器32检测气缸31的姿态角度。角度传感器32可以为两个二维传感器，也可以为一个多维传感器，只要能实现气缸31姿态角度的检测即可。通过气缸31的姿态判断磨具组件的姿态，进而精确判断磨具22与被加工件300之间的接触压力。

压力控制器120根据角度传感器32所检测的姿态角度判断工具(磨具组件)施加于被加工件300上的力，进而计算气缸31实际输出力。也就是说，该实施方式充分考虑工具自身重力对施加于被加工件300上压力的影响，由此根据工具(磨具)与被加工件300之间的预设压力，精确计算气缸31实际需要输出的压力，有利于提高被加工件300表面的研磨精度。

当然，磨具组件中还可以进一步包括电流检测器25和电源26，电流检测器25用于检测速度马达的负载电流参数，可以以负载电流参数进一步控制磨具22的转动速度。电源26用于对速度驱动器20提供电能。

以上对本发明所提供的一种机器人研磨系统及研磨控制方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种研磨控制方法，其特征在于，压力产生装置与包括磨具在内的磨具组件之间设置有压力传感器；该研磨控制方法具体包括：

研磨加工时，考虑所述磨具组件的自身重力因素对所述压力传感器所检测的压力信号进行修正，以控制磨具与被加工件之间的研磨力处于预定磨削力范围内；当所述被加工件的研磨表面为平面时，在研磨开始前，还预先设定研磨表面法向与竖直方向的夹角θ于控制器内部；研磨加工时，根据公式F_实＝F_施±W*cosθ控制磨具与被加工件之间的研磨力处于预定磨削力范围内；

其中，F_实表示压力产生装置实际输出的压力；F_施表示所述压力传感器检测的压力；W为磨具组件的重力。

2.一种研磨控制方法，其特征在于，压力产生装置与包括磨具在内的磨具组件之间设置有压力传感器；该研磨控制方法具体包括：

研磨加工时，考虑所述磨具组件的自身重力因素对所述压力传感器所检测的压力信号进行修正，以控制磨具与被加工件之间的研磨力处于预定磨削力范围内；当所述被加工件的研磨表面为曲面时，研磨加工时，根据机器人各节机械臂上设置的各角度传感器确定当前状态所述被加工件的研磨位置法向与竖直方向的夹角θ；根据公式F_实＝F_施±W*cosθ控制磨具与被加工件之间的研磨力处于预定磨削力范围内；

或者，所述压力产生装置中设置有角度传感器，用于检测所述压力产生装置中驱动部件的姿态；在研磨加工时，根据所述压力产生装置中设置的角度传感器确定当前状态所述被加工件的研磨位置法向与竖直方向的夹角θ；根据公式F_实＝F_施±W*cosθ控制磨具与被加工件之间的研磨力处于预定磨削力范围内。

3.如权利要求1或2所述的研磨控制方法，其特征在于，在获取所述磨具组件重力W时，综合考虑所述压力传感器所检测的压力信号及所述磨具组件的姿态参数二者因素。

4.一种机器人研磨系统，其特征在于，包括以下部件：

磨具组件，包括磨具以及驱动磨具转动的动力部件；

压力产生装置，包括驱动部件，用于带动所述磨具靠近或者远离被加工件；

压力传感器，设置于所述驱动部件和所述磨具组件之间；

控制器，具有重力计算模块，用于根据所述压力传感器所检测的压力信号计算所述磨具组件的重力W，并将该重力W存储于控制器内部；

研磨加工时，所述控制器考虑所述磨具组件的自身重力因素对所述压力传感器所检测的压力信号进行修正，以控制所述磨具与被加工件之间的研磨力处于预定磨削力范围内；

所述控制器内部还预存储有公式F_实＝F_施±W*cosθ；研磨加工时，所述控制器根据公式F_实＝F_施±W*cosθ控制所述磨具与被加工件之间的研磨力处于预定磨削力范围内；

其中，θ为研磨位置表面法向与竖直方向的夹角；F_实表示压力产生装置实际输出的压力；F_施表示所述压力传感器检测的压力。

5.如权利要求4所述的机器人研磨系统，其特征在于，还包括设置于所述压力产生装置中的角度传感器，用于检测所述驱动部件的姿态；在研磨加工时，根据所述压力产生装置中设置的所述角度传感器确定当前状态研磨位置法向与竖直方向的夹角θ；

或者，还包括用于检测机器人各节机械臂姿态参数的角度传感器；在研磨加工时，根据所述各节机械臂姿态参数直接获取当前状态研磨位置法向与竖直方向的夹角θ。

6.如权利要求4至5任一项所述的机器人研磨系统，其特征在于，还包括操作界面，所述操作界面上设置有与所述重力计算模块进行通信的称重按钮，当操作所述称重按钮时，所述重力计算模块计算所述磨具组件的重力，并将该重力存储于内部。

7.如权利要求4至5任一项所述的机器人研磨系统，其特征在于，所述驱动部件为气缸或者液压缸，所述压力产生装置还包括为所述气缸或者液压缸提供动力的气源或者液压源，并且所述气源或者所述液压源与相应所述气缸或者液压缸之间的还设置有流量控制阀。

8.如权利要求4至5任一项所述的机器人研磨系统，其特征在于，所述驱动部件为伺服马达，所述压力产生装置还包括螺母丝杠组件。

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