CN112985262A - 一种机器人曲面打磨预校式法向测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种机器人曲面打磨预校式法向测量装置，所述法向测量装置10包括：底座1，滚珠2，测量盘3，测距传感器4，万向球7，弹簧8，压盖9，其中：底座1中心的球形凹槽，与测量盘3中心的球形凹槽相对设置，滚珠2嵌入在，底座1的球形凹槽与测量盘3的球形凹槽内；测量盘3的前端面安装有三个万向球7；测量盘3的外缘与压盖9之间安装四个对称分布的弹簧8，可使测量盘复位，并对测量盘3进行预压，使测量盘3牢牢压紧滚珠2；底座1设置有四个第一凹槽，四个测距传感器4分别放置在对应的第一凹槽内。

Description

一种机器人曲面打磨预校式法向测量装置及方法
技术领域
本发明涉及航空航天制造领域，具体涉及一种机器人曲面打磨预校式法向测量方法。
背景技术
在航空制造领域需要打磨大量的曲面工件，在机器人曲面打磨方法中，多采用刀盘法向摆动打磨方式，刀盘与电主轴柔性连接，在打磨过程中可实时调整刀盘角度，能够保证刀盘轴线与曲面法向重合。
但是，这种柔性打磨方式刀盘会出现抖动，不易控制，打磨面易出现刀痕，影响打磨形面精度。另外，刀盘安装在末端执行器输出轴上，这种连接方式对于环状磨料刀盘来说，用刀盘中心打磨，在刀路拼接缝处容易产生楞槽。所以采用刀盘边缘打磨可解决拼缝楞槽现象。然而，刀盘边缘打磨方式，刀盘与曲面工件接触点与主轴电机轴线存在距离偏差，由于曲面工件曲率变化，导致末端执行器TCP点处曲面法向与刀盘边缘接触点曲面法向出现偏差。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的问题，提出了一种机器人曲面打磨预校式法向测量方法，可解决TCP点与刀盘接触点法向测量偏差问题。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
第一方面，本申请提供一种机器人曲面打磨预校式法向测量装置，所述法向测量装置(10)包括：底座(1)，滚珠(2)，测量盘(3)，测距传感器(4)，万向球(7)，弹簧(8)，压盖(9)，其中：
底座(1)中心的球形凹槽，与测量盘(3)中心的球形凹槽相对设置，滚珠(2)嵌入在，底座(1)的球形凹槽与测量盘(3)的球形凹槽内；测量盘(3)的前端面安装有三个万向球(7)；测量盘(3)的外缘与压盖(9)之间安装四个对称分布的弹簧(8)，可使测量盘复位，并对测量盘(3)进行预压，使测量盘(3)牢牢压紧滚珠(2)；底座(1)侧面与四个弹簧(8)对应的四个位置分别设置有第一凹槽，四个测距传感器(4)分别固定在对应的第一凹槽内；利用紧固装置将底座(1)和压盖(9)紧固在一起；
法向测量装置(10)通过十字形定位叉(14)安装在机器人打磨末端执行器的输出轴(12)上，在打磨前机器人带动法向测量装置(10)在工件表面移动，法向测量装置(10)前端的万向球(7)与工件表面接触并滚动，法向测量装置(10)测得工件曲面法向偏角数据，所述工件曲面法向偏角数据用于得到准确的机器人运行轨迹。
优选的，法向测量装置(10)的第一面为设置有万向球(7)的一面，法向测量装置(10)的第二面设置有定位凸台；十字形定位叉(14)为十字形板状结构，十字形的每个横边均面向十字中心设置有卡槽，十字形定位叉(14)其中一边为延长边，延长边的长度大于其他三边；法向测量装置(10)通过自身的定位凸台，与十字形定位叉(14)其中一个方向的卡槽连接。
优选的，十字形定位叉(14)用锁紧螺母(11)安装在末端执行器的输出轴(12)上，在输出轴上(12)安装缓冲装置(13)起到缓冲导向作用；十字形定位叉(14)延长臂上设置定位孔；定位销(15)的一端穿过延长臂上的定位孔，定位销(15)的另一端穿过连接件(17)；利用螺母(16)将定位销(15)固定在连接件(17)上，连接件(17)与末端执行器(18)固定，实现法向测量装置(10)的坐标方向定位。
优选的，四个测距传感器(4)利用螺钉(5)分别固定在对应的第一凹槽内。
优选的，利用连接螺钉(6)将底座(1)和压盖(9)紧固在一起。
优选的，第一凹槽为方形槽。
第二方面，本申请提供一种机器人曲面打磨预校式法向测量方法，方法包括：
当法向测量装置(10)的万向球(7)与曲面工件接触时，测量盘(3)绕滚珠(2)球心旋转；
四个测距传感器(4)测出底座(1)与测量盘(3)的距离，计算出工件曲面法向偏角；
比对所述工件曲面法向偏角与理论模型进行校正，得到机器人运行轨迹。
优选的，四个测距传感器(4)测出底座(1)与测量盘(3)的距离，计算出工件曲面法向偏角，包括：
利用四个测距传感器，分别采集底座(1)到测量盘(3)的距离；
根据采集到的四个底座(1)到测量盘(3)的距离，构造函数初始化；
分别计算以底座(1)为平面的X坐标轴偏差角，以测量盘(3)为平面的Y坐标轴偏差角；
将X坐标轴偏差角和Y坐标轴偏差角复合成空间几何偏差；
将空间几何偏差输出至机器人控制系统。
综上所述，本申请提供的提出了机器人曲面打磨预校式法向测量装置及方法，通过先扫描曲面法向后刚性打磨的方式，可解决柔性打磨方式中出现抖动问题；通过一种刀盘磨料半径作为偏距与电主轴轴线偏置测量方法测量刀盘接触点出法向，可解决刀盘边缘与曲面工件接触点与主轴电机轴线存在距离偏差问题。本发明的具有的优点和有益效果是结构简单、容易安装、易拆卸。可应用在机器人打磨末端执行器上，提高曲面打磨精度及质量，降低曲面工件打磨件不合格率，节约打磨成本。
附图说明
图1是本申请提供的机器人曲面打磨预校式法向测量装置的剖视图；
图2是本申请提供的机器人曲面打磨预校式法向测量装置的内部示意图；
图3是本申请提供的机器人曲面打磨预校式法向测量装置的内部侧视图；
图4是本申请提供的机器人曲面打磨预校式法向测量装置的主视图；
图5是本申请提供的机器人曲面打磨预校式法向测量装置的俯视图；
图6是本申请提供的机器人曲面打磨预校式法向测量装置的机构安装图；
图7是本申请提供的十字形定位叉的结构示意图；
图8是本申请提供的机器人曲面打磨预校式法向测量装置的定位凸台示意图；
图9是本申请提供的十字形定位叉的的卡槽示意图；
图10是本申请提供的法向测量流程图；
图11是本申请提供的偏差角示意图；
图12是本申请提供的固定板传感器示意图；
图13是本申请提供的X轴切面图；
图14是本申请提供的Y轴切面图；
图15是本申请提供的空间复合角示意图；
其中：1-底座、2-滚珠、3-测量盘、4-传感器、5-螺钉、6-连接螺钉、7-万向球、8-弹簧、9-压盖、10-法向测量装置、11-锁紧螺母、12-输出轴、13-缓冲装置、14-十字形定位叉、15定位销、16-螺母、17-定位叉连接件。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
实施例一
参见附图1～7所示，本发明提供了一种机器人曲面打磨预校式法向测量装置，法向测量装置(10)包括底座(1)，滚珠(2)，测量盘(3)，测距传感器(4)，螺钉(5)，连接螺钉(6)，万向球(7)，弹簧(8)，压盖(9)。其中：底座(1)中心的球形凹槽，与测量盘(3)中心的球形凹槽相对设置，滚珠(2)嵌入在底座(1)的球形凹槽与测量盘(3)的球形凹槽内；测量盘(3)的前端面安装有三个万向球(7)；测量盘(3)的外缘与压盖(9)之间安装四个对称分布的弹簧(8)，可使测量盘复位，并对测量盘(3)进行预压，使测量盘(3)牢牢压紧滚珠(2)；底座(1)侧面与四个弹簧(8)对应的四个位置分别设置有方形槽，四个测距传感器(4)利用螺钉(5)分别固定在对应的方形槽内；利用连接螺钉(6)将底座(1)和压盖(9)紧固在一起；
法向测量装置(10)通过十字形定位叉(14)安装在机器人打磨末端执行器的输出轴(12)上，在打磨前机器人带动法向测量装置(10)在工件表面移动，法向测量装置(10)前端的万向球(7)与工件表面接触并滚动，法向测量装置(10)测得工件曲面法向偏角数据，所述工件曲面法向偏角数据用于得到准确的机器人运行轨迹。
需要说明的是，测量盘(3)的前端面采用三个均匀分布的万向球(7)，在机器人带动下，可沿预先设定的轨迹与工件表面接触并灵活移动。
需要说明的是，测量盘与底座之间采用滚珠机构，测量盘可绕滚珠球心相对底座各方向灵活转动。
需要补充的是，在底座设置四个均匀分布的测距传感器，可实时测量底座与测量盘的距离，通过特定的算法可获得测量盘与底座的偏角。
可以理解的是，在测量盘与压盖之间均布设置四个弹簧，可实现测量盘与底座发生转角偏移后复位。
可以理解的是，采用压盖形式给弹簧施加预压力，通过弹簧的弹力测量盘与滚珠压紧固定。
如图8所示，为本申请提供的机器人曲面打磨预校式法向测量装置的定位凸台示意图，用于十字形定位叉坐标方向定位。
如图9所示，十字形定位叉(14)环绕中心四个方向不同半径设置安装卡槽，法向测量装置可沿四个方向不同半径安装，满足不同直径尺寸打磨刀盘的测量需求。
需要说明的是，缓冲装置安装在末端执行器输出轴上，可避免法向跟踪机构万向球与工件表面接触时损坏工件。
具体的，法向测量装置(10)与十字形定位叉(14)连接，十字形定位叉环绕中心设置四个方向安装槽，法向测量装置(10)可沿四个方向安装，十字形定位叉用锁紧螺母(11)安装在末端执行器输出轴(12)上，在输出轴上(12)安装缓冲装置(13)起到缓冲导向作用，防止法向测量装置(10)的万向球(7)与工件表面接触而产生划痕。十字形定位叉(14)延长臂上设置定位孔，螺母(16)将定位销(15)固定在连接件(17)上，连接件(17)与末端执行器(18)固定，可实现法向测量装置(10)的坐标方向定位。
实施例二
机器人曲面打磨预校式法向测量方法工作流程如下：
将定位销用螺母安装在连接件上，将十字形定位叉用锁紧螺母安装在末端执行器输出轴上，定位销插进十字形定位叉延长臂的定位孔内固定坐标方向，根据刀盘磨料环半径选择相应的位置将法向测量装置安装在十字形定位叉上。机器人按预定程序，扫略工件表面，法向测量装置前端的万向球工件表面接触并滚动，法向装置采集工件各点的曲面法向偏角数据，多次不同点位密度的法向数据采集，将数据传送给上位机软件，通过算法与数字模型比对进行点位法向预校准，拟合出准确的机器人准确的运行轨迹，传送机器人控制系统，机器人按照调整后生成准确的运动轨迹完成打磨动作。
实施例三
如图10所示，本申请提供的法向测量方法包括：
步骤一：固定板与活动板通过球铰连接，活动板绕球心相对固定板旋转，利用四个测距传感器数据采集固定板到活动板的距离；
需要说明的是，固定板可理解为法向测量装置(10)的底座(1)，活动板可理解为法向测量装置(10)的测量盘(3)。
步骤二：根据采集到的四个固定板到活动板的距离，构造函数初始化；
步骤三：分别计算活动板X坐标轴、活动板Y坐标轴上的偏差角；
步骤四：将偏差角复合成空间几何偏差；
步骤五：将偏差角作为属性输出至机器人控制系统。
如图11所示，为偏差角测量的示意图，固定板与活动板通过球铰连接，活动板绕球心相对固定板旋转，并发生偏角。
如图12所示，固定板上有4个激光测距传感器A1、A2、A3、A4。四个测距传感器均匀分布在固定板O点为圆心的同心圆上。A2与A4的连线与x轴重合、A1与A3的连线与Y轴重合、O点为原点。
如图13所示，以X轴作切面，得到投影。
如图14所示，以Y轴作切面，得到投影。
图中，h1、h2、h3、h4分别为四个传感器A1、A2、A3、A4侧得的到固定板到活动板的距离，α为活动板X轴切面投影夹角，β为为活动板Y轴切面投影夹角，α、β的计算公式如下：
Figure BDA0002939580760000071
Figure BDA0002939580760000072
如图15所示，为活动板与固定板之间的空间夹角θ的示意图。图中的α、β已知，则θ角的计算公式如下：
Figure BDA0002939580760000073
综上所述，本发明提出了一种机器人曲面打磨预校式法向测量方法，通过一种刀盘磨料环半径作为偏距与电主轴轴线偏置测量方法，可解决TCP点与刀盘接触点法向测量偏差问题；事先扫描工件，采集曲面各点的刀盘打磨点的法向偏差，然后与理论模型比对进行预校准得到准确的运行轨迹，再按照校准的轨迹采用刚性连接打磨盘方式既可解决抖动现象，也提高曲面打磨质量。
本发明是针对机器人柔性打磨过程中,摆动刀盘在打磨过程中而产生的振动的问题，以及用刀盘边缘打磨与机器人工具点产生的曲面法向偏差问题，而提出的一种机器人曲面打磨预校式法向测量方法。该方法通过预先扫描获取机器人轨迹点位法向偏差，进行校正后然后再用刚性连接的打磨盘打磨；采用十字形定位叉周向偏置安装法向测量装置的形式，解决刀盘边缘打磨产生的法向偏差问题。
该测量方法涉及的法向测量装置，通过十字形定位叉偏置安装在机器人打磨末端执行器输出传动轴上，在打磨前机器人手臂带动该装置，在工件表面移动，法向测量装置采集工件刀盘边缘接触点的曲面法向偏角数据，再经过点位法向预校准，拟合出准确的机器人运行轨迹，存储在机器人控制系统，机器人按照调整后生成准确的运动轨迹，用刚性打磨方式进行曲面打磨，这样可以减少刀盘抖动及法向偏差，提高打磨形面质量。

Claims (8)

1.一种机器人曲面打磨预校式法向测量装置，其特征在于，所述法向测量装置(10)包括：底座(1)，滚珠(2)，测量盘(3)，测距传感器(4)，万向球(7)，弹簧(8)，压盖(9)，其中：
底座(1)中心的球形凹槽，与测量盘(3)中心的球形凹槽相对设置，滚珠(2)嵌入在，底座(1)的球形凹槽与测量盘(3)的球形凹槽内；测量盘(3)的前端面安装有三个万向球(7)；测量盘(3)的外缘与压盖(9)之间安装四个对称分布的弹簧(8)，可使测量盘复位，并对测量盘(3)进行预压，使测量盘(3)牢牢压紧滚珠(2)；底座(1)侧面与四个弹簧(8)对应的四个位置分别设置有第一凹槽，四个测距传感器(4)分别固定在对应的第一凹槽内；利用紧固装置将底座(1)和压盖(9)紧固在一起；
法向测量装置(10)通过十字形定位叉(14)安装在机器人打磨末端执行器的输出轴(12)上，在打磨前机器人带动法向测量装置(10)在工件表面移动，法向测量装置(10)前端的万向球(7)与工件表面接触并滚动，法向测量装置(10)测得工件曲面法向偏角数据，所述工件曲面法向偏角数据用于得到准确的机器人运行轨迹。
2.根据权利要求1所述的机器人曲面打磨预校式法向测量装置，其特征在于：
法向测量装置(10)的第一面为设置有万向球(7)的一面，法向测量装置(10)的第二面设置有定位凸台；十字形定位叉(14)为十字形板状结构，十字形的每个横边均面向十字中心设置有卡槽，十字形定位叉(14)其中一边为延长边；法向测量装置(10)通过自身的定位凸台，与十字形定位叉(14)其中一个方向的卡槽连接。
3.根据权利要求2所述的机器人曲面打磨预校式法向测量装置，其特征在于：
十字形定位叉(14)用锁紧螺母(11)安装在末端执行器的输出轴(12)上，在输出轴上(12)安装缓冲装置(13)起到缓冲导向作用；十字形定位叉(14)延长臂上设置定位孔；定位销(15)的一端穿过延长臂上的定位孔，定位销(15)的另一端穿过连接件(17)；利用螺母(16)将定位销(15)固定在连接件(17)上，连接件(17)与末端执行器(18)固定，实现法向测量装置(10)的坐标方向定位。
4.根据权利要求1所述的机器人曲面打磨预校式法向测量装置，其特征在于：四个测距传感器(4)利用螺钉(5)分别固定在对应的第一凹槽内。
5.根据权利要求1所述的机器人曲面打磨预校式法向测量装置，其特征在于：利用连接螺钉(6)将底座(1)和压盖(9)紧固在一起。
6.根据权利要求1所述的机器人曲面打磨预校式法向测量装置，其特征在于：第一凹槽为方形槽。
7.一种机器人曲面打磨预校式法向测量方法，其特征在于，所述方法应用于如权利要求1所述的机器人曲面打磨预校式法向测量装置，包括：
当法向测量装置(10)的万向球(7)与曲面工件接触时，测量盘(3)绕滚珠(2)球心旋转；
四个测距传感器(4)测出底座(1)与测量盘(3)的距离，计算出工件曲面法向偏角；
比对所述工件曲面法向偏角与理论模型进行校正，得到机器人运行轨迹。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，四个测距传感器(4)测出底座(1)与测量盘(3)的距离，计算出工件曲面法向偏角，包括：
利用四个测距传感器，分别采集底座(1)到测量盘(3)的距离；
根据采集到的四个底座(1)到测量盘(3)的距离，构造函数初始化；
分别计算以底座(1)为平面的X坐标轴偏差角，以测量盘(3)为平面的Y坐标轴偏差角；
将X坐标轴偏差角和Y坐标轴偏差角复合成空间几何偏差；
将空间几何偏差输出至机器人控制系统。
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