CN111451888B - 基于激光限位与恒力控制的机器人打磨双控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于激光限位与恒力控制的机器人打磨双控制系统及方法，所述系统包括打磨力监测单元、打磨位置监测单元和总控制中心，打磨力监测单元包括力传感装置和恒力装置，打磨位置监测单元包括激光测距仪和位置调整装置，总控制中心内设置有打磨力自适应计算模块，打磨力自适应计算模块是基于二自由PID控制算法，通过控制打磨力和打磨位置，实现打磨头在竖直方向进给过程中打磨力和打磨位置的监测与调节；总控制中心内预设打磨余量，打磨过程中，进行循环监测与调节，并对打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离与预设打磨余量进行实时偏差分析，直到打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离与预设打磨余量的偏差分析结果满足期望值，则打磨执行终止。

Description

基于激光限位与恒力控制的机器人打磨双控制系统及方法
技术领域
本发明涉及一种机器人打磨控制系统及方法，特别涉及一种基于激光限位与恒力控制的机器人打磨双控制系统及方法。
背景技术
随着工业机器人的应用领域越来越广泛，传统的单一位置控制方法已经不能满足机器人在精加工方面的工作，尤其对于焊接行业。机器人打磨加工过程中，末端工具与工件的偏差产生接触力，较大的接触力易对机器人和工件造成损伤，接触力的大小影响加工的精度，进而影响加工的质量，仅仅通过单一的机器人位置控制或力控制系统达不到打磨精度要求。现有技术中，力/位置混合控制是同时实现机械臂末端的接触力和位置跟踪控制，它根据接触力与位置的正交原理，在笛卡尔坐标下将机械臂末端的运动进行分解：在受约束的方向上进行力控制，在不受约束的方向上进行位置控制。在力控制方向上采用力反馈的形式，对接触力与期望力的偏差进行控制，实现了机械臂末端的作用力跟随期望值变化的效果。当机械臂工作在不同的受限空间上时，控制器必须能够依据机械臂与环境的动力学结构和动力学特性，针对不同的接触状态进行调整。也即虽然机械臂力/位置混合控制可以直接地分别对机械臂末端的期望力与位置进行控制，但是这种方法将力与位置分别划分到正交互补的两个空间上，由于外界环境的时变性，需对在力和位置的控制空间之间不停切换，运算过程比较复杂。要对机器人进行力控制又要对机器人进行位置控制，但由于控制的成功与否取决于对任务空间的精确分解和基于该分解的控制器结构的正确切换，导致机器人整体控制复杂，因此存在响应慢、精度较低、末端接触力不稳定、力的突变可能造成机器人或工件基体损环等问题，直接影响到被加工工件的表面质量。因此，为了保证被加工工件的表面质量均一且稳定，必须对机器人打磨系统进行改进。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种基于激光限位与恒力控制的机器人打磨双控制系统及方法，该打磨双控制系统可保证被打磨工件表面质量均一、稳定，防止打磨过量而损伤工件基体与打磨头。
本发明实现其发明目的首先提供了一种基于激光限位与恒力控制的机器人打磨双控制系统，其结构特点是：包括打磨力监测单元、打磨位置监测单元和总控制中心；所述打磨力监测单元包括力传感装置和恒力装置，打磨过程中，力传感装置用于实时监测打磨力并反馈给恒力装置，恒力装置用于调整并控制打磨力稳定；所述打磨位置监测单元包括激光测距仪和位置调整装置，打磨过程中，激光测距仪用于实时监测打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离并反馈给位置调整装置，位置调整装置用于调整并控制打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离；所述总控制中心内设置有打磨力自适应计算模块，所述打磨力自适应计算模块是基于二自由PID控制算法，通过控制打磨力和打磨位置，实现打磨头在竖直方向进给过程中打磨力的监测与调节，同时实现该进给过程中打磨位置的监测与调节；所述总控制中心内预设打磨余量，打磨过程中，所述总控制中心控制打磨头在竖直方向进给过程中打磨力和打磨位置的循环监测与调节，并对打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离与预设打磨余量进行实时偏差分析，直到打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离与预设打磨余量的偏差分析结果满足期望值，则打磨执行终止。(即：当打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离(即剩余打磨余量)与预设打磨余量的偏差满足预定要求时，打磨执行终止。)
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种基于激光限位与恒力控制的机器人打磨双控制系统包括打磨力监测单元、打磨位置监测单元和总控制中心，总控制中心内设置的打磨力自适应计算模块是基于二自由PID控制算法，通过对两个独立参数(即打磨力和打磨位置)的控制从而将两个原本独立的控制器(即打磨力监测单元和打磨位置监测单元)进行整合设计形成打磨双控制系统，实现打磨头在竖直方向进给过程中打磨力的监测与调节，同时实现该进给过程中打磨位置的监测与调节，使整个系统的抗干扰抑制性能和设定点跟踪性能够同时达到最优，实现不同情况焊缝的自适应打磨。总之，本发明结合恒力控制与位置控制对打磨过程进行自适应混合控制，一方面能够在打磨过程中保证每一道打磨的精度和稳定性，同时能够防止在打磨时的不稳定冲击而损伤打磨基体。
本发明实现其发明目的还提供了一种上述基于激光限位与恒力控制的机器人打磨双控制系统的控制方法，具体包括：
S1、打磨之前，根据待打磨工件的形状和待打磨位置进行机器人打磨路径规划，预设打磨余量；
S2、对待打磨工件的待打磨位置进行打磨时，当打磨头与待打磨工件的待打磨表面接触瞬间，在前馈调节中，力传感装置监测到打磨力并反馈给恒力装置，恒力装置对打磨力作出恒力调整，并将调整后的打磨力作为PID调节器的一个输入量；在前馈调节的同时，激光测距仪监测打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离并反馈给位置调整装置，位置调整装置调整打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离，并将调整后的打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离与预设打磨余量进行偏差分析，若偏差分析结果满足期望值则打磨不执行；若偏差分析结果不满足期望值则打磨执行，此时将偏差分析得到的偏差值作为PID调节器的另一个输入量，通过PID调节器对打磨力进行调节实现补偿调节控制，最终实时输出由PID调节器补偿调节后的打磨力；
S3、由于打磨头在竖直方向进给过程中,所需打磨力有变大的趋势，因此，在前馈调节中，当力传感装置监测到打磨力发生变化时，恒力装置对打磨力作出恒力调整，以调整后的打磨力进行下一环次打磨力的输入；在前馈调节的同时，激光测距仪实时监测打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离并反馈给位置调整装置，位置调整装置调整打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离，并将调整后的打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离与预设打磨余量进行偏差分析，若偏差分析结果满足期望值则打磨不再执行；若偏差分析结果不满足期望值则打磨继续执行，进入下一环次偏差值的输入，并通过PID调节器对打磨力进行调节实现补偿调节控制并输出；
S4、按照步骤S3进行循环执行，直到打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离与预设打磨余量的偏差分析结果满足期望值，则打磨执行终止。
(即：每一环次打磨，使得打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离逐次逼近预设打磨余量，当打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离(即剩余打磨余量)与预设打磨余量的偏差满足预定要求时，打磨执行终止。)
前馈控制是一种预测控制，通过对系统当前工作状态的了解，预测出下一阶段系统的运行状况。如果与参考值有偏差，那么就提前给出控制信号，使干扰获得补偿，稳定输出，消除误差。前馈的缺点是在使用时需要对系统有精确的了解，只有了解了系统模型才能有针对性的给出预测补偿。但在实际工程中，并不是所有的干扰都是可测的，并不是所有的对象都是可得到精确模型的，而且大多数控制对象在运行的同时自身的结构也在发生变化。所以，仅用前馈并不能达到良好的控制品质。这时就需要加入反馈，反馈的特点是根据偏差来决定控制输入，不管对象的模型如何，也不管外界的干扰如何，只要有偏差，就根据偏差进行纠正，可以有效地消除稳态误差，解决前馈不能控制的不可测干扰。
本发明的双控制系统的控制方法就是将前馈和反馈的优点结合起来的控制，使整个系统的抗干扰抑制性能和设定点跟踪性能够同时达到最优，实现不同情况焊缝的自适应打磨。在整个打磨过程中，每一环次的打磨调整，对打磨位置与打磨力都只进行了微量调整，调整周期短，防止打磨过量而损伤工件基体与打磨头，面对不同情况待打磨工件可实现自适应调整。
进一步的，所述预设打磨余量的范围大等于0.01mm且不超过0.2mm(即：0.01mm≤预设打磨余量≤0.2mm)。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的双控制系统的控制方法是将前馈和反馈的优点结合起来的控制，使整个系统的抗干扰抑制性能和设定点跟踪性能够同时达到最优，实现不同情况焊缝的自适应打磨。本发明在控制恒力打磨的同时，通过激光测距增加机械臂力控方向上的位置控制，通过对两种方法的混合控制，实现对焊缝打磨的自适应控制，使得在机器人打磨的过程中能够自动适应打磨量并对打磨力和打磨进给量进行控制监测，实现对打磨余量的准确控制，保证每一道打磨的精度的同时，防止由于系统响应速度不足造成基体材料受损。总之，本发明结合恒力控制与位置控制对打磨过程进行自适应混合控制，一方面能够在打磨过程中保证每一道打磨的精度和稳定性，同时能够防止在打磨时的不稳定冲击而损伤打磨基体。
下面通过具体实施方式及附图对本发明作进一步详细说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
附图说明
图1为本发明实施例打磨力监测单元和打磨位置监测单元的部分结构布置示意图。图中，1为机器人手臂，2为恒力装置，3为力传感装置，4为打磨头，5为激光测距仪，6为待打磨工件的待打磨位置。
图2为本发明实施例打磨双控制系统的控制原理示意图。
图3为本发明实施例打磨双控制系统的控制方法的流程示意图。
图4为本发明实施例打磨双控制系统与普通恒力控制系统在打磨普通长焊缝时的打磨效果对比图。图中，(a)为普通恒力控制系统打磨效果图，(b)为本发明实施例打磨双控制系统打磨效果图。
图5为本发明实施例打磨双控制系统与普通恒力控制系统在打磨带缺陷焊缝时的打磨效果对比图。图中，(a1)为普通恒力控制系统打磨几何不连续型焊缝时的打磨效果图，(a2)为本发明实施例打磨双控制系统打磨几何不连续型焊缝时的打磨效果图；(b1)为普通恒力控制系统打磨咬边型焊缝时的打磨效果图，(b2)为本发明实施例打磨双控制系统打磨咬边型焊缝时的打磨效果图；
(c1)为普通恒力控制系统打磨错边型焊缝时的打磨效果图，(c2)为本发明实施例打磨双控制系统打磨错边型焊缝时的打磨效果图。
具体实施方式
实施例
一种基于激光限位与恒力控制的机器人打磨双控制系统，其结构特点是：包括打磨力监测单元、打磨位置监测单元和总控制中心；所述打磨力监测单元包括力传感装置和恒力装置，打磨过程中，力传感装置用于实时监测打磨力并反馈给恒力装置，恒力装置用于调整并控制打磨力稳定；所述打磨位置监测单元包括激光测距仪和位置调整装置，打磨过程中，激光测距仪用于实时监测打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离并反馈给位置调整装置，位置调整装置用于调整并控制打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离；所述总控制中心内设置有打磨力自适应计算模块，所述打磨力自适应计算模块是基于二自由PID控制算法，通过控制打磨力和打磨位置，实现打磨头在竖直方向进给过程中打磨力的监测与调节，同时实现该进给过程中打磨位置的监测与调节；所述总控制中心内预设打磨余量，打磨过程中，控制打磨头在竖直方向进给过程中打磨力和打磨位置的循环监测与调节，并对打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离与预设打磨余量进行实时偏差分析，直到打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离与预设打磨余量的偏差分析结果满足期望值，则打磨执行终止。(即：当打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离(即剩余打磨余量)与预设打磨余量的偏差满足预定要求时，打磨执行终止。)
图1为本例打磨力监测单元和打磨位置监测单元的部分结构布置示意图。图中，1为机器人手臂，2为恒力装置，3为力传感装置，4为打磨头，5为激光测距仪，6为待打磨工件的待打磨位置。
图2为本例打磨双控制系统的控制原理示意图。
图3为本例打磨双控制系统的控制方法的流程示意图。
本例中所述基于激光限位与恒力控制的机器人打磨双控制系统的控制方法，具体包括：
S1、打磨之前，根据待打磨工件的形状和待打磨位置进行机器人打磨路径规划，预设打磨余量；
S2、对待打磨工件的待打磨位置进行打磨时，当打磨头与待打磨工件的待打磨表面接触瞬间，在前馈调节中，力传感装置监测到打磨力并反馈给恒力装置，恒力装置对打磨力作出恒力调整，并将调整后的打磨力作为PID调节器的一个输入量；在前馈调节的同时，激光测距仪监测打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离并反馈给位置调整装置，位置调整装置调整打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离，并将调整后的打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离与预设打磨余量进行偏差分析，若偏差分析结果满足期望值则打磨不执行(即：对应图3中余量满足则打磨不执行)；若偏差分析结果不满足期望值则打磨执行(即：对应图3中余量不满足则打磨执行)，此时将偏差分析得到的偏差值作为PID调节器的另一个输入量，通过PID调节器对打磨力进行调节实现补偿调节控制，最终实时输出由PID调节器补偿调节后的打磨力；
S3、由于打磨头在竖直方向进给过程中,所需打磨力有变大的趋势，因此，在在前馈调节中，当力传感装置监测到打磨力发生变化时，恒力装置对打磨力作出恒力调整，以调整后的打磨力进行下一环次打磨力的输入；在前馈调节的同时，激光测距仪实时监测打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离并反馈给位置调整装置，位置调整装置调整打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离，并将调整后的打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离与预设打磨余量进行偏差分析，若偏差分析结果满足期望值则打磨不再执行(即：对应图3中余量满足则打磨不执行)；若偏差分析结果不满足期望值则打磨继续执行(即：对应图3中余量不满足则打磨执行)，进入下一环次偏差值的输入，并通过PID调节器对打磨力进行调节实现补偿调节控制并输出；
S4、按照步骤S3进行循环执行，直到打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离与预设打磨余量的偏差分析结果满足期望值，则打磨执行终止。
(即：每一环次打磨，使得打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离逐次逼近预设打磨余量，当打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离(即剩余打磨余量)与预设打磨余量的偏差满足预定要求时，打磨执行终止。)
所述预设打磨余量的范围大等于0.01mm且不超过0.2mm(即：0.01mm≤预设打磨余量≤0.2mm)。
图4为本例打磨双控制系统与普通恒力控制系统在打磨普通长焊缝时的打磨效果对比图。图中，(a)为普通恒力控制系统打磨效果图，(b)为本例打磨双控制系统打磨效果图。
由图4的打磨效果对比可知，普通恒控制系统虽然基本完成了普通长焊缝的打磨，但焊缝中段还有少量余量未打磨到，这是系统不具有跟踪性造成的；而本例打磨双控制系统的打磨效果明显优于前者，可以很好地完成普通长焊缝的打磨。
图5为本例打磨双控制系统与普通恒力控制系统在打磨带缺陷焊缝时的打磨效果对比图。图中，(a1)为普通恒力控制系统打磨几何不连续型焊缝时的打磨效果图，(a2)为本例打磨双控制系统打磨几何不连续型焊缝时的打磨效果图；(b1)为普通恒力控制系统打磨咬边型焊缝时的打磨效果图，(b2)为本例打磨双控制系统打磨咬边型焊缝时的打磨效果图；(c1)为普通恒力控制系统打磨错边型焊缝时的打磨效果图，(c2)为本例打磨双控制系统打磨错边型焊缝时的打磨效果图。
由图5的打磨效果对比可知，本例打磨双控制系统可以完成带有几何不连续、咬边与错边型缺陷的焊缝打磨，其打磨效果良好，并且明显优于普通恒控制系统的打磨效果，具体打磨情况如下：
(1)对于几何不连续型缺陷焊缝打磨，普通恒力控制系统打磨形貌局部不平整，而本例打磨双控制系统的打磨形貌平整，打磨质量更佳，这是由于打磨过程中，面对几何的急剧变化，本例打磨双控制系统能够实时补偿调整，完成自适应打磨。
(2)对于咬边型缺陷焊缝打磨，由于咬边缺陷的特征，焊缝中间有凹陷且常伴有错边存在，本例打磨双控制系统的打磨质量优于普通恒力控制系统的打磨质量，其中焊缝中的凹陷处无法接触打磨，这是缺陷咬边特征所决定的。
(3)对于错边型缺陷焊缝打磨，普通恒力控制系统只对打磨形貌焊缝的一侧完全打磨，而本例打磨双控制系统的打磨形貌平整，打磨质量更佳，这是优于错边缺陷的特征，焊缝母材两侧高低不平，而本例打磨双控制系统抗干扰抑制性能和设定点跟踪性能俱佳，可以实现带错边缺陷焊缝的自适应打磨。
总的说来，本例打磨双控制系统同时具有较好的抗干扰抑制性能和设定点跟踪性，能够实现不同情况焊缝的自适应打磨，其打磨质量优于普通恒力控制系统的打磨质量。

Claims (3)

1.一种基于激光限位与恒力控制的机器人打磨双控制系统，其特征在于：包括打磨力监测单元、打磨位置监测单元和总控制中心；所述打磨力监测单元包括力传感装置和恒力装置，打磨过程中，力传感装置用于实时监测打磨力并反馈给恒力装置，恒力装置用于调整并控制打磨力稳定；所述打磨位置监测单元包括激光测距仪和位置调整装置，打磨过程中，激光测距仪用于实时监测打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离并反馈给位置调整装置，位置调整装置用于调整并控制打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离；所述总控制中心内设置有打磨力自适应计算模块，所述打磨力自适应计算模块是基于二自由PID控制算法，通过控制打磨力和打磨位置，实现打磨头在竖直方向进给过程中打磨力的监测与调节，同时实现该进给过程中打磨位置的监测与调节；所述总控制中心内预设打磨余量，打磨过程中，控制打磨头在竖直方向进给过程中打磨力和打磨位置的循环监测与调节，并对打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离与预设打磨余量进行实时偏差分析，直到打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离与预设打磨余量的偏差分析结果满足期望值，则打磨执行终止。
2.一种权利要求1所述的基于激光限位与恒力控制的机器人打磨双控制系统的控制方法，其特征在于：
S1、打磨之前，根据待打磨工件的形状和待打磨位置进行机器人打磨路径规划，预设打磨余量；
S2、对待打磨工件的待打磨位置进行打磨时，当打磨头与待打磨工件的待打磨表面接触瞬间，在前馈调节中，力传感装置监测到打磨力并反馈给恒力装置，恒力装置对打磨力作出恒力调整，并将调整后的打磨力作为PID调节器的一个输入量；在前馈调节的同时，激光测距仪监测打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离并反馈给位置调整装置，位置调整装置调整打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离，并将调整后的打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离与预设打磨余量进行偏差分析，若偏差分析结果满足期望值则打磨不执行；若偏差分析结果不满足期望值则打磨执行，此时将偏差分析得到的偏差值作为PID调节器的另一个输入量，通过PID调节器对打磨力进行调节实现补偿调节控制，最终实时输出由PID调节器补偿调节后的打磨力；
S3、在前馈调节中，当力传感装置监测到打磨力发生变化时，恒力装置对打磨力作出恒力调整，以调整后的打磨力进行下一环次打磨力的输入；在前馈调节的同时，激光测距仪实时监测打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离并反馈给位置调整装置，位置调整装置调整打磨头与代打磨工件基体表面之间的距离，并将调整后的打磨头与待打磨工件基体表现之间的距离与预设打磨余量进行偏差分析，若偏差分析结果满足期望值则打磨不再执行；若偏差分析结果不满足期望值则打磨继续执行，进入下一环次偏差值的输入，并通过PID调节气对打磨力进行调节实现补偿调节控制并输出；
S4、按照步骤S3进行循环执行，直到打磨头与待打磨工件基体表面之间的距离与预设打磨余量的偏差分析结果满足期望值，则打磨执行终止。
3.根据权利要求2所述的基于激光限位与恒力控制的机器人打磨双控制系统的控制方法，其特征在于：所述预设打磨余量的范围满足：0.01mm≤预设打磨余量≤0.2mm。
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