CN104044049B - 一种具备力反馈控制的五轴联动抛光*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备力反馈控制功能的五轴联动抛光***，包括机器人本体、抛光刀具、力传感器、用于驱动机器人运动的驱动模块、用于信号输入与输出的IO模块、以及用于***控制的控制模块；该机器人本体结构为五轴龙门式，抛光刀具一端与机器人本体相连接，五轴为X、Y、Z三个平动轴和A、C两个摆动轴；力传感器安装在机器人本体与抛光刀具之间，用于检测抛光刀具在抛光作业时沿轴线的实际抛光力，得到与目标抛光力之间的误差，利用该误差信息以及抛光刀具在两个摆动角度值对机器人本体的位置进行调整，以补偿抛光力的大小，从而不但能够实现沿三维空间中任意抛光轨迹和方向进行的抛光加工，而且能够实现对抛光轨迹中任意点的抛光力控制。

Description

一种具备力反馈控制的五轴联动抛光***

技术领域

本发明涉及工件表面的抛光技术领域，尤其涉及一种具备力反馈控制功能的五轴联动抛光***。

背景技术

在卫浴、汽车零部件、建筑五金等行业，很多工件需要进行打磨和抛光，比如水龙头、淋浴头等。现有的抛光作业一般是利用抛光盘或者抛光砂带进行人工抛光，这种方法存在劳动强度大、工作环境恶劣、产品一致性难以保证的缺点，而且抛光效率低，单件工件抛光人工成本高，因此难以满足企业规模化生产要求。目前，国内一些厂家采取工业机器人或者数控***进行抛光作业，但是由于机器人控制***或者数控***的开发难度非常大，目前国内只有少数厂家能够生产；另外，在抛光作业中现有的工业机器人或者数控***只具备对运动轨迹的控制功能，并不能够对抛光力进行控制。

为了实现较为复杂曲面的高精度抛光，人们进行了研究探索。授权公告号为CN202133890U的中国专利采用在抛光机上添加一个基于PLC的力反馈控制***，与工业机器人通过网络通讯实现抛光加工力控制。但是，这种方法比较复杂，需要有多个控制器，控制器之间要求有稳定高速的实时通讯才能保证加工质量。申请号为CN201110230547.7与CN201010215314.5的中国专利申请中采用在工业机器人手腕和抛光磨头之间加装一个独立的柔性手腕，由这个独立的柔性手腕来实现抛光力控制的方法，该方法控制效果较好，但是由于结构复杂，而且价格高，应用受到限制。申请号为CN201210073920.7的中国专利申请中采用基于数控***的三轴抛光机，然而传统抛光机采用三个运动轴无法持续对工件进行多面加工，需多次对工件进行装夹与程序设置，浪费了大量工时，影响了工作效率。申请号为CN201110109354.6的中国专利申请基于五轴联动数控***实现了五轴抛光机，但是该抛光机并不具备抛光力控制功能，很难保证高精度的抛光加工。

发明内容

本发明的技术目的是提供一种五轴联动抛光***，利用该***不但能够对待抛光工件沿三维空间中任意抛光轨迹和方向进行抛光加工，而且能够实现对抛光轨迹中任意点的抛光力控制。

本发明实现上述技术目的所采用的技术方案为：

一种具备力反馈控制功能的五轴联动抛光***，如图1所示，包括机器人本体、抛光刀具、力传感器、用于驱动机器人运动的驱动模块、用于信号输入与输出的IO模块、以及用于***控制的控制模块；

如图2所示，所述的机器人本体结构为五轴龙门式，所述抛光刀具一端与机器人本体相连接，另一端可绕该连接点自由摆动（称为抛光刀具的摆动端）；所述的五轴为X、Y、Z三个平动轴和A、C两个摆动轴，其中，X、Y、Z轴中的任意两轴互相垂直，用于实现机器人本体在三维空间中任意位置的定位；A轴是抛光刀具相对于X轴与Y轴所构成的XY平面的摆动轴，C轴是抛光刀具在XY平面内相对于X轴的摆动轴，X、Y、Z、A与C轴用于实现抛光刀具的摆动端在三维空间中任意位置的定位；

所述的力传感器安装在机器人本体与抛光刀具之间，假设抛光刀具与机器人本体之间的连接点为M，抛光刀具与待抛光工件抛光面的某一接触点为P，所述的力传感器用于检测抛光刀具在P点进行抛光作业时，沿轴线PM方向的抛光力；

工作状态时，在三维空间中，设定抛光刀具在抛光面的目标抛光轨迹，以及在该目标抛光轨迹中某一点P的目标抛光力为Fp；通过控制模块控制驱动模块，以驱动机器人本体运动至三维空间中的M(x,y,z)位置，带动抛光刀具在抛光位置P点进行抛光，根据抛光刀具在P点的摆动坐标值(a,c)以及长度L得到P点在三维空间的坐标为P（x+Lcos(a)cos(c)，y+Lcos(a)sin(c)，z+Lsin(a)）；力传感器检测出在P点沿PM方向的实际抛光力为Fc，通过IO模块输入该信息至控制模块，控制模块根据在P点的目标抛光力与实际抛光力之间的误差Fe=Fp-Fc，控制驱动模块进行修正，以补偿机器人本体在三维空间上的进给量dx，dy，dz分别为（FeP_fcos(a)cos(c),FeP_fcos(a)sin(c),FeP_fsin(a)），其中P_f指代该位置修正的速率，从而实现P点的抛光力达到目标抛光力。

所述的抛光刀具与机器人本体的连接形式不限，可以通过夹具相连接等。

作为一种实现方式，所述的P_f为线性值，优选为常数。

作为一种实现方式，所述的IO模块包括数字输入模块、数字输出模块，模拟输入模块以及模拟输出模块等；

作为一种实现方式，所述的驱动模块包括驱动机器人沿X轴运动的X轴伺服电机，沿Y轴运动的Y轴伺服电机，沿Z轴运动的Z轴伺服电机，沿A轴运动的A轴伺服电机，沿C轴运动的C轴伺服电机。其中，X轴伺服电机由X轴伺服驱动器驱动，Y轴伺服电机由Y轴伺服驱动器驱动，Z轴伺服电机由Z轴伺服驱动器驱动，A轴伺服电机由A轴伺服驱动器驱动，C轴伺服电机由C轴伺服驱动器驱动。

作为一种实现方式，所述的控制模块与驱动模块、IO模块之间通过EtherCAT总线实现通讯。

作为一种实现方式，所述的控制模块包括控制器以及控制软件，控制软件运行于控制器上，实现机器人回零点、手动Jog控制、抛光轨迹控制以及抛光力控制等。

作为一种实现方式，控制软件包括抛光运动规划模块、ADS通讯模块、软PLC模块以及人机界面模块；其中，

抛光运动规划模块运行于非实时线程，实现机器人语言的译码、运动轨迹和速度规划；

ADS通讯模块负责在运动规划模块、人际界面模块、软PLC模块之间传递数据，包括将运动规划模块的轨迹数据发送到软PLC模块驱动电机运动，以及将电机的转速、位置、IO信号等传送给人际界面模块实时显示；

软PLC模块主要负责电机的运动控制，以及IO操作和力控制。软PLC为实时程序，在接收到运动规划模块发送来的轨迹数据之后，按照相应的速度驱动电机运动，以实现五轴联动控制；此外当开启了力传感器反馈控制后，力控制部分根据力传感器反馈的实际抛光力和目标抛光力之间的误差，动态调整五个电机轴的数据，实现力、位置混合控制；

人机界面模块主要负责用户的点动操作、示教、参数设置，G代码的编辑等功能；

具体控制流程包括如下过程：

（1）用户通过自动归零功能，实现五轴机器人本体18的回零点操作，接着输入待抛光工件的抛光加工程序；

（2）运动规划模块读入抛光加工程序，并检查语法正确性，然后对文本形式的加工程序进行译码，并将译码结果存入队列；接着根据译码结果插补计算五轴机器人本体18的运动轨迹、速度和加速度值；最后将插补结果存入轨迹数据队列等待通信模块；

（3）ADS通讯模块将运动规划模块的轨迹数据发送到软PLC模块，以驱动电机运动并将电机的转速、位置、IO信号等传送给人际界面模块实时显示；

（4）待软PLC模块接收到运动规划模块发送的轨迹数据后，按照相应的速度驱动电机运动，实现五轴联动控制；此外，当开启力反馈控制后，力控制部分会根据力传感器4反馈的实际抛光力数据和目标抛光力之间的误差动态调整五个电机轴的数据，以实现抛光力、位置混合控制。

作为优选，控制软件还包括运动仿真模块，用于实现机器人运动和限位信号的仿真。

该模块可以采用Unity3D引擎开发，运行时控制软件通过TCP/IP协议传输机器人各轴的位置信息，仿真模块接收到位置信息后可实时显示机器人的位置和姿态，当开启限位开关仿真功能时可反馈虚拟的限位开关信号，从而辅助***的调试和开发。

作为一种实现方式，控制软件基于BechhoffTwinCAT采用VisualC++开发，实现抛光轨迹规划和抛光力控制，并将计算结果通过TwinCATADS与软PLC通讯，并驱动电机实现运动控制。

综上所述，本发明提供了一种具备力反馈控制功能的五轴联动抛光***，与现有的抛光机器人相比，具有如下优点：

1、在提供复杂轨迹运动控制的基础上与力反馈控制结合，无需安装额外的力反馈控制装置，只需安装一个单轴的力传感器即可实现抛光力控制，为复杂曲面零部件的抛光提供了简单快速的解决方案，降低了用户使用的难度；

2、作为优选措施，可充分发挥上位PC机的软件资源丰富和计算速度快的优点，吸收CADCAM的特点，在利用造型软件生成零件图后，再利用后置转换软件转化为抛光加工G代码，通过插补运算和力反馈控制实现高精度的抛光加工；

3、作为优选措施，***具有运动仿真模块，在进行实际的抛光加工前，可以通过仿真检查碰撞和干涉。

附图说明

图1是本发明具备力反馈控制的五轴联动数控抛光***的结构组成示意图；

图2是龙门式五轴机器人的结构示意图；

图3是在抛光工作状态，龙门式五轴机器人与抛光刀具的连接点M以及抛光刀具与抛光面的接触点P在三维空间中的位置；

图4是在抛光工作状态，抛光力反馈控制示意图；

图5是本发明实施例1中控制软件的组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例，进一步阐明本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的范围。

本实施例中，具备力反馈控制的五轴联动数控抛光***结构图如图1所示，包括五轴机器人本体18（该五轴机器人本体18与抛光刀具一端相连接），力传感器4，用于驱动机器人18运动的驱动模块20，用于信号输入与输出的IO模块3，以及用于***控制的控制模块1。其中，驱动模块20包括驱动机器人沿X轴运动的X轴伺服电机13、沿Y轴运动的Y轴伺服电机14、沿Z轴运动的Z轴伺服电机15、沿A轴运动的A轴伺服电机16，以及沿C轴运动的C轴伺服电机17。各伺服电机安装于五轴机器人本体18上，X轴伺服电机13由X轴伺服驱动器8驱动，Y轴伺服电机14由Y轴伺服驱动器9驱动，Z轴伺服电机15由Z轴伺服驱动器10驱动，A轴伺服电机16由A轴伺服驱动器11驱动，C轴伺服电机17由C轴伺服驱动器12驱动。

图2是五轴机器人本体的结构示意图，该五轴机器人结构为五轴龙门式，抛光刀具一端与机器人本体18相连接，另一端可绕该连接点自由摆动（称为抛光刀具的摆动端）；所述的五轴为X、Y、Z三个平动轴和A、C两个摆动轴，其中，X、Y、Z轴中的任意两轴互相垂直，用于实现机器人本体18在三维空间中任意位置的定位；A轴是抛光刀具相对于X轴与Y轴所构成的XY平面的摆动轴，C轴是抛光刀具在XY平面内相对于X轴的摆动轴，X、Y、Z、A与C轴用于实现抛光刀具的摆动端在三维空间中任意位置和方向的定位。即，X、Y、Z、A、C五个运动轴同步运动即可实现机器人本体18带动抛光刀具沿任意曲面方位的运动。

抛光刀具与五轴机器人本体18的连接形式不限，可以通过夹具与五轴机器人本体18相连接等。传感器4设置在五轴机器人本体18与抛光刀具的连接部位，用于检测抛光刀具进行抛光作业时，沿五轴机器人本体18与抛光刀具相连接轴线方向的抛光力。如图3所示，假设抛光刀具与五轴机器人本体18之间的连接点为M，抛光刀具与待抛光工件抛光面的接触点为P，所述的力传感器4用于检测抛光刀具进行抛光作业时，沿轴线PM方向的抛光力。

如图3所示，工作状态时，在X、Y、Z三维空间中，抛光刀具一端与五轴机器人本体18相连接，另一端在待抛光工件表面进行抛光作业。设定抛光刀具在抛光面的目标抛光轨迹，以及在该目标抛光轨迹中某一点P的目标抛光力为Fp；通过控制模块1得出相应的位置指令并控制驱动模块20，以驱动五轴机器人本体18运动，带动抛光刀具在抛光面进行抛光作业。当五轴机器人本体18与抛光刀具的连接点运动至三维空间中的M位置时，M的三维空间坐标为M（x,y,z），并且抛光刀具在A、C轴的摆动坐标为（a,c）。根据抛光刀具长度L得到P点在X、Y、Z三维空间中的坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Px}=x+L\cos \left(a\right)\cos \left(c\right)\\ \mathrm{Py}=y+L\cos \left(a\right)\sin \left(c\right)\\ \mathrm{Pz}=z+L\sin \left(a\right)\end{array}\right.$

抛光过程中力传感器4检测出在P点沿PM方向的实际抛光力为Fc，通过IO模块3输入该信息至控制模块1，控制模块1根据在P点的目标抛光力与实际抛光力之间的误差Fe=Fp-Fc，控制驱动模块20对五轴机器人本体18的位置进行修正，即修正五轴机器人本体18在三维空间X、Y、Z方向上的进给量dx，dy，dz。控制模块1将该修正值叠加到原位置指令，控制驱动模块20驱动五轴机器人本体18运动至修正后的位置，使P的实际抛光力达到目标抛光力Fp，从而通过力/位混合控制，实现了高质量的表面抛光加工。该力反馈与位置调整的控制框图如图4所示。

图4中力控制器用于控制对机器人位置修正的速率。本实施例中，该力控制器采用简单的线性比例控制器，假设比例系数为Pf，则五轴机器人本体18在X、Y、Z轴的位置指令修正值为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{dx}=F_e{P}_f\cos \left(a\right)\cos \left(c\right)\\ \mathrm{dy}=F_e{P}_f\cos \left(a\right)\sin \left(c\right)\\ \mathrm{dz}=F_e{P}_f\sin \left(a\right)\end{array}\right..$

IO模块3包括数字输入模块、数字输出模块，模拟输入模块，并支持EtherCAT实时网络协议。本实施例中，IO模块用于连接继电器21、接近开关5、变频器6、力传感器4等器件，其中继电器21、变频器6连接数字输出模块，接近开关5连接数字输入模块，力传感器4连接模拟输入模块。继电器21的控制端与数字输出模块相连，执行端与电机刹车7控制端相连，实现软件控制电机的刹车。接近开关5安装于五轴机器人本体18上，用于机器人各轴的回零位操作和限位功能。变频器6与数字输出模块相连，控制电磨头19的正反转和转速控制。

控制模块1包括控制器以及控制软件。控制软件运行于控制器上，实现机器人回零点、手动Jog控制、抛光轨迹控制以及抛光力控制等。本实施例中，控制模块1通过EtherCAT总线2以菊花链的形式连接IO模块3和驱动模块20。

图5是本实施例中控制模块1控制五轴机器人本体18的详细流程。控制软件包括五个部分，分别为运动规划模块、ADS通讯模块、软PLC模块、人机界面模块、运动仿真模块。

运动规划模块运行于非实时线程，实现机器人语言的译码、运动轨迹和速度规划。

ADS通讯模块负责在运动规划模块、人际界面模块、软PLC模块之间传递数据，包括将运动规划模块的轨迹数据发送到软PLC模块驱动电机运动，以及将电机的转速、位置、IO信号等传送给人际界面模块实时显示。

软PLC模块主要负责电机的运动控制，以及IO操作和力控制。软PLC为实时程序，执行周期为2ms，在接收到运动规划模块发送过来的轨迹数据之后，按照相应的速度驱动电机运动实现五轴联动控制，此外当开启了力反馈控制后，力控制部分会根据力传感器4反馈的实际抛光力数据和目标抛光力之间的误差动态调整五个电机轴的数据，实现力、位置混合控制。

人机界面模块主要负责用户的点动操作、示教、参数设置，G代码的编辑等功能。

运动仿真模块可实现机器人运动和限位信号的仿真，该模块采用Unity3D引擎开发，运行时控制软件通过TCP/IP协议传输机器人各轴的位置信息，仿真模块接收到位置信息后可实时显示机器人的位置和姿态，当开启限位开关仿真功能时可反馈虚拟的限位开关信号，从而辅助***的调试和开发。

具体控制流程如下：

（1）用户通过自动归零功能，实现五轴机器人本体18的回零点操作，接着输入待抛光工件的抛光加工程序；

（2）运动规划模块读入抛光加工程序，并检查语法正确性，然后对文本形式的加工程序进行译码，并将译码结果存入队列；接着根据译码结果插补计算五轴机器人本体18的运动轨迹、速度和加速度值；最后将插补结果存入轨迹数据队列等待通信模块；

（3）ADS通讯模块将运动规划模块的轨迹数据发送到软PLC模块，以驱动电机运动并将电机的转速、位置、IO信号等传送给人际界面模块实时显示；

（4）待软PLC模块接收到运动规划模块发送的轨迹数据后，按照相应的速度驱动电机运动，实现五轴联动控制；此外，当开启力反馈控制后，力控制部分会根据力传感器4反馈的实际抛光力数据和目标抛光力之间的误差动态调整五个电机轴的数据，以实现抛光力、位置混合控制。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具备力反馈控制功能的五轴联动抛光***，其特征是：包括机器人本体、抛光刀具、力传感器、用于驱动机器人运动的驱动模块、用于信号输入与输出的IO模块、以及用于***控制的控制模块；

所述的机器人本体结构为五轴龙门式；抛光刀具一端与机器人本体相连接，另一端可绕连接点自由摆动；所述的五轴为X、Y、Z三个平动轴和A、C两个摆动轴，其中，X、Y、Z轴中的任意两轴互相垂直，用于实现机器人本体在三维空间中任意位置的定位；A轴是抛光刀具相对于X轴与Y轴所构成的XY平面的摆动轴，C轴是抛光刀具在XY平面内相对于X轴的摆动轴，X、Y、Z、A与C轴用于实现抛光刀具的摆动端在三维空间中任意位置和方向的定位；

所述的力传感器安装在机器人本体与刀具之间，假设抛光刀具与机器人本体之间的连接点为M，抛光刀具与待抛光工件抛光面的某一接触点为P，所述的力传感器用于检测刀具在P点进行抛光作业时，沿轴线PM方向的抛光力；

工作状态时，在三维空间中，设定抛光刀具在抛光面的目标抛光轨迹，以及在该目标抛光轨迹中某一点P的目标抛光力为Fp；通过控制模块控制驱动模块，以驱动机器人本体运动至三维空间中的M(x,y,z)位置，带动抛光刀具在抛光位置P点进行抛光，根据抛光刀具在P点的摆动坐标值(a,c)以及长度L得到P点在三维空间的坐标为P(x+Lcos(a)cos(c)，y+Lcos(a)sin(c)，z+Lsin(a))；力传感器检测出在P点沿PM方向的实际抛光力为Fc，通过IO模块输入该信息至控制模块，控制模块根据在P点的目标抛光力与实际抛光力之间的误差Fe＝Fp-Fc，控制驱动模块进行修正，以补偿机器人本体在三维空间上的进给量(dx，dy，dz)分别为(FeP_fcos(a)cos(c),FeP_fcos(a)sin(c),FeP_fsin(a))，其中P_f指代该位置修正的速率，从而实现P点的抛光力达到目标抛光力。

2.根据权利要求1所述的一种具备力反馈控制功能的五轴联动抛光***，其特征是：所述的抛光刀具与机器人本体通过夹具相连接。

3.根据权利要求1所述的一种具备力反馈控制功能的五轴联动抛光***，其特征是：所述的控制模块与驱动模块、IO模块之间通过EtherCAT总线实现通讯。

4.根据权利要求1所述的一种具备力反馈控制功能的五轴联动抛光***，其特征是：所述的驱动模块包括驱动机器人沿X轴运动的X轴伺服电机，沿Y轴运动的Y轴伺服电机，沿Z轴运动的Z轴伺服电机，沿A轴运动的A轴伺服电机，沿C轴运动的C轴伺服电机；其中，X轴伺服电机由X轴伺服驱动器驱动，Y轴伺服电机由Y轴伺服驱动器驱动，Z轴伺服电机由Z轴伺服驱动器驱动，A轴伺服电机由A轴伺服驱动器驱动，C轴伺服电机由C轴伺服驱动器驱动。

5.根据权利要求1所述的一种具备力反馈控制功能的五轴联动抛光***，其特征是：所述的控制模块包括控制器以及控制软件，控制软件运行于控制器上，实现机器人回零点、手动Jog控制、抛光轨迹控制以及抛光力控制。

6.根据权利要求5所述的一种具备力反馈控制功能的五轴联动抛光***，其特征是：所述的控制软件包括抛光运动规划模块、ADS通讯模块、软PLC模块、人机界面模块；具体控制流程如下：

(1)用户输入待抛光工件的抛光加工程序；

(2)抛光运动规划模块读入抛光加工程序，并检查语法正确性，然后对文本形式的加工程序进行译码，并将译码结果存入队列；接着根据译码结果插补计算机器人本体的运动轨迹、速度和加速度值；最后将插补结果存入轨迹数据队列等待通信模块；

(3)ADS通讯模块将抛光运动规划模块的轨迹数据发送到软PLC模块，驱动电机运动并将电机的转速、位置、IO信号传送给人机界面模块实时显示；

(4)待软PLC模块接收到运动规划模块发送的轨迹数据后，按照相应的速度驱动电机运动，实现五轴联动控制；此外，当开启力反馈控制后，力控制部分会根据力传感器反馈的实际抛光力数据和目标抛光力之间的误差动态调整五个电机轴的数据，以实现抛光力、位置混合控制。

7.根据权利要求6所述的一种具备力反馈控制功能的五轴联动抛光***，其特征是：所述的控制软件还包括运动仿真模块，用于实现机器人运动和限位信号的仿真。

8.根据权利要求1所述的一种具备力反馈控制功能的五轴联动抛光***，其特征是：所述的P_f为线性值。