CN110576346A - 一种机器人自动打磨的柔性执行器及其打磨方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种机器人自动打磨的柔性执行器及其打磨方法，该柔性执行器包括一机器人连接法兰、一力传感器连接法兰、一力传感器、一快换夹具、一磨具、一驱动机构，所述力传感器通过机器人连接法兰固定到工业机器人末端，用来实时检测打磨压力；所述快换夹具通过力传感器连接法兰连接到力传感器上；所述磨具设置在快换夹具的下端；所述驱动机构设置在快换夹具的上端，为柔性执行器提供动力。本发明的柔性执行器整体结构简单，操作便捷且成本低，实用性好；磨具根据不同特征设计，可适用于复杂自由曲面打磨；打磨压力控制精度高且实时监控，可有效地提高表面打磨质量；磨具磨损后可由机器人配合自动更换装置实现快速更换。
Description
技术领域
本发明涉及精密加工，特别涉及一种机器人自动打磨的柔性执行器及其打磨方法。
背景技术
目前市面上自动打磨机器人的末端执行器大部分采用单一的主动或者被动柔顺控制打磨，如专利CN201810889342.1公开了一种基于六维力传感器和双目视觉的机器人打磨装置及打磨方法，采用主动柔顺控制方案，通过六维力传感器采集三个轴的力和扭矩，便于打磨力的精确控制，且整体机构简单，通用性好。但是六维力传感器的价格较为高昂，控制算法复杂，使得工业机器人打磨的成本较高。
专利CN201810769480.6公开了一种用于安装打磨头的恒力执行器，采用基于气缸的恒力控制器实现被动柔顺控制，通过控制气动比例阀输出气缸压力，使打磨过程中打磨压力恒定不变。该方案结构简单、轻便、安装维护简单，且介质为空气，不易燃烧，安全可靠。但由于气体压缩的特性会产生非线性问题，使打磨头转速无法保持恒定不变，导致磨抛不均匀，影响打磨效果，且气动驱动的打磨转速较低，打磨效率不高。
专利CN201910448875.0公开了一种打磨均匀性好的钢管表面除锈装置,采用基于弹簧的被动柔顺控制方案，此方案价格低，控制策略简单，易于实现。但是精度不高，打磨力的控制不稳定。
这些末端执行器的特点是体积和重量较大，需要配置大负载的机器人，同时，有的需要配备六维力传感器、恒力控制器等昂贵的传感器和控制器，有的采用弹簧实现柔顺控制，稳定性不好，此外，由于气体可压缩性，导致气动恒力控制器存在时滞，且打磨压力精度低，影响打磨效果。综上所述，目前用于打磨的末端执行器综合性价比一般。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种机器人自动打磨的柔性执行器及其打磨方法。
为了实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种机器人自动打磨的柔性执行器，包括一机器人连接法兰、一力传感器连接法兰、一力传感器、一快换夹具、一磨具、一驱动机构，所述力传感器通过机器人连接法兰固定到工业机器人末端，用来实时检测打磨压力；所述快换夹具通过力传感器连接法兰连接到力传感器上；所述磨具设置在快换夹具的下端；所述驱动机构设置在快换夹具的上端，为柔性执行器提供动力。
较佳地，所述力传感器为单轴力传感器，用于实时检测打磨压力，监控压力值是否在设定阈值内，超出设定阈值则测控程序将发出中断请求，自动紧急停止。
较佳地，所述磨具包括托盘与置于托盘上的砂纸，其中托盘用于输出打磨压力，砂纸用于打磨待打磨物表面的磨抛，且托盘设置在快换夹具上，
较佳地，所述托盘的制作材料采用合成橡胶，该托盘包括平面打磨托盘、倒角打磨托盘、圆角打磨托盘。
较佳地，所述快换夹具采用气动筒夹，能适应多种尺寸的磨具，并且可以快速更换磨具。
较佳地，所述驱动机构为伺服电机。
一种机器人自动打磨的柔性执行器的打磨方法，包括如下步骤：
(1)、打磨前，根据待打磨物的特征选用磨具，再根据待打磨物的CAD模型、磨具和工艺数据库生成的打磨轨迹数据植入工业机器人；
(2)、打磨时，工业机器人根据执行程序控制柔性执行器按照打磨轨迹对待打磨物表面进行打磨；
(3)、在打磨过程中力传感器进行实时监控，若托盘打磨压力超出设定阈值，测控程序将发出中断请求，工业机器人停止打磨；打磨过程中若砂纸磨损，机器人停止打磨，并带动柔性执行器在砂纸自动更换装置上进行更换；
(4)、若含有不同类型特征的待打磨物，在完成一类特征打磨后，工业机器人带动柔性执行器在磨具库中自动更换磨具，继续打磨下一种类型特征，如此按顺序逐步打磨各个不同特征的自由曲面，最终完成所有特征的打磨。
较佳地，所述步骤(3)中托盘打磨压力的公式为：Fe＝KΔx其中Fe为托盘打磨压力，K为常数，Δx为托盘型变量。
采用本发明的技术方案，具有以下有益效果：本发明的柔性执行器整体结构简单，操作便捷且成本低，实用性好；磨具根据不同特征设计，可适用于复杂自由曲面打磨；打磨压力控制精度高且实时监控，可有效地提高表面打磨质量；磨具磨损后可由机器人配合自动更换装置实现快速更换；采用主、被动柔顺控制结合的方案，结合两种方案的优点，实现性价比更高的打磨方案。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明柔性执行器示意图；
图3为本发明平面打磨托盘示意图；
图4为本发明倒角打磨托盘示意图；
图5为本发明圆角打磨托盘示意图；
图6为本发明平面打磨受力分析图；
图7为本发明倒角打磨受力分析图；
图8为本发明圆角打磨受力分析图。
图中：柔性执行器1、待打磨物2、打磨固定平台3、磨具库4、工业机器人5、驱动机构101、快换夹具102、磨具103、力传感器连接法兰104、力传感器105、机器人连接法兰106
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进一步说明。
参照图1至图8，本发明提供一种机器人自动打磨的柔性执行器，包括一机器人连接法兰106、一力传感器连接法兰104、一力传感器105、一快换夹具102、一磨具103、一驱动机构101，所述力传感器105通过机器人连接法兰106固定到工业机器人1末端，用来实时检测打磨压力；所述快换夹具102通过力传感器连接法兰104连接到力传感器上105；所述磨具103设置在快换夹具102的下端；所述驱动机构101设置在快换夹具102的上端，为柔性执行器提供动力。
所述机器人连接法兰106与力传感器连接法兰104二者均采用刚性法兰，保证连接的可靠性，而且法兰的同轴度可以保证力传感器105测得数值为打磨面上的正压力，为控制的精准度也提供了保证。
所述力传感器105为单轴力传感器，用于实时检测打磨压力，监控压力值是否在设定阈值内，超出设定阈值则测控程序将发出中断请求，自动紧急停止。
所述磨具103包括托盘与置于托盘上的砂纸，其中托盘用于输出打磨压力，用来实现执行器的被动柔顺控制，砂纸用于打磨待打磨物2表面的磨抛，且托盘设置在快换夹具102上，可根据待打磨物2不同特征选用磨具103，通过快换夹具102快速更换磨具103，通过托盘压缩量控制打磨压力，该砂纸采用背绒砂纸。
所述磨具103包括还包括魔术贴，该魔术贴设置在托盘的末端处，砂纸通过魔术贴固定在磨具103的托盘上。
所述磨具103放置在柔性执行器一旁的磨具库4内。
所述待打磨物2放置在打磨固定平台3上。
所述托盘的制作材料采用合成橡胶，合成橡胶可以由丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶和氯丁橡胶等多种不同种类橡胶制成，并且通过控制其中炭黑和灰炭黑的添加量可以获得不同弹性模量的合成橡胶，再通过工业机器人5轨迹控制托盘压缩量，从而精确控制打磨压力；能设计成不同的结构形状适应不同的待打磨物和复杂的打磨工艺；避免打磨过程柔性执行器与待打磨物2产生干涉，同时避免待打磨物2表面产生拉丝缺陷。
所述托盘所适用的压力的范围包括0－10N、10－20N、20－30N。
所述托盘包括平面打磨托盘6、倒角打磨托盘7、圆角打磨托盘8；打磨倒角，可以将磨具103设计成倒角的角度；打磨圆角，将磨具103设计成和待打磨物2圆角半径相同的内圆形状，托盘打磨面尺寸也可根据所需打磨工件的尺寸需要进行灵活设计。
所述快换夹具103采用气动筒夹，能适应多种尺寸的磨具103，并且可以快速更换磨具103。
所述驱动机构101为伺服电机，为柔性执行器1提供动力。
一种机器人自动打磨的柔性执行器的打磨方法，包括如下步骤：
(1)、打磨前，根据待打磨物2的特征选用磨具103，再根据待打磨物2的CAD模型、磨具103和工艺数据库生成的打磨轨迹(其中的打磨压力参数决定打磨轨迹的偏移量)数据植入工业机器人5；
(2)、打磨时，工业机器人5根据执行程序控制柔性执行器1按照打磨轨迹对待打磨物2表面进行打磨，打磨压力由打磨轨迹的偏移量保证；
(3)、在打磨过程中力传感器105进行实时监控，若托盘打磨压力超出设定阈值，测控程序将发出中断请求，工业机器人5停止打磨；打磨过程中若砂纸磨损，工业机器人5停止打磨，并带动柔性执行器1在砂纸自动更换装置上进行更换；
(4)、若含有不同类型特征的待打磨物2，在完成一类特征打磨后，工业机器人5带动柔性执行器1在磨具库4中自动更换磨具103，继续打磨下一种类型特征，如此按顺序逐步打磨各个不同特征的自由曲面，最终完成所有特征的打磨。
所述步骤(3)中托盘打磨压力的公式为：Fe＝KΔx其中Fe为托盘打磨压力，K为常数，Δx为托盘型变量；根据打磨压力的需要和托盘压缩量之间的关系，控制机器人的轨迹实现被动柔顺控制，同时通过力传感器的实时打磨压力监控实现主动控制，进而实现主、被动控制的结合。
以下为具体打磨实施例：
实施例1：
参照如图6磨具的平面打磨托盘6受力分析，实例中为垂直打磨，打磨压力Fe＝Ff+G，其中G为柔性执行器的重力，Fe为托盘产生的弹性力(Fe＝KΔx，K为常数，Δx为托盘压缩量，如图6中阴影部分所示)，Ff为法兰的支持力，由于传感器的示数为重力和法兰支持力的合力，所以需要进行重力补偿。
实施例2：
参照如图7磨具的倒角打磨托盘7受力分析，实例中为打磨倒角，倒角压缩后产生的合力为Fe(Fe＝KΔx，K为常数，Δx为托盘压缩量，如图7中阴影部分所示)，柔性执行器重力为G，法兰的支持力为Ff。传感器的示数为法兰支持力在水平方向的分力和重力的合力，所以传感器的示数需要进行重力补偿。
实施例3：
参照图8的磨具的圆角打磨托盘8受力分析，圆角压缩产生的合力为Fe(Fe＝KΔx，K为常数，Δx为托盘压缩量，如图8中阴影部分所示)，柔性执行器重力为G，法兰的支持力为Ff。传感器的示数为法兰支持力在水平方向的分力和重力的合力，所以传感器的示数需要进行重力补偿。
由上述所述可知本发明的柔性执行器整体结构简单，操作便捷且成本低，实用性好；磨具根据不同特征设计，可适用于复杂自由曲面打磨；打磨压力控制精度高且实时监控，可有效地提高表面打磨质量；磨具磨损后可由机器人配合自动更换装置实现快速更换；采用主、被动柔顺控制结合的方案，结合两种方案的优点，实现性价比更高的打磨方案。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种机器人自动打磨的柔性执行器，其特征在于，包括一机器人连接法兰、一力传感器连接法兰、一力传感器、一快换夹具、一磨具、一驱动机构，所述力传感器通过机器人连接法兰固定到工业机器人末端，用来实时检测打磨压力；所述快换夹具通过力传感器连接法兰连接到力传感器上；所述磨具设置在快换夹具的下端；所述驱动机构设置在快换夹具的上端，为柔性执行器提供动力。
2.根据权利要求1所述的机器人自动打磨的柔性执行器，其特征在于，所述力传感器为单轴力传感器，用于实时检测打磨压力，监控压力值是否在设定阈值内，超出设定阈值则测控程序将发出中断请求，自动紧急停止。
3.根据权利要求1所述的机器人自动打磨的柔性执行器，其特征在于，所述磨具包括托盘与置于托盘上的砂纸，其中托盘用于输出打磨压力，砂纸用于打磨待打磨物表面的磨抛，且托盘设置在快换夹具上。
4.根据权利要求3所述的机器人自动打磨的柔性执行器，其特征在于，所述托盘的制作材料采用合成橡胶，该托盘包括平面打磨托盘、倒角打磨托盘、圆角打磨托盘。
5.根据权利要求1所述的机器人自动打磨的柔性执行器，其特征在于，所述快换夹具采用气动筒夹，能适应多种尺寸的磨具，并且可以快速更换磨具。
6.根据权利要求1所述的机器人自动打磨的柔性执行器，其特征在于，所述驱动机构为伺服电机。
7.根据权利要求1－6任一项所述的机器人自动打磨的柔性执行器的打磨方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)、打磨前，根据待打磨物的特征选用磨具，再根据待打磨物的CAD模型、磨具和工艺数据库生成的打磨轨迹数据植入工业机器人；
(2)、打磨时，工业机器人根据执行程序控制柔性执行器按照打磨轨迹对待打磨物表面进行打磨，打磨压力由打磨轨迹的偏移量保证；
(3)、在打磨过程中力传感器进行实时监控，若托盘打磨压力超出设定阈值，测控程序将发出中断请求，工业机器人停止打磨；打磨过程中若砂纸磨损，机器人停止打磨，并带动柔性执行器在砂纸自动更换装置上进行更换；
(4)、若含有不同类型特征的待打磨物，在完成一类特征打磨后，工业机器人带动柔性执行器在磨具库中自动更换磨具，继续打磨下一种类型特征，如此按顺序逐步打磨各个不同特征的自由曲面，最终完成所有特征的打磨。
8.根据权利要求7所述的打磨方法，其特征在于，所述步骤(3)中托盘打磨压力的公式为：Fe＝KΔx其中Fe为托盘打磨压力，K为常数，Δx为托盘型变量。
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