本发明属于曲面类工件智能加工制造领域，尤其涉及工业机器人应用场合的大型曲面自适应力控制磨抛领域，更具体地，涉及一种三自由度曲面自适应智能力控柔性磨抛末端执行装置。
背景技术：
风能作为一种清洁的可再生能源，取之不尽，用之不竭，因此风能的需求日益增加，全世界各个国家争先发展风力发电技术。大型风电叶片作为风电机组转换风能的关键部件，随着全球风电市场转向低风速和海上风场的风能开发，大型风电叶片的需求量逐年上涨。大型风电叶片的表面去腻子打磨以及磨抛加工工艺的好坏严重影响发电效率。大型风电叶片由于长度可达59.5米之多，打磨易变性，且表面复杂多变，这些问题对大型风电叶片磨抛工艺提出了非常高的要求。当前的大型风电叶片等自由曲面的磨抛加工主要包括手工磨抛以及少量的机器人磨抛加工；手工磨抛加工，效率不高、磨抛余量不均匀、零件表面质量受工人技术熟练程度影响很大，机器人磨抛系统效率高、加工一致性好，相应成本低，是目前发展的趋势。
机器人在复杂曲面等非结构化环境中进行如打磨、抛光等约束操作时，加工件的几何形貌难以精确建模，且大型风电叶片类工件的悬臂长、易变性等特性往往要求磨抛工具具有一定的柔顺性，且加工对象精确模型的缺乏导致机器人运动轨迹规划困难或不准确。
机器人柔顺性可分为主动柔顺与被动柔顺。被动柔顺主要通过调节弹簧刚度获得所需柔顺性，例如美国mitdraper实验中心设计的远程中心柔顺的无源机械装置，但是由于弹簧相应速度慢，该装置存在精度不可控，容易产生过磨或磨抛不均匀的问题。主动柔顺中奥地利一家公司生产的气动变力装置acf能够较好实现工具末端与工件之间的接触力，但是，该气体变力装置由于气体压缩的特性会产生非线性问题，同样易导致磨抛不均匀。专利申请号为201610580987的“一种曲面类空间柔顺打磨串并联机器人工艺平台”能够调整打磨接触力与调整末端姿态，但是在打磨过程中打磨头的位置会发生变化，容易导致重复磨抛。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种三自由度曲面自适应智能力控柔性磨抛末端执行装置，其目的在于通过设计二维姿态调整组件和直线伺服力控组件，原位实时调整打磨头的姿态及磨削力，从而在提高打磨精度、实现柔顺磨抛的同时，防止重复磨抛及磨抛不均匀。
为了实现上述目的，本发明提供了一种三自由度曲面自适应智能力控柔性磨抛末端执行装置，包括基架、端盖、二维姿态调整组件、直线伺服力控组件、磨抛组件和控制器；
基架为下端开口的筒状构造，端盖设于基架上端，端盖用于与磨抛机器人末端对接固定；
二维姿态调整组件设于基架内部，包括倾斜调整机构和旋转调整机构；
倾斜调整机构的调节轨道为圆弧齿条，通过与圆弧齿条啮合的倾斜驱动齿轮驱动倾斜调整机构以圆弧齿条的圆心为中心旋转，圆弧齿条的圆心位于旋转调整机构的旋转轴线上；
直线伺服力控组件安装于倾斜调整机构上，包括丝杆、直线滑块、丝杆驱动电机和六维力传感器；丝杆与直线滑块组成滚珠丝杠机构，丝杆驱动电机的输出轴与丝杆对接，六维力传感器固定于直线滑块上；
磨抛组件包括磨头连接板、磨头驱动电机以及磨盘；磨头连接板的上端固定在六维力传感器上；磨盘安装于磨头驱动电机的输出轴上，磨盘中心与圆弧齿条的圆心重合；磨头驱动电机固定在磨头连接板下端，且其输出轴位于磨盘中心与倾斜驱动齿轮的中心连线上；
控制器分别与六维力传感器、丝杆驱动电机连接，以及与倾斜调整机构和旋转调整机构的驱动部件连接。
进一步地，旋转调整机构包括圆环轨道、旋转驱动电机、内齿圈和旋转驱动齿轮；其中，
圆环轨道、旋转驱动电机均相对于基架固定；内齿圈设于圆环轨道上且与圆环轨道同轴布置；旋转驱动齿轮设于旋转驱动电机的输出轴上，且与内齿圈啮合；控制器连接旋转驱动电机，当旋转驱动电机工作时，通过旋转驱动齿轮带动内齿圈以内齿圈自身轴线为中心在圆环轨道上旋转。
进一步地，倾斜调整机构包括圆弧齿条、倾斜驱动齿轮、导向件、第二安装架和倾斜驱动电机；其中，
圆弧齿条的圆心位于内齿圈的轴线上，圆弧齿条朝向圆心的一侧为齿面，背向圆心的一侧为导向面；倾斜驱动齿轮和导向件通过第二安装架连接，倾斜驱动齿轮与圆弧齿条的齿面啮合；倾斜驱动齿轮安装于倾斜驱动电机的输出轴上，倾斜驱动电机相对于第二安装架位置固定，控制器连接倾斜驱动电机；导向件与圆弧齿条的导向面配合，以在倾斜驱动齿轮转动过程中对倾斜调整机构进行导向。
进一步地，直线伺服力控组件包括连接板、直线滑轨、丝杆、直线滑块、丝杆驱动电机和六维力传感器；其中，
连接板固定于第二安装架下部，连接板上设有与内齿圈轴线平行的滑轨；丝杆与直线滑块组成滚珠丝杠机构，丝杆与直线滑轨平行，直线滑块与直线滑轨滑动配合；丝杆驱动电机相对于连接板固定，且其输出轴与丝杆对接；六维力传感器固定于直线滑块上。
进一步地，圆弧齿条的导向面设有周向延伸的弧形凹槽，弧形凹槽的圆心与圆弧齿条的圆心重合；导向件为两个滚轮，两个滚轮与倾斜驱动齿轮三者呈等腰三角形分布且三者的轴线互相平行，两个滚轮的中心连线为等腰三角形的底边；两个滚轮均与弧形凹槽配合。
进一步地，导向块为弧形滑块，弧形滑块的圆心与圆弧齿条的圆心重合。
进一步地，内齿圈下表面设有多个沿周向均匀分布的第一滑块，第一滑块下表面设有与圆环轨道宽度相等的滑槽，圆环轨道上端面位于滑槽内。
进一步地，还包括保护罩，直线伺服力控组件和磨抛组件的磨头连接板位于保护罩内部，磨抛组件的磨头驱动电机以及磨盘位于保护罩外部，保护罩上端与基架下端对接固定。
进一步地，基架内部设有环形安装台，圆环轨道固定于环形安装台上。
总体而言，本发明所构思的以上方案与现有技术相比，具备以下优点：
1.本发明采用二维姿态调整组件以及直线伺服力控组件通过运动控制闭环和力控制闭环保证使打磨头即磨盘与工件复杂曲面之间既能有良好的期望接触力，又能主动顺应曲面的变化实现零力矩打磨，有效避免了加工冲击、磨抛不均、过度磨抛以及重复磨抛等问题。
2.本发明中二维姿态调整组件的巧妙设计，即圆弧齿条的圆心位于内齿圈轴线上、磨盘中心与圆弧齿条圆心重合，使得在调整磨盘姿态的同时，保证姿态调整过程中磨盘的端面中心位置不变，始终做定心运动，从而保证磨盘在进行姿态调整时不会发生位移，即姿态调整不会改变打磨位置，从而有效避免重复磨削。
3.本发明通过六维力传感器测量磨抛加工过程中的接触力与力矩并接入控制器实现力反馈，再通过控制器控制直线伺服力控组件的进给控制量以及二维姿态调整组件的角度变化量，实时调整磨盘的进给量与姿态，实现力控闭环与运动控制闭环的磨抛加工，保证自适应加工的抗干扰性能以及对复杂曲面的柔顺性。
4.传统的复杂曲面类零件加工受限于现有主动控制设备位姿调整精度不足的问题，多采用人工磨抛等方式，但仍然存在尺寸精度不高与表面质量一致性不佳等问题，本发明采用自适应顺应曲面以及智能接触力控制打磨的方法，使磨抛加工具有主动柔顺、尺寸可控性高、精度、表面一致性好等优势，能够实现自动化加工复杂曲面。
5.本发明通过端盖连接在磨抛机器人末端，机器人大范围的姿态变化，间接地实现了本发明的大范围的运动控制与姿态调整，而本发明的精密自适应调整与补偿功能能够有效的弥补机器人在磨抛加工中定位精度不高、自适应能力不足等问题，实现优势互补。即通过机器人的运动使本发明的三自由度曲面自适应智能力控柔性磨抛末端执行装置到达指定位置，通过本发明的三自由度曲面自适应智能力控柔性磨抛末端执行装置能够在指定位置实现自适应位姿及磨削力、力矩调整，完成精密磨抛自动化加工。
附图说明
图1为本发明优选实施例提供的一种三自由度曲面自适应智能力控柔性磨抛末端执行装置的整体结构示意图；图中为了展示各组件位置关系，对端盖、基架、保护罩进行了剖视处理；
图2为图1的立体示意图；
图3为图1中端盖、基架、保护罩的立体示意图；
图4为本发明优选实施例提供的二维姿态调整组件的立体示意图；
图5为图4的主视图；
图6(a)为图4中倾斜调整机构的核心调整部件立体示意图，图6(b)为图6(a)的平面示意图；
图7为本发明优选实施例提供的直线伺服力控组件和磨抛组件的组合示意图；
图8为图7的分解示意图；
图9为本发明优选实施例提供的打磨头的组合结构示意图；
图10为本发明优选实施例的定心示意图；
图11为工业机器人末端安装本发明末端执行装置的示意图；
图12为大型风电叶片的物理模型示意图；
图13(a)、13(b)、13(c)为本发明的优选实施例在打磨曲面时的姿态自适应调整过程示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-端盖2-基架3-保护罩
4-二维姿态调整组件41-旋转调整机构42-倾斜调整机构
411-圆环轨道412-内齿圈413-第一滑块
414-旋转驱动电机415-旋转驱动齿轮416-第一安装架
421-圆弧齿条422-第二安装架423-倾斜驱动电机
424-滚轮425-倾斜驱动齿轮
5-直线伺服力控组件51-连接板52-滑座
53-直线滑轨54-丝杆驱动电机55-丝杆
56-直线滑块57-传感器安装板58-六维力传感器
6-磨抛组件61-磨头连接板62-磨头法兰
63-磨头驱动电机64-磨盘
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1～3所示，本发明优选实施例的三自由度曲面自适应智能力控柔性磨抛末端执行装置包括：端盖1、基架2、保护罩3、二维姿态调整组件4、直线伺服力控组件5、磨抛组件6和控制器(未图示)。端盖1通过螺栓固定于基架2上端，端盖1上设有用于与工业磨抛机器人或者机床的末端对接的法兰。基架2为圆柱筒状构造，保护罩3为阶梯筒状构造，固定于基架2下端。二维姿态调整组件4设于基架2中，下端连接直线伺服力控组件5；直线伺服力控组件5的下端连接磨抛组件6。
请参照图4及图5，二维姿态调整组件4通过旋转调整机构41和倾斜调整机构42的合成运动直接带动直线伺服力控组件5以及磨抛组件6共同运动，实现姿态调整。在本实施例中，旋转调整机构41包括圆环轨道411、内齿圈412、第一滑块413、旋转驱动电机414、旋转驱动齿轮415和第一安装架416。圆环轨道411上设有沉头孔，通过沉头螺栓固定在基架2内部的环形安装台上，内齿圈412下表面通过沉头螺栓固定连接四个第一滑块413，四个第一滑块413均匀分布在圆环轨道411上并在圆环轨道411上滑动。旋转驱动电机414的输出轴上安装有旋转驱动齿轮415，旋转驱动齿轮415与内齿圈412啮合。旋转驱动电机414通过第一安装架416固定安装在基架2内部。
倾斜调整机构42包括圆弧齿条421、第二安装架422、倾斜驱动电机423、滚轮424和倾斜驱动齿轮425。圆弧齿条421的两端通过螺栓固定连接在内齿圈412上表面，以随内齿圈412转动。圆弧齿条421的圆心位于内齿圈412的轴线上，且圆弧齿条421与内齿圈412的轴线共面。圆弧齿条421朝向圆心的一侧为齿面，背向圆心的一侧为导向面。倾斜驱动电机423固定在第二安装架422上，倾斜驱动齿轮425安装于倾斜驱动电机423的输出轴上，并与圆弧齿条421的齿面啮合。如图6(a)、6(b)所示，本实施例的导向件为两个滚轮424，圆弧齿条的导向面为与两个滚轮424滑动配合的弧形凹槽，弧形凹槽的圆心与圆弧齿条的圆心重合，组装时，直接将圆弧齿条421一端从滚轮424与倾斜驱动齿轮425之间的缝隙穿过即可。
两个滚轮424与倾斜驱动齿轮425组成稳定的等腰三角形结构，从而使得倾斜驱动齿轮425旋转时，带动直线伺服力控组件5和磨抛组件6做定心运动。当然，在其他实施例中(未图示)，也可以将导向件换成具有与圆弧齿条421弧度一致的滑块，该滑块既可以与第二安装架422分体组装，也可以一体成型或焊接成型；还可以不设置弧形凹槽，通过加宽滚轮的宽度，直接与圆弧齿条421的导向面配合；或者单个滚轮424与倾斜驱动齿轮425配合也能实现定心运动，但是对倾斜驱动齿轮425的轮齿强度要求极高，轮齿受力更大。总体来说，优选实施例中两个滚轮424与弧形凹槽、倾斜驱动齿轮425配合的构造最为稳定，倾斜驱动齿轮425的轮齿负担也较小，制造及组装均十分简单，又由于滚动摩擦的摩擦力最小，可操控性最强，整体性能更好。
请参照图7、图8，直线伺服力控组件5包括连接板51、滑座52、直线滑轨53、丝杆驱动电机54、丝杆55、直线滑块56、传感器安装板57和六维力传感器58。连接板51固定于第二安装架422下部，滑座52固定于连接板51上，滑座52上设有与内齿圈412轴线平行的直线滑轨53。丝杆驱动电机54相对于连接板51固定，且其输出轴与丝杆55对接，本实施例中丝杆驱动电机54固定在滑座52上。丝杆55与直线滑块56组成滚珠丝杠机构，丝杆55与直线滑轨53平行，直线滑块56与直线滑轨53滑动配合。六维力传感器58通过传感器安装板57固定于直线滑块56上。本实施例中，六维力传感器采用ati传感器。丝杆驱动电机54采用带抱闸伺服电机，其采用光电编码器作为位置传感器实现精密位置反馈，保证运动控制精度，并且在不同姿态下停机时能够自动抱闸，不会因为重力作用滑动，定位精准，更有利于位姿调整。
如图7～9所示，磨抛组件6包括磨头连接板61、磨头法兰62、磨头驱动电机63和磨盘64。磨头连接板61的上端固定在六维力传感器58上；磨盘磨头法兰62安装于磨头连接板61下端；磨头驱动电机63固定在磨头法兰62上，且其输出轴位于磨盘64中心与倾斜驱动齿轮425的中心连线上；磨盘64安装于磨头驱动电机63的输出轴上，且磨盘64的中心与圆弧齿条421的圆心重合。控制器(未图示)分别与六维力传感器58、旋转驱动电机414、倾斜驱动电机423和丝杆驱动电机54连接。本实施例的旋转驱动电机414、倾斜驱动电机423和丝杆驱动电机54均采用伺服电机，磨头驱动电机63采用低速扁平电机。低速扁平电机的转动直接带动磨盘64旋转进行表面磨抛，且其转速可控，能有效防止过高转速造成大型风电叶片表面烧伤，磨盘64可直接更换，操作简单可靠。
如图2、图4、图6(b)及图10所示，本发明在姿态调整过程中磨盘64定心运动的工作原理如下：
二维姿态调整组件4的运动由相互正交的两个旋转运动构成，两个旋转运动分别由旋转调整机构41和倾斜调整机构42实现。由于磨盘64的中心与圆弧齿条421的圆心重合，且位于内齿圈412的轴线上，使得在旋转调整机构41和倾斜调整机构42运动过程中，磨盘64的中心位置保持不变，即，二维姿态调整组件4对磨盘64的姿态进行精密调整时只会改变磨盘64的姿态，不会导致磨盘64的中心产生额外位移，从而保证姿态调整过程中不改变磨盘64与工件曲面接触点的位置。旋转调整机构41和倾斜调整机构42在两个正交方向上的转动的合运动实现磨盘64姿态的调整，从而自适应曲面的变化以实现磨削面与曲面切平面的重合。
此外，由于接触力的变化仅产生于磨盘64与工件待加工曲面接触时，在磨盘64与工件待加工曲面接触状态下通过丝杆驱动电机54调节直线滑块56运动的位移实际上非常小，对磨抛接触点的位置影响可以忽略不计。
如图11所示，通过端盖1将本发明的三自由度力控柔性磨抛法兰与机器人的末端法兰连接，利用机器人的运动提供大范围的位置和姿态调节，是本发明的末端执行装置能够快速到达指定位置。而本发明的末端执行装置具有恒力、姿态精密调整的特点，能够实现给定位置处的恒力磨抛加工，同时自适应给定位置的曲面进行姿态调整，实现法向接触，防止重复磨抛、保证磨抛均匀一致性。
下面，以图12的大型风电叶片为例，结合图13(a)～13(c)介绍本发明的工作过程，各元件的标记参照附图4～9及附图说明。
如图13(a)所示，当前正在对大型风电叶片的某一点进行磨抛，当该点磨抛结束后，需要运行到下一位置，即图13(b)所示位置进行连续磨抛。由于此时磨抛位置发生改变，曲面的曲率及法线方向也发生了变化，磨盘64的旋转轴不再与当前磨削点的法线重合，如果直接磨抛，则会磨抛精度及磨抛程度均难以保证。此时，直线伺服力控组件5的六维力传感器58实时采集磨盘64与工件之间的接触力与力矩信号，并将接触力及力矩信号反馈至控制器，控制器根据接收到的接触力大小及力矩信号计算旋转驱动电机414、倾斜驱动电机423和丝杆驱动电机54的运动量，并输出相应的控制信号，从而调整磨盘64的姿态，使磨盘64的旋转轴重新与磨削曲面接触点的法线重合，同时调节磨盘64与工件之间的接触力至预设值，实现恒力磨抛，确保磨抛的均匀一致性。丝杆驱动电机54采用带抱闸伺服电机，通过抱闸实现电机制动，并采用光电编码器作为位置传感器实现精密位置反馈，保证运动控制精度，能够在姿态调整及切换时自由停机，而不会因为重力作用滑动，同时可用于抱闸制动。
总之，本发明为了改善单自由度力控磨抛机构的姿态不能自适应曲面的变化，在一维力控组件的基础上增加了二维姿态调整组件4，进行曲面打磨过程中的打磨头的法向接触力控制以及局部切平面的姿态调整，实现打磨头与工件自由表面达到恒力、法向的接触。磨抛时，磨盘与工件待加工曲面的接触力和力矩通过磨头连接板传递至六维力传感器，六维力传感器用于采集磨盘与待加工工件的接触力和力矩信号，并上传至控制器；控制器用于根据接收到的接触力和力矩信号，控制旋转驱动电机和倾斜驱动电机的运行，从而实时调整磨盘姿态，使磨盘的磨削面始终与工件待加工曲面接触点的局部切平面重合，实现待加工曲面自适应；控制器还用于根据接收到的接触力和力矩信号控制丝杆驱动电机的运行，实时调整磨削力，实现柔性磨抛
本发明的具有精密、高带宽控制特性的伺服运动平台与力传感器构成的负反馈主动柔顺系统能够很好地控制磨盘与工件的接触力大小以及接触姿态，从而主动自适应地控制打磨接触力以及打磨姿态。本发明综合直线伺服力控组件5与球型轨道中心不变原理为核心的二维姿态调整组件4，实现了机器人力控磨抛加工中的力-位解耦，满足加工大型风电叶片自由曲面时精度高，表面一致性好的要求，可有效避免机器人定位精度不高导致的打磨头与自由曲面的接触姿态不满足要求以及过度磨抛和磨抛不均匀等问题，可广泛应用于机器人磨抛大型曲面尤其是风电叶片类复杂自由曲面。
本发明采用直线伺服力控平台以及设计巧妙的二维姿态调整组件，并与六维力传感器实现全电数字式姿态自适应调整的接触力可控磨抛加工，与现有技术相比，直线伺服力控组件采用机械化伺服控制，其高刚度结构及精密运动控制弥补了气体变力装置由于气体压缩导致的非线性问题；本发明巧妙设计的二维姿态调整组件能够保证姿态调整不会改变磨削点的位置，有效避免重复打磨；本发明采用力控闭环控制以及运控闭环控制，具有精度可控性好，控制精度高等优点，且在保证磨抛均匀以及防止过度磨削等方面有着明显的优势。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。