一种用于可调距螺旋桨机器人磨削的主动顺应末端执行器及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机电领域，更具体地，涉及一种用于可调距螺旋桨机器人磨削系统的主动顺应末端执行器及其控制方法。
【背景技术】
[0002]随着微电子技术、传感器技术、控制技术和机械制造工艺水平的飞速发展，机器人的应用领域逐步从搬运、焊接领域拓展到磨削、抛光领域。在各种类型的机械臂中，模拟人体手臂而构成的关节型机械臂，具有结构紧凑、所占空间小、运动空间大等优点，是应用最为广泛的机械臂之一。
[0003]可调距螺旋桨桨叶尺寸大，叶片扭曲，采用定制化生产方式，目前的加工工艺主要是在数控机床精加工之后进行手工磨削和抛光。手工磨削时工人手持电动磨具，分区域对该大尺寸叶片进行磨削和抛光。接触力的恒定控制是保证加工表面质量(表面粗糙度、波纹度等)的主要因素。然而由于人手的控制精度有限，导致叶片曲面加工质量一致性差，且存在加工效率低、劳动强度大、环境恶劣等问题。
[0004]在采用多自由度关节机械臂代替操作工人进行复杂自由曲面的磨削和抛光时，由于机器人本身非线性、强耦合、末端刚度随位姿变化、重复定位精度难以满足高精度加工的要求等因素，以及工件位置误差、刚度误差等外界干扰因素，机器人控制系统难以同时满足较高的位置精度和接触力精度。同时，机器人末端工具与工件表面接触过程中存在冲击过程，机器人本体频率较低，控制系统响应速度较慢，难以快速抑制接触力震荡，从而造成工件表面形成加工振纹。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于可调距螺旋桨机器人磨削的主动控制末端执行器，其目的在于提供结构简单、装配方便、定位精度高、动态响应快，同时可以自动更换磨具的主动顺应末端执行器及其控制方法，由此解决可调距螺旋桨机器人磨削和抛光加工中对于接触力的控制精度要求的技术问题。
[0006]为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于可调距螺旋桨机器人磨削的主动顺应末端执行器，其特征在于，该末端执行器包括执行磨具组件、控制组件以及底部支撑组件，其中控制组件容纳于执行磨具组件与底部支撑组件组成的空间内；
[0007]其中执行磨具组件包括用于承担执行刀具的磨削电主轴支架，磨削电主轴以及执行磨具，所述磨削电主轴支架设置有用于套设所述磨削电主轴的卡箍，其中所述执行磨具以所述磨削电主轴为轴执行动作；
[0008]其中控制组件包括动力部与传感部，其中动力部包括如下部分:设置于所述底部支撑组件中的底部支撑板上的电机法兰支座，滚珠丝杠左端和右端分别通过轴承座和所述电机法兰支座固定于底部支撑板，所述滚珠丝杠通过滚珠丝杠螺母提供所述磨削电主轴轴向移动自由度，交流伺服电机，通过联轴器与所述滚珠丝杠相连并且通过所述电机法兰支座固定于所述底部支撑板上，所述动力部还包括与所述交流伺服电机相连的控制器；
[0009]所述传感部包括如下部分:位移传感器以及力传感器，其中所述位移传感器通过设置于两侧的位移传感器支座与所述底部支撑板相连，活动部分与力传感器右支座相连，所述力传感器的左侧通过力传感器左支座与磨削电主轴支架相连，右侧通过力传感器右支座与设置于所述滚珠丝杠螺母上的滚珠丝杠螺母支座相连，用于检测所述磨具所受的法向磨削力；
[0010]所述底部支撑组件还包括设置于所述底部支撑板上两侧边沿的直线导轨，所述磨削电主轴支架底部通过滑块沿直线导轨滑动。
[0011]进一步地，所述力传感器为S型拉压力传感器，实时检测所述磨具所受法向磨削力，并且输出与所测磨削力线性相关的模拟电压作为所述控制器输入。
[0012]进一步地，所述位移传感器为直线光栅，输出与所测位置信息线性相关的信号于所述控制器。
[0013]进一步地，所述控制器接收来自所述机器人、所述力传感器以及所述位移传感器的信号，并且通过控制所述交流伺服电机的位置以及伺服刚度来调节所述磨具的法向磨削力。
[0014]本发明还提出了一种实现用于可调距螺旋桨机器人磨削的主动顺应末端执行器的控制方法，其中机器人具有主控制器，所述末端执行器的控制器为嵌入式微控制器，所述主控制器与所述嵌入式微控制器通过串行总线进行通讯，其特征在于，该方法包括如下步骤:
[0015](I)由所述机器人发出信号使所述末端执行器进入输出状态，所述控制器设置所述交流伺服电机回到零位并保持较小的伺服刚度和阻尼;所述末端执行器接近待磨削工件表面的加工规划路径起始点；
[0016](2)执行磨削加工，所述力传感器检测法向磨削力信号，若所述磨削力信号大于或小于阈值，所述控制器相应控制所述交流伺服电机回退或前进使得所述力传感器的输出保持在所述阈值或阈值附近波动，并反馈调整后的信号给所述机器人继续执行磨削加工；
[0017]总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果:
[0018]按照本发明实现的主动顺应末端执行器可以安装于商用六轴工业机器人末端，商用六轴工业机器人主要采用位置控制，按照本发明实现的主动顺应末端执行器采用独立的驱动控制器进行接触力控制，其控制精度和响应速度高于六轴工业机器人，且具有自动更换磨具的功能，按照本发明实现的主动顺应末端执行器及控制方法尤其可以被很好地用于可调距螺旋桨桨叶等复杂自由曲面的机器人磨削系统中。
[0019]总而言之，本发明实现的主动顺应末端执行器结构简单、装配方便、控制精度高，在不影响六轴工业机器人机械臂运动控制系统的条件下实现大型复杂自由曲面机器人磨削和抛光加工中的接触力控制，有望在实际中得到广泛的应用。
【附图说明】
[0020]图1是按照本发明实现的一种用于可调距螺旋桨机器人磨削的主动顺应末端执行器的三维结构爆炸图；
[0021]图2是按照本发明实现的一种用于可调距螺旋桨机器人磨削的主动顺应末端执行器的整体结构三维图；
[0022]图3是按照本发明实现的主动顺应末端执行器中的接触力控制方法的控制框图；
[0023]图4是按照本发明图1中的末端执行器力传感器的安装结构分解图；
[0024]图5是按照本发明图1中实现的末端执行器位移传感器及伺服电机安装结构示意图；
[0025]图6是按照本发明图1中实现的末端执行器磨削电主轴支架结构示意图；
[0026]图7是按照本发明图1中实现的末端执行器底部支撑板结构示意图；
[0027]图8是按照本发明图1中实现的末端执行器安装于机器人末端的示意图。
【具体实施方式】
[0028]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。
[0029]按照本发明实现的末端执行器，并没有采用多自由度关节机械臂，而是设计出了一种可以装设于商用六轴工业机器人末端的执行器，并且在此执行器中设置了独立的控制器来进行控制，总之，该末端执行器包括执行磨具组件、控制组件以及底部支撑组件，其中控制组件容纳于执行磨具组件与底部支撑组件组成的空间内；
[0030]其中执行磨具组件包括用于承担执行刀具的磨削电主轴支架160，磨削电主轴170以及执行磨具，磨削电主轴支架160设置有用于套设所述磨削电主轴170的卡箍，其中执行磨具以磨削电主轴170为轴执行动作；
[0031]其中控制组件包括动力部与传感部，其中动力部包括如下部分:设置于底部支撑组件中的底部支撑板10上的电机法兰支座80，滚珠丝杠50左端和右端分别通过轴承座40和电机法兰支座80固定于底部支撑板10，滚珠丝杠50通过滚珠丝杠螺母60提供磨削电主轴170轴向移动自由度，交流伺服电机100通过联轴器90与滚珠丝杠50相连并且通过电机法兰支座80固定于底部支撑板10上，动力部还包括与交流伺服电机100相连的控制器；
[0032]传感部包括如下部分:位移传感器110以及力传感器140，其中位移传感器110通过设置于两侧的位移传感器支座12与底部支撑板10相连，活动部分与力传感器右支座130相连，力传感器140的左侧通过力传感器左支座150与磨削电主轴支架160相连，右侧通过力传感器右支座130与设置于滚珠丝杠螺母60上的滚珠丝杠螺母支座70相连，用于检测执行磨具所受的法向磨削力；
[0033]底部支撑组件还包括设置于所述底部支撑板10上两侧边沿的直线导轨20，磨削电主轴支架160底部通过滑块30沿直线导轨20滑动。
[0034]实施例
[0035]如图1、2所示，为按照本发明实现的末端执行器的结构示意图，其中该末端执行器包括:底部支撑板10、直线导轨20、滑块30、轴承座40、滚珠丝杠50、滚珠丝杠螺母60、滚珠丝杠螺母支座70、电机法兰组件80、弹性联轴器90、伺服电机100、位移传感器110、位移传感器支座120、力传感器右支座130、力传感器140、力传感器左支座150、磨削电主轴支架160、磨削电主轴170、BT30刀柄180、磨具190等构成的末端执行器，以及由驱动器2、控制器3等构成的末端执行器控制系统。主动顺应末端执行器为单自由度机构，主要通过力传感器140检测磨削电主轴170与工件接触时的法向磨削力以及位移传感器110检测磨削电主轴170的位置变化，通过调节伺服电机100的位置和伺服刚度保持接触力恒定或在设定值附近小范围波动。
[0036]如图3所示，从末端执行器控制系统的控制框图可以看出，末端执行器控制器接受力传感器和位移传感器的模拟电压信号作为输入，通过设计好的控制算法处理输出伺服电机控制信号，驱动器驱动伺服电机精确调节