基于力控制的龙门吊装机器人打磨加工方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于力控制的龙门吊装机器人打磨加工方法，属于打磨加工领 域，具体涉及基于力控制的龙门吊装机器人打磨加工方法。
【背景技术】
[0002] 大型透明件模具是透明件成型的关键工艺装备，为了达到透明件的光学性能指 标，不仅要保证型腔的形状精度，而且对模具型腔表面质量提出了很高的要求。模具型腔的 尺寸达到3.2 XI. 8X 1.5m，其表面粗糙度要求达到Ra0.02um;如此大尺寸的型腔，如此高的 表面粗糙度要求，人工打磨很难保证质量和工期。
[0003] 因此，采用新的方法取代传统的人工打磨，以提高成型模具的精度和生产效率，是 进一步提高透明件生产质量的关键所在。而机器人具有很好的柔性，可以实现多种不同位 姿的加工;打磨抛光是一种少(无)切削量的加工，接触力很小，从而为开发以机器人为平台 的自动打磨抛光系统提供了可能性，在机器人打磨过程中，需要对打磨工具与透明件模具 之间保持相对稳定的作用力，以保证机器人打磨的精度与工艺的一致性。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于针对现有技术中机器人打磨系统中存在的打磨精度低、质量 差、工艺一致性难以保持的问题，提出了基于在线实时负载重力补偿控制的机器人打磨方 法。
[0005] 本发明为实现上述目的，采用下述技术方案:基于力控制的龙门吊装机器人打磨 加工方法，包括以下步骤：
[0006] 工控机根据工件模型生成离线路径，机器人根据离线路径对工件进行加工；
[0007] 力传感器实时采集机器人末端的力信息反馈至工控机，工控机根据力信息通过重 力补偿得到反馈力；
[0008] 工控机将设定的力目标值与反馈力作差，并通过力控制器得到位置修正量；
[0009] 将位置修正量与机器人当前位置求和，并通过阻抗控制器得到控制量用于控制机 器人加工的打磨作用力。
[0010]所述工控机根据力信息通过重力补偿得到反馈力：
[0011]
[0012]其中，FpX、Fpy、Fpz分别为力传感器测量的力在基座标系X、Y、Z轴上的力值;Fx、 Fy、Fz分别为力传感器测量的力在力传感器座标系X、Y、Z轴上的力值；γ为世界坐标系绕力 传感器座标系X轴的旋转角度，β为世界坐标系绕力传感器座标系Υ轴的旋转角度，α为世界 坐标系绕力传感器座标系Ζ轴的旋转角度;Gx、Gy、Gz分别为机器人末端在世界坐标系座标 系X、Y、Z轴上的重力。
[0013] 所述通过阻抗控制器得到控制量具体为
[0014] F=KPAX+Ks AX'+Kt ΑΧ"
[0015] 其中，F为打磨加工力信息即控制量，八乂二乂^為^和心分别为打磨工具的理想 刚度、理想阻尼和理想惯量，X和Xd分别为机器人当前位置和位置修正量。
[0016]本发明的有益效果是：
[0017] (1)本发明采用离线路径规划与在线实时力控制相结合的方法，使机器人在离线 路径的基础上进行在线力控制，能够显著提高龙门吊装机器人打磨系统的加工精度与加工 效果。
[0018] (2)本发明便于使用，便于操作，在系统硬件连接完毕后，在工控机软件启动软件， 连接好传感器和机器人后，点击开始加工，既可以控制机器人对工件进行加工。
[0019] (3)本发明在打磨过程中消除了打磨工具本身重力对打磨作用力的干扰，从而保 证检测及控制打磨加工作用力的精度。
[0020] (4)本发明力传感器测量精度高，机器人控制精度高，加工效果好。
[0021] (5)本发明在工控机上提供可供操作人员监控及控制的操作界面，可以在加工过 程中进行远程监控，及时掌握加工进度，并可以在加工过程中实时修改工艺参数，满足加工 需求。
【附图说明】
[0022]图1为本发明的龙门吊装自动打磨设备布局图；
[0023]其中，1外部轴Y轴横梁，2外部轴X轴横梁A，3机器人手臂末端，4工作台，5外部轴X 轴横梁B，6护罩；
[0024]图2为本发明的系统构成图；
[0025] 图3为本发明的系统功能流程图；
[0026] 图4为本发明的打磨工具图；
[0027]图5为本发明的打磨接触模型图；
[0028]图6为本发明的打磨工具重力在不同坐标系下转换图一；
[0029]图7为本发明的打磨工具重力在不同坐标系下转换图二；
[0030]图8为本发明基于阻抗的力外环控制图。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合附图进一步说明本发明。
[0032] 本发明针对现有技术中机器人打磨系统存在的打磨精度低、质量差、工艺一致性 难以保持的问题，提出了基于力控制的龙门吊装机器人打磨加工方法，该方法能够完成对 大型曲面模具的打磨加工。整个系统主要分为两个部分:一是离线路径规划部分，根据工件 CAD模型，在工控机生成离线路径规划文件，导入机器人，使机器人按照理想文件模型对工 件进行离线加工。二是在线实时力控制部分，在机器人打磨加工过程中，通过以太网建立工 控机与机器人、力传感器的通信连接，力传感器实时采集打磨工具加工过程中所受到的作 用力，将采集信息传输给工控机，工控机通过坐标变换以及重力补偿算法计算出打磨作用 力大小，并根据相关控制策略将位姿控制信息传输到机器人，实现对打磨作用力的实时补 偿功能，从而使整个打磨加工过程保持在一个相对恒定作用力范围之内。本发明的机器人 打磨加工系统，具有较好的实时性，能够保证打磨加工的加工精度以及加工工艺的一致性。 具有良好的通用性和扩展性。实验证明，基于力控制的龙门吊装机器人打磨加工系统可对 各种形状的自由曲面模具进行加工，并能达到良好的加工精度及加工质量。如图2~3所示。 [0033]如图1所示，本发明在KR30机器人外部加设了两个水平外部轴，可使机器人本体沿 X/Y两向水平移动。加工时，这两个外部轴与机器人联动。为实现复杂曲面的加工，外部轴要 与机器人本体轴联动，并具有可靠的性能和高精度。龙门吊装机器人的龙门架结构组成分 为横梁部分和左右基座两个部分。
[0034]如图4~5所示，机器人末端装有安装法兰，安装法兰通过螺纹连接到力传感器的 固定面一端，传感器的测力面一端连接打磨工具，打磨工具由气动马达、连接杆和打磨头组 成;气动马达通过连接件与打磨头连接，气动马达的转轴与力传感器连接且与力传感器的X 方向平行。打磨头为具有被动柔顺功能柔性海绵结构，并附有打磨砂纸。机器人控制系统中 装有RSI实时通信传感器，可以与外部系统进行通信，具有收发数据功能。
[0035] 机器人末端的力传感器为六维力传感器，可以测量力传感器坐标系下x、y、z三个 方向的力与力矩。
[0036]工控机定时读取机器人信息与力传感器信息。对机器人信息与力传感器信息进行 数据处理，得到工件表面打磨作用力信息:工控机读取机器人信息，从而确定机器人位姿变 换矩阵;工控机读取力传感器信息，得到打磨工具在力传感器坐标系下的受力信息;工控机 根据力传感器受力信息、力传感器到机器人末端的位姿关系矩阵、机器人位姿变换矩阵及 打磨工具自身重力计算出工件表面的作用力信息。
[0037]工控机根据工件表面受力信息与设定作用力作比较，通过主被动柔顺控制策略， 将控制信息发送给打磨工具末端，使打磨工具能够沿着工件表面的法矢方向上下移动，改 变工件表面所受作用力大小，从而实现工件表面的力控制加工功能。
[0038] 本发明基于力控制的龙门吊装机器人打磨加工方法，包括龙门架结构、吊装机器 人、打磨工具、六维力传感器、工控机。通过以太网建立工控机与机器人、力传感器的通信连 接，力传感器实时采集打磨工具加工过程中所受到的作用力，将采集信息传输给工控机，工 控机通过坐标变换以及重力补偿算法计算出打磨作用力大小，并根据相关控制策略将位姿 控制信息传输到机器人，实现对打磨作用力的实时补偿功能，从而使整个打磨加工过程保 持在一个相对恒定作用力范围之内。
[0039] 在打磨系统加工之前，首先将工件模型导入工控机的路径规划软件模块，根据加 工工艺的具体要求，设置相应的工艺参数，如进给方向，打磨间距，打磨压力、加工倾角、采 用间距等参数。在工件模型中生成需要的加工路径，并结合龙门吊装机器人的结构转化成 机器人可接受的路径执行程序。将路径程序导入到机器人控制器，操作机器人对程序进行 识别。
[0040] 从力传感器坐标系{S}到工具坐标系{T}的力-力矩变化矩阵为：，式 中：
[0041] t