一种面向易变形结构铣削加工的机器人触觉伺服控制方法与流程

文档序号:21095783发布日期:2020-06-16 20:18阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种面向易变形结构铣削加工的机器人触觉伺服控制方法,所述机器人装有铣削刀具,并在机器人的铣削刀具上包裹加速度传感器阵列,加速度传感器选用体积较小的微机电传感器,机器人各关节分别由相应的电机驱动,以满足空间铣削的需求;其特征在于:

第1、首先根据铣削工具的大小设计相应不同规格的三维加速度传感器阵列,各个加速度传感器间用电路软板相连,软板能够在很大程度上隔离相邻加速度传感器之间的振动,防止相互干扰;然后将整个阵列嵌入橡胶垫中,利用橡胶的隔振效果防止过大的信号而出现信号截断;直接将嵌有加速度传感器阵列的橡胶垫卷成筒状紧包在柱形的铣削刀具表面,以此全面的提取铣削刀具表面各处的加速度信号,并从中选取一个信号最为合适的加速度传感器采集到的数据进行分析,这里最为合适是指在刀具处于空转状态和处于铣削状态时,信号本身的幅值相差最为明显;

第2、然后将所述控制方法分为两个阶段:

(1)第一阶段为信号采集处理阶段,包含以下步骤:

(1-1)数据采集及特征提取

(1-1-1)根据数据采集后进行特征提取所得到的结论,需要采集铣削过程中实时的振动信号,在铣削刀具逐渐铣入易形变结构的过程中,采用加速度计传感器阵列包裹于铣削刀具上以采集振动信号,并将数据反馈给控制器,当刀具进入被铣削结构目标深度后停止电机进给,数据采集结束;

(1-1-2)根据(1-1-1)采集到的时域振动信号,进行快速傅里叶变换将时域信号转换到频域,得到整个采样过程中各谐波分量的快速傅里叶变换幅值随铣削深度变化的相应变化,在存在结构变形的情况下仍能够进行线性拟合得到与铣削深度相对应的特征曲线,并能够明显区分刀具与被铣削结构是否接触,同时若被铣削结构的材料本身具有分层的特殊结构,刀具在铣削至分层边界时,特征曲线也会有明显变化;

(1-2)选择(1-1-2)得到的各谐波分量中幅值最高的某次谐波作为控制量,根据所得到的特征曲线,在单调上升区间选取对应目标铣削深度的阈值作为反馈量进行机器人运动控制,设计控制方案,具体如下:

(1-2-1)在数据处于特征曲线中刀具与待铣削结构未接触状态时,控制机器人加速进给,使铣削刀具快速接近待铣削结构,并在识别到刀具与待铣削结构接触的瞬间停止刀具进给,防止出现失误;

(1-2-2)进入铣削过程后控制机器人运动,使所选取谐波分量的幅值维持在阈值上下波动,并且波动范围对应的深度变化能够忽略,即机器人在完成铣削任务的过程中刀具在不断移动的同时,刀具所处的铣削深度保持基本不变;

(1-2-3)当铣削出现异常或到达终止条件时,控制机器人运动,使刀具快速离开被铣削结构,回到初始位置;

(2)第二阶段为机器人运动控制阶段,具体步骤如下:

根据(1-2)所得到的阈值,将该阈值输入到控制器中,在连续铣削过程中控制器获取实时振动信号并进行快速傅里叶变换得到所需谐波分量的幅值,获得(1-2)所区分的铣削状态,并将变换后的谐波分量幅值作为反馈量根据模糊控制算法区分各状态并执行控制指令,实现当存在结构形变时仍保持稳定的铣削深度,以保证被铣削结构表面的平整与否不对铣削过程造成影响。

2.根据权利要求1所述的面向易变形结构铣削加工的机器人触觉伺服控制方法,其特征在于,步骤(1-1-2)中对实时振动信号进行快速傅里叶变换时,每采集到1024个的振动信号进行一次快速傅里叶变换,变换过后的结果充分包含控制所需的所有信息,并且快速傅里叶变换时间为微秒级,不影响机器人运动控制。

3.根据权利要求1所述的面向易变形结构铣削加工的机器人触觉伺服控制方法,其特征在于,步骤(1-2-3)所述异常状况包括刀具损伤或被铣削材料结构异常而引起的特征曲线波动,终止条件为识别边界或者定时任务,异常或终止条件出现时都将立即停止机器人的所有运动,优先保障安全性。

4.根据权利要求1至3任一项所述的面向易变形结构铣削加工的机器人触觉伺服控制方法,其特征在于,在第2步(2)中所述控制方法第二阶段的控制阶段,使用模糊控制算法对铣削机器人进行运动控制,即以振动信号作为反馈,根据模糊控制律控制机器人各关节运动;具体步骤如下:

步骤一、确定模糊控制器的输入与输出;将设定的目标谐波分量幅值作为输入,铣削过程中实时地采集实际的谐波分量幅值,将目标幅值与实际的幅值进行比较得出误差e,同时对误差求导,得到误差变化率de;

步骤二、对输入输出量进行模糊化处理;

步骤三、建立模糊规则库,将步骤二得到的模糊化处理结果输入至推理机中,利用模糊规则库进行模糊化推理,得到模糊输出值;

步骤四、将步骤三得到的模糊输出值进行解模糊化,得到一个确定的数字v,并进行输出。

5.一种面向易变形结构铣削加工的机器人触觉伺服控制系统,其特征在于包括装有铣削刀具的铣削机器人,加速度计传感器陈列模块、通信模块、控制器、电机控制模块和上位机:铣削加工的振动信号通过加速度计传感器陈列模块采集后由通信模块传输给控制器,控制器执行控制算法生成结果传入电机驱动模块,再由电机驱动模块控制机器人运动以满足铣削深度保持不变,于此同时控制器还将传输至上位机,上位机实时显示铣削状态并可随时发送指令控制机器人的运行与停止。


技术总结
一种面向易变形结构铣削加工的机器人触觉伺服控制方法,将铣削刀具振动信号用作控制量进行铣削过程的自动控制。此方法包含两个阶段,一为信号采集处理阶段,此阶段实时采集振动信息,处理后得到铣削过程中的特征信息;二机器人运动控制阶段,将振动信号实时反馈给控制器,执行控制算法对机器人进行运动控制,补偿由形变带来的干扰。本方法加速度传感器阵列成本较低,制作简单,可根据需求设计不同个数的阵列模式,卷成筒状紧包在铣削刀具表面,不需要对机器人的现有结构进行改装。实现了在铣削结构刚度较低或无法完全固定时,使铣削深度基本保持不变,并且具有较高的控制精度,拥有很强的灵活性与很大的实用前景。

技术研发人员:代煜;贾宾;张建勋;陈通
受保护的技术使用者:南开大学
技术研发日:2020.03.26
技术公布日:2020.06.16
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