CN110039449A - 应用于打磨机器人的打磨方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于打磨机器人的打磨方法和系统，其中应用于打磨机器人的打磨方法包括以下步骤：根据工件模型设置原始打磨路径，原始打磨路径包含打磨点的原始打磨下压量和打磨点的原始打磨力；控制打磨机器人按照原始打磨路径对工件进行打磨，并获取工件对打磨器的反馈力；根据原始打磨下压量、原始打磨力和反馈力，计算打磨点的刚性系数；按照刚性系数修正原始打磨路径，以形成新的打磨路径，并控制打磨机器人按照新的打磨路径对工件进行打磨。本发明能够确保机器人打磨工艺的高精度与稳定性。

Description

应用于打磨机器人的打磨方法和系统

技术领域

本发明属于机器人打磨技术领域，尤其涉及一种应用于打磨机器人的打磨方法和系统。

背景技术

目前的机器人打磨领域主要运用单体的机器人及示教器编程，利用示教器将机器人移动到打磨工件的目标点，然后通过示教给出机器人的移动路径或者使用机器人编程软件生成加工路径的NC(数字控制)文件，最后通过机器人携带高速旋转的砂轮在相应的路径上运动，从而实现工件的打磨。

打磨是一道非常重要的工序，一旦打磨质量不满足要求，往往会导致整个工件的报废。目前部分工业机器人虽然可实现力位混控，但还无法实现对打磨工艺的自适应。例如，对于需要打磨的棱边，要充分结合压力、速度、姿态、转速等因素才能达到比较理想的结果，具有高度的工艺复杂度要求。在无法进行工艺需求有效描述或者力控精度不足情况下，必定会对打磨质量造成不利影响，产生塌边、塌角、过抛、欠抛等导致不良品的问题。

机器人传统打磨技术的缺点主要有：难以根据打磨对象的工艺需求描述对应的打磨过程的程序；工件和工具坐标系建立误差以及机器人本体误差难以在作业过程进行补偿，从而打磨工件的表面精度难以控制；来料不一致性以及打磨过程物理设备的变化等问题导致打磨产品的质量稳定性差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中机器人打磨的精度难以控制的缺陷，提供一种应用于打磨机器人的打磨方法和系统。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种应用于打磨机器人的打磨方法，包括以下步骤：

S1、根据工件模型设置原始打磨路径，原始打磨路径包含打磨点的原始打磨下压量和打磨点的原始打磨力；

S2、控制打磨机器人按照原始打磨路径对工件进行打磨，并获取工件对打磨器的反馈力；根据原始打磨下压量、原始打磨力和反馈力，计算打磨点的刚性系数；

S3、按照刚性系数修正原始打磨路径，以形成新的打磨路径，并控制打磨机器人按照新的打磨路径对工件进行打磨。

较佳地，S2包含：获取工件对打磨器在垂直于打磨点所在切面方向上的反作用力，根据反作用力计算反馈力，并根据原始打磨下压量、原始打磨力和反馈力，计算刚性系数。

较佳地，刚性系数K＝ΔF/ΔH，其中ΔF＝Fp-Fq，ΔF是工件在接触状态下外部施加的力的变化量，ΔH是通过打磨机器人获取的、工件在接触状态下因为外部施加的力的变化所导致的空间形变量，Fp为原始打磨力，Fq为反馈力。

较佳地，S2中包含：

通过解算打磨机器人末端点姿态获取力传感器感应方向与重力方向的工作角度θ；

根据工件模型调整工件的方向，使得打磨点的切面处于水平面；

使用力传感器获取反作用力Ff，力传感器安装于打磨机器人的法兰与打磨器之间；

根据以下公式计算反馈力Fq：

其中，G为打磨器的重力。

较佳地，S1、S2之间包含步骤：

S21、控制打磨机器人按照原始打磨路径进行试打磨，根据试打磨的结果修正打磨机器人与工件之间的位置偏差。

本发明还提供一种应用于打磨机器人的打磨系统，包括：打磨路径生成装置、打磨控制装置、反馈力获取装置、计算装置；

打磨路径生成装置用于根据工件模型生成原始打磨路径，原始打磨路径包含打磨点的原始打磨下压量和打磨点的原始打磨力；

打磨控制装置用于控制打磨机器人按照原始打磨路径对工件进行打磨；

反馈力获取装置用于获取工件对打磨器的反馈力；

计算装置用于根据原始打磨下压量、原始打磨力和反馈力，计算打磨点的刚性系数；

打磨路径生成装置用于按照刚性系数修正原始打磨路径，以形成新的打磨路径；

打磨控制装置还用于控制打磨机器人按照新的打磨路径对工件进行打磨。

较佳地，反馈力获取装置用于获取工件对打磨器在垂直于打磨点所在切面方向上的反作用力，并根据反作用力计算反馈力；

计算装置用于根据原始打磨下压量、原始打磨力和反馈力，计算刚性系数。

较佳地，刚性系数K＝ΔF/ΔH，其中ΔF＝Fp-Fq，ΔF是工件在接触状态下外部施加的力的变化量，ΔH是通过打磨机器人获取的、工件在接触状态下因为外部施加的力的变化所导致的空间形变量，Fp为原始打磨力，Fq为反馈力。

较佳地，反馈力获取装置包含力传感器、设置于打磨机器人的关节上的角度传感器；

所述角度传感器用于解算打磨机器人末端点姿态并获取力传感器感应方向与重力方向的工作角度θ；

打磨控制装置还用于根据工件模型调整工件的方向，使得打磨点的切面处于水平面；

力传感器安装于打磨机器人的法兰与打磨器之间，用于获取反作用力Ff；

反馈力获取装置用于根据以下公式计算反馈力Fq：

其中，G为打磨器的重力。

较佳地，打磨控制装置还用于控制打磨机器人按照原始打磨路径进行试打磨；

打磨控制装置还用于根据试打磨的结果修正打磨机器人与工件之间的位置偏差。

本发明的积极进步效果在于：本发明的应用于打磨机器人的打磨方法和系统，解决了机器人姿态位置难调节、打磨工件的表面精度难控制和打磨产品的质量稳定性差等带来的打磨系统误差；也可以在打磨流水线过程不断进行微小修正以较大程度上减少了加工环境、条件的变化和机器人运行温度不可控等带来的微小误差，从而确保打磨工艺的高精度与稳定性。

附图说明

图1为本发明的实施例1的应用于打磨机器人的打磨系统的结构示意图。

图2为本发明的实施例1的应用于打磨机器人的打磨系统的力传感器的安装示意图。

图3为本发明的实施例2的应用于打磨机器人的打磨方法的流程图。

图4为本发明的实施例3的应用于打磨机器人的打磨方法的流程图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

本实施例提供一种应用于打磨机器人的打磨系统，如图1所示，打磨路径生成装置1、打磨控制装置2、反馈力获取装置3、计算装置4。打磨路径生成装置1用于根据工件模型(即打磨完成后的目标形状)为打磨机器人5生成包含原始打磨路径的NC程序(NC程序中采用0.002秒时间间隔的点列对打磨运动的“位置、姿态、速度和压力信息”进行描述，该点列即为打磨点阵列)，原始打磨路径包含打磨点的原始打磨下压量(位置、姿态信息)和打磨点的原始打磨力(压力信息)。打磨控制装置2用于控制打磨机器人按照原始打磨路径对工件进行打磨。在打磨的过程中，反馈力获取装置3用于获取工件对打磨器的反馈力。计算装置4用于根据原始打磨下压量、原始打磨力和反馈力，计算打磨点的刚性系数。打磨路径生成装置1用于按照刚性系数修正原始打磨路径，以形成新的打磨路径。打磨控制装置2还用于控制打磨机器人按照新的打磨路径对工件进行打磨。

使用本实施例的应用于打磨机器人的打磨系统控制打磨机器人进行打磨时，首先由打磨路径生成装置1根据工件模型(即打磨完成后的目标形状)为打磨机器人生成包含原始打磨路径的NC程序，原始打磨路径包含打磨点的原始打磨下压量和打磨点的原始打磨力。然后，打磨控制装置2控制打磨机器人按照原始打磨路径对工件进行打磨。

鉴于仅按照原始打磨路径进行打磨易产生误差，精度不够高。因此，在打磨的过程中，采用反馈力获取装置3获取工件对打磨器的反馈力。具体实施时，如图2所示，反馈力获取装置3包含位置传感器(图中未示出)、力传感器301。通过解算打磨机器人末端点姿态获取力传感器感应方向D与重力方向Y的工作角度θ(打磨机器人的关节上设置有角度传感器，可以利用角度传感器解算打磨机器人的末端点的位置和姿态)。力传感器301安装于打磨机器人的法兰501与打磨器502(打磨器502为软性打磨器)之间，用于获取反作用力Ff。反作用力Ff的方向垂直于力传感器感应方向D，其大小为工件6对打磨器的反馈力Fq(反馈力Fq的方向垂直于打磨器502与工件6相接触的打磨点处的切面)与打磨器502的重力G在反作用力Ff的方向上的分量的和。

为了简化计算，打磨控制装置2还用于根据工件模型调整工件的方向，使得打磨点的切面处于水平面(打磨点的切面为与工件上的打磨点相切的平面。根据打磨规范，打磨器在工件上的打磨点处的运行方向所在的平面与工件上的打磨点相切的平面相一致)。此时，反馈力Fq则处于竖直方向，与打磨器502的重力G均处于Y方向。

此时，力传感器获取的反作用力Ff满足：

Ff＝Fq*sinθ+G*sinθ

于是，反馈力获取装置3根据以下公式计算反馈力Fq：

原始打磨路径中包含的原始打磨力为Fp，反馈力获取装置3获取的反馈力为Fq，则ΔF＝Fp-Fq，ΔF是工件在接触状态下外部施加的力的变化量。ΔH是通过打磨机器人获取的、工件在接触状态下因为外部施加的力的变化所导致的空间形变量。ΔH＝Hp-Hq，Hp为原始打磨下压量，Hq为新的打磨下压量。

计算装置4根据以下公式计算刚性系数K：

K＝ΔF/ΔH

打磨路径生成装置1根据每一个打磨点处实时计算出的刚性系数K，对原始打磨路径进行PID(比例-积分-微分)计算，修正原始打磨路径，以形成新的打磨路径。

打磨控制装置2控制打磨机器人按照新的打磨路径对工件进行打磨，即可消除误差，获得极高的打磨精度。

为了进一步提高打磨精度，避免工件坐标系的建立与打磨机器人坐标系的建立之间的偏差造成的打磨效果的全局误差，在打磨路径生成装置1根据工件模型为打磨机器人生成包含原始打磨路径后，打磨控制装置2先控制打磨机器人按照原始打磨路径进行试打磨。该试打磨可以对一件或几件实验工件进行局部的打磨，然后检测实验工件的打磨效果与预期效果之间的偏差，计算装置4从而计算出工件坐标系的建立与打磨机器人坐标系的建立之间的偏差，例如，工件坐标系与打磨机器人坐标系在水平方向上存在0.2毫米的偏差。则打磨控制装置2根据试打磨的结果修正打磨机器人与工件之间的位置偏差，即调整打磨机器人与工件在初始状态下的相对位置，以消除该0.2毫米的偏差。然后，打磨控制装置2控制打磨机器人按照原始打磨路径对工件进行打磨。在打磨的过程中，获取工件对打磨器的反馈力，并据此修正原始打磨路径，生成新的打磨路径。因为消除了工件坐标系与打磨机器人坐标系之间的偏差导致的全局误差，可以减小对原始打磨路径的修正幅度，提高打磨的精度。

实施例2

本实施例提供一种应用于打磨机器人的打磨方法，如图3所示，包括以下步骤：

S101、根据工件模型设置原始打磨路径，原始打磨路径包含打磨点的原始打磨下压量和打磨点的原始打磨力；

S102、控制打磨机器人按照原始打磨路径对工件进行打磨，并获取工件对打磨器的反馈力；根据原始打磨下压量、原始打磨力和反馈力，计算打磨点的刚性系数；

S103、按照刚性系数修正原始打磨路径，以形成新的打磨路径，并控制打磨机器人按照新的打磨路径对工件进行打磨。

具体实施时，首先根据工件模型(即打磨完成后的目标形状)为打磨机器人生成包含原始打磨路径的NC程序(NC程序中采用0.002秒时间间隔的点列对打磨运动的“位置、姿态、速度和压力信息”进行描述，该点列即为打磨点阵列)，原始打磨路径包含打磨点的原始打磨下压量(位置、姿态信息)和打磨点的原始打磨力(压力信息)。然后，打磨控制装置(例如，控制打磨机器人的数控装置)控制打磨机器人按照原始打磨路径对工件进行打磨。

鉴于仅按照原始打磨路径进行打磨易产生误差，精度不够高。因此，在打磨的过程中，采用反馈力获取装置获取工件对打磨器的反馈力。具体实施时，如图2所示，反馈力获取装置包含力传感器301、设置于打磨机器人的关节上的角度传感器(图中未示出)。角度传感器用于解算打磨机器人末端点姿态并获取力传感器感应方向D与重力方向Y的工作角度θ。力传感器301安装于打磨机器人的法兰501与打磨器502(打磨器502为软性打磨器)之间，用于获取反作用力Ff。反作用力Ff的方向垂直于力传感器感应方向D，其大小为工件6对打磨器的反馈力Fq(反馈力Fq的方向垂直于打磨器502与工件6相接触的打磨点处的切面)与打磨器502的重力G在反作用力Ff的方向上的分量的和。

为了简化计算，打磨控制装置还根据工件模型调整工件的方向，使得打磨点的切面处于水平面。此时，反馈力Fq则处于竖直方向，与打磨器502的重力G均处于Y方向。

此时，力传感器获取的反作用力Ff满足：

Ff＝Fq*sinθ+G*sinθ

于是，反馈力获取装置根据以下公式计算反馈力Fq：

原始打磨路径中包含的原始打磨力为Fp，反馈力获取装置获取的反馈力为Fq，则ΔF＝Fp-Fq，ΔF是工件在接触状态下外部施加的力的变化量。ΔH是通过打磨机器人获取的、工件在接触状态下因为外部施加的力的变化所导致的空间形变量。ΔH＝Hp-Hq，Hp为原始打磨下压量，Hq为新的打磨下压量。

根据以下公式计算刚性系数K：

K＝ΔF/ΔH

然后，根据每一个打磨点处实时计算出的刚性系数K，对原始打磨路径进行PID(比例-积分-微分)计算，修正原始打磨路径，以形成新的打磨路径。

打磨控制装置控制打磨机器人按照新的打磨路径对工件进行打磨，即可消除误差，获得极高的打磨精度。

实施例3

为了进一步提高打磨精度，避免工件坐标系的建立与打磨机器人坐标系的建立之间的偏差造成的打磨效果的全局误差，在实施例2的应用于打磨机器人的打磨方法的基础上，本实施例的应用于打磨机器人的打磨方法如图4所示，在S101与S102之间，还包括以下步骤：

S1011、控制打磨机器人按照原始打磨路径进行试打磨，根据试打磨的结果修正打磨机器人与工件之间的位置偏差。

该试打磨可以对一件或几件实验工件进行局部的打磨，然后检测实验工件的打磨效果与预期效果之间的偏差，从而计算出工件坐标系的建立与打磨机器人坐标系的建立之间的偏差，例如，工件坐标系与打磨机器人坐标系在水平方向上存在0.2毫米的偏差。则根据试打磨的结果修正打磨机器人与工件之间的位置偏差，即调整打磨机器人与工件在初始状态下的相对位置，以消除该0.2毫米的偏差。然后，控制打磨机器人按照原始打磨路径对工件进行打磨。在打磨的过程中，获取工件对打磨器的反馈力，并据此修正原始打磨路径，生成新的打磨路径。因为消除了工件坐标系与打磨机器人坐标系之间的偏差导致的全局误差，可以减小对原始打磨路径的修正幅度，提高打磨的精度。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种应用于打磨机器人的打磨方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据工件模型设置原始打磨路径，所述原始打磨路径包含打磨点的原始打磨下压量和所述打磨点的原始打磨力；

S2、控制打磨机器人按照所述原始打磨路径对工件进行打磨，并获取所述工件对打磨器的反馈力；根据所述原始打磨下压量、所述原始打磨力和所述反馈力，计算所述打磨点的刚性系数；

S3、按照所述刚性系数修正所述原始打磨路径，以形成新的打磨路径，并控制打磨机器人按照所述新的打磨路径对工件进行打磨。

2.如权利要求1所述的应用于打磨机器人的打磨方法，其特征在于，S2包含：获取所述工件对所述打磨器在垂直于所述打磨点所在切面方向上的反作用力，根据所述反作用力计算所述反馈力，并根据所述原始打磨下压量、所述原始打磨力和所述反馈力，计算所述刚性系数。

3.如权利要求2所述的应用于打磨机器人的打磨方法，其特征在于，所述刚性系数K＝ΔF/ΔH，其中ΔF＝Fp-Fq，ΔF是工件在接触状态下外部施加的力的变化量，ΔH是通过所述打磨机器人获取的、工件在接触状态下因为外部施加的力的变化所导致的空间形变量，Fp为所述原始打磨力，Fq为所述反馈力。

4.如权利要求3所述的应用于打磨机器人的打磨方法，其特征在于，S2中包含：

通过解算打磨机器人末端点姿态获取力传感器感应方向与重力方向的工作角度θ；

根据工件模型调整工件的方向，使得打磨点的切面处于水平面；

使用力传感器获取所述反作用力Ff，所述力传感器安装于所述打磨机器人的法兰与打磨器之间；

根据以下公式计算所述反馈力Fq：

其中，G为所述打磨器的重力。

5.如权利要求1所述的应用于打磨机器人的打磨方法，其特征在于，S1、S2之间包含步骤：

S21、控制打磨机器人按照所述原始打磨路径进行试打磨，根据所述试打磨的结果修正所述打磨机器人与工件之间的位置偏差。

6.一种应用于打磨机器人的打磨系统，其特征在于，包括：打磨路径生成装置、打磨控制装置、反馈力获取装置、计算装置；

所述打磨路径生成装置用于根据工件模型生成原始打磨路径，所述原始打磨路径包含打磨点的原始打磨下压量和所述打磨点的原始打磨力；

所述打磨控制装置用于控制打磨机器人按照所述原始打磨路径对工件进行打磨；

所述反馈力获取装置用于获取所述工件对打磨器的反馈力；

所述计算装置用于根据所述原始打磨下压量、所述原始打磨力和所述反馈力，计算所述打磨点的刚性系数；

所述打磨路径生成装置用于按照所述刚性系数修正所述原始打磨路径，以形成新的打磨路径；

所述打磨控制装置还用于控制打磨机器人按照所述新的打磨路径对工件进行打磨。

7.如权利要求6所述的应用于打磨机器人的打磨系统，其特征在于，所述反馈力获取装置用于获取所述工件对所述打磨器在垂直于所述打磨点所在切面方向上的反作用力，并根据所述反作用力计算所述反馈力；

所述计算装置用于根据所述原始打磨下压量、所述原始打磨力和所述反馈力，计算所述刚性系数。

8.如权利要求7所述的应用于打磨机器人的打磨系统，其特征在于，所述刚性系数K＝ΔF/ΔH，其中ΔF＝Fp-Fq，ΔF是工件在接触状态下外部施加的力的变化量，ΔH是通过所述打磨机器人获取的、工件在接触状态下因为外部施加的力的变化所导致的空间形变量，Fp为所述原始打磨力，Fq为所述反馈力。

9.如权利要求8所述的应用于打磨机器人的打磨系统，其特征在于，所述反馈力获取装置包含力传感器、设置于打磨机器人的关节上的角度传感器；

所述角度传感器用于解算打磨机器人末端点姿态并获取力传感器感应方向与重力方向的工作角度θ；

所述打磨控制装置还用于根据工件模型调整工件的方向，使得打磨点的切面处于水平面；

所述力传感器安装于所述打磨机器人的法兰与打磨器之间，用于获取所述反作用力Ff；

所述反馈力获取装置用于根据以下公式计算所述反馈力Fq：

其中，G为所述打磨器的重力。

10.如权利要求6所述的应用于打磨机器人的打磨系统，其特征在于，所述打磨控制装置还用于控制打磨机器人按照所述原始打磨路径进行试打磨；

所述打磨控制装置还用于根据所述试打磨的结果修正所述打磨机器人与工件之间的位置偏差。