一种自由曲面的工业机器人自动磨抛系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种自由曲面的工业机器人自动磨抛系统及方法，其特征在于：包括上位机、工业机器人、机器人控制器、力传感器、信号采集器、磨抛装置和工作台；所述上位机与所述信号采集器、所述机器人控制器相连，所述机器人控制器与所述工业机器人、所述磨抛装置相连，所述信号采集器与所述力传感器相连；所述工业机器人与所述磨抛装置相连，所述力传感器设置在所述磨抛装置与工业机器人的连接处，所述工作台用以固定工件。本发明专利技术既能够直接对自由曲面直接磨抛，不需要事先进行离线编程，还能够实现曲面磨抛时接触压力恒定且可调，控制简单，易于操作。

Free surface industrial robot automatic grinding and throwing system and method

The invention relates to an industrial robot free surface automatic polishing system and method, which comprises a host computer, industrial robot, robot controller, force sensor, signal acquisition, grinding and polishing device and the working table; the host computer and the signal collector, the robot controller connected to the said the robot controller and the industrial robot, grinding and polishing device is connected, the signal collector and the force sensor is connected; the industrial robot and the polishing device is connected, the force sensor is arranged at the connection with the grinding and polishing device in the industrial robot, the workbench for fixing the workpiece. The invention can directly touch and clean the free surface directly, and does not need off-line programming in advance, and can realize constant and adjustable contact pressure when the surface is polished and thrown, the control is simple, and the operation is easy.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及自由曲面自动磨抛加工领域，特别是一种自由曲面的工业机器人自动磨抛系统及方法。
技术介绍
目前对自由曲面磨抛加工时，由于曲面的任意性，很难通过手动示教完成机器人的编程工作，普遍的做法是通过机器人的离线编程：在自由曲面上规划出磨抛路径，精确定位出工件坐标系原点在机器人坐标系中的位姿，将磨抛路径转换到机器人坐标系上，生成机器人的运动指令，导入机器人控制器实现机器人的磨抛作业。此种方式大大简化手动示教的过程。但离线编程过程中，由于机器人坐标系与工件坐标系不重合，需对两个坐标系间的关系进行测量，而实际运用过程中难免存在误差，使得离线编程的轨迹与实际的工件曲面不符，造成接触力不稳定，需要对磨抛轨迹进行修正。公开号为CN103878666A的中国专利技术专利(一种自由曲面机器人打磨系统)专利提出了一种用机器人进行自由曲面的机器人打磨系统概念，通过离线编程生成机器人的磨抛轨迹，通过气动柔性气缸补偿离线编程规划的轨迹与工件实际位置的偏差。公开号为CN103056759A的中国专利技术专利(一种基于传感器反馈的机器人磨削系统)，通过双目摄像头检测工件轮廓，进行三维重构，并把轮廓数据传给控制系统进行误差校正，同时还有砂轮检测单元检测砂轮磨损，进行误差补偿。申请号为CN201510919085.8的中国专利技术专利(基于力控制的龙门吊装机器人打磨加工方法)专利根据离线路径对工件进行加工，同时由力传感器对打磨路径进行修正，保证打磨力的稳定。但离线编程仍要经过多个步骤才能实现，尤其是工件坐标系相对机器人坐标系的相对关系随着使用时间的推移，需要定期校准。在大批量生产中，离线编程方法所需时间占总生产时间的比例很小，离线编程方法适用于大批量相同的零件磨抛，但对于小批量或单件的自由曲面磨抛，离线编程的弊端显现，难以实现机器人自动磨抛。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提出一种自由曲面的工业机器人自动磨抛系统及方法，既能够直接对自由曲面直接磨抛，不需要事先进行离线编程，还能够实现曲面磨抛时接触压力恒定且可调，控制简单，易于操作。本专利技术采用以下方案实现：一种自由曲面的工业机器人自动磨抛系统，具体包括上位机、工业机器人、机器人控制器、力传感器、信号采集器、磨抛装置和工作台；所述上位机与所述信号采集器、所述机器人控制器相连，所述机器人控制器与所述工业机器人、所述磨抛装置相连，所述信号采集器与所述力传感器相连；所述工业机器人与所述磨抛装置相连，所述力传感器设置在所述磨抛装置与工业机器人的连接处，所述工作台用于固定工件。进一步地，所述力传感器具有相对且平行的安装平面和工具平面，所述安装平面通过连接件固定在所述工业机器人的末端法兰上，工业机器人末端坐标系的Z轴与力传感器坐标系的Z轴共线且同向，工业机器人末端坐标系的X轴与力传感器坐标系的X轴平行且同向；所述工具平面通过安装连接件与所述磨抛装置固定。进一步地，所述上位机包括机器人控制器通信模块、信号采集器通信模块、位姿坐标解算模块、重力补偿模块、摩擦力补偿模块、磨抛轨迹控制模块、磨抛边界识别模块和用户界面；所述位姿坐标解算模块通过获取工业机器人当前的关节信息，正向求解工业机器人运动学获得工业机器人位姿信息；通过工业机器人的位姿信息逆向求解出工业机器人的关节信息；所述重力补偿模块通过获取工业机器人当前的姿态信息，计算出磨抛装置的重力在传感器坐标系下的分量，补偿磨抛装置重力的影响；所述摩擦力补偿模块通过摩擦介质与工件的摩擦系数，修正接触力的摩擦力分力，获得磨抛介质与工件接触力的可靠估计，并与当前工业机器人位姿比较，获得工业机器人的位姿修正量，通过磨抛轨迹控制模块生成机器人轨迹进给的位姿偏移量；将位姿修正量和位姿偏移量合并计算，并转化为机器人的运动指令，发送至机器人控制器控制工业机器人向目标位姿运动，实现机器人磨抛时的位姿自动矫正和轨迹的自动磨抛；所述磨抛边界控制模块用于限定机器人磨抛区域并判断磨抛结束的条件。进一步地，所述力传感器包括六维力传感器和三维力传感器，用于检测空间三维力的大小及方向。进一步地，所述信号采集器包括信号滤波放大器和数据采集卡。本专利技术还提供了一种基于上文所述的自由曲面的工业机器人自动磨抛系统的方法，具体包括以下步骤：步骤S1：开机通电，上位机与机器人控制器通信模块、信号采集器通信模块、位姿坐标解算模块、重力补偿模块、摩擦力补偿模块和用户界面的初始化；步骤S2：设置磨抛工艺参数；步骤S3：将工件用夹具固定在工作台上；步骤S4：设定工业机器人的磨抛运动区域；步骤S5：设定磨抛参数，包括磨抛接触力阈值大小、磨抛介质与工件的摩擦系数、磨抛进给速率，磨抛轨迹间距和磨抛轨迹方式；所述磨抛轨迹方式包括等间距扫描轨迹和等间距螺旋轨迹；步骤S6：磨抛磨削力作用在磨抛介质上，力传感器检测到外力，所述外力包括磨抛装置的重力和磨抛时的磨抛介质与工件间的摩擦力，力传感器检测到的力信号传输至力传感器控制器；步骤S7：力传感器控制器将力信号放大和滤波，信号采集器中的数据采集卡采集力控制器处理后的数据，将数据传输至上位机；步骤S8：上位机读取并保存工业机器人当前时刻的关节信息，通过位姿坐标解算模块计算当前磨抛装置的位姿；步骤S9：由当前磨抛装置的姿态，通过重力补偿模块计算当前磨抛装置在工具坐标系下产生的分力；步骤S10：将步骤S7处理后的数据通过摩擦力补偿模块处理获得磨抛介质与工件接触力；步骤S11：计算在机器人坐标系下，磨抛介质转动轴与接触力法向的关系，计算机器人位姿的调节量；步骤S12：计算机器人轨迹进给量，附加到机器人姿态调节量；步骤S13：将机器人位姿的调节量转换成机器人运动指令，发送至机器人控制器，控制工业机器人向目标位姿运动；步骤S14：上位机记录所有已经运动过的轨迹，根据边界信息判断曲面磨抛情况，磨抛完成后控制机器人安全运动至初始位置。进一步地，所述步骤S10具体为：工业机器人在任一姿态下，上位机得到力传感器检测到的外力读数F，减去该姿态下由磨抛装置重力G引起的外力偏差值SFG获得SFremoveG，并通过摩擦力补偿矩阵M解算出接触力的可靠估计SFcontact：SFremoveG＝F-SFG(1)SFcontact＝M·SFremoveG(2)较佳的，所述磨抛装置包括电机、传动机构、转动主轴、轴承、弹性介质、支撑座、夹持器和磨抛介质。电机通过传动机构，将转动扭矩传递到转动主轴上，转动主轴带动磨抛介质转动，转动主轴上有部分花键轴，花键的一端固定弹性介质，允许转动主轴沿轴向有限移动。磨抛装置的电机连接至机器人控制器上，利用机器人控制器多余的控制端口控制电动主轴的转速和启停。进一步地，磨抛边界的获得方法包括：通过外置视觉传感器检测工件边界获得、通过人工输入工件边界、系统设定的默认边界和磨抛过程系统自动识别边界；进一步地，外置视觉传感器检测工件边界获得方法为：在工件上方固定一视觉传感器，视觉传感器连接至上位机，上位机在磨抛前获得具有工件的工作台图像，通过边界拾取方法，处理得出工件边界数据，将工件边界数据作为机器人磨抛范围数据；进一步地，系统设定的默认边界为：上位机预先设定默认的磨抛边界，默认磨抛边界即工作台夹持零件的最大范围；进一步地，磨抛过程系统自动识别边界为：记录已经磨抛过的路径，进行局部曲本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自由曲面的工业机器人自动磨抛系统，其特征在于：包括上位机、工业机器人、机器人控制器、力传感器、信号采集器、磨抛装置和工作台；所述上位机与所述信号采集器、所述机器人控制器相连，所述机器人控制器与所述工业机器人、所述磨抛装置相连，所述信号采集器与所述力传感器相连；所述工业机器人与所述磨抛装置相连，所述力传感器设置在所述磨抛装置与工业机器人的连接处，所述工作台用于固定工件。

【技术特征摘要】
1.一种自由曲面的工业机器人自动磨抛系统，其特征在于：包括上位机、工业机器人、机器人控制器、力传感器、信号采集器、磨抛装置和工作台；所述上位机与所述信号采集器、所述机器人控制器相连，所述机器人控制器与所述工业机器人、所述磨抛装置相连，所述信号采集器与所述力传感器相连；所述工业机器人与所述磨抛装置相连，所述力传感器设置在所述磨抛装置与工业机器人的连接处，所述工作台用于固定工件。2.根据权利要求1所述的一种自由曲面的工业机器人自动磨抛系统，其特征在于：所述力传感器具有相对且平行的安装平面和工具平面，所述安装平面通过连接件固定在所述工业机器人的末端法兰上，工业机器人末端坐标系的Z轴与力传感器坐标系的Z轴共线且同向，工业机器人末端坐标系的X轴与力传感器坐标系的X轴平行且同向；所述工具平面通过安装连接件与所述磨抛装置固定。3.根据权利要求1或2所述的一种自由曲面的工业机器人自动磨抛系统，其特征在于：所述上位机包括机器人控制器通信模块、信号采集器通信模块、位姿坐标解算模块、重力补偿模块、摩擦力补偿模块、磨抛轨迹控制模块、磨抛边界识别模块和用户界面；所述位姿坐标解算模块通过获取工业机器人当前的关节信息，正向求解工业机器人运动学获得工业机器人位姿信息；通过工业机器人的位姿信息逆向求解出工业机器人的关节信息；所述重力补偿模块通过获取工业机器人当前的姿态信息，计算出磨抛装置的重力在传感器坐标系下的分量，补偿磨抛装置重力的影响；所述摩擦力补偿模块通过摩擦介质与工件的摩擦系数，修正接触力的摩擦力分力，获得磨抛介质与工件接触力的可靠估计，并与当前工业机器人位姿比较，获得工业机器人的位姿修正量，通过磨抛轨迹控制模块生成机器人轨迹进给的位姿偏移量；将位姿修正量和位姿偏移量合并计算，并转化为机器人的运动指令，发送至机器人控制器控制工业机器人向目标位姿运动，实现机器人磨抛时的位姿自动矫正和基于磨抛轨迹控制模块生成的磨抛轨迹的自动磨抛；所述磨抛边界控制模块用于限定机器人磨抛区域并判断磨抛结束的条件。4.根据权利要求1或2所述的一种自由曲面的工业机器人自动磨抛系统，其特征在于：所述力传感器包括六维力传感器和三维力传感器，用以检测空间三维力的大小及方向。5.根据权利要求1或2所述的一种自由曲面的工业...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴海彬，高裕强，何可耀，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建;35