CN110549326B - 基于多主动柔顺控制器的机器人研磨抛光加工位姿调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于多主动柔顺控制器的机器人研磨抛光加工位姿调节方法，包括以下步骤：在机器人末端安装多个主动柔顺控制器，在主动柔顺控制器上安装研磨抛光工具，确保各研磨抛光工具工作平面位于同一平面，并标定机器人工具坐标系{Ψ}的Z_Ψ轴与该平面垂直；在机器人研磨抛光加工过程中，被调节量为工具坐标系{Ψ}绕X_Ψ轴、Y_Ψ轴的旋转角度C、B，控制目标还包括工具坐标系{Ψ}沿Z_Ψ轴位移Z，使各个研磨抛光工具对应的主动柔顺控制器位移值在误差范围内。本发明能实现基于多主动柔顺控制器的机器人研磨抛光系统在研磨抛光加工过程中的稳定性控制，使研磨抛光工具的工作面与工件表面保持良好接触，改善研磨抛光工具与工件之间的贴合效果，明显提高机器人研磨抛光加工的加工效率。

Description

基于多主动柔顺控制器的机器人研磨抛光加工位姿调节方法

技术领域

本发明涉及机器人位姿调节，具体地说是一种基于多主动柔顺控制器的机器人研磨抛光加工位姿调节方法。

背景技术

研磨抛光是工业生产中重要的加工手段，研磨抛光的加工质量对产品的质量有着重要影响。由于研磨抛光加工的工作环境差，采用机器人代替工人进行研磨抛光加工，不仅可以改善工人的工作环境，而且还可以提高打磨的质量和效率。目前，尽管研磨抛光机器人在生产中得到广泛应用，使得研磨抛光质量得到了极大改善，有效提高了企业的劳动生产效率，但在应用中仍然存在很多方面的问题。

在大面积磨抛加工工艺中，相对于机器人夹持单个磨抛工具，机器人夹持多个打磨工具不仅可以提高打磨效率，还可以提高磨抛工具在磨抛过程中的稳定性，提高磨抛质量。当机器人夹持多个研磨抛光工具对工件表面进行磨抛加工时，如何对机器人的位置和姿态进行调节，从而使多个磨抛工具的工作面与工件表面平行并保持良好接触是其中的首要问题之一。

现有技术主要是通过基于主动式柔顺控制器的方法使打磨工具与工件表面保持接触。机器人在打磨时，为了保证多个工具与工件表面在整个打磨过程中保持接触，一般在机器人末端法兰上安装多个主动式柔顺控制器，然后在主动式柔顺控制器上安装磨抛工具，主动式柔顺控制器使工具与工件表面的接触力恒定，同时使工具能够沿着一个方向在一定范围内平移，因此可以保证多个工具与工件表面在整个打磨过程中保持接触。由于工具只能沿着一个方向平移，而且磨抛工具的工作面一般是平面，所以这种方法在工具的工作面与工件表面不平行时，无法调平多个磨抛工具使它们的工作面与工件表面平行、保持良好接触，只能在机器人轨迹精度和工件定位精度较高、工具的工作面与工件表面始终平行时使用，系统的柔性不能满足要求。当磨抛工具的工作面与工件表面不平行，两者之间没有良好的接触时，如图1的(b)所示，磨抛加工质量会受到很大的负面影响。因此，实现多柔顺控制器的机器人磨抛工具自动调平，如图1的(a) 所示，使打磨工具工作面与工件表面平行、保持良好接触具有重要的意义。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，实现基于多主动柔顺控制器的机器人研磨抛光系统在研磨抛光加工过程中的稳定性控制，使研磨抛光工具的工作面与工件表面保持良好接触，改善研磨抛光工具与工件之间的贴合效果，明显提高机器人研磨抛光加工的加工效率。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：基于多主动柔顺控制器的机器人研磨抛光加工位姿调节方法，包括以下步骤：

步骤1：在机器人末端法兰上安装多个主动式柔顺控制器，在主动式柔顺控制器上安装磨抛工具，确保各磨抛工具在主动柔顺控制器上的位移相同时，各磨抛工具的工作平面位于同一平面上，且该平面与机器人末端法兰轴线垂直；标定工具坐标系{Ψ}，标定机器人基坐标系{B}；

步骤2：在机器人磨抛加工过程中，以工具坐标系{Ψ}绕其X_Ψ轴、Y_Ψ轴旋转角度C、B为被控量，确保各磨抛工具在主动式柔顺控制器的位移值之间的差值在设定误差范围内；

步骤3：在机器人磨抛加工过程中，以工具坐标系{Ψ}沿其Z_Ψ轴平移的位移 Z为被控量，控制各磨抛工具在主动式柔顺控制器上的位移与设定值之间的差值在设定误差范围内。

所述步骤1中的标定工具坐标系{Ψ}，标定机器人基坐标系{B}，包括以下步骤：

1)标定机器人工具坐标系{Ψ}的Z_Ψ轴使其与机器人末端法兰轴线重合；标定工具坐标系{Ψ}的X_Ψ轴、Y_Ψ轴，使得各个磨抛工具工作平面中心点在X_Ψ-Y_Ψ平面上的投影点P₁、P₂、……、P_s的坐标为设定目标值；s为投影点个数；

2)标定机器人基坐标系{B}的原点O_B、X_B轴、Y_B轴位于工件待加工表面；

3)标定工具坐标系{Ψ}的原点O_Ψ，使得当X_Ψ-Y_Ψ平面位于X_B-Y_B平面上时，各个磨抛工具在其主动柔顺控制器上的位移为其控制范围中间值。

所述在机器人磨抛加工过程中，以工具坐标系{Ψ}绕其X_Ψ轴、Y_Ψ轴旋转角度C、B为被控量，确保各磨抛工具在主动式柔顺控制器的位移值之间的差值在设定误差范围内包括以下步骤：

1)获取各磨抛工具在主动式柔顺控制器上的位移z₁、z₂……z_s；s为磨抛工具的个数；

2)由z₁、z₂……z_s求出各磨抛工具的工作平面的中心点所在平面的法向量在工具坐标系{Ψ}中的齐次坐标^ΨP_B＝[l,m,n,1]^T；

3)Z_T轴的方向向量在工具坐标系{Ψ}中的齐次坐标^ΨP_A＝[0,0,1,1]^T；令Ω·^ΨP_A＝^ΨP_B，又变换算子Ω与绕{Ψ}的X_Ψ轴旋转角度计算值C′、绕{Ψ}的Y_Ψ轴旋转角度计算值B′相关：

代入Ω·^ΨP_A＝^ΨP_B可得：

从而计算出用l、m、n表示的计算值B′、C′：

其中，l、m、n根据各磨抛工具在主动式柔顺控制器上的位移z₁、z₂……z_s和各个磨抛工具工作平面中心点在X_Ψ-Y_Ψ平面上的投影点P₁、P₂、……、P_s的坐标计算得到；

4)当计算值B′、C′的绝对值小于设定值时，说明^ΨP_A与^ΨP_B的夹角接近0，各磨抛工具在主动式柔顺控制器上的位置差值小于设定值；否则，说明^ΨP_A与^ΨP_B的夹角超出误差范围，各磨抛工具的工作平面不能看作位于同一平面上，此时控制{Ψ}绕其X_Ψ轴旋转-C′，绕其Y_Ψ轴旋转-B′。

所述在机器人磨抛加工过程中，以工具坐标系{Ψ}沿其Z_Ψ轴平移的位移Z为被控量，控制各磨抛工具在主动式柔顺控制器上的位移与设定值之间的差值在设定误差范围内包括以下步骤：

1)获取各磨抛工具在主动式柔顺控制器上的位移z₁、z₂……z_s；

2)确定反应z₁、z₂……z_s特征的值z_spec；

当z_spec与位移设定值z_aim之间的差值在误差范围内时，说明各磨抛工具在主动式柔顺控制器上的位移与z_aim之间的差值小于设定值；否则，说明各磨抛工具在主动式柔顺控制器上的位移与z_aim之间的差值超出设定值，此时调节工具位置，使其沿Z_Ψ轴平移位移Z＝z_aim-z_spec。

所述反应z₁、z₂……z_s特征的值z_spec为z₁、z₂……z_s中的最小值z_min。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.实现简单：只需要根据各磨抛工具在主动式柔顺控制器上的位移，调整机器人工具坐标系的姿态和位置，即可实现机器人磨抛加工过程的位置和姿态调节。

2.稳定性好：本发明的机器人磨抛加工位姿调节过程与磨抛加工轨迹不直接相关，并且对机器人轨迹精度和工件定位精度要求不高。

3.经济性好：与现有方法相比，本发明不需引入新的设备，可以在原有设备的基础上通过改进实现。

附图说明

图1为本发明的打磨工具良好接触和没有良好接触时的示意图；

图2为本发明的方法流程图；

图3为本发明的部件安装示意图；

图4为本发明的工具坐标系标定示意图。

具体实施方式

本发明公开一种基于多柔顺控制器的机器人磨抛加工位姿调节方法，下面结合机器人磨抛加工实例对本发明做进一步的详细说明。

本发明实施例采用的装置由1个工业机器人、3个主动柔顺控制器即恒力补偿装置、3个磨抛工具、1个上位机控制系统组成。3个主动柔顺控制器通过连接法兰安装在机器人末端法兰上，每个主动式柔顺控制器上安装一个磨抛工具。工业机器人、3个主动式柔顺控制器分别与上位机进行实时信息交换。

如图2所示，本发明方法包括：在机器人上安装主动式柔顺控制器、磨抛工具，标定工具坐标系；调节工具坐标系姿态，使各磨抛工具在主动式柔顺控制器上的位移相对误差小于设定值；调节工具坐标系位置，使各磨抛工具在主动式柔顺控制器上位移值小于设定值。具体步骤如下：

1)如图3所示，在机器人末端上安装连接法兰，在连接法兰上安装3个主动柔顺控制器，然后在每个主动柔顺控制器上安装磨抛工具，并通过连接法兰机械结构确保各磨抛工具工作平面与机器人末端法兰平面平行。各个磨抛工具在主动柔顺控制器上的位移相同时，磨抛工具工作平面应位于同一平面。

标定机器人工具坐标系{Ψ}的Z_Ψ轴使其与机器人末端法兰轴线重合，标定工具坐标系{Ψ}的X_Ψ轴、Y_Ψ轴，使3个磨抛工具工作平面中心点在X_Ψ-Y_Ψ平面上的投影点P₁、P₂、P₃如图4所示。P₁、P₂、P₃在X_Ψ-Y_Ψ平面上的坐标依次为(-a,b)、 (-a,-b)、(c,0)，在本实施例中a＝43mm，b＝75mm，c＝86mm。标定机器人基坐标系{B}的原点O_B、X_B轴、Y_B轴位于工件待加工表面。标定工具坐标系{Ψ}的原点O_Ψ，使其当X_Ψ-Y_Ψ平面位于X_B-Y_B平面上时，3个磨抛工具在主动柔顺控制器上的位移位于主动柔顺控制的中间位置，在本实施例中为15mm。

2)机器人磨抛加工过程位置调节过程

在本实施例中，主动式柔顺控制器可以带动磨抛工具在0～30mm范围内移动，并且可以通过以太网等通讯接口与上位机控制系统进行实时通讯，实时接收主动柔顺控制器的位移数据。基于这一功能，实时获取3个磨抛工具在主动柔顺控制器上的位移z₁、z₂、z₃。

由z₁、z₂、z₃求出各磨抛工具工作平面中心点所在平面法向量在{Ψ}中的齐次坐标^ΨP_B＝[l,m,n,1]^T。其中：l、m、n分别为各磨抛工具工作平面中心点所在平面的单位法向量在{Ψ}的x轴、y轴、z轴上的投影。l₀、m₀、n₀、M为计算l、 m、n时用到的中间量。

M＝(z₁+z₂)c+2z₃a

Z_Ψ轴的方向向量在{Ψ}中的齐次坐标^ΨP_A＝[0,0,1,1]^T。令Ω·^ΨP_A＝^ΨP_B，变换算子Ω只涉及绕{Ψ}的X_Ψ轴旋转角度计算值C′、绕{Ψ}的Y_Ψ轴旋转角度计算值B′：

代入Ω·^ΨP_A＝^ΨP_B可得：

由l、m、n求出计算值B′、C′：

在本实施例中，如果|C′|大于设定的阈值，利用工业机器人传感器接口的位置修正功能使{Ψ}绕其X_Ψ轴旋转C＝-C′；同样地，如果|B′|大于设定的阈值，利用工业机器人传感器接口的位置修正功能使{Ψ}绕其Y_Ψ轴旋转B＝-B′；在其它情况下，不对工具坐标系{Ψ}的姿态进行调节。

在本实施例中，利用工业机器人的传感器接口通信功能，每12ms为一个控制周期。

3)机器人磨抛加工过程姿态调节过程

同步骤2)，实时获取3个打磨工具在主动式恒力补偿装置上的位移z₁、z₂、 z₃。

在本实施例中，将z₁、z₂、z₃中的最小值z_min作为能够反应z₁、z₂、z₃特征的值z_spec，求出z₁、z₂、z₃中的最小值z_min。

在本实施例中，z_aim＝25mm，如果|z_min-z_aim|<1mm，利用工业机器人传感器接口的位置修正功能控制{Ψ}沿其Z_Ψ轴平移一定的位移Z＝z_aim-z_min；否则，对{Ψ}的位置不作调整。

在本实施例中，利用工业机器人的传感器接口通信功能，每12ms为一个控制周期。

按照上述事实例，即可很好的实现本发明。需要说明的是，在本说明书的指导下本领域技术人员所做出的任何等同替代方式，或明显变形方式均应在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.基于多主动柔顺控制器的机器人研磨抛光加工位姿调节方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：在机器人末端法兰上安装多个主动式柔顺控制器，在主动式柔顺控制器上安装磨抛工具，确保各磨抛工具在主动柔顺控制器上的位移相同时，各磨抛工具的工作平面位于同一平面上，且该平面与机器人末端法兰轴线垂直；标定工具坐标系{Ψ}，标定机器人基坐标系{B}；

步骤2：在机器人磨抛加工过程中，以工具坐标系{Ψ}绕其X_Ψ轴、Y_Ψ轴旋转角度C、B为被控量，确保各磨抛工具在主动式柔顺控制器的位移值之间的差值在设定误差范围内，包括以下步骤：

1)获取各磨抛工具在主动式柔顺控制器上的位移z₁、z₂......z_s；s为磨抛工具的个数；

2)由z₁、z₂......z_s求出各磨抛工具的工作平面的中心点所在平面的法向量在工具坐标系{Ψ}中的齐次坐标^ΨP_B＝[l，m，n，1]^T；

3)Z_Ψ轴的方向向量在工具坐标系{Ψ}中的齐次坐标^ΨP_A＝[0，0，1，1]^T；令Ω·^ΨP_A＝^ΨP_B；变换算子Ω与绕{Ψ}的X_Ψ轴旋转角度计算值C′、绕{Ψ}的Y_Ψ轴旋转角度计算值B′相关：

代入Ω.^ΨP_A＝^ΨP_B可得：

从而计算出用l、m、n表示的计算值B′、C′：

其中，l、m、n根据各磨抛工具在主动式柔顺控制器上的位移z₁、z₂……z_s和各个磨抛工具工作平面中心点在X_Ψ-Y_Ψ平面上的投影点P₁、P₂、……、P_s的坐标计算得到；

4)当计算值B′、C′的绝对值小于设定值时，说明^ΨP_A与^ΨP_B的夹角接近0，各磨抛工具在主动式柔顺控制器上的位置差值小于设定值；否则，说明^ΨP_A与^ΨP_B的夹角超出误差范围，各磨抛工具的工作平面不能看作位于同一平面上，此时控制{Ψ}绕其X_Ψ轴旋转-C′，绕其Y_Ψ轴旋转-B′；

步骤3：在机器人磨抛加工过程中，以工具坐标系{Ψ}沿其Z_Ψ轴平移的位移Z为被控量，控制各磨抛工具在主动式柔顺控制器上的位移与设定值之间的差值在设定误差范围内，包括以下步骤：

1)获取各磨抛工具在主动式柔顺控制器上的位移z₁、z₂……z_s；

2)确定反映z₁、z₂……z_s特征的值z_spec；

当z_spec与位移设定值z_aim之间的差值在误差范围内时，说明各磨抛工具在主动式柔顺控制器上的位移与z_aim之间的差值小于设定值；否则，说明各磨抛工具在主动式柔顺控制器上的位移与z_aim之间的差值超出设定值，此时调节工具位置，使其沿Z_Ψ轴平移位移Z＝z_aim-z_spec。

2.根据权利要求1所述的机器人研磨抛光加工位姿调节方法，其特征在于所述步骤1中的标定工具坐标系{Ψ}，标定机器人基坐标系{B}，包括以下步骤：

1)标定机器人工具坐标系{Ψ}的Z_Ψ轴使其与机器人末端法兰轴线重合；标定工具坐标系{Ψ}的X_Ψ轴、Y_Ψ轴，使得各个磨抛工具工作平面中心点在X_Ψ-Y_Ψ平面上的投影点P₁、P₂、……、P_s的坐标为设定目标值；s为投影点个数；

2)标定机器人基坐标系{B}的原点O_B、X_B轴、Y_B轴位于工件待加工表面；

3)标定工具坐标系{Ψ}的原点O_Ψ，使得当X_Ψ-Y_Ψ平面位于X_B-Y_B平面上时，各个磨抛工具在其主动柔顺控制器上的位移为其控制范围中间值。

3.根据权利要求1所述的机器人研磨抛光加工位姿调节方法，其特征在于所述反映z₁、z₂……z_s特征的值z_spec为z₁、z₂……z_s中的最小值z_min。

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