CN113649946A - 一种主动力位补偿器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种主动力位补偿器及其控制方法，主动力位补偿器包括打磨活动端、固定座以及与机器人末端相连的固定端，固定座设置于打磨活动端和固定端之间，固定座与固定端的下端固定连接，固定座上设置有用于提供打磨力位补偿的动力组件、用于提供打磨重力补偿的重力平衡组件、用于测量与地面水平夹角的倾角测量组件以及用于测量是否相对地面位置变化的测距组件；力位补偿控制方法包括：参数设置、倾角测量、接触确定、输出力计算、输出力输入、末端力测量、末端力判断以及调整效验。本发明采用双动力补偿结构，能够适应不同工况下平稳的打磨，能够精确的提供打磨力位补偿，保障打磨的精度，抗干扰能力强。

Description

一种主动力位补偿器及其控制方法

技术领域

本发明涉及自动化设备技术领域，尤其涉及一种主动力位补偿器及其控制方法。

背景技术

随着社会的发展，机器替代人工进行各种自动化作业处理，得到了飞速发展，例如在表面打磨抛光的自动化领域。为了确保加工中的加工质量，需要恒力进行打磨抛光或恒距恒力进行轨迹跟踪。传统的人工打磨抛光方式，若要保证质量和加工的一致性，对工人的技术水平具有较高的要求，同时加工环境较为恶劣，对人体的危害较大等缺点。

目前市面上现有的气动恒力打磨装置，在不同姿态下实现恒力打磨的方案多数使用气缸配合电磁阀完成，基本原理：当工具处于水平状态时，只需克服工具自身的摩擦力，因此将持续使气缸输出压力；当不是水平状态和所设目标力大于工具自重时，需减去当前角度下的重力后，使气缸持续输出压力；当不是水平角度和所设目标力小于工具自重时，气缸需输出拉力使其克服一部分重力，利用剩下的重力进行恒力工作。

因此当工具在工作时，需要水平状态和非水平状态下都要打磨时，在这个切换的过程中，就需要换向阀工作一次，所以在这个切换的过程中，将会产生一定的气冲击力以及换向阀工作需要一定的时间，这样将会导致工具对工件表面造成损伤，若在加工表面要求较高时将会导致工件不合格。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题提供一种响应速度快、精度高、稳定性高、通用性强的主动力位补偿器，以及一种精度高、控制准确的主动力位补偿器的控制方法，以解决上述至少一项技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

本发明为实现上述目的之一提供一种主动力位补偿器，包括打磨活动端、固定座以及与机器人末端相连的固定端，所述固定座设置于所述打磨活动端和所述固定端之间，所述固定座与所述固定端的下端固定连接，所述固定座上设置有用于提供打磨力位补偿的动力组件、用于提供打磨重力补偿的重力平衡组件、用于测量与地面水平夹角的倾角测量组件以及用于测量是否相对地面位置变化的测距组件；

所述动力组件设置有动力浮动接头，所述动力浮动接头的一端与所述动力组件的输出端连接，所述动力浮动接头的另一端与所述打磨活动端连接；

所述重力平衡组件设置有平衡浮动接头，所述平衡浮动接头的一端与所述重力平衡组件的输出端连接，所述平衡浮动接头的另一端与所述打磨活动端连接；

所述固定座与所述打磨活动端之间设置有导向模组，所述导向模组的一端与所述固定座固连接，所述导向模组的另一端与所述打磨活动端连接；

所述动力浮动接头的下端与所述打磨活动端之间设置有测力组件。

本发明的有益效果是：本发明设置有重力平衡组件和动力组件，重力平衡组件能够提供重力补偿，动力组件能够为打磨提供动力，同时提供一定的补偿作用，动力浮动接头和平衡浮动接头能够有效的保证打磨力的柔性调整，导向模组能够在固定座与打磨活动端之间起到导向作用，测力组件能够测量动力组件与打磨活动端之间的作用力，能够精确的提供力位补偿，保障打磨的精度，抗干扰能力强。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步的，所述固定端包括缸体以及上端盖，所述缸体的顶部设置有安装槽，所述上端盖的下侧封盖于所述安装槽的上侧开口处，所述安装槽内设置有采集卡，所述采集卡通过固定板固定于所述安装槽内，所述上端盖的上侧设置有用于与机器人末端法兰连接的上连接法兰。

采用上述进一步方案的有益效果是：采集卡能够采集和储存各项参数，便于打磨力位的控制，上连接法兰能够与机器人末端连接，安装方便。

进一步的，所述上端盖与所述固定座之间周向间隔设置有多个支撑杆，所述支撑杆的一端与所述上端盖固定连接，所述支撑杆的另一端与所述固定座固定连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：支撑杆能够对固定座起到固定作用，使得固定座与上端盖形成稳定的连接。

进一步的，所述上端盖的下侧壁与所述缸体的顶端端面之间设置有第一密封圈，所述上连接法兰与所述下端盖之间设置有第二密封圈。

采用上述进一步方案的有益效果是：第一密封圈和第二密封圈能够保证上端盖与上连接法兰和缸体之间柔性连接，避免刚性接触。

进一步的，所述缸体的侧面设置有气路安装板，所述气路安装板上设置有气路件，所述气路件分别与所述动力组件和所述重力平衡组件气路连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：气路安装板上设置气路件，能够分别向动力组件和重力平衡组件输送工作气源。

进一步的，所述缸体上设置有消音器组件，所述消音器组件的一端与所述缸体的侧壁连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：消音器能够在工作过程中起到消音作用，力位补偿过程中声波对各种器件产生振动作用。

进一步的，所述导向模组包括导杆和导套，所述导杆与所述导套滑动连接，所述导套与所述固定座固定连接，所述导杆的下端与所述打磨活动端固定连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：导杆与导套配合能够起到导向作用，力位补偿作用更好。

进一步的，所述打磨活动端包括打磨电机、打磨座以及下端盖，所述打磨电机固定于所述打磨座的一端上侧，所述下端盖固定于所述打磨座的另一端上侧，所述下端盖与所述打磨座之间设置有第三密封圈，所述平衡浮动接头、所述导杆以及所述测力组件的下端均与所述下端盖的上侧壁固定连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：打磨电机设置在打磨座的一端上能够起到打磨作用，下端盖与打磨座配合能够保障重力平衡组件、导杆以及测力组件能够正常的进行工作。

进一步的，所述测距组件包括测距挡板、滑杆以及固定件，所述滑杆设置于所述固定件上，所述固定件与所述固定座固定连接，所述滑杆与所述测距挡板浮动连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：滑杆配合测距挡板能够对主动力位补偿器位置进行测量，以便于进行打磨控制。

本发明为实现上述目的之二提供一种根据上述述主动力位补偿器的力位补偿控制方法，所述力位补偿控制方法包括：

(一)参数设置：根据待打磨工件的打磨加工要求，设定打磨加工参数，包括打磨加工所需的目标力F1参数设置、打磨活动端的重量M参数设置以及重力平衡组件输出的所需重力补偿的平衡力F2参数设置；

(二)倾角测量：倾角测量组件实时测量所述主动力位补偿器与地面的水平夹角β；

(三)接触确定：通过测力组件测量到有压力输入用时测距组件测量到与有相对地面位置变化时，确定打磨活动端与待打磨工件接触；

(四)输出力计算：接触确定后，根据步骤一的目标力F1、平衡力F2、重量M、以及步骤二的水平夹角β计算得到所述主动力位补偿器的动力组件所需输出的输出力F3，计算公式如下：

F3＝F1+F2-M*g*cosβ

其中，g为重力常数，g＝9.8N/kg；

(五)输出力输入：将步骤四得到的输出力F3换算为动力组件所需输入的压强P，向所述动力组件提供满足所需压强P的气压；

(六)末端力测量：测力组件实时测量末端力，得到末端力F4＇；

(七)末端力判断：判断末端力F4＇是否等于目标力F1,若F4＇＝F1，则动力组件持续输出；若F4＇≠F1，根据末端力F4＇与目标力F1的差值，调整输入动力组件的气压；

(八)调整效验：测力组件测量调整后的末端力，得到末端力F4＂,判断末端压力F4＂是否等于目标力F1，若F4＂＝F1，则动力组件持续输出；若F4＂F1，重新执行步骤(二)至步骤(七)，直至F4＂＝F1。

采用上述方案的有益效果是：采用上述力位补偿控制方法，能够对动力组件输出的打磨动力进行效验，重力平衡组件能够提供重力补偿，由于重力平衡组件所输出的重力平衡力在主动力位补偿器的倾角变化时，其会形成输出过载或不足的情况，通过测量末端力，配合动力组件能够将重力平衡组件输出的动力进行平衡，保障稳定的实现打磨所需的目标力。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明结构***图；

图3为本发明力位补偿控制流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、固定座；2、固定端；21、缸体；22、上端盖；23、上连接法兰；24、固定板；25、采集卡；26、第一密封圈；27、第二密封圈；28、气路件；29、消音器；3、打磨活动端；31、打磨座；32、打磨电机；33、下端盖；34、第三密封圈；4、动力组件；5、重力平衡组件；6、测力组件；7、动力浮动接头；8、平衡浮动接头；9、导向模组；91、导杆；92、导套；10、支撑杆；11、测距组件；111、固定件；112、滑杆；113、测距挡板；12、倾角测量组件。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例

如图1所示，本发明为实现上述目的之一提供一种主动力位补偿器，包括打磨活动端3、固定座1以及与机器人末端相连的固定端2，固定座1设置于打磨活动端3和固定端2之间，固定座1与固定端2的下端固定连接，固定座1上设置有用于提供打磨力位补偿的动力组件4、用于提供打磨重力补偿的重力平衡组件5、用于测量与地面水平夹角的倾角测量组件12以及用于测量是否相对地面位置变化的测距组件11，需要说明的是，动力组件4和重力平衡组件5均为伸缩气缸，外部气源设备向动力组件4和重力平衡组件5提供气源，以使得动力组件4和重力平衡组件5工作。

动力组件4设置有动力浮动接头7，动力浮动接头7的一端与动力组件4的输出端连接，动力浮动接头7的另一端与打磨活动端3连接，动力浮动接头7的上端是与动力组件4的活塞杆连接的，动力组件4输出动力通过动力浮动接头7传递给打磨活动端3，容易理解的是，在固定座1上设置有可供动力浮动接头7活动的第一活动孔。

重力平衡组件5设置有平衡浮动接头8，平衡浮动接头8的一端与重力平衡组件5的输出端连接，平衡浮动接头8的另一端与打磨活动端3连接，平衡浮动接头8的上端是与重力平衡组件5的活塞杆固定连接的，容易理解的是，平衡浮动接头8传递重力平衡组件5的动力给打磨活动端3，以对重力进行补偿。

固定座1与打磨活动端3之间设置有导向模组9，导向模组9的一端与固定座1固连接，导向模组9的另一端与打磨活动端3连接。

动力浮动接头7的下端与打磨活动端3之间设置有测力组件6，容易理解的是，测力组件6测量动力组件4作用在打磨活动端3上的作用力大小。

优选的，固定端2包括缸体21以及上端盖22，缸体21的顶部设置有安装槽，上端盖22的下侧封盖于安装槽的上侧开口处，安装槽内设置有采集卡25，采集卡25通过固定板24固定于安装槽内，上端盖22的上侧设置有用于与机器人末端法兰连接的上连接法兰23；缸体21的下端端面与固定座1之间设置有第四密封圈，以使得固定座1与缸体21之间合围成容纳动力组件4、重力平衡组件5、测距组件11以及倾角测量组件12的装配空间，在缸体21上设置有与采集卡25电信连接的电接口航插，采集卡25采集并储存力位补偿控制所需的参数。

优选的，上端盖22与固定座1之间周向间隔设置有多个支撑杆10，支撑杆10的一端与上端盖22固定连接，支撑杆10的另一端与固定座1固定连接，本实施例中，支撑杆10周向设置有三个，支撑杆10能够增强固定座1与上端盖22之间的抗扭转作用，保证上端盖22、缸体21以及固定座1之间的稳定性。

优选的，上端盖22的下侧壁与缸体21的顶端端面之间设置有第一密封圈26，上连接法兰23与下端盖33之间设置有第二密封圈27。

优选的，缸体21的侧面设置有气路安装板，气路安装板上设置有气路件28，气路件28分别与动力组件4和重力平衡组件5气路连接，需要说明的是，气路件28设置有两个，两个气路件28分别与动力组件4和重力平衡组件5气路连通。

优选的，缸体21上设置有消音器29组件，消音器29组件的一端与缸体21的侧壁连接，需要说明的是，在缸体21的侧壁上设置有消音孔，消音器29的一端与消音孔连接，消音器29可以消除缸体21内部产生的声音，减少声音的声波对其他器件造成干扰。

优选的，导向模组9包括导杆91和导套92，导杆91与导套92滑动连接，导套92与固定座1固定连接，导杆91的下端与打磨活动端3固定连接，需要说明的是，导杆91与导套92为花键连接，采用花键连接能够保证导杆91相对导套92轴向滑动，同时避免径向转动。

优选的，打磨活动端3包括打磨电机32、打磨座31以及下端盖33，打磨电机32固定于打磨座31的一端上侧，下端盖33固定于打磨座31的另一端上侧，下端盖33与打磨座31之间设置有第三密封圈34，平衡浮动接头8、导杆91以及测力组件6的下端均与下端盖33的上侧壁固定连接。

优选的，测距组件11包括测距挡板113、滑杆112以及固定件111，滑杆112设置于固定件111上，固定件111与固定座1固定连接，滑杆112与测距挡板113浮动连接。

为实现上述目的还提供一种根据上述主动力位补偿器的力位补偿控制方法，力位补偿控制方法包括：

(一)参数设置：根据待打磨工件的打磨加工要求，设定打磨加工参数，包括打磨加工所需的目标力F1参数设置、打磨活动端的重量M参数设置以及重力平衡组件输出的所需重力补偿的平衡力F2参数设置，其中重力补偿的平衡力是根据打磨活动端的重量M简单计算得到并设定的，由于在打磨活动端的倾角发生变化，使得重力补偿结果与实际值制成会形成波动，通过设定动力组件的输出，能够对重力补偿形成互补；

(二)倾角测量：倾角测量组件实时测量主动力位补偿器与地面的水平夹角β；

(三)接触确定：通过测力组件测量到有压力输入用时测距组件测量到与有相对地面位置变化时，确定打磨活动端与待打磨工件接触；

(四)输出力计算：接触确定后，根据步骤一的目标力F1、平衡力F2、重量M、以及步骤二的水平夹角β计算得到所述主动力位补偿器的动力组件所需输出的输出力F3，计算公式如下：

F3＝F1+F2-M*g*cosβ

其中，g为重力常数，g＝9.8N/kg；

(五)输出力输入：将步骤四得到的输出力F3换算为动力组件所需输入的压强P，向所述动力组件提供满足所需压强P的气压；

(六)末端力测量：测力组件实时测量末端力，得到末端力F4＇；

(七)末端力判断：判断末端力F4＇是否等于目标力F1,若F4＇＝F1，则动力组件持续输出；若F4＇≠F1，根据末端力F4＇与目标力F1的差值，调整输入动力组件的气压；

(八)调整效验：测力组件测量调整后的末端力，得到末端力F4＂,判断末端压力F4＂是否等于目标力F1，若F4＂＝F1，则动力组件持续输出；若F4＂F1，重新执行步骤(二)至步骤(七)，直至F4＂＝F1。

上述力位补偿控制方法是仅仅是整个打磨过程中的一个循环周期，其中步骤(八)的调整效验是在一个循环周期内的内循环控制，以使得动力组件输出的力能够实现目标力F1的要求，而为了实现打磨的完整控制，通过循环实现多次本补偿控制方法，即可完成打磨操作；此外目标力F1可以是通过控制器设定的多种目标力，当然目标力值可以实时进行修改。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“内”、“外”、“周侧”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的***或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种主动力位补偿器，其特征在于，包括打磨活动端(3)、固定座(1)以及与机器人末端相连的固定端(2)，所述固定座(1)设置于所述打磨活动端(3)和所述固定端(2)之间，所述固定座(1)与所述固定端(2)的下端固定连接，所述固定座(1)上设置有用于提供打磨力位补偿的动力组件(4)、用于提供打磨重力补偿的重力平衡组件(5)、用于测量与地面水平夹角的倾角测量组件(12)以及用于测量是否相对地面位置变化的测距组件(11)；

所述动力组件(4)设置有动力浮动接头(7)，所述动力浮动接头(7)的一端与所述动力组件(4)的输出端连接，所述动力浮动接头(7)的另一端与所述打磨活动端(3)连接；

所述重力平衡组件(5)设置有平衡浮动接头(8)，所述平衡浮动接头(8)的一端与所述重力平衡组件(5)的输出端连接，所述平衡浮动接头(8)的另一端与所述打磨活动端(3)连接；

所述固定座(1)与所述打磨活动端(3)之间设置有导向模组(9)，所述导向模组(9)的一端与所述固定座(1)固连接，所述导向模组(9)的另一端与所述打磨活动端(3)连接；

所述动力浮动接头(7)的下端与所述打磨活动端(3)之间设置有测力组件(6)。

2.根据权利要求1所述的一种主动力位补偿器，其特征在于，所述固定端(2)包括缸体(21)以及上端盖(22)，所述缸体(21)的顶部设置有安装槽，所述上端盖(22)的下侧封盖于所述安装槽的上侧开口处，所述安装槽内设置有采集卡(25)，所述采集卡(25)通过固定板(24)固定于所述安装槽内，所述上端盖(22)的上侧设置有用于与机器人末端法兰连接的上连接法兰(23)。

3.根据权利要求2所述的一种主动力位补偿器，其特征在于，所述上端盖(22)与所述固定座(1)之间周向间隔设置有多个支撑杆(10)，所述支撑杆(10)的一端与所述上端盖(22)固定连接，所述支撑杆(10)的另一端与所述固定座(1)固定连接。

4.根据权利要求2所述的一种主动力位补偿器，其特征在于，所述上端盖(22)的下侧壁与所述缸体(21)的顶端端面之间设置有第一密封圈(26)，所述上连接法兰(23)与所述下端盖(33)之间设置有第二密封圈(27)。

5.根据权利要求2所述的一种主动力位补偿器，其特征在于，所述缸体(21)的侧面设置有气路安装板，所述气路安装板上设置有气路件(28)，所述气路件(28)分别与所述动力组件(4)和所述重力平衡组件(5)气路连接。

6.根据权利要求2所述的一种主动力位补偿器，其特征在于，所述缸体(21)上设置有消音器(29)组件，所述消音器(29)组件的一端与所述缸体(21)的侧壁连接。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种主动力位补偿器，其特征在于，所述导向模组(9)包括导杆(91)和导套(92)，所述导杆(91)与所述导套(92)滑动连接，所述导套(92)与所述固定座(1)固定连接，所述导杆(91)的下端与所述打磨活动端(3)固定连接。

8.根据权利要求7所述的一种主动力位补偿器，其特征在于，所述打磨活动端(3)包括打磨电机(32)、打磨座(31)以及下端盖(33)，所述打磨电机(32)固定于所述打磨座(31)的一端上侧，所述下端盖(33)固定于所述打磨座(31)的另一端上侧，所述下端盖(33)与所述打磨座(31)之间设置有第三密封圈(34)，所述平衡浮动接头(8)、所述导杆(91)以及所述测力组件(6)的下端均与所述下端盖(33)的上侧壁固定连接。

9.根据权利要求1-6所述的一种主动力位补偿器，其特征在于，所述测距组件(11)包括测距挡板(113)、滑杆(112)以及固定件(111)，所述滑杆(112)设置于所述固定件(111)上，所述固定件(111)与所述固定座(1)固定连接，所述滑杆(112)与所述测距挡板(113)浮动连接。

10.一种根据权利要求1-9任一项所述主动力位补偿器的力位补偿控制方法，其特征在于，所述力位补偿控制方法包括：

(一)参数设置：根据待打磨工件的打磨加工要求，设定打磨加工参数，包括打磨加工所需的目标力F1参数设置、打磨活动端的重量M参数设置以及重力平衡组件输出的所需重力补偿的平衡力F2参数设置；

(二)倾角测量：倾角测量组件实时测量所述主动力位补偿器与地面的水平夹角β；

(三)接触确定：通过测力组件测量到有压力输入用时测距组件测量到与有相对地面位置变化时，确定打磨活动端与待打磨工件接触；

(四)输出力计算：接触确定后，根据步骤一的目标力F1、平衡力F2、重量M、以及步骤二的水平夹角β计算得到所述主动力位补偿器的动力组件所需输出的输出力F3，计算公式如下：

F3＝F1+F2-M*g*cosβ

其中，g为重力常数，g＝9.8N/kg；

(五)输出力输入：将步骤四得到的输出力F3换算为动力组件所需输入的压强P，向所述动力组件提供满足所需压强P的气压；

(六)末端力测量：测力组件实时测量末端力，得到末端力F4＇；

(七)末端力判断：判断末端力F4＇是否等于目标力F1,若F4＇＝F1，则动力组件持续输出；若F4＇≠F1，根据末端力F4＇与目标力F1的差值，调整输入动力组件的气压；

(八)调整效验：测力组件测量调整后的末端力，得到末端力F4＂,判断末端压力F4＂是否等于目标力F1，若F4＂＝F1，则动力组件持续输出；若F4＂F1，重新执行步骤(二)至步骤(七)，直至F4＂＝F1。

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