CN111843766A - 一种用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人加工恒力控制技术领域，公开了一种用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置。力位混合控制装置包括连接法兰、端盖、力传感器、动态倾角传感器、主动力控模块、传动模块及金属壳体，其中连接法兰用于将该装置与机器人末端连接；力传感器用于测量研抛加工过程中的轴向接触力；动态倾角传感器用于检测该装置的瞬时姿态；主动力控模块的上端与力传感器连接，其下端直接与传动模块连接；端盖与金属壳体用于固定和防护内部器件。本发明采用了高响应的空间结构，并具有重力补偿功能，有效减小了电机动子端的负载，提高了接触力控制的动态精度，进而实现了与待研抛工件表面的柔顺接触，保证了研抛加工过程的一致性与均匀性。

Description

一种用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置

技术领域

本发明属于机器人加工恒力控制技术领域，更具体地，涉及一种用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置。

背景技术

随着产品对性能的要求越来越高和结构日趋复杂，大型复杂曲面零件在航空航天、能源动力等领域的应用越来越广泛，并对其加工几何精度、表面质量等提出了更高的要求。针对大型复杂曲面零件的表面研抛加工，采用工业机器人逐步替代手工作业方式已势在必行。然而，由于往往难以获得复杂曲面零件的准确几何形状，导致机器人的加工路径偏离其名义曲面，同时考虑到机器人的重复定位误差、工件的装夹误差和研抛力的控制要求，仅仅依靠工业机器人难以保证研抛加工的精度和质量，因此在其末端安装力位混合控制装置十分必要。通过具有柔顺性的力位混合控制装置，工业机器人可自适应地补偿路径偏差、重复定位误差和装夹误差，并实现研抛力的精确控制。

目前，力位混合控制装置可分为气缸驱动式和电机驱动式两种类型。已形成产品的气缸驱动式装置有奥地利的Ferrobotics和美国的PushCorp，力控精度较高，技术已趋于成熟，但该类气缸驱动式装置存在较大的非线性问题，难以精确建模，限制了其力控精度的进一步提高；电机驱动式装置通常利用具有高响应能力的音圈电机作为驱动，可在一定程度上提高装置的响应能力，但忽视了电机动子端负载会降低其响应能力，进而使力控的动态精度下降。另外，随着机器人末端姿态的变化，力控装置的重力在机器人末端轴线上的分力也在时刻改变，需要对其进行补偿，以提高力控精度。

发明内容

针对现有技术的缺陷或不足，本发明提供了一种用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置，其目的在于通过设计一种高带宽的柔顺力控装置，自适应地调整机器人研抛加工过程的法向接触力，以实现研抛工具与被加工表面的恒力接触，从而保证机器人研抛加工的几何精度和表面质量。与现有的音圈电机驱动的力控装置不同，本装置将力传感器安装于电机定子端，而电机动子端由左右对称的滚珠花键导轨进行导向，直接与传动模块连接，有效减小了电机动子端的负载，提高了音圈电机的响应能力，并进而提高了对加工路径的跟踪性能和接触力控制的动态精度。同时，利用动态倾角传感器实时监测末端姿态，可有效补偿重力对力控精度的影响。

为实现上述目的，本发明设计了一种用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置，其特征在于，该装置包括连接法兰、端盖、力传感器、动态倾角传感器、主动力控模块、传动模块及金属壳体。

所述连接法兰用于将所述力位混合控制装置与工业机器人的末端连接；

所述端盖的上端与所述连接法兰连接，其下端用于固定所述力传感器、动态倾角传感器和金属壳体；

所述力传感器通过力传感器上端安装板与所述端盖连接，用于测量研抛加工中的轴向接触力，并将该力信号反馈给所述主动力控模块的控制单元，建立具有力反馈的闭环控制结构，从而实现接触力的柔顺控制；

所述动态倾角传感器通过动态倾角传感器安装板与所述端盖连接，用于检测该装置随机器人末端运动时的空间位姿，从而进行重力补偿；

所述主动力控模块的上端与所述力传感器连接，包括音圈电机、位移测量组件、电机导向组件及控制单元，所述音圈电机包括定子与动子，其定子与所述力传感器连接，其动子与所述传动模块连接，用于驱动所述传动模块柔顺运动；所述位移测量组件用于检测所述音圈电机的动子瞬时位置，并将该位置信号反馈给所述主动力控模块的控制单元，建立具有位置反馈的闭环控制结构，从而实现位置的柔顺控制；所述电机导向组件用于所述音圈电机的运动导向，并承受研抛工具的转动摩擦力；所述控制单元与所述力传感器、所述动态倾角传感器以及所述音圈电机的驱动器连接；

所述传动模块通过传动板与所述主动力控模块的下端连接，用于传递所述主动力控模块的音圈电机所输出的位移，从而实现研抛工具的轴向浮动；

所述金属壳体的上端与所述端盖连接，其下端与所述主动力控模块的电机导向组件连接，用于固定花键轴的位置，并对该力位混合控制装置起到防护作用，从而提高该装置的可靠性与稳定性。

进一步地，所述连接法兰、端盖、力传感器、主动力控模块、传动模块及金属壳体的中心轴线均在同一直线上，从而保证该装置的轴向单自由度的柔顺浮动。

进一步地，所述的动态倾角传感器垂直安装于所述端盖的下端，并且其中心轴线与该力位混合控制装置的中心轴线平行。

进一步地，所述主动力控模块的位移测量组件与所述音圈电机平行安装，并且固定于所述音圈电机的定子安装板和动子安装板之间，采用光栅尺和直线编码器的组合，用于检测所述音圈电机的动子相对于其定子的位移。

进一步地，所述主动力控模块的电机导向组件包括花键轴和花键螺母，其花键轴与所述金属壳体螺钉连接，并嵌入到所述金属壳体底端的圆柱形凹槽内，其花键螺母与定子安装板和动子安装板连接。

进一步地，所述的传动模块为可拆卸，以适配不同的研抛工具。

进一步地，所述力传感器为三维应变片式力传感器。

进一步地，所述主动力控模块的音圈电机的定子端通过定子安装板和力传感器下端安装板与所述力传感器连接，所述主动力控模块的音圈电机的动子端通过动子安装板与所述传动模块连接，所述端盖与所述金属壳体通过螺栓连接。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

(1)本发明提供的用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置将所述力传感器安装于所述音圈电机定子端，所述音圈电机动子端由左右对称的所述电机导向组件进行导向，并直接与所述传动模块连接，大大减小了电机动子端的负载，提高了音圈电机的响应能力，进而提高了对加工路径的跟踪性能和力控制的动态精度。

(2)本发明提供的用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置中主动力控模块采用音圈电机作为核心驱动，并结合位置与力信号的实时反馈，建立闭环控制系统，通过不同控制模式之间的切换，实现了机器人研抛加工中的接触力实时修调，从而保证了研抛工具与被加工表面的恒力接触，进而保证了加工表面的一致性。

(3)本发明提供的用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置采用所述动态倾角传感器实时监测机器人末端姿态，以补偿重力对接触的影响。

(4)本发明提供的用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置中所述的滚珠花键沿该装置轴线左右对称分布，能够抵抗研抛时的旋转摩擦力，有效可高该装置的稳定性。

(5)本发明提供的用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置的结构紧凑、外形尺寸小，能够适应于狭小工作空间的研抛加工。

附图说明

图1为按照本发明优选实施例提供的一种用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置的结构示意图；图中为展示各组件位置关系，对连接法兰、端盖和金属壳体进行了剖视处理；

图2为图1提供的一种用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置的外形示意图；

图3为图2的侧视图；图中为了从侧向展示各组件的位置关系，对连接法兰、端盖和金属壳体进行了剖视处理；

图4为图1提供的一种用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置中主动力控模块的结构示意图；

图5为图4中主动力控模块的位移测量组件的结构示意图；

图中：1-连接法兰，2-端盖，3-动态倾角传感器安装板，4-动态倾角传感器，5-定子安装板，6-音圈电机，61-定子，62-动子，7-动子安装板，8-电机导向组件，81-右花键轴，82-右花键螺母，83-左花键轴，84-左花键螺母，9-传动板，10-工具法兰，11-位移测量组件，111-栅尺安装板，112-栅尺，113-交叉导轨，114-直线编码器，115-直线编码器安装板，12-力传感器下端安装板，13-力传感器，14-力传感器上端安装板，15-金属壳体。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1～3所示，本发明实施提供了一种用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置，该装置包括连接法兰1、端盖2、力传感器13、动态倾角传感器4、主动力控模块、传动模块及金属壳体15。

连接法兰1用于将该力位混合控制装置与工业机器人的末端连接，可根据不同机器人末端的尺寸大小调整该连接法兰1的尺寸；

端盖2的上端与连接法兰1通过螺钉连接，其下端用于固定力传感器13、动态倾角传感器4和金属壳体15；

力传感器13通过力传感器上端安装板14与端盖2同轴连接，力传感器13采用三向应变式力传感器，用于测量研抛加工中的轴向接触力，并将该力信号反馈给主动力控模块的控制单元，建立具有力反馈的闭环控制结构，根据力控算法来调整音圈电机6的输入电流，从而保证恒定的研抛接触力；

动态倾角传感器4通过动态倾角传感器安装板3与端盖2连接，并垂直于端盖2的下端面，其轴线与该力位混合控制装置的中心轴线平行，用于测量该力位混合控制装置随机器人末端运动过程中的中心轴线与竖直方向的夹角，并对重力进行解耦，以补偿重力在中心轴线上的分力，从而消除重力分力对轴向接触力的影响。

请参照图4、图5，本实施例中的主动力控模块包括音圈电机6、位移测量组件11、电机导向组件8及控制单元(未图示)，其中，音圈电机定子61通过定子安装板5和力传感器下端安装板12与力传感器13连接，音圈电机动子62通过动子安装板7与传动模块连接，用于驱动下端的传动模块轴向浮动；位移测量组件11包括栅尺安装板111、栅尺112、交叉导轨113、直线编码器114与直线编码器安装板115，其中栅尺112沿栅尺安装板111的中心轴线方向安装，直线编码器114固定于直线编码器安装板115，并且直线编码器114的读数头中心正对栅尺112，交叉导轨113分别对称安装在栅尺安装板111与直线编码器安装板115的两边，用于导向并固定栅尺安装板111与直线编码器安装板115的相对间距。该位移测量组件11通过螺钉固定于定子安装板5和动子安装板7之间，用于测量音圈电机动子62的瞬时位置，并反馈至主动力控模块的控制单元，进而建立具有位移反馈的控制结构；电机导向组件8包括右花键轴81、左花键轴83、右花键螺母82和左花键螺母84，其中右花键轴81、左花键轴83与金属壳体15通过螺钉连接，并嵌入到金属壳体15底端的圆柱形凹槽内，右花键螺母82和左花键螺母84与定子安装板5、动子安装板7通过螺钉连接，构成相对于音圈电机左右对称的导向机构，并能够承受研抛工具的转动摩擦力；控制单元与力传感器13、动态倾角传感器4以及音圈电机的驱动器(未图示)连接。

传动模块包括传动板9和工具法兰10，通过传动板9与主动力控模块的动子安装板7螺栓连接，工具法兰10为拆卸式，可根据研抛工具的结构做适当调整。

金属壳体15为薄壁筒状结构，通过螺栓与端盖2连接，筒壁靠上端合适位置开有椭圆孔，用于穿出力传感器13和动态倾角传感器4的信号线以及音圈电机6的供电线。

下面，对所述用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置的工作过程进行详细说明。首先，将该力位混合控制装置安装与工业机器人末端，并在该装置的传动模块的工具法兰上安装气动研抛工具；然后，根据被加工件的工艺要求，设定研抛力的初值，作为目标接触力；其后，在位置控制模式下，将该力位混合控制装置的音圈电机动子62置于音圈电机行程的中间位置，由机器人末端带动所述的力位混合控制装置靠近工件表面，直至接触力达到设定值；之后，切换到力控制模式，在机器人末端的带动下沿工件表面移动，所述主动力控模块的控制单元接收力传感器13与倾角传感器4的信息，根据力控算法计算音圈电机6的输入电流的修调量，进而控制音圈电机6的输出驱动力，以实现研抛接触力的恒定。当实际接触力大于目标接触力时，力传感器13将该力信号反馈至控制单元，以减小音圈电机6的输入电流，从而减小实际的研抛接触力，使之趋近于目标接触力，同时该输入电流的减小量会引起音圈电机动子62远离工件表面，以自适应地跟随工件表面的形状变化；当实际接触力小于目标接触力时，力传感器13将该力信号反馈至控制单元，以增加音圈电机6的输入电流，从而增加实际的研抛接触力，使之趋于目标接触力，同时该输入电流的增加量会引起音圈电机动子62靠近工件表面，以自适应地跟随工件表面的形状变化，保证工件表面的一致性与均匀性。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置，其特征在于，该高精度力位混合控制装置包括连接法兰(1)、端盖(2)、力传感器(13)、动态倾角传感器(4)、主动力控模块、传动模块及金属壳体(15)，其中：

所述连接法兰(1)用于将所述力位混合控制装置与工业机器人的末端连接；

所述端盖(2)的上端与所述连接法兰(1)连接，其下端用于固定所述力传感器(13)、动态倾角传感器(4)和金属壳体(15)；

所述力传感器(13)通过力传感器上端安装板(14)与所述端盖(2)连接，用于测量研抛加工中的轴向接触力，并将该轴向接触力信号反馈给所述主动力控模块的控制单元，建立具有力反馈的闭环控制结构，从而实现接触力的柔顺控制；

所述动态倾角传感器(4)通过动态倾角传感器安装板(3)与所述端盖(2)连接，用于检测该力位混合控制装置随机器人末端运动时的空间位姿，从而进行重力补偿；

所述主动力控模块的上端与所述力传感器(13)连接，包括音圈电机(6)、位移测量组件(11)、电机导向组件(8)及控制单元，所述音圈电机(6)包括定子与动子，其定子与所述力传感器(13)连接，其动子与所述传动模块连接，用于驱动所述传动模块柔顺运动；所述位移测量组件(11)用于检测所述音圈电机(6)的动子瞬时位置，并将该瞬时位置信号反馈给所述主动力控模块的控制单元，建立具有位置反馈的闭环控制结构，从而实现位置的柔顺控制；所述电机导向组件(8)用于所述音圈电机(6)的运动导向，并且承受研抛工具的转动摩擦力；所述控制单元与所述力传感器(13)、所述动态倾角传感器(4)以及所述音圈电机(6)的驱动器连接；

所述传动模块通过传动板(9)与所述主动力控模块的下端连接，用于传递所述主动力控模块的音圈电机(6)所输出的位移，从而实现研抛工具的轴向浮动；

所述金属壳体(15)的上端与所述端盖(2)连接，其下端与所述主动力控模块的电机导向组件(8)连接，用于固定花键轴的位置，并且对该力位混合控制装置起到防护作用，从而提高该力位混合控制装置的可靠性与稳定性。

2.如权利要求1所述的用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置，其特征在于，所述连接法兰(1)、端盖(2)、力传感器(13)、主动力控模块、传动模块及金属壳体(15)的中心轴线均在同一直线上，从而保证力位混合控制装置的轴向单自由度的柔顺浮动。

3.如权利要求1或2所述的用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置，其特征在于，所述的动态倾角传感器(4)垂直安装于所述端盖(2)的下端，并且其中心轴线与力位混合控制装置的中心轴线平行。

4.如权利要求3所述的用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置，其特征在于，所述主动力控模块的位移测量组件(11)与所述音圈电机(6)平行安装，并且固定于所述音圈电机的定子安装板(5)和动子安装板(7)之间，采用光栅尺和直线编码器的组合，用于检测所述音圈电机(6)的动子相对于其定子的位移。

5.如权利要求1、2或4所述的用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置，其特征在于，所述主动力控模块的电机导向组件(8)包括花键轴和花键螺母，其花键轴与所述金属壳体(15)螺钉连接，并嵌入到所述金属壳体(15)底端的圆柱形凹槽内，其花键螺母与定子安装板(5)和动子安装板(7)连接。

6.如权利要求5所述的用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置，其特征在于，所述的传动模块为可拆卸，以适配不同的研抛工具。

7.如权利要求1、2、4或6所述的用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置，其特征在于，所述力传感器(13)为三维应变片式力传感器。

8.如权利要求1、2、4或6任一项所述的用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置，其特征在于，所述主动力控模块的音圈电机(6)的定子端通过定子安装板(5)和力传感器下端安装板(12)与所述力传感器(13)连接，所述主动力控模块的音圈电机(6)的动子端通过动子安装板(7)与所述传动模块连接，所述端盖(2)与所述金属壳体(15)通过螺栓连接。

9.如权利要求5任一项所述的用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置，其特征在于，所述主动力控模块的音圈电机(6)的定子端通过定子安装板(5)和力传感器下端安装板(12)与所述力传感器(13)连接，所述主动力控模块的音圈电机(6)的动子端通过动子安装板(7)与所述传动模块连接，所述端盖(2)与所述金属壳体(15)通过螺栓连接。

10.如权利要求7任一项所述的用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置，其特征在于，所述主动力控模块的音圈电机(6)的定子端通过定子安装板(5)和力传感器下端安装板(12)与所述力传感器(13)连接，所述主动力控模块的音圈电机(6)的动子端通过动子安装板(7)与所述传动模块连接，所述端盖(2)与所述金属壳体(15)通过螺栓连接。

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