CN113358255A - 一种基于EtherCAT的机器人打磨力的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人加工的技术领域，特别是涉及一种基于EtherCAT的机器人打磨力的检测方法，其通过利用磁栅式位移传感器代替传统的力传感器，避免了使用力传感器所带来的摩擦力与离心力的影响，有效地提高了打磨力的检测精度；并且本专利所述检测装置相比传统力传感器，内部结构更为精简，具有制作简单，安装调整方便，对使用环境的条件要求较低的特性，而且本专利所述检测装置对周围电磁场的抗干扰能力较强，在油污、粉尘较多的场合下使用有较好的稳定性；包括电机、打磨轮、半封闭外壳、第一滑柱、第一螺旋弹簧、第一滑柱固定块、磁栅式传感器、磁头、第二滑柱固定块、第二螺旋弹簧和第二滑柱。

Description

一种基于EtherCAT的机器人打磨力的检测方法

技术领域

本发明涉及机器人加工的技术领域，特别是涉及一种基于EtherCAT的机器人打磨力的检测方法。

背景技术

随着工业化的发展，越来越多的工厂采用机器人进行产品加工。打磨机器人就是被用来代替人力来打磨各种工件产品的粗糙表面，使工件获得要求的表面质量。打磨机器人通常是将打磨轮安装在机器人的机械手臂控制端部，由机器人控制打磨轮旋转并触碰固定的工件实现产品的打磨作业。

其中影响工件打磨表面质量的一个很重要的因素是打磨压力的控制，只有打磨压力大小合适、稳定及可控制才能保证打磨加工出的产品满足要求。现有技术中往往在机器人与打磨轮之间安装力传感器，用来测量打磨轮的打磨压力，并反馈给机器人控制***做出相应的反应。

现有技术中力传感器仅仅是简单固定在机器人与打磨轮之间，而在打磨的时候打磨轮与工件之间的摩擦力会产生一个较大的力矩，另外打磨轮旋转时会产生一定的离心力，故而导致力传感器会承受除打磨压力外的其它力的作用，导致测量产生一定的误差。同时，力传感器价格昂贵，不适合普及。

另一种检测打磨力的方法是在机器人末端执行器部分安装气缸及测力传感器。通过气缸内气体产生的气压控制打磨力，并用传感器检测打磨力。此方法结构简单，检测及控制精度低，不适用于精度要求高的工业环境。。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种通过利用磁栅式位移传感器代替传统的力传感器，避免了使用力传感器所带来的摩擦力与离心力的影响，有效地提高了打磨力的检测精度；并且本专利所述检测装置相比传统力传感器，内部结构更为精简，具有制作简单，安装调整方便，对使用环境的条件要求较低的特性，而且本专利所述检测装置对周围电磁场的抗干扰能力较强，在油污、粉尘较多的场合下使用有较好的稳定性的一种基于EtherCAT的机器人打磨力的检测方法。

本发明的一种基于EtherCAT的机器人打磨力的检测方法，包括电机、打磨轮、半封闭外壳、第一滑柱、第一螺旋弹簧、第一滑柱固定块、磁栅式传感器、磁头、第二滑柱固定块、第二螺旋弹簧和第二滑柱，所述半封闭外壳装设于打磨机器人末端执行器，所述电机装设于半封闭外壳内，所述打磨轮装设于电机的底端，所述第一滑柱和第二滑柱均装设与电机的侧端，所述第一螺旋弹簧和第二螺旋弹簧分别第一滑柱和第二滑柱上，所述第一滑柱固定块和第二滑柱固定块装设于半封闭外壳内，所述磁栅式传感器装设于第一滑柱固定块的侧端，磁头装设于电机的顶端，并且磁栅式传感器为在非导磁的合金材料上镀有一层磁性薄膜，薄膜上以一定间隔（如0.5mm）设置有按SN-NS-SN方向排列的磁感应元件，所述磁头设置有永磁体与检测控制电路，磁栅式传感器对磁头的位移进行检测；

所述检测方法包括以下步骤：

S1，打磨机器人进行打磨作业时，机械臂末端带动半封闭外壳与待打磨工件表面产生法向方向的微小位移，使得打磨轮与待打磨工件表面充分接触并产生力的作用；

S2，由于所述第一滑柱固定块和第二滑柱固定块装设于半封闭外壳内，半封闭外壳随机械臂产生位移时，第一滑柱固定块和第二滑柱固定块随半封闭外壳产生沿滑柱延伸方向的相同位移；

S3，由于所述第一螺旋弹簧和第二螺旋弹簧装设于所述第一滑柱和第二滑柱上，机械臂末端与待打磨工件未发生相对位移时，所述第一螺旋弹簧和第二螺旋弹簧处于自然伸展状态，机械臂末端与待打磨工件表面产生法向方向的位移时，所述第一螺旋弹簧和第二螺旋弹簧发生弹性形变，弹性形变状态正比于打磨轮与待打磨工件表面产生的打磨力大小；

S4，由于所述磁栅式传感器装设于所述第一滑柱固定块，磁栅式传感器随第一滑柱固定块运动，所述磁头装设于电机，打磨作业时，静磁栅尺与磁头产生相对位移；

S5，由于磁头部分装设有检测电路，磁栅式传感器运动时，磁头部分产生感应电动势；

S6，所述产生的感应电动势，一路经90°移相后经功率放大送至磁头A的励磁绕组，另一路经功率放大送至磁头B的励磁绕组，于是，这两个输出电压分别为：

将两磁头的输出信号送入求和电路中相加，有：

合成输出电压U的幅值恒定，而相位随磁头与静磁栅尺的相对位置x变化，经带通滤波、限幅和放大整形，得到与位置量有关的信号，送入检相内插电路进行内插细分，得到分辨率为预先设定单位的计数信号；

S7，所述检测电路负责将磁栅式传感器与磁头相对运动产生的感应电动势整合成幅值恒定、相位随相对位移变化的输出电压，所述检测电路中的细分与计数电路模块负责将输出电压转换为预设单位的计数信号，并对计数信号计数，获得的计数值与静磁栅尺与磁头相对位移大小成正比；

S8，所述机器人打磨力的检测装置获取的数据通过EtherCAT进行信号传输，将获取的计数值封装成数据包实时同步地传入EtherCAT主站；

S9，所述EtherCAT技术突破了其他以太网解决方案的***限制：EtherCAT使用标准以太网传输介质连接主从站构成***，以介质访问控制机制解决信道竞争与分配，采用数据收发同时进行的全双工模式，通过该项技术，无需接收以太网数据包，将其解码，之后再将过程数据复制到各个设备；

S10，所述EtherCAT主站设备利用标准以太网接口硬件发送0x88A4类型数据帧，报文依次经过网络中的每一个从站设备时由硬件直接读取***数据帧中属于自己的子报文；

S11，所述EtherCAT从站采用“ON-THE-FLY”技术，利用硬件动态的完成报文的读写操作以提高数据传输速率，数据在从站中的停留时间缩短至200ns，最后一个从站n处理报文后将数据帧沿原路回传，由从站1上传回主站控制单元；

S12，所述EtherCAT主站负责将接收到的数据包解码，获取打磨现场的同步计数值，通过可逆计数程序将数据还原为所述磁栅式传感器与磁头的相对位移量；

S13,EtherCAT主站将所述相对位移量通过胡克定律转换成具体的弹力大小;

S14，所述弹力正比于所述打磨轮与待打磨工件表面产生的打磨力，主站部分通过转换程序将所述弹力转换成所述打磨力；

S15，所述转换程序基于力的平衡原理，打磨头的向下的打磨力以及检测装置向下的重力，与所述第一螺旋弹簧和第二螺旋弹簧向上的弹力形成平衡，通过检测得到的弹力可获取所需的打磨力。

本发明的一种基于EtherCAT的机器人打磨力的检测方法，所述电机为9000转高速伺服电机。

本发明的一种基于EtherCAT的机器人打磨力的检测方法，所述检测控制电路由以下几个模块组成：励磁电路、滤波电路、放大电路、整形电路、倍频电路、细分电路及计数电路。

本发明的一种基于EtherCAT的机器人打磨力的检测方法，所述EtherCAT从站设备由主站自动分配地址编码，支持非常灵活的设备排布连接。

本发明的一种基于EtherCAT的机器人打磨力的检测方法，所述弹力为所述第一螺旋弹簧和第二螺旋弹簧由于弹性形变产生的弹力。

本发明的一种基于EtherCAT的机器人打磨力的检测方法，所述半封闭外壳是由刚性材料打造成的圆柱形结构体，内部封装有若干检测用模块。

与现有技术相比本发明的有益效果为：通过利用磁栅式位移传感器代替传统的力传感器，避免了使用力传感器所带来的摩擦力与离心力的影响，有效地提高了打磨力的检测精度；并且本专利所述检测装置相比传统力传感器，内部结构更为精简，具有制作简单，安装调整方便，对使用环境的条件要求较低的特性，而且本专利所述检测装置对周围电磁场的抗干扰能力较强，在油污、粉尘较多的场合下使用有较好的稳定性。

附图说明

图1是本发明机器人打磨力的检测装置的结构示意图；

图2是本发明磁栅式传感器结构示意图；

图3是本发明检测方法结构示意图；

图4是本发明检测控制电路结构示意图；

图5是本发明EtherCAT主从站结构示意图；

附图中标记：1、电机；2、打磨轮；3、半封闭外壳；4、第一滑柱；5、第一螺旋弹簧；6、第一滑柱固定块；7、磁栅式传感器；8、磁头；10、第二滑柱固定块；11、第二螺旋弹簧；12、第二滑柱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1至图5所示，本发明的一种基于EtherCAT的机器人打磨力的检测方法，包括电机1、打磨轮2、半封闭外壳3、第一滑柱4、第一螺旋弹簧5、第一滑柱固定块6、磁栅式传感器7、磁头8、第二滑柱固定块10、第二螺旋弹簧11和第二滑柱12，所述半封闭外壳3装设于打磨机器人末端执行器，所述电机1装设于半封闭外壳3内，所述打磨轮2装设于电机1的底端，所述第一滑柱4和第二滑柱12均装设与电机1的侧端，所述第一螺旋弹簧5和第二螺旋弹簧11分别第一滑柱4和第二滑柱12上，所述第一滑柱固定块6和第二滑柱固定块10装设于半封闭外壳3内，所述磁栅式传感器7装设于第一滑柱固定块6的侧端，磁头8装设于电机1的顶端，并且磁栅式传感器7为在非导磁的合金材料上镀有一层磁性薄膜，薄膜上以一定间隔如（0.5mm）设置有按SN-NS-SN方向排列的磁感应元件22，所述磁头8设置有永磁体21与检测控制电路23，磁栅式传感器7对磁头8的位移进行检测；

所述检测方法包括以下步骤：

S1，打磨机器人进行打磨作业时，机械臂末端带动半封闭外壳3与待打磨工件表面产生法向方向的微小位移，使得打磨轮2与待打磨工件表面充分接触并产生力的作用；

S2，由于所述第一滑柱固定块6和第二滑柱固定块10装设于半封闭外壳3内，半封闭外壳3随机械臂产生位移时，第一滑柱固定块6和第二滑柱固定块10随半封闭外壳3产生沿滑柱延伸方向的相同位移；

S3，由于所述第一螺旋弹簧5和第二螺旋弹簧11装设于所述第一滑柱4和第二滑柱12上，机械臂末端与待打磨工件未发生相对位移时，所述第一螺旋弹簧5和第二螺旋弹簧11处于自然伸展状态，机械臂末端与待打磨工件表面产生法向方向的位移时，所述第一螺旋弹簧5和第二螺旋弹簧11发生弹性形变，弹性形变状态正比于打磨轮2与待打磨工件表面产生的打磨力大小；

S4，由于所述磁栅式传感器7装设于所述第一滑柱固定块6，磁栅式传感器7随第一滑柱固定块6运动，所述磁头8装设于电机1，打磨作业时，静磁栅尺与磁头产生相对位移；

S5，由于磁头8部分装设有检测电路23，磁栅式传感器7运动时，磁头部分产生感应电动势；

S6，所述产生的感应电动势，一路经90°移相后经功率放大送至磁头A的励磁绕组，另一路经功率放大送至磁头B的励磁绕组，于是，这两个输出电压分别为：

将两磁头的输出信号送入求和电路中相加，有：

合成输出电压U的幅值恒定，而相位随磁头与静磁栅尺的相对位置x变化，经带通滤波、限幅和放大整形，得到与位置量有关的信号，送入检相内插电路进行内插细分，得到分辨率为预先设定单位的计数信号；

S7，所述检测电路23负责将磁栅式传感器7与磁头8相对运动产生的感应电动势整合成幅值恒定、相位随相对位移变化的输出电压，所述检测电路23中的细分与计数电路模块负责将输出电压转换为预设单位的计数信号，并对计数信号计数，获得的计数值与静磁栅尺与磁头相对位移大小成正比；

S8，所述机器人打磨力的检测装置获取的数据通过EtherCATEthernet forControl Automation Technology进行信号传输，将获取的计数值封装成数据包实时同步地传入EtherCAT主站；

S9，所述EtherCAT技术突破了其他以太网解决方案的***限制：EtherCAT使用标准以太网传输介质连接主从站构成***，以介质访问控制机制解决信道竞争与分配，采用数据收发同时进行的全双工模式，通过该项技术，无需接收以太网数据包，将其解码，之后再将过程数据复制到各个设备；

S10，所述EtherCAT主站设备利用标准以太网接口硬件发送0x88A4类型数据帧，报文依次经过网络中的每一个从站设备时由硬件直接读取***数据帧中属于自己的子报文；

S11，所述EtherCAT从站采用“ON-THE-FLY”技术，利用硬件动态的完成报文的读写操作以提高数据传输速率，数据在从站中的停留时间缩短至200ns，最后一个从站n处理报文后将数据帧沿原路回传，由从站1上传回主站控制单元；

S12，所述EtherCAT主站负责将接收到的数据包解码，获取打磨现场的同步计数值，通过可逆计数程序将数据还原为所述磁栅式传感器7与磁头8的相对位移量；

S13,EtherCAT主站将所述相对位移量通过胡克定律转换成具体的弹力大小;

S14，所述弹力正比于所述打磨轮2与待打磨工件表面产生的打磨力，主站部分通过转换程序将所述弹力转换成所述打磨力；

S15，所述转换程序基于力的平衡原理，打磨头的向下的打磨力以及检测装置向下的重力，与所述第一螺旋弹簧5和第二螺旋弹簧11向上的弹力形成平衡，通过检测得到的弹力可获取所需的打磨力；

通过利用磁栅式位移传感器代替传统的力传感器，避免了使用力传感器所带来的摩擦力与离心力的影响，有效地提高了打磨力的检测精度；并且本专利所述检测装置相比传统力传感器，内部结构更为精简，具有制作简单，安装调整方便，对使用环境的条件要求较低的特性，而且本专利所述检测装置对周围电磁场的抗干扰能力较强，在油污、粉尘较多的场合下使用有较好的稳定性。

本发明的一种基于EtherCAT的机器人打磨力的检测方法，所述电机1为9000转高速伺服电机。

本发明的一种基于EtherCAT的机器人打磨力的检测方法，所述检测控制电路23由以下几个模块组成：励磁电路、滤波电路、放大电路、整形电路、倍频电路、细分电路及计数电路。

本发明的一种基于EtherCAT的机器人打磨力的检测方法，所述EtherCAT从站设备由主站自动分配地址编码，支持非常灵活的设备排布连接。

本发明的一种基于EtherCAT的机器人打磨力的检测方法，所述弹力为所述第一螺旋弹簧5和第二螺旋弹簧11由于弹性形变产生的弹力。

本发明的一种基于EtherCAT的机器人打磨力的检测方法，所述半封闭外壳3是由刚性材料打造成的圆柱形结构体，内部封装有若干检测用模块。

本发明的一种基于EtherCAT的机器人打磨力的检测方法，其安装方式、连接方式或设置方式均为常见机械方式，只要能够达成其有益效果的均可进行实施，本行业内技术人员只需按照其附带的使用说明书进行安装和操作即可。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于EtherCAT的机器人打磨力的检测方法，其特征在于，包括电机（1）、打磨轮（2）、半封闭外壳（3）、第一滑柱（4）、第一螺旋弹簧（5）、第一滑柱固定块（6）、磁栅式传感器（7）、磁头（8）、第二滑柱固定块（10）、第二螺旋弹簧（11）和第二滑柱（12），所述半封闭外壳（3）装设于打磨机器人末端执行器，所述电机（1）装设于半封闭外壳（3）内，所述打磨轮（2）装设于电机（1）的底端，所述第一滑柱（4）和第二滑柱（12）均装设与电机（1）的侧端，所述第一螺旋弹簧（5）和第二螺旋弹簧（11）分别第一滑柱（4）和第二滑柱（12）上，所述第一滑柱固定块（6）和第二滑柱固定块（10）装设于半封闭外壳（3）内，所述磁栅式传感器（7）装设于第一滑柱固定块（6）的侧端，磁头（8）装设于电机（1）的顶端，并且磁栅式传感器（7）为在非导磁的合金材料上镀有一层磁性薄膜，薄膜上以一定间隔（如0.5mm）设置有按SN-NS-SN方向排列的磁感应元件（22），所述磁头（8）设置有永磁体（21）与检测控制电路（23），磁栅式传感器（7）对磁头（8）的位移进行检测；

所述检测方法包括以下步骤：

S1，打磨机器人进行打磨作业时，机械臂末端带动半封闭外壳（3）与待打磨工件表面产生法向方向的微小位移，使得打磨轮（2）与待打磨工件表面充分接触并产生力的作用；

S2，由于所述第一滑柱固定块（6）和第二滑柱固定块（10）装设于半封闭外壳（3）内，半封闭外壳（3）随机械臂产生位移时，第一滑柱固定块（6）和第二滑柱固定块（10）随半封闭外壳（3）产生沿滑柱延伸方向的相同位移；

S3，由于所述第一螺旋弹簧（5）和第二螺旋弹簧（11）装设于所述第一滑柱（4）和第二滑柱（12）上，机械臂末端与待打磨工件未发生相对位移时，所述第一螺旋弹簧（5）和第二螺旋弹簧（11）处于自然伸展状态，机械臂末端与待打磨工件表面产生法向方向的位移时，所述第一螺旋弹簧（5）和第二螺旋弹簧（11）发生弹性形变，弹性形变状态正比于打磨轮（2）与待打磨工件表面产生的打磨力大小；

S4，由于所述磁栅式传感器（7）装设于所述第一滑柱固定块（6），磁栅式传感器（7）随第一滑柱固定块（6）运动，所述磁头（8）装设于电机（1），打磨作业时，静磁栅尺与磁头产生相对位移；

S5，由于磁头（8）部分装设有检测电路（23），磁栅式传感器（7）运动时，磁头部分产生感应电动势；

S6，所述产生的感应电动势，一路经90°移相后经功率放大送至磁头A的励磁绕组，另一路经功率放大送至磁头B的励磁绕组，于是，这两个输出电压分别为：

将两磁头的输出信号送入求和电路中相加，有：

合成输出电压U的幅值恒定，而相位随磁头与静磁栅尺的相对位置x变化，经带通滤波、限幅和放大整形，得到与位置量有关的信号，送入检相内插电路进行内插细分，得到分辨率为预先设定单位的计数信号；

S7，所述检测电路（23）负责将磁栅式传感器（7）与磁头（8）相对运动产生的感应电动势整合成幅值恒定、相位随相对位移变化的输出电压，所述检测电路（23）中的细分与计数电路模块负责将输出电压转换为预设单位的计数信号，并对计数信号计数，获得的计数值与静磁栅尺与磁头相对位移大小成正比；

S8，所述机器人打磨力的检测装置获取的数据通过EtherCAT（Ethernet for ControlAutomation Technology）进行信号传输，将获取的计数值封装成数据包实时同步地传入EtherCAT主站；

S9，所述EtherCAT技术突破了其他以太网解决方案的***限制：EtherCAT使用标准以太网传输介质连接主从站构成***，以介质访问控制机制解决信道竞争与分配，采用数据收发同时进行的全双工模式，通过该项技术，无需接收以太网数据包，将其解码，之后再将过程数据复制到各个设备；

S10，所述EtherCAT主站设备利用标准以太网接口硬件发送0x88A4类型数据帧，报文依次经过网络中的每一个从站设备时由硬件直接读取***数据帧中属于自己的子报文；

S11，所述EtherCAT从站采用“ON-THE-FLY”技术，利用硬件动态的完成报文的读写操作以提高数据传输速率，数据在从站中的停留时间缩短至200ns，最后一个从站n处理报文后将数据帧沿原路回传，由从站1上传回主站控制单元；

S12，所述EtherCAT主站负责将接收到的数据包解码，获取打磨现场的同步计数值，通过可逆计数程序将数据还原为所述磁栅式传感器（7）与磁头（8）的相对位移量；

S13,EtherCAT主站将所述相对位移量通过胡克定律转换成具体的弹力大小;

S14，所述弹力正比于所述打磨轮（2）与待打磨工件表面产生的打磨力，主站部分通过转换程序将所述弹力转换成所述打磨力；

S15，所述转换程序基于力的平衡原理，打磨头的向下的打磨力以及检测装置向下的重力，与所述第一螺旋弹簧（5）和第二螺旋弹簧（11）向上的弹力形成平衡，通过检测得到的弹力可获取所需的打磨力。

2.如权利要求1所述的一种基于EtherCAT的机器人打磨力的检测方法，其特征在于，所述电机（1）为9000转高速伺服电机。

3.如权利要求1所述的一种基于EtherCAT的机器人打磨力的检测方法，其特征在于，所述检测控制电路（23）由以下几个模块组成：励磁电路、滤波电路、放大电路、整形电路、倍频电路、细分电路及计数电路。

4.如权利要求1所述的一种基于EtherCAT的机器人打磨力的检测方法，其特征在于，所述EtherCAT从站设备由主站自动分配地址编码，支持非常灵活的设备排布连接。

5.如权利要求1所述的一种基于EtherCAT的机器人打磨力的检测方法，其特征在于，所述弹力为所述第一螺旋弹簧（5）和第二螺旋弹簧（11）由于弹性形变产生的弹力。

6.如权利要求1所述的一种基于EtherCAT的机器人打磨力的检测方法，其特征在于，所述半封闭外壳（3）是由刚性材料打造成的圆柱形结构体，内部封装有若干检测用模块。

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