CN115070572A - 一种针对复杂曲面的机器人磨削定量去除系统 - Google Patents

一种针对复杂曲面的机器人磨削定量去除系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种针对复杂曲面的机器人定量去除磨削系统，包括工业机器人系统、砂带磨削设备、双目视觉扫描仪、六维力传感器和上位机，其中工业机器人系统包括工业机器人本体、动力柜以及相关夹具；砂带磨削设备包括不同直径的接触轮，且接触轮均为具有一定弹性的橡胶轮；上位机可以获取双目视觉扫描仪和六维力传感器测量得到的相关数据，通过机器学习回归预测算法对磨削加工工艺参数进行计算和预测；工业机器人根据上位机传输的磨削加工工艺参数实现力位混合控制，从而最终实现对复杂曲面工件的逐点定量去除磨削加工。本发明实现了对航空发动机叶片等复杂曲面工件的定量去除磨削加工。

Description

一种针对复杂曲面的机器人磨削定量去除系统
技术领域
本发明属于针对复杂曲面的高精度磨削加工技术领域，具体涉及一种针对复杂曲面的机器人磨削定量去除系统。
背景技术
目前针对复杂曲面的传统高精度磨削加工方式主要有三种：人工磨削加工、专用机床磨削加工、数控机床磨削加工，但人工磨削加工方法难以保证加工精度，且人工劳动成本在不断增加；专用机床磨削加工方法只适用于大批量生产，无法实现柔性制造；数控机床磨削加工精度较低，且设备成本较高，难以适应复杂曲面的高精度磨削。随着工业机器人的快速发展和广泛应用，机器人磨削加工受到广大研究人员越来越多的关注。与其他传统磨抛加工方式相比，机器人磨削系统不仅具有灵活性好、通用性强、效率高以及柔性好等多项优点，而且在成本方面也远远低于专用数控磨床，对于小批量的、航空发动机叶片等复杂曲面工件的磨抛加工具有非常大的优势。
由于航空发动机等复杂曲面工件在铸造成型时铸造工艺等问题，导致其表面加工余量并不是完全一致的，因此需要在对其进行磨削加工的过程中实现对特定位置的定量磨削加工去除，但目前并没有适合的加工设备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种针对复杂曲面的机器人磨削定量去除系统，该系统主要针对航空发动机等复杂曲面工件进行磨削加工，并且该磨削系统通过利用双目视觉扫描仪对毛坯件进行扫描，同时利用机器学习回归预测算法对磨削加工工艺参数进行计算和预测，最终实现对复杂曲面上每个点进行定点定量磨削加工。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种针对复杂曲面的机器人磨削定量去除系统，包括工业机器人系统、砂带磨削设备、双目视觉扫描仪、六维力传感器和上位机，其中：
工业机器人系统：用于夹持毛坯工件进行磨削加工和三维扫描动作；包括工业机器人本体、动力柜和夹具，工业机器人末端的位置上安装有六维力传感器和夹具，动力柜为机器人的运动提供动力以及运动参数传输，夹具对工件进行定位和夹紧；
砂带磨削设备：砂带磨削设备包括多个不同半径的砂带接触轮，且均为具有较好弹性的橡胶轮；
双目视觉扫描仪：固定在工作台上，通过机器人运动到不同姿态从而实现对工件不同角度进行全方位扫描；
上位机：安装有机器学习回归预测软件以及力位混合控制软件，用来计算和预测磨削加工工艺参数以及控制机器人完成对航空发动机叶片等复杂曲面的工件的不同位置进行定量磨削加工。
所述六维力传感器安装在工业机器人的末端，与机器人末端通过法兰相连接，用来测量工件所受到的各个方向的力以及力矩。
所述工业机器人采用的是六自由度工业机器人，且工业机器人包含有可以外接传感器和控制器的外部接口，以便于采集磨削力数据和控制数据等信息。
所述砂带磨削设备中的砂带接触轮可以根据需要将不同直径的接触轮进行快速更换，同时能够实现对主动轮的转速无级调节。
所述双目视觉扫描仪采用的是蓝光光栅扫描，是一种非接触式测量方法，扫描精度达到了0.01mm，基本达到了磨削加工的基本要求。
所使用的机器学习预测软件和力位混合控制软件的编程语言为 C++。
所使用的六维力传感器包括传感器本体、信号放大采集器、数据采集软件、线缆配件等。
本发明提供了针对复杂曲面的机器人磨削定量去除系统，通过将六自由度工业机器人、砂带磨削设备、各类传感器、上位机等硬件设备，联合力位混合控制软件，最终实现了从工件自动装夹、测量计算、控制磨削等自动化磨削加工，同时实现了磨削加工定量去除，很大程度上提高了磨削加工精度，降低了航空发动机等复杂曲面工件的磨削加工成本，提升了对其的磨削加工效率。
本发明的有益效果在于：
1、本发明采用的是以工业机器人平台为基础搭建的砂带磨削系统，在针对航空发动机叶片等复杂曲面的高精度磨削加工领域有着重要的应用前景；
2、本发明整合了力位混合控制、机器学习、磨削加工、点云配准等相关技术和设备，最终实现对复杂曲面工件的定量去除磨削加工。
3、本发明信息涉及全面，应用范围广泛，本发明所提出的机器人磨削定量去除系统可以运用在各种复杂曲面的高精度砂带磨削加工领域，如平面磨、内圆磨、外圆磨、航空发动机等复杂曲面磨等。
附图说明
图1为本发明针对复杂曲面的机器人磨削定量去除系统示意图。
图2为机器人磨削加工及测量流程图。
具体实施方式
下面结合本发明的内容和附图所述实施例对本发明做进一步说明。
本发明机器人磨削定量去除系统主要针对加工工艺理论和智能控制技术两方面进行，结合视觉测量技术，旨在解决各类航空发动机叶片机器人自动化磨抛加工过程中的技术难题，实现航空发动机叶片的机器人自动化磨抛加工、质量评价一体化。整个机器人磨削定量去除系统包含多个关键技术的研究，是一个技术完备、功能完整的自动化磨抛加工系统。
本发明针对复杂曲面的机器人磨削定量去除系统，该磨削系统主要针对航空发动机等复杂曲面工件进行磨削加工，同时该磨削系统整合了机器人技术、三维扫描技术、力位混合控制技术、砂带磨削技术、路径规划以及机器学习等技术，最终实现对复杂曲面的特定位置进行定量去除磨削加工，该机器人磨削系统的主要组成包括工业机器人系统(1)、砂带磨削设备(2)、双目视觉扫描仪(3)、六维力传感器(4)和上位机(5)等设备；
(1)所述的工业机器人系统包括工业机器人主体、动力柜以及相关夹具；
(2)砂带磨削设备包括不同直径的接触轮，且接触轮均为具有较好弹性的橡胶轮；
(3)所述的双目视觉扫描仪被固定在工作台上，通过机器人运动到不同姿态从而实现对工件不同角度进行全方位扫描；
(4)所述的六维力传感器安装在工业机器人的末端，与机器人通过法兰相连接，用来测量工件在磨削加工过程中受到的各个方向的力和力矩；
(5)所述的上位机安装有机器学习回归预测软件以及力位混合控制软件，用来计算和预测磨削加工工艺参数以及控制机器人完成对航空发动机等复杂曲面工件的不同位置进行定量磨削加工；
实施例1：
本实施例针对复杂曲面的机器人磨削定量去除系统如图1所示，该系统包括以下主体：
主体一，工业机器人系统中采用的是六自由度工业机器人，且机器人包含有可以外接传感器和控制器的外部接口，以便于采集磨削力数据和控制数据等信息；
在主体一中，所述的六自由度工业机器人的重复定位精度高于 0.02mm，只有保证较高的重复定位精度才能有较高的磨削加工表面质量；
在主体一中，所述的测量得到的磨削力数据只包括工件所受力在磨削表面法向方向上的分力，其他方向上的分力对磨削去除量及磨削加工表面质量影响非常小，因此不作为主要控制量；
在主体一中，所述的控制数据包括机器人在特定位置时的切向方向上的进给速度、法向方向上的修正速度以及此时机器人的位姿状态数据；
在主体一中，所述的工件夹具包括气动卡爪、双向气阀、PLC控制器，在磨削过程中，当工业机器人运动到特定位置时，上位机向PLC 发送动作指令，双向气阀换向并推动气动卡爪产生相应的抓取或放下的动作，从而实现对工件的精准抓取或放下的动作；
在主体一中，所述的工件夹具在实现对工件的夹紧过程中采用了六点定位法，从而限制工件的全部六个自由度；
主体二，砂带磨削设备中的砂带接触轮可以根据需要进行快速更换不同直径的接触轮以及不同粒度的砂带，同时通过其内置的PLC控制系统能够对主动轮的转速实现无级调节；
在主体二中，所述的砂带磨削设备使用的接触轮的宽度(接触轮径向长度)分别为20mm和30mm，橡胶接触轮的弹性模量为7.85MPa；
主体三，所述的双目视觉扫描仪采用的是蓝光光栅扫描，是一种非接触式测量方法；
主体三，所述的双目视觉扫描仪为双目镜头台式三维扫描仪，拍照相机的分辨率为500万像素，三维扫描仪的扫描精度为0.02mm；
在主体三中，所述的双目视觉扫描仪相较于红光三维扫描仪有着无可比拟的优势，主要优势为扫描精度远高于红光三维扫描仪，而且可以避免外部环境光线的干扰，很大程度上提高了扫描的效率；
主体四，所述的六维力传感器包括传感器本体、信号放大采集器、数据采集软件、线缆配件等。
在主体四中，所述的六维力传感器的测量精度和测量里程分别为 0.1N和300N，采用的是UDP/IP网络通信协议，该通信协议的最主要特点是可以运行在广域网，更适合于互联网间的通信，为之后的物联网化、智能化提供了很好的接口和条件；
在主体四中，所述的六维力传感器通过重力补偿(力位控制软件程序中)实现了对夹具以及工件进行重力计算，从而抵消了夹具和工件产生的重力对磨削力的影响；
主体五，所使用的机器学习预测软件和力位混合控制软件的编程语言为C++；
在主体五中，所述的机器学习预测软件所采用的回归预测算法是支持向量回归机(SVR)算法，其相对于其他机器学习预测算法的优点是其在多维度、小样本、非线性样本空间表现更好；
在主体五中，所述的机器学习预测软件对磨削加工工艺参数的计算流程如图2所示，具体流程表述为：首先是对所有样本数据进行归一化处理，同时对样本数据进行随机分类为训练样本和测试样本；然后对训练样本进行训练学习，并得到训练模型、训练精度和误差等数据；训练结束后，通过对测试样本进行测试；最后通过对比测试结果和真实值的准确度和误差，来判断该模型是否满足要求，如果满足要求，那么就可以保存该预测模型，并可以用来直接预测之后的磨削加工工艺参数，否则需要重新调整核函数、训练算法或其他参数，进而优化预测模型，直至满足要求为止；
在主体五中，所述的机器学习预测软件的具体细节可参考专利：202010892659.8；
在主体五中，所述的力位混合控制软件采用的控制算法为模糊PID 控制算法，该软件的具体细节可参考专利：202011030914.4；
本发明的磨削技术路线如图2所示：
具体磨削技术路线表述为：本发明中的工业机器人夹持着工件首先通过运动到双目视觉扫描仪(双目视觉扫描仪)进行三维扫描，获得工件的精确三维模型；然后通过上位机与标准工件的三维模型进行对比，计算出模型中各位置点的去除余量，确定加工轨迹并利用机器学习预测软件计算出磨削力以及进给速度等磨削加工工艺参数；再基于UDP/IP通讯协议通过网线将加工工艺参数传输给机器人来实现对工业机器人的控制，从而完成对航空发动机等复杂曲面工件的磨削加工；最后需要对磨削加工完成以后的工件再次进行三维扫描，并将扫描的结果与标准三维模型进行对比计算，得到该工件的磨削去除量，并判断是否满足磨削加工要求，如果满足要求就结束加工，否则继续以上流程直至满足磨削要求。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (7)

1.一种针对复杂曲面的机器人磨削定量去除系统，其特征在于：该磨削系统包括工业机器人系统、砂带磨削设备、双目视觉扫描仪、六维力传感器和上位机，其中：
工业机器人系统：用于夹持毛坯工件进行磨削加工和三维扫描动作；包括工业机器人本体、控制柜和夹具，工业机器人本体末端的位置上安装有六维力传感器和夹具，动力柜为机器人的运动提供动力以及运动参数传输，夹具对工件进行定位和夹紧；
砂带磨削设备：包括多个不同半径的砂带接触轮，所述砂带接触轮为具有较好弹性的橡胶轮；通过砂带磨削设备对毛坯工件进行磨削加工；
双目视觉扫描仪：固定在工作台上，通过机器人运动到不同姿态从而实现对工件不同角度进行全方位扫描；
上位机：安装有机器学习回归预测软件以及力位混合控制软件，用来计算和预测磨削加工工艺参数以及控制机器人完成对航空发动机叶片等复杂曲面的工件的不同位置进行定量磨削加工。
2.根据权利要求1所述的针对复杂曲面的机器人磨削定量去除系统，其特征在于：所述六维力传感器安装在工业机器人的末端，与机器人末端通过法兰相连接，用来测量工件所受到的各个方向的力以及力矩。
3.根据权利要求1所述的针对复杂曲面的机器人磨削定量去除系统，其特征在于：所述工业机器人采用的是六自由度工业机器人，且机器人包含有可以外接传感器和控制器的外部接口，以便于采集磨削力数据和控制数据等信息。
4.根据权利要求1所述的针对复杂曲面的机器人磨削定量去除系统，其特征在于：所述砂带磨削设备中的砂带接触轮可以根据需要进行快速更换，同时能够实现对主动轮的转速无级调节。
5.根据权利要求1所述的针对复杂曲面的机器人磨削定量去除系统，其特征在于：所述双目视觉扫描仪采用的是蓝光光栅扫描，是一种非接触式测量方法。
6.根据权利要求1所述的针对复杂曲面的机器人磨削定量去除系统，其特征在于：所使用的机器学习预测软件和力位混合控制软件的编程语言为C++。
7.根据权利要求1所述的针对复杂曲面的机器人磨削定量去除系统，其特征在于：所使用的六维力传感器包括传感器本体、信号放大采集器、数据采集软件、线缆配件等。
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