一种恒力研磨控制系统及方法与流程

文档序号：15848132发布日期：2018-11-07 09:24阅读：265来源：国知局

本发明涉及机器人研磨加工与控制工程领域，特别涉及一种研磨加工过程研磨力稳定在期望值附近的研磨控制系统及方法。

背景技术

传统制造行业，抛光研磨是最基础的一道工序，但是其成本占到总成本的30％。研磨抛光件不但品种繁多而且绝大部分外观复杂，通常工业研磨抛光作业均由人工操作完成，作业劳动强度大，工作效率低，作业环境极差。市场对少部分规则工件研发的抛光研磨专机仅能完成单一的工艺任务，基本完成不了除原始工艺之外的其他任务，开发过程繁琐且柔性利用性很差，成本昂贵。

机器人研磨抛光有如下优点：(1)提高研磨质量和产品光洁度，保证其一致性；(2)提高生产率；(3)改善工人劳动条件，可在有害环境下长期工作；(4)降低对工人操作技术的要求；(5)缩短产品改型换代的周期，减少相应的设备投资；(6)可再开发性，用户可根据不同样件进行二次编程。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决人工研磨产品表面质量不高与效率低的问题，提供一种恒力研磨控制系统，采用此装置可进行机器人恒力研磨的研究，包括机械主体的设计、控制技术、和滤波器设计，从而达到研磨过程中研磨力稳定在期望研磨力附近，改善工件表面质量并提高加工效率。

本发明的另一目的在于，提出一种恒力研磨控制系统的控制方法。

为实现以上目的，本发明采取如下技术方案：

一种恒力研磨控制系统，包括：机械主体、交流伺服驱动机构、以及控制模块；所述机械主体包括手动示教器、机器人、以及研磨机构，所述机器人和研磨机构固定在同一平板底座上；所述手动示教器用于编制所述机器人的运动轨迹；所述机器人的末端执行器上设置专用夹具，夹持工件做特定轨迹运动；所述交流伺服驱动机构用于控制研磨机构的电机转动速度；所述研磨机构包括研磨平台、压力传感器、伺服运动机构、以及辅助部件；所述辅助部件包括滑轮组和对重块，通过滑轮组和对重块平衡研磨平台的大部分重量；所述研磨平台设置有定速转动的研磨盘，所述研磨盘用于机器人夹持工件做恒力研磨；所述伺服运动机构用于控制研磨平台在竖直方向上的位移；所述压力传感器用于检测研磨平台在竖直方向上受到的压力信号，并将所述压力信号传输给控制模块，所述控制模块对检测到的间接研磨力与期望研磨力之间的偏差信号和研磨过程中噪声信号做出相应处理，采用模糊控制算法对工件实现恒力磨削。

作为优选的技术方案，所述研磨机构包括研磨平台、压力传感器、伺服运动机构、以及辅助部件；所述辅助部件包括平板底座、t型支架、滑轮组、细绳、以及对重块；所述伺服运动机构包括直线导轨、直线运动模组、联轴器、以及第一交流伺服电机；所述研磨平台包括研磨盘、第二交流伺服电机、以及电机支架；

所述机器人通过螺栓连接机器人底座并固定在平板底座上，所述t型支架与平板底座由若干个螺栓连接固定，所述t型支架设有尺寸为420*500*660mm的竖直钢板；在所述竖直钢板的侧平面上安装直线运动模组，在直线运动模组的上部安装联轴器，所述联轴器连接第一交流伺服电机；

所述第二交流伺服电机固定在倒置的电机支架上，第二交流伺服电机上部与研磨盘通过键槽相连，从而驱动研磨盘做定速旋转，共同组成研磨平台；所述研磨平台的电机支架的侧面并排连接压力传感器和直线导轨的一端，压力传感器和直线导轨的另一端连接直线运动模组，具体是：所述压力传感器一端连接电机支架，另一端连接直线运动模组的滑块，所述直线导轨包括导轨和导轨滑块，所述直线导轨的导轨滑块连接电机支架，与导轨滑块配套的导轨连接直线运动模组的滑块；所述第一交流伺服电机通过驱动直线运动模组，直线运动模组通过直线导轨带动研磨平台在竖直方向进行位移；

所述竖直钢板上部安装滑轮组，所述对重块与研磨平台通过细绳相连接，细绳绕在滑轮组上，对重块质量与研磨平台质量相当；在研磨平台未受到外力时保证压力传感器示数趋近于0。

作为优选的技术方案，所述交流伺服驱动机构包括第一交流伺服电机驱动器和第二交流伺服电机驱动器；所述第一交流伺服电机和第二交流伺服电机的光电编码器均分别通过伺服驱动器上的标准化接口cn2端子与第一交流伺服电机驱动器和第二交流伺服电机驱动连接；所述第一交流伺服电机驱动器工作在位置控制模式，通过外部输入的脉冲的频率来确定所述第一交流伺服电机转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，同时控制第一交流伺服电机的输出脉冲，并输出第一交流伺服电机的光电编码器当前值；所述第二交流伺服电机驱动器工作在速度控制模式，通过脉冲的频率进行转动速度的控制，控制第二交流伺服电机的脉冲输出频率，达到速度控制的目的。

作为优选的技术方案，所述控制模块包括控制器、耦合器、模拟量输入模块、数字量输入模块、数字量输出模块、以及单通道运算放大器；所述控制器采用安装有德国倍福的实时控制软件twincat的工业计算机，通过以太网线与耦合器通讯；所述耦合器用于控制模拟量输入模块、数字量输入模块和数字量输出模块，最小采样周期为1毫秒；

所述单通道运算放大器将压力传感器输出的电荷信号转换为与之对应的±5v模拟量电压信号，由模拟量输入模块a/d转换后输入所述的工业计算机；

所述数字量输入模块用于将机器人诊断信号输入所述的工业计算机，所述机器人诊断信号为检测机器人是否故障和是否运动的信号；

所述数字量输出模块用于将远程控制机器人开关机以及紧急停止操作的数字信号输出到机器人控制柜中的i/o接口。

作为优选的技术方案，所述手动示教器设置机器人控制柜，控制机器人运动轨迹的指令通过机器人控制柜传递给机器人。

作为优选的技术方案，所述压力传感器采用微小s型压力传感器，量程为5kg，输出为-5～5v电压信号，灵敏度为2.0±0.1mv/v，密封等级为ip66。

作为优选的技术方案，所述机器人采用丹麦生产的协作机器人ur5，具体为六自由度机器人，通过螺栓连接在机器人底座并最终固定在平板底座上。

作为优选的技术方案，所述控制模块的软件包括实时模块与非实时模块，所述非实时模块采用microsoftvisualstudio2010平台开发，用于完成人机交互功能，包括设置期望研磨力、显示与存储研磨力信号与伺服电机脉冲信号、设置采样周期，启动和停止控制系统运行；所述实时模块基于德国倍福twincat软件的实时核上，采用可编程序控制器编程语言的国际标准iec61131-3开发，用于采集输入信号、发出数字输出信号、以及编制控制算法程序，所述输入信号包括压力传感器输入信号和数字输入信号。

一种恒力研磨控制系统的控制方法，包括下述步骤：

s1、控制器设定期望研磨力信号，并设定控制系统的采样周期；

s2、控制器通过设定研磨电机转速使研磨速度达到设定值；所述研磨电机即为第二交流伺服电机；

s3、控制器通过压力传感器、以及模拟量输入模块获得研磨平台的压力信号，由第一交流伺服电机脉冲信号得到研磨平台的当前位置信号；

s4、控制器对采集的研磨平台的压力信号和当前位置信号进行卡尔曼滤波处理，并经过模糊控制器产生输出信号，经过伺服驱动器转变为电压信号控制第一交流伺服电机运动，并结合直线运动模组使研磨平台在竖直方向移动，研磨盘对工件进行研磨，压力传感器获取研磨平台在竖直方向的压力信号并传输给控制器，所述控制器将压力信号与期望研磨力信号比较，并重复步骤s3及当前步骤，实现恒力研磨控制；

所述卡尔曼滤波处理，具体如下：

时间更新：

x(k|k-1)＝ax(k-1|k-1)+bu(k-1)(1)

p(k|k-1)＝ap(k-1|k-1)a^t+q(2)

状态更新：

kg(k)＝p(k|k-1)h^t/[hp(k|k-1)+r](3)

x(k|k)＝x(k|k-1)+kg(k)[z(k)-hx(k|k-1)](4)

p(k|k)＝[i-kg(k)h]p(k|k-1)(5)

通过不断迭代令时间更新与状态更新不断更新至过程结束得到最优输出信号。

作为优选的技术方案，所述模糊控制器产生输出信号，具体包括下述步骤：

(1)将研磨力偏差信号与偏差变化率模糊化为模糊控制器输入，所述研磨力偏差信号由当前压力信号和期望研磨力信号作差值计算得到，研磨力偏差变化率由当前研磨力偏差信号和上一时刻的研磨力偏差信号作差值计算得到；在模糊化过程中，隶属度函数采用如下的三角形隶属度函数：

(2)依据人工控制经验制定模糊控制规则库或模糊法则；

(3)依据模糊控制规则库或模糊法则，根据模糊输入推理得到模糊输出控制量；在解模糊过程中，隶属度函数采用三角形隶属度函数，利用重心法得到模糊输出控制量；所述重心法利用的公式如下：

式中，<>表示取整运算，表示模糊值ai对应的隶属度函数值，下标ai表示模糊集合中的第i个模糊值，a，b，c表示三角形隶属度函数三个拐点对应的横坐标值，ui表示模糊输出量；表示模糊输出量对应的隶属度函数值；u*表示模糊输出控制量；

(4)将模糊输出控制量经过清晰化处理得到精确输出控制量。

本发明相对于现有技术具有如下的优点和效果：

(1)本发明采用一维力传感器，成本低且测力精确，相比其他恒力装置采用六维力传感本发明更简单可靠。

(2)本发明采用模糊控制算法，是一种智能控制算法。无需花大量时间在系统模型上便能达到好的预期效果，且系统稳定性更好。

(3)本发明通过配重系统使研磨机大部分重量被平衡，可选用小量程高精度传感器。

(4)本发明采用的实时模块运行于德国倍福twincat软件的实时核上，结合高速工业以太网总线ethercat通讯系统，控制系统采样周期最小可达到1毫秒。

附图说明

图1是本发明恒力研磨控制系统的框图示意图；

图2(a)和图2(b)是本发明恒力研磨控制系统的机械主体的结构示意图；其中图2(a)为手动示教器示意图；图2(b)为机器人和研磨机构示意图；附图标记：1—工业机器人ur5，2—夹具，3—工件，4—联轴器，5—交流伺服电机，6—滑轮，7—细绳，8—对重块，9—交流伺服电机，10—电机架，11—研磨盘，12—s型压力传感器，13—直线导轨，14—直线运动模组，15—机器人控制柜，16—手动示教器，17—机器人底座，18—平板底座，19—t型支架；

图3是本发明恒力研磨控制系统的法的电气原理示意图；

图4是本发明恒力研磨控制系统的控制流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案以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的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不限于本发明。

实施例

如图1所示，一种恒力研磨控制系统，主要包括：工业机器人ur5、机器人控制柜、工件、研磨盘、第一交流伺服电机、第二交流伺服电机、直线运动模组、第一交流伺服驱动器、第二交流伺服驱动器、s型压力传感器、模拟量输入模块、数字量输入模块、数字量输出模块、耦合器、以及工业计算机；

工作原理：工业机器人ur5按照预先编制的程序运动，带动固连在末端执行器上的工件做研磨进给运动，研磨主运动是第二交流伺服电机驱动研磨盘的恒速旋转运动。第二交流伺服电机与研磨盘的位置组成研磨平台，研磨平台与工件的相对位移由第一交流伺服电机驱动直线运动模组决定，准确的位移量由压力传感器测得的研磨力与期望值的差值及差值变化率计算得到。从而实现研磨过程研磨平台根据研磨力的大小实时浮动(间接调节研磨深度)达到恒力研磨的目的。

在本实施例中，将恒力研磨控制系统分为三大部分描述，即机械主体、交流伺服驱动机构、以及控制模块，具体如下：

(一)机械主体

如图2(a)和图2(b)所示，所述机械主体包括机器人1、专用夹具2、工件3、联轴器4、第一交流伺服电机5、滑轮组6、细绳7、对重块8、第二交流伺服电机9、电机支架10、研磨盘11、压力传感器12、直线导轨13、直线运动模组14、机器人控制柜15、手动示教器16、机器人底座17、平板底座18、t型支架19；

所述手动示教器16用于编制机器人的运动轨迹，所述手动示教器16设置机器人控制柜15，控制机器人运动轨迹的指令通过机器人控制柜15传递给机器人1；所述机器人1的末端执行器上设置专用夹具2，夹持工件3做特定轨迹运动；

所述机器人1通过螺栓连接在机器人底座17并最终固定在平板底座18上，所述t型支架19与平板底座18由若干个螺栓连接，所述t型支架设有尺寸为420*500*660mm的竖直钢板；在所述竖直钢板的侧平面上安装直线运动模组14，在直线运动模组14的上部安装联轴器4，所述联轴器4连接第一交流伺服电机5；所述直线运动模组14的底座与t型支架19的竖直钢板由螺栓连接；

所述第二交流伺服电机9在倒置的电机支架10上，其上部与研磨盘11通过键槽相连，从而驱动研磨盘11做定速旋转，共同组成研磨平台；所述研磨平台的电机支架10的侧面并排连接压力传感器12和直线导轨13的一端，压力传感器12和直线导轨13的另一端连接直线运动模组14，以此限制研磨平台在竖直方向位移，具体的连接方式是：所述压力传感器12一端连接电机支架10，另一端连接直线运动模组14的滑块，所述直线导轨13包括导轨和导轨滑块，所述直线导轨13的导轨滑块连接电机支架10，与导轨滑块配套的导轨连接直线运动模组14的滑块；

所述第一交流伺服电机5通过驱动直线运动模组14，直线运动模组14通过直线导轨13带动研磨平台在竖直方向进行位移；

所述压力传感器12的安装固定方式能够使压力传感器更准确地检测研磨平台在竖直方向上受到的压力信号；在研磨平台未受到外力时保证压力传感器示数趋近于0，便于选择小量程高精度的压力传感器；

一对钢制高精度的滑轮组6通过螺栓螺母固定在t型支架19的上部，所述对重块8与研磨平台通过细绳7相连接，细绳绕在所述滑轮组6上，对重块8质量与研磨平台质量相当，且滑轮组6的布置位置确保细绳7两侧处于竖直状态；

在本实施例中，所述机器人1采用丹麦生产的协作机器人ur5，具体为六自由度机器人；

所述压力传感器12采用蚌埠传感器公司的微小s型拉压力传感器，量程为5kg，输出为-5～5v电压信号，灵敏度为2.0±0.1mv/v，密封等级为ip66；

所述第一交流伺服电机5和第二交流伺服点9均采用台达公司生产的交流伺服电机ecma-ca0604rs，其额定功率为400w，额定转速为3000r/min，额定转矩为1.27n·m，不带电磁制动器；

所述联轴器4采用绕线式弹性联轴器；

所述直线运动模组14采用台湾上银公司生产的kk86系列，结构紧凑型，行程为210mm的滚动导轨智能组合单元；

所述直线导轨13采用上银公司生产的mgw7c系列导轨，基本额定静载荷为210kgf，基本额定动载荷为140kgf；

所述t型支架19采用12mm厚钢板焊接，其竖直钢板的尺寸为420*500*660mm；

所述电机支架10采用6mm厚钢板焊接而成，整体尺寸为130*112*80mm；

所述研磨盘11采用厚度为6mm钢材经过切削加工且经过动平衡处理。

(二)交流伺服驱动机构

所述交流伺服驱动机构包括第一交流伺服电机驱动器和第二交流伺服电机驱动器；

所述第一交流伺服电机驱动器工作在位置控制模式，通过外部输入的脉冲的频率来确定所述第一交流伺服电机转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，同时控制第一交流伺服电机的输出脉冲，并输出第一交流伺服电机的光电编码器当前值；

所述第二交流伺服电机驱动器工作在速度控制模式，通过脉冲的频率进行转动速度的控制，控制第二交流伺服电机的脉冲输出频率，达到速度控制的目的；

在本实施例中，所述第一交流伺服电机驱动器和第二交流伺服电机驱动器采用asd-a2-041-e电机驱动器，额定输出400w；

所述第一交流伺服电机和第二交流伺服电机的光电编码器均分别通过伺服驱动器上的标准化接口cn2端子与第一交流伺服电机驱动器和第二交流伺服电机驱动连接；

(三)控制模块

所述控制模块用于对检测到的间接研磨力与期望研磨力之间的偏差信号和研磨过程中噪声信号做出相应处理，采用模糊控制算法实现恒力磨削。

所述控制模块包括控制器、耦合器、模拟量输入模块、数字量输入模块、数字量输出模块、以及单通道运算放大器；所述耦合器用于控制模拟量输入模块、数字量输入模块和数字量输出模块，最小采样周期为1毫秒；

在本实施例中，所述控制器采用安装有德国倍福的实时控制软件twincat的工业计算机，通过以太网线与耦合器通讯，所述耦合器和i/o端子模块一起安装在din卡条上；所述耦合器采用ethercat耦合器ek1100，其额定电压为24vdc，最大负载电流10a，外形尺寸为44*100*68mm，带led信号显示灯；

在本实施例中，所有i/o模块电源额定电压均为24vdc，防护等级均为ip20，均带有led信号显示灯，宽度单模为12mm，双模24mm；

所述单通道运算放大器将压力传感器输出的电荷信号转换为与之对应的±5v模拟量电压信号，由模拟量输入模块a/d转换后输入所述的工业计算机；在本实施例中，所述模拟量输入模块采用el3104，为4通道模拟量输出端子模块，输出-10v～+10v电压信号，16位分辨率，e-bus电流消耗典型值为180ma；

所述数字量输入模块用于将机器人诊断信号输入所述的工业计算机，所述机器人诊断信号为检测机器人是否故障和是否运动的信号；在本实施例中，所述数字量输入模块采用el1008，为8通道数字量输入端子模块，带3ms输入滤波，e-bus电流消耗典型值为90ma；

所述数字量输出模块用于将远程控制机器人开关机以及紧急停止操作的数字信号输出到机器人控制柜中的i/o接口；在本实施例中，所述数字量输出模块采用el2008，为8通道数字量输出端子模块，e-bus电流消耗典型值为110ma；

在本实施例中，机器人的运动状态与是否紧急停机的数字输出信号由数字量输入模块的第1、2和3、4通道采集；控制机器人开关机及运动模式转换等信号由数字量输出模块发出并传递给机器人控制柜的数字量输入模块。

在本实施例中，如图3所示，本系统的控制模块还采用常规电气元件，包括总电源、三组空气开关、开关电源、电磁继电器、信号放大器、断路器；所述总电源为整个系统提供220v，50hz交流电；其中两组空气开关对伺服驱动器和交流伺服电机起到过载及短路保护的作用；所述开关电源为耦合器和电磁继电器供电；所述信号放大器输出的模拟量电压信号由模拟量输入模块的第1通道采集；

在本实施例中，所述三组空气开关选用正太电工公司生产的dz47-60系列，额定电流为10a；所述电磁继电器组选择rm16e双向隔离型继电器控制模块，模块工作电压为24v。

在本实施例中，所述控制模块的软件包括实时模块与非实时模块，所述非实时模块采用microsoftvisualstudio2010平台开发，用于完成人机交互功能，包括设置期望研磨力、显示与存储研磨力信号与伺服电机脉冲信号、设置采样周期，启动和停止控制系统运行；

所述实时模块基于德国倍福twincat软件的实时核上，采用可编程序控制器编程语言的国际标准iec61131-3开发，用于采集输入信号、发出数字输出信号、以及编制控制算法程序，所述输入信号包括压力传感器输入信号和数字输入信号。

在本实施例中，如图4所示，一种恒力研磨控制系统的控制方法，包括下述步骤：

s1、控制器设定期望研磨力信号，并设定控制系统的采样周期；

s2、控制器通过设定研磨电机转速使研磨速度达到设定值；所述研磨电机即为第二交流伺服电机；

s3、控制器通过压力传感器、以及模拟量输入模块获得研磨平台的压力信号，由第一交流伺服电机的脉冲信号得到研磨平台的当前位置信号；在本实施例中，在压力传感器和模拟量输入模块之间安装信号放大器，保证研磨平台的压力信号被很好接收；

s4、控制器对采集的研磨平台的压力信号和当前位置信号进行卡尔曼滤波处理，并经过模糊控制器产生输出信号，经过伺服驱动器转变为电压信号控制第一交流伺服电机运动，并结合直线运动模组使研磨平台在竖直方向移动，研磨盘对工件进行研磨，压力传感器获取研磨平台在竖直方向的压力信号并传输给控制器，并重复步骤s3及当前步骤，实现恒力研磨控制；