CN114274047B - 一种基于力感知测量的高效精密研抛轨迹优化方法 - Google Patents

Abstract

针对零件表面的研磨抛光过程，提出一种基于力感知测量的高效精密研抛轨迹优化方法，具体包括以下步骤：以待加工工件三维模型为依据，对零件进行理论加工轨迹规划；控制机器人按照规划轨迹进行运动，采用力感知测量的方式记录每个控制点对应的型差信息，轨迹点余量信息计算，得到表面实际加工点位置补偿信息；根据去除工具和去除材料等工艺参数进行零件表面研磨抛光工艺处理；控制过程中采用渐变量去除的方式，保证加工的效率和精度。与传统方法相比，利用本发明测量的加工轨迹具有打磨加工后型面一致和光顺等优点，且省去了更换测量工具和数据传输、分析等过程，十分简单快捷。实验结果和分析表明该方法能够提高零件的研磨抛光表面质量。

Description

一种基于力感知测量的高效精密研抛轨迹优化方法

技术领域

本发明涉及离线轨迹规划、柔性力控制和研磨抛光工艺等技术，具体为采用力控接触的方式测量零件表面的变形情况，对理论加工位置信息进行插补，加工轨迹更接近于实际型面，采用参数化梯次去除的方法对零件表面进行研磨，力控柔性控制的方式进行抛光，保证零件表面质量和加工效率。

背景技术

在工业制造领域，基材的翘曲变形是加工制造过程中较为常见的一种变形。这种变形严重影响了零件的尺寸精度和加工质量。许多发动机叶片、叶轮等零部件由于一致性差，导致其研磨抛光仍停留在手工阶段，或者通过使用手持气动，电动工具进行打磨、研磨的方式实现去毛刺和抛光工序，人工参与过程容易产生产品不良率上升，效率低下，加工后的产品表面粗糙度不均匀等问题。打磨的同时产生大量粉尘，对人体健康造成危害。

近年来越来越多的厂家开始使用机器人安装电动或气动工具进行自动化打磨。机器人打磨抛光的方案一般包括两种形式，一是机器人装载加工工具，工件固定，二是机器人抓取工件，加工工具固定。与手持打磨比较，机器人去毛刺能有效提高生产效率，降低成本，提高产品良率。而随着工业品工艺标准的提升，许多制造工艺仅靠工业机器人传统的位置控制已难以胜任。如在一致性较差的叶片、叶盘等复杂曲面打磨应用上，传统的位置控制方式很可能因工件一致性差导致的位置误差而引起系统瞬间过载，损坏工件或工具。

复杂构造的工件、毛刺散布分散的工件通过离线编程解决加工轨迹规划问题，新的产品导入只需改换工装夹具，具有更高的柔性化。随着机器人力控技术的发展，浮动机构和刀具的使用，如同人手滑过工件毛刺般进行柔性去除毛刺，能有效避免造成刀具和工件的损坏，吸收工件及定位等各方面的误差。工件打磨的精度和一致性较大程度上取决于打磨工具同工件接触面是否保持恒定压力接触，通过实时力控技术控制工业机器人打磨过程的磨削力。力控的精度及反馈速度决定了产品的打磨效果。传统的力控方式，要么是为了安全离加工表面稍远，要么由于过近而远大于预先所设的值，一方面对力控过程反应调节要求较高，一方面也是质量问题或工具损坏的主要原因。

发明内容

为克服上述零件表面研磨抛光中遇到的问题，本发明提出基于力感知测量的高效精密研抛方法，通过基于理论曲面模型轨迹规划和力控测量表面型差相结合的方法获取实际加工件的表面研磨抛光加工轨迹，结合力柔性控制的方式达到表面余量精准去除的目的。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于力感知测量的高效精密研抛轨迹优化方法，包括以下步骤：

步骤1：根据待加工工件三维模型，规划零件的理论加工轨迹，控制机器人带动末端打磨工具按照理论轨迹进行运动；定义加工控制点，采用力感知测量每个控制点对应的法向位置调整的修正量；

步骤2：在控制点之间分段插值计算，获得理论加工轨迹的坐标点补偿信息，按补偿后的优化轨迹对机器人进行运动控制；

步骤3：研抛控制过程中采用渐变量去除的方式，控制机器人带动末端打磨工具进行零件表面研磨抛光工艺处理，实现加工的效率和精度。

控制机器人按照规划轨迹进行运动，采用力感知测量的方式记录每个控制点对应的余量信息，包括以下步骤：

1)根据待加工工件三维模型、加工工艺要求选定相应的轨迹生成算法，设定间距及步长，生成理论运动轨迹；

1)控制器获取待加工工件的加工轨迹点P_n的笛卡尔坐标(X,Y,Z,A,B,C)和法向量(nx,ny,nz)信息；

2)从轨迹点P₁开始，设每隔若干个轨迹点定义为一个控制点C_n，当机器人运动到该控制点时力传感器测量工具与工件表面法向的接触力F_m，设F₀为接触力的阈值，若F_m≥F₀时记录机器人控制点法向位置调整的修正量D_n。

所述获取工具与工件表面法向的接触力F_m，包括以下步骤：

1)利用重力补偿方法对传感器测量零点(F_x0,F_y0,F_z0)和末端工具重力G进行标定；设F_G＝[F_Gx,F_Gy,F_Gz]为末端工具重力在力传感器坐标系下的测量值，两者的关系为：

2)去除负载重力影响，得到工具在当前工具坐标系下的各分力的测量值(F_xTool,F_yTool,F_zTool)，实际加工中，设定工具压紧方向为工具坐标系Z_Tool方向，则接触力F_m为F_zTool。

在控制点之间分段插值计算，获得理论轨迹的坐标点补偿信息，按补偿后的优化轨迹对机器人进行运动控制，包括以下步骤：

1)设轨迹点P_i处于测量控制点C₁和C₂之间，(x_i,y_i,z_i)为点P_i的理论坐标，D₁和D₂为控制点C₁和C₂的机器人法向位置调整修正量，由插值法计算P_i点的法向偏移量为ΔD_i：

2)则P_i点的坐标变化量(Δx_i,Δy_i,Δz_i)为：

Δx_i＝-ΔD_i*nx_i

Δy_i＝-ΔD_i*ny_i

Δz_i＝-ΔD_i*nz_i

3)P_i点实际加工轨迹点姿态不变，优化后的笛卡尔位置坐标变为：

(x_i+Δx_i,y_i+Δy_i,z_i+Δz_i,A,B,C)

研抛控制过程中采用渐变量去除的方式，保证加工的效率和精度，具体为：

设置磨削进给量Δd，控制Δd梯次变化，先大后小，用于保证加工效率和表面质量。

当考虑法向偏移量ΔD_i和磨削进给量Δd时，P_i点的研抛坐标变化量(Δx_i,Δy_i,Δz_i)变为：

Δx_i＝(-ΔD_i+Δd)*nx_i

Δy_i＝(-ΔD_i+Δd)*ny_i

Δz_i＝(-ΔD_i+Δd)*nz_i

在去除量微量变化的表面抛光阶段，磨削进给量Δd保持微小变化或不变，确保工具与工件表面以恒定力接触，实现工件表面的抛光处理。

本发明具有以下优点：

1.本发明通过基于理论曲面模型轨迹规划和力控测量表面型差相结合的方法获取实际加工件的表面研磨抛光加工轨迹，减少了实际零件与理论零件的加工误差，结合力柔性控制的方式达到表面余量精准去除的目的。

2.本发明轨迹计算及调整过程在机器人控制器中完成，简化了测量和数据处理过程，同时整个打磨系统也更加经济高效。

3.本发明采用参数化阶梯去除的方式，粗打磨时去除量大，保证加工效率，精抛光时去除量小，保证了表面加工质量。

4.本发明使得操作人员避免与打磨产生的粉尘直接接触，大大改善操作人员的作业环境。

附图说明

图1为本发明系统结构图；

图2为本发明系统测量流程图；

图3(a)理论轨迹离散点与实际测量点对比图，

图3(b)理论加工轨迹与实际加工轨迹对比图；

图4为本发明力位控制原理图；

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方法做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本发明所述一种基于力感知测量的高效精密研抛方法，下面结合力感知测量的研磨抛光方法实例对本发明进一步详细说明。

本发明实施采用的装置由1个工业机器人、1个六维力传感器、1个电动打磨工具、1个上位机控制系统组成，本发明实施采用的是库卡KR30工业机器人，ATI六维力传感器。

本系统的整体结构如图1所示，力感知测量控制程序安装在工控机上，上位机的网卡通过网线与交换机相连，交换机通过网线与机器人及力传感器相连，电动打磨工具通过连接工装与力传感器连接，力传感器通过连接工装安装在机器人末端法兰盘上。电动打磨工具可以为砂带机等打磨工具。

步骤一：力感知测量记录每个控制点对应的机器人控制点法向位置调整的修正量D_n，具体过程如图2所示，包括以下步骤：

1)导入待加工工件的三维数字模型到离线编程软件中，根据加工工艺要求选定相应的轨迹生成算法，例如测地线偏置、平行轨迹等算法，设定间距及步长，生成理论运动轨迹，本例中设置间距1.0毫米、步长2.0毫米；

2)后置处理，本例选定的是库卡机器人，上位机控制程序将理论运动轨迹生成机器人可执行的src和dat代码文件，dat文件中附含理论轨迹点P_n的笛卡尔坐标(X,Y,Z,A,B,C)和法向量(nx,ny,nz)信息，能够被机器人控制器应用；

3)从轨迹点P₁开始，设每隔(m-1)(m≥1)个轨迹点有一个控制点C_n，通过信号传递确认机器人运动位置。当机器人运动到控制点时，通过力传感器测量工具与工件表面法向量的接触力F_m，设F₀为接触力的阈值，本例中设置F₀的值为1.0N。若F_m＜F₀时，通过工业机器人的驱动器使得机器人末端在工件坐标系中运动z_step(x和y方向不进给)，z_step为工件坐标系Z轴方向的单步控制量，通过机器人驱动器控制打磨工具沿工件坐标系Z轴移动，若F_m≥F₀时，机器人控制器读取驱动器总的控制量并赋值给机器人控制器控制点法向位置调整的修正量D_n(是机器人在理论轨迹控制点的法向量驱动器调整的值)。

所述准确获取工具与工件表面法向的接触力F_m，包括以下步骤：

1)建立力传感器重力补偿系统，机器人本体和工具确定的情况下，利用重力补偿方法对传感器测量零点(F_x0,F_y0,F_z0)和末端工具重力G进行标定；设F_G＝[F_Gx,F_Gy,F_Gz]为末端工具重力在力传感器坐标系下的测量值，两者的关系为：

2)去除负载重力影响，得到工具在当前工具坐标系下的各分力的测量值(F_xTool,F_yTool,F_zTool)，实际加工中，设定工具压紧方向为工具坐标系Z_Tool方向，则接触力F_m为F_zTool。

步骤2：加工控制点根据加工零件类型插值计算，获得理论轨迹坐标点的补偿信息，加工轨迹按补偿后的轨迹对机器人进行运动控制，理论轨迹和优化的实际轨迹的采集过程和对比效果如图3(a)、图3(b)所示，包含以下步骤：

1)设轨迹点P_i处于任意测量控制点C₁和C₂之间，(x_i,y_i,z_i)为点P_i的理论坐标，D₁和D₂为控制点C₁和C₂的法向位置调整修正量，由插值法计算P_i点的法向偏移量ΔD_i为：

2)则P_i点的坐标变化量(Δx_i,Δy_i,Δz_i)为：

Δx_i＝-ΔD_i*nx_i

Δy_i＝-ΔD_i*ny_i

Δz_i＝-ΔD_i*nz_i

3)P_i点实际加工轨迹点姿态不变，优化后的笛卡尔位置坐标变为：

(x_i+Δx_i,y_i+Δy_i,z_i+Δz_i,A,B,C)

步骤3：控制过程中采用渐变量去除的方式，保证加工的效率和精度，根据去除工具和去除材料等工艺参数设置磨削进给量Δd(Δd大于零时为沿测量表面抬起量，大于零时为沿测量表面去除量)，Δd梯次变化，先大后小，前期保证加工效率，后期保证表面质量。

1)同时考虑修正量ΔD_i和磨削进给量Δd，P_i点的坐标变化量(Δx_i,Δy_i,Δz_i)又变为：

Δx_i＝(-ΔD_i+Δd)*nx_i

Δy_i＝(-ΔD_i+Δd)*ny_i

Δz_i＝(-ΔD_i+Δd)*nz_i

本实施中Δd依次设置为0.2毫米，0.1毫米实现工件的磨削工作，轨迹运动效果如图3(a)、图3(b)所示。

2)抛光阶段Δd微小变化或保持不变，设置工具与工件表面的接触力F_set，根据接触力F_m大小对机器人工具坐标系Z_Tool方向进行位置修正，确保工具与工件表面以恒定力接触的状态，控制过程如图4所示，上位机控制器读取力传感器的测量值F_m，并与设定的参考值F_set进行比较，然后由PID控制器计算出对机器人轨迹的工具坐标系Z_Tool方向变化值，并传递给机器人驱动器实现对轨迹过程修正，实现工件表面的抛光处理。根据力感知测量的打磨抛光方式，即利用了力的柔性反馈策略，又避免了力控单纯的随形打磨不能精准去除的特点。对于需要随形打磨的工况，因为加入了位置调整信息，可使力控的调整波动性降低，行走路径更接近于工件型面，表面一致性更好。本实例中F_m的范围为0.5N到1.5N，机器人的实时调整速度约为40次/s。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于力感知测量的高效精密研抛轨迹优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据待加工工件三维模型，规划零件的理论加工轨迹，控制机器人带动末端打磨工具按照理论轨迹进行运动；定义加工控制点，采用力感知测量每个控制点对应的法向位置调整的修正量；包括以下步骤：

步骤11)根据待加工工件三维模型、加工工艺要求选定相应的轨迹生成算法，设定间距及步长，生成理论运动轨迹；

步骤12)控制器获取待加工工件的加工轨迹点P_n的笛卡尔坐标(X,Y,Z,A,B,C)和法向量(nx,ny,nz)信息；

步骤13)从轨迹点P₁开始，设每隔若干个轨迹点定义为一个控制点C_n，当机器人运动到该控制点时力传感器测量工具与工件表面法向的接触力F_m，设F₀为接触力的阈值，若F_m≥F₀时记录机器人控制点法向位置调整的修正量D_n；

步骤2：在控制点之间分段插值计算，获得理论加工轨迹的坐标点补偿信息，按补偿后的优化轨迹对机器人进行运动控制；

步骤3：研抛控制过程中采用渐变量去除的方式：设置磨削进给量Δd，控制Δd梯次变化，先大后小，控制机器人带动末端打磨工具进行零件表面研磨抛光工艺处理，实现加工的效率和精度。

2.根据权利要求1所述的一种基于力感知测量的高效精密研抛轨迹优化方法，其特征在于，所述获取工具与工件表面法向的接触力F_m，包括以下步骤：

1)利用重力补偿方法对传感器测量零点(F_x0,F_y0,F_z0)和末端工具重力G进行标定；设F_G＝[F_Gx,F_Gy,F_Gz]为末端工具重力在力传感器坐标系下的测量值，两者的关系为：

2)去除负载重力影响，得到工具在当前工具坐标系下的各分力的测量值(F_xTool,F_yTool,F_zTool)，实际加工中，设定工具压紧方向为工具坐标系Z_Tool方向，则接触力F_m为F_zTool。

3.根据权利要求1所述的一种基于力感知测量的高效精密研抛轨迹优化方法，其特征在于，在控制点之间分段插值计算，获得理论轨迹的坐标点补偿信息，按补偿后的优化轨迹对机器人进行运动控制，包括以下步骤：

1)设轨迹点P_i处于测量控制点C₁和C₂之间，(x_i,y_i,z_i)为点P_i的理论坐标，D₁和D₂为控制点C₁和C₂的机器人法向位置调整修正量，由插值法计算P_i点的法向偏移量为ΔD_i：

2)则P_i点的坐标变化量(Δx_i,Δy_i,Δz_i)为：

Δx_i＝-ΔD_i*nx_i

Δy_i＝-ΔD_i*ny_i

Δz_i＝-ΔD_i*nz_i

3)P_i点实际加工轨迹点姿态不变，优化后的笛卡尔位置坐标变为：

(x_i+Δx_i,y_i+Δy_i,z_i+Δz_i,A,B,C)。

4.根据权利要求3所述的一种基于力感知测量的高效精密研抛轨迹优化方法，其特征在于，当考虑法向偏移量ΔD_i和磨削进给量Δd时，P_i点的研抛坐标变化量(Δx_i,Δy_i,Δz_i)变为：

5.根据权利要求1或4所述的一种基于力感知测量的高效精密研抛轨迹优化方法，其特征在于，在去除量微量变化的表面抛光阶段，磨削进给量Δd保持微小变化或不变，确保工具与工件表面以恒定力接触，实现工件表面的抛光处理。