CN110524371B - 基于实时力控的复杂曲面恒定切除率的机器人打磨方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于实时力控的复杂曲面恒定切除率的机器人打磨系统及方法，包括以下步骤：对几种空间曲面的基本元素建立数学模型，上位机计算刀路轨迹，六维末端力传感器测量加工过程中的力/力矩信息，通过实时通讯软件搭建的机器人实时力控打磨抛光系统，采用基于标准位置的重力补偿方法，消除机器人全空间作业时重力分量对六维力传感器读数的影响，对打磨过程中的接触压力建立数学模型，根据HERTZ接触理论计算在给定恒力条件下随工件表面形状变化研磨压力的变化规律，并通过自适应阻抗控制算法以实时调整刀具的位置，保证接触压力恒定，实现对工件研磨压力的恒定切除率。本发明可以保证打磨过的曲面满足更高的粗糙度要求，提高工件的精度。

Description

基于实时力控的复杂曲面恒定切除率的机器人打磨方法

技术领域

本发明涉及机器人打磨抛光领域，特别涉及一种基于实时力控的复杂曲面恒定切除率的机器人打磨方法。

背景技术

针对具有复杂表面形状的模具和零部件的精加工技术是现代精加工和自动制造技术交叉学科的前沿研究领域，是衡量一个国家制造加工技术水平的重要标志，目前对具有复杂表面形状的零件研磨普遍采用手工操作，而国防工业和一些高新技术产业中，许多模具与零件对表面光滑度以及光滑度的一致性都有非常高的要求，手工操作难以保证以恒定力作用于工件，研磨质量的一致性和稳定性很差。同时传统的手工研磨抛光还有效率低，工作环境恶劣，熟练技术工人的短缺等越来越突出的缺点，研磨工人的训练周期也很长，工作单调且一旦失误就会造成零件报废。当今工业机器人在机床上的应用已成为加工制造业发展的一大趋向。

机器人与机床相结合，以实现对复杂几何形状工件的抛光打磨不仅可以大大提高工作效率，也能得到比人工操作更高的加工质量。利用机器人进行研磨抛光具有以下优点：降低生产成本：使用机器人的自动化生产线可以大大减少了使用具有丰富经验的技工的人工成本；提高生产效率：机器人一旦投入使用，可以程序化的对加工工件进行加工处理，极大的提高生产效率，并且可以长时间不间断工作；提高产品质量：由于机器人可以近乎完全重复的工作，其加工的产品质量有高度的一致性。

实现工件的自动化打磨抛光依赖与机器人系统的柔顺性。目前的柔顺控制分为主动柔顺控制和被动柔顺控制。被动柔顺控制主要通过机械结构实现加工自适应(如六弹簧构成的RCC柔顺手腕等)，但是被动柔顺控制无法根除高柔顺性和高强度之间的矛盾，适应性较差，精度低且无法应用于既需要进行力控制又需要严格控制定位的场合。主动柔顺控制也就是力控制，在抛光打磨过程中，要求机器人具有接触力的感知和控制能力，能与环境进行力的交互，所以机器人完成这些作业任务，必须具备这种基于力反馈的柔顺控制的能力。目前常用的力控制策略主要有阻抗控制策略，力/位混合控制策略，自适应控制策略和智能控制新策略。

对于复杂曲面的工件的打磨抛光是一种很复杂的工艺，目前的打磨抛光系统是基于力传感器的恒力控制，这适用于平面或表面曲率变化不大的工件加工。当工件表面比较复杂时，曲率半径变化较大时，直接决定曲面抛磨质量的是工件与打磨工具作用点的接触压力，即压强，而不是力传感器检测到的研磨力。因此，有必要建立给定力与研磨压力的关系，应用接触模型计算在给定恒力条件下随工件表面形状变化研磨压力的变化规律，然后根据该变化规律实现对工件研磨压力的恒定控制。

MATLAB/SIMULINK可实现各种算法的计算和控制系统的仿真，ROS(RobotOperating System)是一个机器人软件平台，它能为异质计算机集群提供类似操作系统的功能。ROS的前身是斯坦福人工智能实验室为了支持斯坦福智能机器人STAIR而建立的交换庭(switchyard)项目，ROS提供一些标准操作系统服务，例如硬件抽象，底层设备控制，常用功能实现，进程间消息以及数据包管理。ROS是基于一种图状架构，从而不同节点的进程能接受，发布，聚合各种信息(例如传感，控制，状态，规划等等)。目前ROS 主要支持Ubuntu。因此可以建立机器人模型并与MATLAB/SIMULINGK进行通讯，两个软件联合控制机器人的抛磨加工运动。

发明内容

本发明的目的是针对具有复杂曲面的工件的抛光打磨，提供一种基于实时力控的复杂曲面恒定切除率的机器人打磨方法，本发明实现高精度和加工恒定的切除率。利用主动柔顺控制方法，配合ROS平台可实现系统对各种机器人的通用性。

本发明采用的技术方案为，

一种基于实时力控的复杂曲面恒定切除率的机器人打磨方法，具体包括以下步骤：

步骤1：使用机器人仿真软件离线编程初定曲面拟合轨迹；

步骤2：六维力传感器采集加工过程力/力矩信息，经过重力补偿得到末端接触力；

步骤3：根据hertz接触理论对加工过程中的接触压力建立数学模型，根据假设条件，将接触面视为理想的椭圆，建立起打磨压力与接触力、曲率半径变量的关系式，保持打磨压力不变，根据曲率半径的变化实时调整末端的接触力；

步骤4：利用自适应阻抗算法，并基于模糊理论的阻抗参数优化，对接触力进行计算，输出末端位置偏差，实时调整刀具相对于工件的位置。

所述步骤1中，使用ROS机器人仿真软件搭建平台，从待加工零部件的CAD/CA M模型中获取零部件的外形轮廓信息，根据外形轮廓信息设置打磨时的位置和姿态，生成所需的打磨路径。

所述步骤2中，六维力传感器安装在机器人末端，采集实时力/力矩数据，经过compute box的解析，得到力控制所需的六维力数据,并通过以太网发送至上位机，经过MATLAB/SIMULIK重力补偿算法得到末端接触力。

所述步骤3中，将建立的打磨压力的数学表达式写入MATLAB/SIMULIK算法，测量并计算得到工件的曲率半径变化，保证打磨压力恒定输出当前期望接触力。

所述步骤4中，通过MATLAB/SIMULINK自适应阻抗控制算法，输入调整的期望接触力求出位置偏移量，利用ROS(robotic operating system)软件搭建机器人控制系统，基于movilt驱动根据位置偏移量实时调整机器人末端磨具位置，以位置变化实现接触力的调整。

一种基于实时力控的复杂曲面恒定切除率的机器人打磨方法，具体包括以下步骤：

步骤1:使用机器人仿真软件离线编程初定曲面拟合轨迹。在步骤1中，机器人选用优傲机器人公司的UR5机器人，在ROS系统中安装UR5的模型及驱动包，通过TCP/IP 通讯。需要使用SOLIDWORKS等软件建立待加工工件的三维模型，导入到ROS系统中进行离线加工轨迹规划。

步骤2：六维力传感器采集加工过程力/力矩信息，经过重力补偿得到末端接触力。打磨系统是将工件放置在工作台上，选用的HEX-E六维力传感器，安装于UR5机器人末端，打磨抛光工具通过法兰盘安装在力传感器上。力传感器采集加工过程中的力/力矩信息，经过compute box的解析，并采用一种能够对传感器的零位值实时更新的重力补偿算法，消除力传感器三个方向的重力分力，并通过网线读入到MATLAB中。

步骤3：根据hertz接触理论对加工过程中的接触压力建立数学模型，根据假设条件，将接触面视为理想的椭圆，建立起打磨压力与接触力、曲率半径变量的关系式，保持打磨压力不变，根据曲率半径的变化实时调整末端的接触力。假设接触面满足HERTZ理论的四个条件：接触区发生小变形；接触面呈椭圆形；互相接触的物体可被看作是弹性半空间，发生完全弹性形变，只有垂直方向上的压力作用于接触面；表面是连续的，不确定的。根据刀具与工件的接触情况建立数学模型。先令接触力不变得到接触压力与曲率半径，杨氏模量，泊松比的关系式，保证接触压力恒定，得到接触力随曲率半径变化的表达式并写入 MATLAB程序中。

步骤4：自适应阻抗控制算法是一种常用的力控制策略，自适应阻抗控制算法的主要思想是在跟踪环境位置时，通过自适应增益来减小力误差，该算法不需要获得环境刚度的知识，所以无论对机器人动力学模型，还是对未知的环境位置或刚度该算法都有一定的鲁棒性。该算法用二阶物理模型代替机器人的阻抗，得到力与位移变化量之间的关系，即：

F_e是末端与环境的接触力，E＝X-X_e为机器人末端当前位置与期望位置的偏差。通过力反馈不断修正偏差，使刀具不断接触期望的位置，并采用模糊理论对阻抗参数进行优化。本发明的有益效果如下：

1、本发明借助主动柔顺控制技术，利用末端六维力传感器进行实时力控，通过力反馈的闭环控制实现高刚度和高柔顺性的结合。并使用重力补偿算法是力传感器在六个分量的数值为0，实现全空间的精确力控。

2、以往的恒力控制更适用于平面的抛磨，为保证复杂曲面的恒定切除率的加工，本发明对接触面进行理论分析计算，通过得出的数学模型搭建算法平台，实现恒定压力的加工打磨。在曲面曲率半径变化较大时能保证更好的精度。

3、使用的MATLAB/SIMULIK和ROS软件的联合仿真和控制，能实现打磨抛光系统在不同机器人型号下的通用性。只需要下载相应的驱动包和调试，具有很高的经济效益。

4、控制机器人使用自适应控制的力控制策略，有不需要精确地系统模型和准确控制的优点，经过参数优化后可实现高精度的机器人运动控制。

附图说明

图1为本发明实施实例中，打磨三维模型及曲率变化示意图.

图2为本发明实施实例中，圆球-圆球无变形示意图。

图3为本发明实施实例中，圆球-圆球无变形正视图。

图4为本发明实施实例中，圆球-圆球实际接触变形示意图。

图5为本发明实施实例中，圆球-圆球实际接触变形正视图。

图6为本发明实施实例中，接触圆剖视图。

图7为本发明实施实例中,打磨机器人控制系统框图。

图8为本发明实施实例中，打磨机器人系统结构示意图。

图9为本发明实施实例中，自适应阻抗控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，如图1至图9所示，一种基于实时力控的复杂曲面恒定切除率的机器人打磨方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤1、使用机器人仿真软件离线编程初定曲面拟合轨迹。

具体步骤如下：使用机器人仿真软件离线编程初定曲面拟合轨迹。在步骤1中，机器人选用优傲机器人公司的UR5机器人，在ROS系统中安装UR5的模型及驱动包，通过 TCP/IP通讯。使用SOLIDWORKS等软件建立待加工工件的三维模型并导入ROS软件中，利用软件离线生成加工轨迹和姿态，进行仿真。

步骤2、六维力传感器将力的量值转化成电压/电流信号，通过F/T sensor接口接入compute box(计算盒)，解析出力/力矩的实时数值。计算盒的IP可通过计算机进行修改，需要把3号位的拨位开关打开进行保存。解析过得力数据通过TCP/IP接口接入计算机，传感器测得的力包括传感器自身重力，接触力和惯性力，设传感器的重心位置为(x_Gy_GzG₎，对其进行重力补偿得出实际的接触力。

步骤3、根据hertz接触理论对加工过程中的接触压力建立数学模型，根据假设条件，将接触面视为理想的椭圆，建立起打磨压力与接触力、曲率半径变量的关系式，保持打磨压力不变，根据曲率半径的变化实时调整末端的接触力。

图1所示是磨具打磨复杂曲面的三维模型的曲率变化图，为了表现复杂性，使曲面的曲率变化较大。要实现曲面全方位的打磨，避免卡阻和打磨空隙，打磨头设计成半球形的形状。而曲面与打磨工具的接触部分可分成三类：圆球面，凹球面和平面。因此需要对圆球面-圆球面，凹球面-圆球面，平面-圆球面三种接触情况的受力进行分析。

步骤3-1、首先以圆球面-圆球面为例对算法进行推导：

如图2所示，打磨工具与工件的圆球面刚接触未产生形变，接触部分的正视图如图3 所示。O₁和O₂分别是接触面工件和磨具的圆心，R₁和R₂分别是工件和磨具的半径，此时两球体不受压力作用，他们仅接触一点O，在两球体表面上取距公共法线距离为r的M₁和M₂两点，与O点的切平面之间的距离z₁和z₁。由几何关系可得：

联立可得

当M1,M2离O点很近时，则z1＜＜R1,z2＜＜R2，上面两式可化为：

M1、M2两点之间的距离为：

实际上在接触上由于接触力F的作用会产生弹性变形，设α为圆心O1、O2因压缩而相互接近的距离，如果M₁与O₁、M₂与O₂之间无相对移动，则M₁与M₂之间接近的距离也为α。图4为实际加工时的接触情况，正视图如图5，此时M₁和M₂重合为一点M。此时有：

α－(w1+w2)＝z1+z2，

其中w₁和w₂表示M₁点沿z₁方向的位移及M₂点沿z₂方向的位移。即：

根据对称性，加工接触面一定是以接触点O为圆心的圆，

如图6所示。按照弹性半空间受垂直压力q的接触模型，M1点到M点的位移为

同理可得，

则：

此时找出压力q的分布律即可。根据Hertz的假设，如果在接触面的边界上作半圆球面，而用它在各个点的高度代表压力q各该点处的大小。则接触圆中心的压力q₀为：

q₀＝ka,k为常数因子，表示压力分布的比例尺；a为接触圆的半径。

接触圆内任一点的压力，应等于半球面在该点的高度h和截面积s的乘积，即：

联立可得：

要使此式对所有的r都成立，等号两边的常数项和r2的系数分别相等，于是有:

根据平衡条件，半球体的体积与接触圆中心的压力q₀的乘积除以接触圆的半径a应等于总压力F，即

最大压力即接触圆中心点压力：

联立解出：

其中

在E1＝E2＝E及ν1＝ν2＝0.3时，得出工程实践中广泛采用的公式：

最大接触压力为：

并以平均压力p_m作为加工过程中的接触压力，为：

对于平面-圆球面的情况使R1→∞，可得数学模型为：

对于凹球面-圆球面的接触情况用-R₁代替R₁，可得数学模型为：

步骤3-2、编入算法时，保证p_m恒定R₂为工具半径为定值，可得到接触力F与R₁的变化规律，R₁的读取采用离线编程软件实时测量曲率半径保存到列向量，由MATLAB函数循环调用。

所述步骤4中将期望调整的接触力输入到自适应控制算法中，对阻抗控制参数进行优化选取，输出位移偏移量，将位移偏移量通过通讯输出到虚拟机中的ROS系统，ROS通过TCP/IP驱动UR5进行运动，自适应控制框图如图9示。

Claims (1)

1.一种基于实时力控的复杂曲面恒定切除率的机器人打磨方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤1：使用机器人仿真软件离线编程初定曲面拟合轨迹；

步骤2：六维力传感器采集加工过程力/力矩信息，经过重力补偿得到末端接触力；

步骤3：根据hertz接触理论对加工过程中的接触压力建立数学模型，根据假设条件，将接触面视为理想的椭圆，建立起打磨压力与接触力、曲率半径变量的关系式，保持打磨压力不变，根据曲率半径的变化实时调整末端的接触力；

步骤4：利用自适应阻抗算法，并基于模糊理论的阻抗参数优化，对接触力进行计算，输出末端位置偏差，实时调整刀具相对于工件的位置；所述步骤1中，使用ROS机器人仿真软件搭建平台，从待加工零部件的CAD/CAM模型中获取零部件的外形轮廓信息，根据外形轮廓信息设置打磨时的位置和姿态，生成所需的打磨路径；

所述步骤2中，六维力传感器安装在机器人末端，采集实时力/力矩数据，经过computebox的解析，得到力控制所需的六维力数据，并通过以太网发送至上位机，经过MATLAB/SIMULIK重力补偿算法得到末端接触力；所述步骤3中，将建立的打磨压力的数学表达式写入MATLAB/SIMULIK算法，测量并计算得到工件的曲率半径变化，保证打磨压力恒定输出当前期望接触力；所述步骤4中，通过MATLAB/SIMULINK自适应阻抗控制算法，输入调整的期望接触力求出位置偏移量，利用ROS软件搭建机器人控制系统，基于movilt驱动根据位置偏移量实时调整机器人末端磨具位置，以位置变化实现接触力的调整；步骤3还包括以下步骤：步骤3-1：首先以圆球面-圆球面为例对算法进行推导：

打磨工具与工件的圆球面刚接触未产生形变，O₁和O₂分别是接触面工件和磨具的圆心，R₁和R₂分别是工件和磨具的半径，此时两球体不受压力作用，他们仅接触一点O，在两球体表面上取距公共法线距离为r的M₁和M₂两点，与O点的切平面之间的距离z₁和z₂；由几何关系可得：

联立可得

当M₁，M₂离O点很近时，则z₁＜＜R₁，z₂＜＜R₂，上面两式可化为：

M₁、M₂两点之间的距离为：

实际上在接触上由于接触力F的作用会产生弹性变形，设α为圆心O₁、O₂因压缩而相互接近的距离，如果M₁与O₁、M₂与O₂之间无相对移动，则M₁与M₂之间接近的距离也为α，此时M₁和M₂重合为一点M；此时有：

α-( w₁+ w₂)＝z₁+ z₂，

其中w₁和w₂表示M₁点沿z₁方向的位移及M₂点沿z₂方向的位移，即：

根据对称性，加工接触面一定是以接触点O为圆心的圆，

按照弹性半空间受垂直压力q的接触模型，M₁点到M点的位移为

同理可得，

则：

此时找出压力q的分布律即可；根据Hertz的假设，如果在接触面的边界上作半圆球面，而用它在各个点的高度代表压力q各该点处的大小；则接触圆中心的压力q₀为：

q₀＝ka，k为常数因子，表示压力分布的比例尺；a为接触圆的半径；

接触圆内任一点的压力，应等于半球面在该点的高度h和截面积s的乘积，即：

联立可得：

要使此式对所有的r都成立，等号两边的常数项和r²的系数分别相等，于是有：

根据平衡条件，半球体的体积与接触圆中心的压力q₀的乘积除以接触圆的半径a应等于总压力F，即

最大压力即接触圆中心点压力：

联立解出：

其中

在E₁＝E₂＝E及v₁＝v₂＝0.3时，得出公式：

最大接触压力为：

并以平均压力p_m作为加工过程中的接触压力，为：

对于平面-圆球面的情况使R₁→∞，可得数学模型为：

对于凹球面-圆球面的接触情况用-R₁代替R₁，可得数学模型为：

步骤3-2、编入算法时，保证p_m恒定，R₂为工具半径为定值，可得到接触力F与R₁的变化规律，R₁的读取采用离线编程软件实时测量曲率半径保存到列向量，由MATLAB函数循环调用；

所述步骤4中将期望调整的接触力输入到自适应控制算法中，对阻抗控制参数进行优化选取，输出位移偏移量，将位移偏移量通过通讯输出到虚拟机中的ROS系统，ROS通过TCP/IP驱动UR5进行运动。

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