CN109927028A - 一种力控机器人磨抛加工的力位混合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种力控机器人磨抛加工的力位混合控制方法。该方法基于工件三维模型，针对不同的加工面，生成与工件相吻合的磨抛工具加工轨迹和/或五轴NC程序，然后生成机器人位置控制程序；基于Hertz接触理论，设每个位置磨抛接触点的压强相同，根据接触面压应力分布规律求得该接触区域的磨抛正压力；通过进给速度自适应模型得到进给速度；在磨抛过程中，在控制机器人位置的同时，控制磨抛工具的磨抛压力与进给速度，可有效提高复杂曲面工件的磨抛精度和表面均匀性。

Description

一种力控机器人磨抛加工的力位混合控制方法

技术领域

本发明涉及磨抛技术领域，具体设计一种力控机器人磨抛加工的力位混合控制方法。

背景技术

随着工业自动化和机器人技术的不断发展，一些繁重、重复、危险或有害人体健康的工作已广泛应用机器人来进行作业，譬如大型工件的搬运、电子元器件的快速分拣、以及喷涂、焊接等非接触加工领域。磨抛加工领域目前还通常由人工来完成，但由于磨抛生产的劳动密集型、高粉尘高危害、招工难、效率低、质量一致性差等特点，同时机器人力控技术的日趋完善，工业机器人正逐渐被采用进行磨抛。

机器人控制主要包括在线控制和离线控制两种方法。对于喷涂、点焊等作业轨迹比较简单的场合，通常采用在线控制，其难度低、操作简单；对于磨抛加工等复杂作业，工作轨迹需根据工件曲面变化进行规划，很难通过逐一控制目标点位姿，这就需要采用离线控制方法。

现有的离线控制方法主要是机器人位置控制及修正优化，对于磨抛、装配等接触式加工，未考虑在不同位置施加的力及不同曲率时进给速度对磨抛加工质量的影响。

发明内容

针对上述技术现状，本发明提供一种力控机器人磨抛加工的力位混合控制方法，以解决现有的控制方法只能实现机器人位置控制，未考虑磨抛压力及进给速度对磨抛加工造成影响的问题，有效提高磨抛表面的均匀性和加工质量。

本发明所采用的技术方案是：一种力控机器人磨抛加工的力位混合控制方法，所述机器人为六轴机器人，包括以下步骤：

(1)磨抛工具加工轨迹规划

基于工件三维模型，针对不同的加工面，生成与工件相吻合的磨抛工具加工轨迹和/或五轴NC(数字控制)程序；

作为一种实现方式，运用CAM软件生成与工件相吻合的磨抛工具加工轨迹。CAM软件是一种计算机辅助制造软件，包括UG、Powermill、Mastercam等，能够快速、精准的生成与工件相吻合的磨抛工具加工轨迹(或者称为刀位文件)和五轴NC程序，尤其适用于复杂工件的磨抛工具加工轨迹规划。

(2)机器人位置控制程序生成

目前，数控机床一般最多为五个轴，末端为电主轴带动磨抛刀具高速旋转而实现铣削加工，而工业机器人一般设计为六个轴，可以在工作范围内实现末端执行器的全方位位姿变化，所以为了将五轴NC程序转换成六轴机器人识别程序，需定义第六轴的姿态。

力控机器人磨抛工件时要求磨抛力的方向垂直于加工表面或与加工表面形成一定夹角。当磨抛需要第六轴随曲面旋转才能保持磨抛力的方向垂直于加工表面或与加工表面形成一定夹角时，设置第六轴的姿态为相邻的工具轨迹点连线与第六轴轴向的公垂线方向。当磨抛平面或者磨抛不影响第六轴姿态变化的曲面时，设第六轴姿态保持不变。

在该步骤中，基于所用机器人的结构尺寸和各关节转角行程信息，建立运动学模型，根据步骤(1)生成的磨抛工具加工轨迹，结合不同面的力控加工要求，定义磨抛工具第六轴姿态变化，通过运动学反解和姿态优化算法，生成机器人位置控制程序；

作为优选，根据第六轴的姿态要求、磨抛工具、工件等中的一种或者几种设置一定的约束条件，生成机器人位置控制程序。

或者，利用机器人离线编程软件，将五轴NC程序根据一定的约束条件直接转换为六轴机器人位置控制程序；

机器人离线编程软件一般分为通用型和专用型。例如，roboDK为通用机器人软件。robotstudio为ABB机器人专用软件，其Machining PowerPac插件能完成五轴NC程序到ABB机器人位置程序的转换。

(3)磨抛工具与工件接触面压力分布分析及磨抛正压力F_A计算

根据工件和磨抛工具的形状(圆盘形、圆柱形、锥形等)的不同，磨抛开始接触时是点接触或线接触；当加载后，点接触物体受力后其接触表面为椭圆，而线接触物体受力后其接触表面为矩形，同时考虑到实际工件不是完整的曲面，导致接触面不是完整的椭圆或矩形；另外，磨抛工具和工件的弹性模量和泊松比也会影响它们的接触面积及压力分布。即，磨抛正压力F_A与工件的形状、磨抛工具的形状、工件的弹性模量和泊松比、磨抛工具的弹性模量和泊松比中的一种或者几种参数有关，这些参数成为一定的约束条件而得到磨抛正压力F_A。

在该步骤中，基于Hertz接触理论，计算磨抛工具与工件的接触面积及压力分布；为保证工件表面各个位置的磨抛效果一致，设在各位置磨抛开始接触时的压强相同，根据接触面压应力分布规律求得该接触区域的接触压力，即磨抛正压力F_A。

(4)基于磨抛粗糙度模型的进给速度自适应算法

根据相关研究表明，磨抛表面粗糙度Ra与磨抛前表面粗糙度Ra₀、磨抛正压力F_A、磨抛工具进给速度V_t、磨抛工具的接触点线速度V_o等效曲率半径Re五个参数有关，其关系式可以表示如下：

Ra＝(Ra₀-Ra_e)·e^δ+Ra_e

其中，

K为常数系数，与磨抛工具、工件材料等有关；

Ra_e为利用磨抛工具磨抛后表面所能达到的极限粗糙度；

V_o为磨抛工具的接触点线速度；

Re为等效曲率半径；

A、B为磨抛接触点的相对主曲率；

a1、a2、a3、a4分别为磨抛正压力F_A、磨抛工具接触点线速度V_o、磨抛工具进给速度V_t、等效曲率半径R_e的系数；

进一步转化可以得到：

(5)在磨抛过程中，按照根据步骤(2)得到的机器人位置控制程序控制所述机器人位置，根据步骤(3)得到的磨抛压力与步骤(4)得到的进给速度分别控制磨抛工具的磨抛压力与进给速度。

作为优选，本发明中，所述控制方法还包括界面窗口，所述界面窗口可以设置磨抛前粗糙度、期望的磨抛粗糙度、磨抛压强等参数。

与现有技术相比，本发明提出基于Hertz接触理论和进给速度自适应模型的力位混合控制方法，在磨抛过程中，不仅能够控制机器人位置，而且能够同时控制磨抛工具的磨抛压力与进给速度，可有效提高复杂曲面工件的磨抛精度和表面均匀性。

附图说明

图1是本发明实施例1的工件曲面磨抛示意图。

具体实施方式

下面结合实施例与附图对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

本实施例是基于UG和robotstudio实现的一种ABB力控机器人磨抛汽车轮毂力位混合控制离线编程方法，具体包括以下步骤：

一、工具加工轨迹规划

首先将汽车轮毂三维模型导入到UG中，针对汽车轮毂上表面和轮辐侧面，生成对应的工具加工轨迹，通过五轴数控机床后处理器生成五轴加工G代码程序；

二、机器人位置程序生成

利用ABB机器人离线编程软件robotstudio，将五轴加工G代码程序根据一定的约束条件直接转化为机器人位置程序；

三、工具与工件接触面压力分布及磨抛压力计算

本实施例中，磨抛工具为圆形高密度聚氨酯海绵盘，分析利用该磨抛工具磨抛汽车轮毂上表面时，磨抛工具与轮毂接触面的压力分布及在不同接触位置磨抛工具应施加的磨抛正压力F_A。

高密度聚氨酯海绵的弹性模量为0.84-0.95GPa，远小于铝合金汽车轮毂的弹性模量(70GPa)，可以假定为刚体与柔体的接触。

根据Hertz接触理论，磨抛工具与工件表面接触并压紧，磨抛正压力F_A垂直接触表面，工件或者磨抛工具材料以开始接触点为中心向四周扩散形变，接触区域以开始接触点为中心近似为椭圆面，椭圆的短半轴b在y轴上，长半轴a在x轴上。接触区域内各点的应力按椭圆球规律分布，区域中心的法向材料变形量大，产生最大单位压力p₀，参照图1。压强分布方程为下式(1)：

总压力为下式(2)：

F_A＝∫p(x,y)dF (2)

式中，F_A也即磨抛接触点的法向磨抛正压力，从几何意义而言，其值等于椭圆球的体积，即：

椭圆接触区域的长半轴a、短半轴b分别表示为

式中，

ε(κ)—第二类椭圆积分；

E_t、E_b—分别表示磨抛工具和工件的弹性模量；

υ_t、υ_b—分别表示磨抛工具和工件的泊松比；

A、B—在磨抛接触点，磨抛工具与工件的相对主曲率。

参照图1，O点为接触区的中心点，x₁和y₁是磨抛工具在接触中心O点的两个主方向，R₁和R₁’为其对应的两主曲率半径；x₂和y₂是工件曲面在接触中心O点的主方向，R₂和R₂’为其对应的两主曲率半径。两者主方向的夹角为

本实施例中，工具为聚氨酯高密度海绵抛光盘，工作面为端部平面，故R₁，R₁’均为无穷大，φ为0。所以，磨抛工具、工件的主曲率半径有如下关系式：

工件的两个主曲率半径R₂，R₂’可通过UG对汽车轮毂三维模型中对应曲面测最大和最小曲率半径测得。

为保证工件曲面各个位置的磨抛效果一致，设在每个位置磨抛开始接触时的压强相同，均为P₀，将式(4)(5)(7)(10)(11)带入(3)中可得到该点处施加的磨抛正压力F_A为：

四、基于磨抛粗糙度模型的进给速度自适应算法

根据相关研究表明，磨抛表面粗糙度Ra与利用工具磨抛前的表面粗糙度Ra₀、打磨正压力F_A、磨抛工具进给速度V_t、磨抛工具接触点线速度V_o、等效曲率半径Re五个参数有关，其关系式可以表示如下：

Ra＝(Ra₀-Ra_e)·e^δ+Ra_e

其中，

K为常数系数，与磨抛工具、工件材料等有关；

Ra_e为利用磨抛工具磨抛后表面所能达到的极限粗糙度；

V_o为磨抛工具接触点线速度；

Re为等效曲率半径；

A、B为磨抛接触点的相对主曲率；

a₁、a₂、a₃、a₄分别为磨抛正压力F_A、磨抛工具接触点线速度V_o、磨抛工具进给速度V_t、等效曲率半径R_e的系数；

进一步转化可以得到：

五、设置界面窗口，可以设置汽车轮毂磨抛前粗糙度、期望的粗糙度、施加的磨抛压强等参数，将这些参数导入机器人控制器中。在磨抛过程中，根据步骤二得到的机器人位置控制程序控制所述机器人位置，根据步骤三得到的磨抛压力控制磨抛工具的磨抛压力，根据步骤四得到的进给速度控制磨抛工具的进给速度。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种力控机器人磨抛加工的力位混合控制方法，所述机器人为六轴机器人，其特征是：包括以下步骤：

(1)基于工件三维模型，针对不同的加工面，生成与工件相吻合的磨抛工具加工轨迹和/或五轴NC程序；

(2)根据所述机器人的结构尺寸和各关节转角行程信息，建立运动学模型，根据步骤(1)生成的磨抛工具加工轨迹，结合不同面的力控加工要求，定义磨抛工具第六轴姿态变化，通过运动学反解和姿态优化算法，生成所述机器人位置控制程序；

或者，利用机器人离线编程软件，将步骤(1)生成的五轴NC程序根据一定的约束条件直接转换为所述机器人位置控制程序；

(3)基于Hertz接触理论，计算磨抛工具与工件的接触面积及压力分布；设每个磨抛接触点的压强相同，根据接触面压应力分布规律求得该接触区域的接触压力，即磨抛正压力F_A；

(4)根据如下关系式：

Ra＝(Ra₀-Ra_e)·e^δ+Ra_e

其中，

转化得到：

K为常数系数；

Ra_e为利用磨抛工具磨抛后表面所能达到的极限粗糙度；

Ra为磨抛表面粗糙度；

Ra₀为磨抛前表面粗糙度；

F_A为磨抛正压力；

V_t为磨抛工具进给速度；

V_o为磨抛工具的磨抛接触点线速度；

Re为等效曲率半径；

A、B为磨抛接触点的相对主曲率；

a1、a2、a3、a4分别为磨抛正压力F_A、磨抛工具的磨抛接触点线速度V_o、磨抛工具进给速度V_t、等效曲率半径R_e的系数；

(5)在磨抛过程中，按照根据步骤(2)得到的机器人位置控制程序控制所述机器人位置，根据步骤(3)得到的磨抛压力与步骤(4)得到的进给速度分别控制磨抛工具的磨抛压力与进给速度。

2.如权利要求1所述的力控机器人磨抛加工的力位混合控制方法，其特征是：所述步骤(1)中，运用CAM软件生成与工件相吻合的磨抛工具加工轨迹和/或五轴NC程序。

3.如权利要求1所述的力控机器人磨抛加工的力位混合控制方法，其特征是：所述步骤(2)中，根据第六轴的姿态要求、磨抛工具、工件中的一种或者几种设置一定的约束条件，生成所述机器人位置控制程序。

4.如权利要求3所述的力控机器人磨抛加工的力位混合控制方法，其特征是：磨抛力的方向垂直于加工表面或与加工表面形成一定夹角，第六轴的姿态为相邻工具轨迹点的连线与第六轴轴向的公垂线方向。

5.如权利要求1所述的力控机器人磨抛加工的力位混合控制方法，其特征是：所述步骤(3)中，磨抛正压力F_A与工件的形状、磨抛工具的形状、工件的弹性模量和泊松比、磨抛工具的弹性模量和泊松比中的一种或者几种有关。

6.如权利要求1所述的力控机器人磨抛加工的力位混合控制方法，其特征是：所述控制方法还包括界面窗口，所述界面窗口设置磨抛前粗糙度、期望的磨抛粗糙度、磨抛压强中的一种或者几种参数。