CN103009218B - 机器人打磨装置及其打磨方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人打磨装置，包括机器人、传感器固定座、力传感器、固定底座、电动打磨机和位移传感器，所述电动打磨机和位移传感器安装在固定底座上，固定底座固定在力传感器的面板上，力传感器固定在传感器固定座上，传感器固定座固定在机器人末端。本发明还公开了一种机器人打磨装置的打磨方法。本发明结构简单、易于控制、通用性强，提高生产效率，降低成本，提高加工质量，可用于复杂曲面的打磨。

Description

机器人打磨装置及其打磨方法

技术领域

本发明涉及机器人材料加工领域，具体涉及一种机器人打磨装置及其打磨方法。

背景技术

目前，打磨行业自动化水平较低，相当一部分打磨由熟练的工人手工完成。手工打磨劳动强度大、费时、效率低，且打磨产生的粉尘损害人的身体健康。机床打磨效率高，但机床打磨加工通用性不强，可拓展很差，并且专业的机床价格昂贵。机器人打磨自动化程度高，可控性强，易于拓展，通用性强，且机器人的价格相对便宜。有少数几家机器人公司研发了打磨机器人***，但它们专业性较强，只针对几种特定的工业品，且***非常复杂。

发明内容

本发明为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种机器人打磨装置，结构简单、易于控制、通用性强。

本发明的另一目的在于提供一种机器人打磨装置的打磨方法，提高生产效率，降低成本，提高加工质量，可用于复杂曲面的打磨。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：本机器人打磨装置，包括机器人、传感器固定座、力传感器、固定底座、电动打磨机和位移传感器，所述电动打磨机和位移传感器安装在固定底座上，固定底座固定在力传感器的面板上，力传感器固定在传感器固定座上，传感器固定座固定在机器人末端。传感器固定座一端固定于机器人末端上，另一端托住并固定力传感器，保护了力传感器并增强了连接的稳定性。

所述固定底座连接连接片，电动打磨机通过2个夹持片安装在连接片上，位移传感器通过2个夹持片安装在转角上，转角安装在连接片上。

所述连接片为平面直角形。

所述转角为空间两个直角弯折。

所述电动打磨机的打磨头通过卡头夹紧在电动打磨机的机体上。拧紧或松开卡头，可以更换不同种类和型号的打磨头。

所述电动打磨机和位移传感器的轴线方向均为沿机器人末端的Z轴方向，且位移传感器顶部的探针比电动打磨机的打磨头所述Z轴方向上超出1-5mm。

所述力传感器为六维力传感器。

机器人打磨装置的打磨方法包括以下步骤：

①根据理论轮廓模型规划加工轨迹并确定加工的起刀点；

②令机器人末端以小于5cm/s的速度接近工件；

③当位移传感器的探针产生压缩变形，令机器人末端匀减速至速度为零，停止Z轴方向的前进，这样可避免电动打磨机碰撞工件；

④开始沿加工轨迹加工，位移传感器在前，打磨头在后，加工轨迹的加工控制包括C和E-C，C为力控制选择矩阵，E为单位矩阵，E-C为位置控制选择矩阵；由于只需控制机器人末端的Z轴方向的接触力，则C＝diag[0，0，1，0，0，0]，diag表示矩阵的对角线元素，其他非对角线元素全为0；

六维力传感器的测量值包含力值、力矩值，其中，力值^SF_M包括工件的反作用力^SF_H、设备重力^SF_G、设备惯性力^SF_I，即：

^SF_M＝^SF_H+^SF_G+^SF_I

S为六维力传感器坐标系，M代表测量值，H为工件，G为设备，I为惯性，所述设备包括：固定底座、连接片、夹持片、转角、电动打磨机、位移传感器；

机器人沿加工轨迹打磨时，速度为恒速，加速度为0，设备惯性力^SF_I为0；

对设备重力^SF_G进行力补偿，消除^SF_G对^SF_M的影响；设备重力^SF_G在基坐标系中可表示为^BF_G＝[0 0 -G]′，B为基坐标系，“′”代表矩阵转置；

设S相对于B的旋转变换为机器人坐标系T相对于S的旋转变换为T相对于B的旋转变换为R表示坐标系的旋转变换；

打磨加工过程中，打磨头的加工力即工件的反作用力^SF_H为恒定值，即在消除^SF_G的影响后，^SF_M为恒值；由于通过实验测得设备重力^SF_G以及^SF_G在S的重心(l_x，l_y，l_z)，l_x、l_y、l_z分别为S中x、y、z方向的坐标值，可求得^SF_G在S形成的力矩为：

$\left[\begin{array}{c}{m}_x\\ m_y\\ m_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0& -l_z& l_y\\ l_z& 0& -l_x\\ -l_y& l_x& 0\end{array}\right]{F_G^S}^{\′}$

式中m_x、m_y、m_z分别为力矩在S中x、y、z方向的分量；

则工件包含力、力矩的反六维作用力^SF_H6：

^SF_H6＝^SF_M6-[^SF_G′ m_x m_y m_z]′

式中，下标6表示包含力、力矩的六维力，^SF_M6为六维力传感器测得的六维力；

[^SF_G′ m_x m_y m_z]′为已知值，根据位移传感器先行实际测得的位移值和理论轮廓模型，沿加工轨迹切线方向采用位置控制，调整机器人末端的位置姿态，使位移传感器、打磨头对准加工轨迹，使打磨头始终垂直于加工轨迹，调整机器人末端的伸缩使^SF_M6保持恒定，那么^SF_H6保持恒定，实现恒力打磨。

本发明相对于现有技术具有如下的优点：

本机器人打磨装置可以更换不同类型、大小的打磨头，以完成不同要求的打磨任务(磨削、抛光)；力传感器可以实时地检测打磨头的受力信息，从而使打磨头始终保持合适的打磨力，位移传感器可以实时检测打磨头与工件的位移，从而调整工具接近工件的速度，避免剧烈碰撞，打磨时也可以根据位移传感器调整打磨头的位置姿态，结合两个传感器，可以实现打磨头以最适合的力(恒力)、最适合的姿态打磨。这种装置结构简单、易于控制，打磨效率高。

附图说明

图1为本发明的机器人打磨装置加工零件示意图。

图2是本发明的机器人打磨装置的立体图。

图3为传感器固定座示意图。

图4为固定底座示意图。

图5为连接片示意图。

图6为夹持片示意图。

图7为转角示意图。

图8为电动打磨机示意图。

图9为位移传感器示意图。

图10为打磨方法方框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1～图9所示的机器人打磨装置，包括机器人1、传感器固定座2、力传感器3、固定底座4、电动打磨机5和位移传感器6，电动打磨机5和位移传感器6安装在固定底座4上，固定底座4固定在力传感器3的面板上，力传感器3固定在传感器固定座2上，传感器固定座2固定在机器人1末端。传感器固定座2一端固定于机器人1末端上，另一端托住并固定力传感器3，保护了力传感器3并增强了连接的稳定性。

固定底座4连接连接片7，电动打磨机5通过2个夹持片8安装在连接片7上，位移传感器6通过2个夹持片8安装在转角9上，转角9安装在连接片7上。如图5所示，连接片7为平面直角形。如图7所示，转角9为空间两个直角弯折。电动打磨机5的打磨头10通过卡头11夹紧在电动打磨机5的机体上。拧紧或松开卡头，可以更换不同种类和型号的打磨头。电动打磨机5和位移传感器6的轴线方向均为沿机器人1末端的Z轴方向，且位移传感器6顶部的探针比电动打磨机5的打磨头10所述Z轴方向上超出4mm。

如图1所示，将传感器固定座2安装于机器人1末端上，再将力传感器3安装在传感器固定座2上，固定底座4安装在力传感器3的受力面板上，然后将连接片7连接在固定底座4上，把一组夹持片8安装在连接片7上，装上电动打磨机5，松开卡头11，装上需要的打磨头10，拧紧，再把转角9安装在连接片7上，装上另一组夹持片8，装上位移传感器6，调整位移传感器6的位置，使位移传感器6顶部的探针比打磨头10在机器人1末端的Z轴方向上超出4mm，就完成了打磨装置的安装。力传感器为六维力传感器。

如图10所示，机器人打磨装置的打磨方法包括以下步骤：

①根据理论轮廓模型规划加工轨迹并确定加工的起刀点；

②令机器人末端以小于5cm/s的速度接近工件；

③当位移传感器的探针产生压缩变形，令机器人末端匀减速至速度为零，停止Z轴方向的前进，这样可避免电动打磨机碰撞工件；

④开始沿加工轨迹加工，位移传感器在前，打磨头在后，加工轨迹的加工控制包括C和E-C，C为力控制选择矩阵，E为单位矩阵，E-C为位置控制选择矩阵；由于只需控制机器人末端的Z轴方向的接触力，则C＝diag[0，0，1，0，0，0]，diag表示矩阵的对角线元素，其他非对角线元素全为0；

六维力传感器的测量值包含力值、力矩值，其中，力值^SF_M包括工件的反作用力^SF_H、设备重力^SF_G、设备惯性力^SF_I，即：

^SF_M＝^SF_H+^SF_G+^SF_I

S为六维力传感器坐标系，M代表测量值，H为工件，G为设备，I为惯性，所述设备包括：固定底座、连接片、夹持片、转角、电动打磨机、位移传感器；

机器人沿加工轨迹打磨时，速度为恒速，加速度为0，设备惯性力^SF_I为0；

对设备重力^SF_G进行力补偿，消除^SF_G对^SF_M的影响；设备重力^SF_G在基坐标系中可表示为^BF_G＝[0 0 -G]′，B为基坐标系，“′”代表矩阵转置；

设S相对于B的旋转变换为机器人坐标系T相对于S的旋转变换为T相对于B的旋转变换为R表示坐标系的旋转变换；

打磨加工过程中，打磨头的加工力即工件的反作用力^SF_H为恒定值，即在消除^SF_G的影响后，^SF_M为恒值；由于通过实验测得设备重力^SF_G以及^SF_G在S的重心(l_x，l_y，l_z)，l_x、l_y、l_z分别为S中x、y、z方向的坐标值，可求得^SF_G在S形成的力矩为：

$\left[\begin{array}{c}{m}_x\\ m_y\\ m_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0& -l_z& l_y\\ l_z& 0& -l_x\\ -l_y& l_x& 0\end{array}\right]{F_G^S}^{\′}$

式中m_x、m_y、m_z分别为力矩在S中x、y、z方向的分量；

则工件包含力、力矩的反六维作用力^SF_H6：

^SF_H6＝^SF_M6-[^SF_G′ m_x m_y m_z]′

式中，下标6表示包含力、力矩的六维力，^SF_M6为六维力传感器测得的六维力；

[^SF_G′ m_x m_y m_z]′为已知值，根据位移传感器先行实际测得的位移值和理论轮廓模型，沿加工轨迹切线方向采用位置控制，调整机器人末端的位置姿态，使位移传感器、打磨头对准加工轨迹，使打磨头始终垂直于加工轨迹，调整机器人末端的伸缩使^SF_M6保持恒定，那么^SF_H6保持恒定，实现恒力打磨，提高加工质量，能够完成复杂曲面的打磨。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.机器人打磨装置，其特征在于：包括机器人、传感器固定座、力传感器、固定底座、电动打磨机和位移传感器，所述电动打磨机和位移传感器安装在固定底座上，固定底座固定在力传感器的面板上，力传感器固定在传感器固定座上，传感器固定座固定在机器人末端。

2.根据权利要求1所述的机器人打磨装置，其特征在于：所述固定底座连接连接片，电动打磨机通过2个夹持片安装在连接片上，位移传感器通过2个夹持片安装在转角上，转角安装在连接片上。

3.根据权利要求2所述的机器人打磨装置，其特征在于：所述连接片为平面直角形。

4.根据权利要求2所述的机器人打磨装置，其特征在于：所述转角为空间两个直角弯折。

5.根据权利要求1所述的机器人打磨装置，其特征在于：所述电动打磨机的打磨头通过卡头夹紧在电动打磨机的机体上。

6.根据权利要求5所述的机器人打磨装置，其特征在于：所述电动打磨机和位移传感器的轴线方向均为沿机器人末端的Z轴方向，且位移传感器顶部的探针比电动打磨机的打磨头所述Z轴方向上超出1-5mm。

7.根据权利要求6所述的机器人打磨装置，其特征在于：所述力传感器为六维力传感器。

8.根据权利要求7所述的机器人打磨装置的打磨方法，其特征在于：包括以下步骤：

①根据理论轮廓模型规划加工轨迹并确定加工的起刀点；

②令机器人末端以小于5cm/s的速度接近工件；

③当位移传感器的探针产生压缩变形，令机器人末端匀减速至速度为零，停止Z轴方向的前进；

④开始沿加工轨迹加工，位移传感器在前，打磨头在后，加工轨迹的加工控制包括C和E-C，C为力控制选择矩阵，E为单位矩阵，E-C为位置控制选择矩阵；由于只需控制机器人末端的Z轴方向的接触力，则C＝diag[0，0，1，0，0，0]，diag表示矩阵的对角线元素，其他非对角线元素全为0；

六维力传感器的测量值包含力值、力矩值，其中，力值^SF_M包括工件的反作用力^SF_H、设备重力^SF_G、设备惯性力^SF_I，即：

^SF_M＝^SF_H+^SF_G+^SF_I

S为六维力传感器坐标系，M代表测量值，H为工件，G为设备，I为惯性，所述设备包括：固定底座、连接片、夹持片、转角、电动打磨机、位移传感器；

机器人沿加工轨迹打磨时，速度为恒速，加速度为0，设备惯性力^SF_I为0；

对设备重力^SF_G进行力补偿，消除^SF_G对^SF_M的影响；设备重力^SF_G在基坐标系中可表示为^BF_G＝[0 0 -G]′，B为基坐标系，“′”代表矩阵转置；

设S相对于B的旋转变换为机器人坐标系T相对于S的旋转变换为T相对于B的旋转变换为R表示坐标系的旋转变换；

打磨加工过程中，打磨头的加工力即工件的反作用力^SF_H为恒定值，即在消除^SF_G的影响后，^SF_M为恒值；由于 通过实验测得设备重力^SF_G以及^SF_G在S的重心(l_x，l_y，l_z)，l_x、l_y、l_z分别为S中x、y、z方向的坐标值，可求得^SF_G在S形成的力矩为：

$\left[\begin{array}{c}{m}_x\\ m_y\\ m_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0& -l_z& l_y\\ l_z& 0& -l_x\\ -l_y& l_x& 0\end{array}\right]F_G^S\′$

式中m_x、m_y、m_z分别为力矩在S中x、y、z方向的分量；

则工件包含力、力矩的反六维作用力^SF_H6：

^SF_H6＝^SF_M6-[^SF_G′ m_x m_y m_z]′

式中，下标6表示包含力、力矩的六维力，^SF_M6为六维力传感器测得的六维力；

[^SF_G′ m_x m_y m_z]′为已知值，根据位移传感器先行实际测得的位移值和理论轮廓模型，沿加工轨迹切线方向采用位置控制，调整机器人末端的位置姿态，使位移传感器、打磨头对准加工轨迹，使打磨头始终垂直于加工轨迹，调整机器人末端的伸缩使^SF_M6保持恒定，那么^SF_H6保持恒定，实现恒力打磨。