CN109794932B - 机械手臂加工系统及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种机械手臂加工系统及其加工方法，该机械手臂加工系统包括一机械手臂、一加工模块以及一控制模块。机械手臂用以提供一机械固持力。加工模块设置于机械手臂上，用以对一工件加工。控制模块连接机械手臂或加工模块，控制模块根据工件的反作用力或机械手臂的位移量对应输出一反动信号，以抵消工件的反作用力或机械手臂的位移量。

Description

机械手臂加工系统及其加工方法

技术领域

本发明涉及一种加工系统，且特别是涉及一种机械手臂加工系统及其加工方法。

背景技术

机械手臂具有高自由度、移动范围大及操作灵活度高等优点，然而，机械手臂的刚性不足，若以机械手臂进给并直接对工件进行加工，机械手臂会因为加工的反作用力的影响，使得机械手臂产生变形，因此影响加工精度。

有鉴于此，如何避免机械手臂产生变形，以提高机械手臂加工系统的加工精度，实为业界亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机械手臂加工系统及其加工方法，用以提高机械手臂加工系统的加工精度。

为达上述目的，根据本发明的一方面，提出一种机械手臂加工系统，包括一机械手臂、一加工模块以及一控制模块。机械手臂用以提供一机械固持力。加工模块设置于机械手臂上，用以对一工件加工。控制模块连接机械手臂或加工模块，控制模块根据工件的反作用力或机械手臂的位移量对应输出一反动信号，以抵消工件的反作用力或机械手臂的位移量。

根据本发明的一方面，提出一种机械手臂加工方法，包括下列步骤。以一机械手臂提供一机械固持力。以设置于机械手臂上的一加工模块对一工件加工，其中加工模块包括一进给单元以及一预压单元，进给单元包括一工具，以对工件加工，预压单元连接机械手臂，且机械固持力经由预压单元施加于工件上，其中机械固持力与工件的反作用力的方向相反。以一控制模块连接机械手臂，控制模块根据工件的反作用力或机械手臂的位移量对应输出一反动信号，以抵消工件的反作用力或机械手臂的位移量。

根据本发明的一方面，提出一种机械手臂加工方法，包括下列步骤。以一机械手臂提供一机械固持力。以设置于机械手臂上的一加工模块对一工件加工，其中加工模块包括一进给单元、一预压单元、一传感单元以及一阻抗模拟单元，进给单元包括一工具，以对工件加工，预压单元连接机械手臂，且机械固持力经由预压单元施加于工件上，其中机械固持力与工件的反作用力的方向相反，传感单元连接于进给单元，用以侦测进给单元对工件进行加工时输出的一负载信号，阻抗模拟单元设置于进给单元与机械手臂之间，阻抗模拟单元根据进给单元输出的负载信号评估工件的反作用力以输出一虚拟阻抗。以一控制模块连接阻抗模拟单元，控制模块根据虚拟阻抗输出一反动信号，以抵消工件的反作用力。

为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举实施例，并配合所附的附图详细说明如下：

附图说明

图1为本发明一实施例的机械手臂加工系统的配置图及其中的传感单元的测量值的示意图，其中图1中的a部分为机械手臂加工系统的配置图，图1中的b部分及c部分为a部分中的传感传感单元的测测量值图；图2A为本发明另一实施例的机械手臂加工系统的示意图；

图2B为传感单元的测量值图；

图3A及图3B为本发明一实施例的长度可变的预压杆的示意图；

图4为本发明另一实施例的机械手臂加工系统的配置示意图；

图5A及图5B分别为本发明另一实施例的机械手臂加工系统的配置示意图；

图6为本发明另一实施例的机械手臂加工系统的配置示意图。

符号说明

10：工件

100、101、102、103、103’、104：机械手臂加工系统

110：机械手臂

111：端部

120：加工模块

121：进给单元

122：驱动器

123：主轴马达

124：工具

125：预压单元

126：固持平台

127：预压杆

127’：长度可变的预压杆

128：传感单元

129：传感单元

130：控制模块

131：传感单元

132：阻抗模拟单元

133：阻尼单元

134：顶挂式阻尼单元

135：阻尼器

136：夹持结构

140：坐标测量单元

F1：机械固持力

F2：反作用力

O：几何中心

VI：虚拟阻抗

VD：虚拟阻尼

D：阻尼值

σ：反动信号

具体实施方式

以下提出实施例进行详细说明，实施例仅用以作为范例说明，并非用以限缩本发明欲保护的范围。以下是以相同/类似的符号表示相同/类似的元件做说明。

第一实施例

图1绘示依照本发明一实施例的机械手臂加工系统100的配置示意图及其中的传感单元128的测量值图。在本实施例中，机械手臂加工系统100包括一机械手臂110、一加工模块120以及一控制模块130。加工模块120可包括一进给单元121、一预压单元125以及至少一传感单元128。

请参照图1中的a部分，依照本发明的一实施例，进给单元121用以施加一加工力于工件10上，进给单元121可包括一驱动器122、一主轴马达123以及一工具124。工具124例如是切削刀具、钻孔刀具、铣刀或搪孔刀等，工具124设置在主轴马达123的轴部上，驱动器122用以驱动主轴马达123以及工具124往工件10移动，以对工件10进行加工。驱动器122可为气压缸组件、线性马达组件或导螺杆组件等。在本实施例中，进给单元121不限定为单轴向进给单元，也可以是多轴向或多自由度进给单元。

依照本发明的一实施例，进给单元121设置于预压单元125上，预压单元125连接机械手臂110，以使机械手臂110可经由预压单元125施加一预压力于工件10上。预压单元125包括一固持平台126以及至少一预压杆127，其中固持平台126固定在机械手臂110的端部111上，而预压杆127设置于固持平台126靠近工件10的一侧，以使预压杆127固定抵接于固持平台126与待加工的工件10之间。在一实施例中，预压杆127的刚性大于机械手臂110的刚性，因此，预压杆127相对于机械手臂110能承受较大的反作用力F2而不易变形。

依照本发明的一实施例，传感单元128可为一力传感器或一位移传感器，用以侦测工件10的反作用力F2或机械手臂110的位移量。传感单元128例如设置在进给单元121上或设置在机械手臂110上。然而，在另一实施例中，亦可分别设置具有力传感/或位置传感功能的传感单元128于进给单元121以及机械手臂110上，本发明不以此为限。

请参照图1中的a部分，机械手臂110提供的机械固持力F1与工件10的反作用力F2的方向相反且大于工件10的反作用力F2，即F1>F2。此外，机械手臂110提供的机械固持力F1减去工件10的反作用力F2等于预压杆127对工件10的预压力。

依照本发明的一实施例，控制模块130经由传感单元128接收侦测工件10的反作用力F2或机械手臂110的位移量得到的一测量值，并根据测量值对应调整机械手臂110提供的机械固持力F1。例如，当侦测到工件10的反作用力F2(参见图1中的b部分的测量值)或机械手臂110的位移量(参见图1中的c部分的测量值)呈现一周期性震荡波时，为了避免周期性震荡波影响到加工系统100的加工精度，控制模块130连接机械手臂110以输出与工件10的反作用力F2或机械手臂110的位移量的数值相同但方向相反的一反动信号σ至机械手臂110，以抵消工件10的反作用力F2或机械手臂110的位移量产生的震动，进而提高加工系统100的加工精度。

第二实施例

图2A绘示依照本发明一实施例的机械手臂加工系统101的配置示意图，图2B绘示传感单元129的测量值。图3A及图3B绘示依照本发明一实施例的长度可变的预压杆127’的示意图。在本实施例中，机械手臂加工系统101包括一机械手臂110、一加工模块120以及一控制模块130。加工模块120包括一进给单元121、一预压单元125以及至少一传感单元129。

本实施例与上述实施例不同之处在于：预压单元125包含至少一长度可变的预压杆127’，且预压杆127’的长度变形量或施加于预压杆127’上的正向力(正向力＝KX，K为弹性系数，X为长度变形量)与机械手臂110的位移量有关，因此，只要知道预压杆127’的长度变形量或施加于预压杆127’上的正向力即可推算出机械手臂110的位移量。

在本实施例中，传感单元129例如是一力传感器或一位置传感器，传感单元129可通过侦测预压杆127’的长度变形量得到的一测量值，而经由传感单元129，控制模块130可根据测量值对应调整机械手臂110提供的机械固持力F1。例如，当侦测到预压杆127’的长度变形量(参见图2B的测量值)呈现一周期性震荡波时，为了避免周期性震荡波影响到加工系统101的加工精度，控制模块130连接机械手臂110以输出与预压杆127’的长度变形量的数值相同但方向相反的一反动信号σ至机械手臂110，以抵消工件10的反作用力F2或机械手臂110的位移量产生的震动，进而提高加工系统101的加工精度。

上述第一实施例中的传感单元128与第二实施例中的传感单元129可搭配使用或单独使用，本发明对此不加以限制。

此外，请参照图3A及图3B，在本实施例中，加工模块120更可包括一坐标测量单元140，用以侦测预压杆127’的长度以得到预压单元125(或固持平台126)的几何中心O的一坐标值，如此，控制模块130可根据固持平台126的几何中心O的位移量得知固持平台126的姿态是否改变。如图3A及图3B所示，预压单元125包含三个或三个以上长度可变的预压杆127’，当侦测到长度可变的预压杆127’相对于工件10的长度等长时，固持平台126的几何中心O于空间坐标系(X,Y,Z)中具有一第一坐标值，当侦测到四个预压杆127相对于工件10的长度不等长时，固持平台126的几何中心O于空间坐标系(X,Y,Z)中具有一第二坐标值，控制模块130可通过坐标转换并计算第一坐标值与第二坐标值之间的位移量得知固持平台126的姿态，并通过调整机械手臂110以改变固持平台126的姿态。

第三实施例

图4绘示依照本发明另一实施例的机械手臂加工系统102的配置示意图。在本实施例中，机械手臂加工系统102包括一机械手臂110、一加工模块120以及一控制模块130。加工模块120包括一进给单元121、一预压单元125、一传感单元131以及一阻抗模拟单元132。

本实施例与上述实施例不同之处在于：传感单元131例如为一电流计或一电压计，且连接于进给单元121，例如可设置于进给单元121的内部或外部，用以侦测进给单元121对工件10进行加工时输出的一负载信号，例如是电流信号、电压信号或电感信号，其中进给单元121对工件10施加的加工力与负载信号成正比。

此外，阻抗模拟单元132设置于进给单元121与预压单元125(或机械手臂110)之间，阻抗模拟单元132可根据进给单元121输出的负载信号评估工件10的反作用力F2以对应产生一虚拟阻抗VI，以使控制模块130能根据虚拟阻抗VI产生抵消工件10的反作用力F2的一反动信号σ，进而提高加工系统100的加工精度。

阻抗模拟单元132例如为一主动式阻抗模拟单元132，可预先评估工件10的反作用力F2，当侦测到工件10的反作用力F2呈现一周期性震荡波时，为了避免周期性震荡波影响到加工系统102的加工精度，控制模块130连接阻抗模拟单元132以输出与工件10的反作用力F2的数值相同但方向相反的一反动信号σ至进给单元121，以抵消工件10的反作用力F2产生的震动，进而提高加工系统102的稳定度。

上述第一实施例中的传感单元128、第二实施例中的传感单元129以及第三实施例中的传感单元131可搭配使用或单独使用，本发明对此不加以限制。

第四实施例

图5A及图5B分别绘示依照本发明另一实施例的机械手臂加工系统103、103’的配置示意图。在图5A及图5B中，机械手臂加工系统103、103’包括一机械手臂110、一加工模块120以及一控制模块130。加工模块120包括一进给单元121、一预压单元125、一传感单元131、一阻抗模拟单元132以及至少一阻尼单元。在图5A中，阻尼单元可为一顶挂式(Skyhook)阻尼单元134。在图5B中，阻尼单元可为一阻尼器135。

本实施例与上述实施例不同之处在于：顶挂式(Skyhook)阻尼单元134用以悬挂进给单元121于空中，并提供一虚拟阻尼VD至进给单元121的主轴马达123，以减少主轴马达123震动，进而提高主轴马达123加工的稳定度。顶挂式阻尼单元134可为液压缸、气压缸或避震弹簧等。在本实施例中，顶挂式阻尼单元134可单独使用或配合阻抗模拟单元132一起使用，当两者一起使用时能减少主轴马达123本身的震动并能抑制工件10的反作用力F2产生的震动。此外，在图5B中，外部机械力(例如机台震动)对机械手臂110及预压单元125造成的震动也可能对进给单元121产生间接震动，为了避免影响加工系统103的稳定度，阻尼器135设置于进给单元121与预压单元125(或机械手臂110)之间，以缓冲外部机械力对主轴马达123的震动干扰，进而提高加工系统103的稳定度。阻尼器135用以提供一阻尼值D，并可配合阻抗模拟单元132一起使用，阻尼器135例如为液压缸、气压缸或避震弹簧等。

在图5A中，控制模块130连接阻抗模拟单元132及顶挂式(Skyhook)阻尼单元134，并根据虚拟阻抗VI及虚拟阻尼VD输出与工件10的反作用力F2的数值相同但方向相反的一反动信号σ至进给单元121，以抵消工件10的反作用力F2产生的震动及主轴马达123本身的震动，进而提高加工系统103的加工精度及稳定度。此外，在图5B中，控制模块130连接阻抗模拟单元132及阻尼器135，并根据虚拟阻抗VI及阻尼值D输出与工件10的反作用力F2的数值相同但方向相反的一反动信号σ至进给单元121，以抵消工件10的反作用力F2产生的震动及外部震动干扰，进而提高加工系统103’的加工精度及稳定度。

第五实施例

图6绘示依照本发明另一实施例的机械手臂加工系统104的配置示意图。在本实施例中，机械手臂加工系统104包括一机械手臂110、一加工模块120以及一控制模块130。加工模块120包括一进给单元121、一传感单元131、一阻抗模拟单元132以及至少一阻尼单元133。

本实施例与上述实施例不同之处在于：工件10以卡固结构或夹持结构136提供一固持力，且机械手臂110可不需经由上述实施例中的预压杆127对工件施加预压力，此外，阻尼单元133包括一顶挂式阻尼单元134以及一阻尼器135并与阻抗模拟单元132一起使用，且控制模块130连接阻抗模拟单元132及阻尼单元133，并根据虚拟阻抗VI、虚拟阻尼VD及阻尼值D输出与工件10的反作用力F2的数值相同但方向相反的一反动信号σ至进给单元121，以减少主轴马达123本身的震动、抑制工件10的反作用力F2产生的震动以及缓冲外部机械力对主轴马达123的震动干扰，进而提高加工系统104的加工精度及稳定度。

本发明上述实施例所公开的机械手臂加工系统，可侦测工件的反作用力或机械手臂的位移量，并输出一反动信号抵消工件的反作用力或机械手臂的位移量，进而避免机械手臂产生变形或位移，以提高机械手臂加工系统的加工精度。此外，在另一实施例中，本系统可通过侦测预压杆的长度变形量即可推算出机械手臂的位移量，并能通过侦测预压杆的长度以得知固持平台的几何中心的姿态。另外，在另一实施例中，本系统还可通过侦测进给单元对工件进行加工时输出的一负载信号评估工件的反作用力，进而产生对应工件的反作用力的一虚拟阻抗，并可输出一反动信号以抵消工件的反作用力，以提高加工系统的加工精度。再者，在另一实施例中，阻尼单元可单独使用或配合阻抗模拟单元一起使用，如此能减少主轴马达本身的震动并能抑制工件的反作用力产生的震动，进而提高加工系统的加工精度。

综上所述，虽然结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (21)

1.一种机械手臂加工系统，其特征在于，包括：

机械手臂，用以提供一机械固持力；

加工模块，设置于该机械手臂上，用以对一工件加工；以及

控制模块，连接该机械手臂或该加工模块，该控制模块根据该工件的反作用力或该机械手臂的位移量对应输出一反动信号，以抵消该工件的反作用力或该机械手臂的位移量；

其中，该加工模块包括进给单元和预压单元，该进给单元包括工具，以对该工件加工，该预压单元连接于该机械手臂与该进给单元之间，该预压单元包括预压杆，该机械固持力经由该预压杆施加于该工件上，

其中，该预压杆的刚性大于该机械手臂的刚性，并且该机械固持力大于该工件的反作用力。

2.如权利要求1所述的机械手臂加工系统，其中该机械固持力与该工件的反作用力的方向相反。

3.如权利要求2所述的机械手臂加工系统，其中该预压杆包括至少一长度可变的预压杆。

4.如权利要求3所述的机械手臂加工系统，还包括至少一传感单元，设置于该预压单元上，用以侦测该至少一长度可变的预压杆的长度变化量。

5.如权利要求4所述的机械手臂加工系统，其中该加工模块还包括坐标测量单元，用以侦测该至少一长度可变的预压杆的长度以得到该预压单元的一坐标值。

6.如权利要求1所述的机械手臂加工系统，还包括至少一传感单元，设置于该加工模块上或该机械手臂上，用以侦测该工件的反作用力或该机械手臂的位移量；其中，该加工模块还包括预压单元，连接该机械手臂，且该机械固持力经由该预压单元施加于该工件上，其中该机械固持力与该工件的反作用力的方向相反。

7.如权利要求1所述的机械手臂加工系统，还包括至少一传感单元，连接于该进给单元，用以侦测该进给单元对该工件进行加工时输出的一负载信号。

8.如权利要求7所述的机械手臂加工系统，还包括阻抗模拟单元，设置于该进给单元与该机械手臂之间，该阻抗模拟单元根据该进给单元输出的该负载信号评估该工件的反作用力。

9.如权利要求8所述的机械手臂加工系统，其中该阻抗模拟单元为主动式阻抗模拟单元，用以产生一虚拟阻抗。

10.如权利要求9所述的机械手臂加工系统，还包括顶挂式阻尼单元，连接该进给单元，用以悬挂该进给单元并提供一虚拟阻尼至该进给单元。

11.如权利要求10所述的机械手臂加工系统，还包括阻尼器，设置于该进给单元与该机械手臂之间。

12.如权利要求11所述的机械手臂加工系统，还包括夹持结构，连接该工件，用以提供一固持力至该工件。

13.一种机械手臂的加工方法，其特征在于，包括：

以一机械手臂提供一机械固持力；

以设置于该机械手臂上的一加工模块对一工件加工，其中该加工模块包括进给单元以及预压单元，该进给单元包括工具，以对该工件加工，该预压单元连接于该机械手臂与该进给单元之间，该预压单元包括预压杆，且该机械固持力经由该预压杆施加于该工件上，其中该机械固持力与该工件的反作用力的方向相反，其中该预压杆的刚性大于该机械手臂的刚性，并且该机械固持力大于该工件的反作用力；以及

以一控制模块连接该机械手臂，该控制模块根据该工件的反作用力或该机械手臂的位移量对应输出一反动信号，以抵消该工件的反作用力或该机械手臂的位移量。

14.如权利要求13所述的机械手臂的加工方法，还包括：

设置至少一传感单元于该预压单元上，其中该预压杆包括至少一长度可变的预压杆；以及

以该至少一传感单元侦测该至少一长度可变的预压杆的长度变化量。

15.如权利要求14所述的机械手臂的加工方法，还包括设置一坐标测量单元于该加工模块上，用以侦测该至少一长度可变的预压杆的长度以得到该预压单元的一坐标值。

16.如权利要求13所述的机械手臂的加工方法，还包括设置至少一传感单元于该加工模块上或该机械手臂上，用以侦测该工件的反作用力或该机械手臂的位移量。

17.一种机械手臂的加工方法，其特征在于，包括：

以一机械手臂提供一机械固持力；

以设置于该机械手臂上的一加工模块对一工件加工，其中该加工模块包括进给单元、预压单元、传感单元以及阻抗模拟单元，该进给单元包括工具，以对该工件加工，该预压单元连接于该机械手臂与该进给单元之间，该预压单元包括预压杆，且该机械固持力经由该预压杆施加于该工件上，其中该机械固持力与该工件的反作用力的方向相反，其中该预压杆的刚性大于该机械手臂的刚性，并且该机械固持力大于该工件的反作用力，该传感单元连接于该进给单元，用以侦测该进给单元对该工件进行加工时输出的一负载信号，该阻抗模拟单元设置于该进给单元与该机械手臂之间，该阻抗模拟单元根据该进给单元输出的该负载信号评估该工件的反作用力以输出一虚拟阻抗；以及

以一控制模块连接该阻抗模拟单元，该控制模块根据该虚拟阻抗输出一反动信号，以抵消该工件的反作用力。

18.如权利要求17所述的机械手臂的加工方法，其中该阻抗模拟单元为主动式阻抗模拟单元。

19.如权利要求17所述的机械手臂的加工方法，还包括配置一顶挂式阻尼单元，连接该进给单元，用以悬挂该进给单元并提供一虚拟阻尼至该进给单元。

20.如权利要求17所述的机械手臂的加工方法，还包括配置一阻尼器于该进给单元与该机械手臂之间。

21.如权利要求17所述的机械手臂的加工方法，还包括：

配置一顶挂式阻尼单元，连接该进给单元，用以悬挂该进给单元并提供一虚拟阻尼至该进给单元，且设置一阻尼器于该进给单元与该机械手臂之间。

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