專利名稱：一種基于傳感器反饋的機器人磨削系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于磨削工件的機器人磨削系統，屬于機器人磨削加工領域。
背景技術：
磨削加工的應用范圍應用廣泛，磨削的質量往往決定產品的最終質量。隨著特殊低碳鋼、鋁合金或鎳合金等材料在航空航天、國防、電力、船舶等領域中的廣泛應用，例如航空發動機、大型汽輪機、燃氣輪機、船舶推進器、風力發電機葉片等大量采用上述材料制造，對磨削拋光技術提出了具有挑戰性的要求。傳統的大型工件磨削主要有人工磨削、專用機床磨削和數控機床磨削等幾種方式。人工磨削的方式工作量大、效率低，并且工件加工的質量得不到保證；專用機床通用性不好，主要應用于大批量零部件的生產過程；數控機床成本較高。這些磨削過程中都沒有針對磨削量的過程控制，磨削過程主要改善工件的粗糙度。此外，人工磨削拋光的工作效率低、磨削與拋光的均一性及其質量不能保障，磨削場所的粉塵等環境惡劣，對工人的健康危害嚴重。因此，研制自動磨削拋光機器人系統具有重要的應用意義。與數控機床相比，磨削機器人具有更高的靈活性(能夠磨削不同規格、不同尺寸和不同材質的工件)，更好的通用性和適應性(通過研發新的軟件模塊，能夠使機器人在復雜工作環境中高效地完成磨削任務)。機器人磨削技術成為目前保證磨削質量、提高磨削效率的主要發展方向之一。公開號為CN101462255A的中國發明專利(一種磨削過程位置和姿態誤差自動調整方法及系統)，通過自動檢測裝置在線實時檢測工件的位置和姿態信息，反饋給控制系統進行分析，確定工件的位置和姿態參數，然后通過執行機構調整工件的位置和姿態。公開號為CN101738981A的發明專利(基于機器人學習的機器人磨削方法)在砂帶工作的各個階段，對不同材質的工件進行磨削，得到工件與砂輪的接觸力，工件磨削面的曲率和磨削量，加工速度。利用原始數據，采用機器學習的方法，進行磨削系統的動力學建模，并根據當前工況條件的測量數據，建立當前機器人自適應動力學模型，優化機器人的磨削軌跡。公開號為CN101462248的發明專利(一種基于標準工件的砂帶修型磨削加工方法)采用砂帶磨削的方式來實現復雜型面工件的自動化修型磨削加工，該方法根據輸入的各個點的磨削量自動生成各個磨削參數，然后根據這些參數，生成實際加工路徑；磨削單元采用砂帶磨削機，它能夠接受機器人的指令，完成工件的修型磨削。上述的方法主要采用離線建立磨削參數，生成機器人磨削軌跡，控制機器人按照磨削軌跡完成修型磨削。在磨削過程中，摩擦導致的砂輪磨損，振動導致的工件位置偏移等，都會產生機器人的磨削偏差。如果按照離線規劃的磨削軌跡進行修型磨削，很有可能無法去除設定的工件修型量。
發明內容
(一 )要解決的技術問題
本發明所要解決的技術問題是現有的機器人磨削系統不能對磨削過程中的工件位置偏移進行修正而導致無法達到預定工件修型量的問題( 二)技術方案為解決上述技術問，本發明提出一種機器人磨削系統，用于對工件進行磨削，包括系統控制主機、機器人、安裝于機器人末端的電主軸單元和安裝于電主軸單元的末端的砂輪，所述系統控制主機通過控制電主軸單元的對砂輪的轉動，以及控制機器人末端對砂輪的平動來完成對工件的磨削過程，所述機器人磨削系統還包括工件輪廓檢測單元，其用于檢測工件的輪廓，產生工件輪廓數據并輸送給系統控制主機；所述系統控制主機根據該工件輪廓數據產生轉速數據和進給速度數據，分別將其輸入至電主軸單元和機器人，以控制所述砂輪對于工件的磨削過程。(三)有益效果本發明的機器人磨削系統通過采用力傳感器信息反饋控制機器人和電主軸，調節砂輪的轉動速度和進給速度，能夠磨削不同類型的、復雜型面的工件。
圖1為本發明的基于力反饋的機器人磨削系統的一個實施例的結構示意圖；圖2為本發明的重構工件表面上任意點Pi的三維坐標(Xi, Yi, Zi)的示意圖；圖3為磨削角a的示意圖；圖4為本發明的通過m次實驗計算磨削系數Kt和&的流程圖；圖5為本發明的基于力反饋的機器人磨削系統的系統控制主機6的控制結構圖；圖6所示為本發明的磨削軌跡規劃模塊61的操作流程圖；圖7所示為本發明的磨削力控制模塊62的操作流程圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明作進一步的詳細說明。圖1為本發明的基于力反饋的機器人磨削系統的一個實施例的結構示意圖。如圖1所示，該系統用于對工件7進行磨削，系統包括機器人1、工件輪廓檢測單元2、電主軸單元
3、砂輪磨損檢測單元4、磨削力檢測單元5和系統控制主機6。其中，機器人I用于安裝電主軸單元3，并控制電主軸單元3進行平動，以到達對工件7進行磨削的預定位置。機器人I可以采用現有的機器人，例如ABB公司的機器人IRB4400。工件輪廓檢測單元2用于檢測工件的輪廓，產生工件輪廓數據并輸送給系統控制主機6。本發明優選為采用雙目攝像頭(兩個攝像頭)來檢測工件表面的基準位置，并利用兩個攝像頭實時采集的二維工件圖像，采用三維重構方法構建三維的工件輪廓數據。如圖1所示，工件輪廓檢測單元2包括兩個攝像頭21、22，構成了雙目攝像頭。電主軸單元3包括電主軸31、砂輪32、電主軸控制器33和電主軸驅動器34 ;電主軸31安裝于工機器人I的末端，砂輪32安裝于電主軸31的末端。電主軸控制器33用于接收由系統控制主機6發出的轉速數據，將其轉換為驅動信號后輸送至電主軸驅動器；電主軸驅動器34根據該驅動信號來控制電主軸31達到預定轉動速度。由此，電主軸單元3能夠在系統控制主機6的控制下驅動砂輪32對工件7進行磨削。電主軸31可以采用HCS180-24000/41型電主軸。電主軸控制器33可以采用LNCT520i主軸控制器，電主軸驅動器34可以采用艾默生EV6000變頻器。砂輪磨損檢測單元4用于檢測砂輪32的磨損程度，得到砂輪磨損程度數據并傳輸給系統控制主機6。砂輪磨損檢測單元4可采用激光視覺傳感器41。磨削力檢測單元5用于檢測工件7與砂輪32之間的磨削力，產生磨削力數據并輸送給系統控制主機6。磨削力檢測單元5包括六維力傳感器51和數據采集模塊52。六維力傳感器41安裝在機器人I的末端，用于檢測磨削過程中工件7和砂輪32之間的磨削力。數據采集模塊52用于采集磨削力的切向分量和法向分量，產生磨削力數據并輸入到系統控制主機6中。系統控制主機6用于控制電主軸單元3對砂輪32的轉動和機器人I末端對砂輪32的平動來完成對工件7的磨削過程。具體來說，系統控制主機6根據工件輪廓數據、砂輪磨損程度數據和磨削力數據產生轉速數據和進給速度數據，分別將其輸入至電主軸單元3的電主軸控制器33和機器人1，以控制砂輪32對于工件7的磨削過程。具體來說，系統控制主機`包括三個輸入端和兩個輸出端。如圖1所示，輸入端641連接砂工件輪廓檢測單元2的輸出端；輸入端642連接砂輪磨損檢測單元4的輸出端；輸入端643連接磨削力檢測單元5的輸出端。輸出端651連接機器人I的輸入端；輸出端653連接電主軸單元3的輸入端。機器人I的輸入端連接系統控制主機6的輸出端651，用于接收系統控制主機6發出的進給速度數據，從而帶動砂輪平移。此外，系統控制主機6包括磨削軌跡規劃模塊61、機器人標定模塊62和磨削力控制模塊63。各個模塊的功能和操作將在下文中詳細說明。重構工件輪廓如前所述本發明優選為采用雙目攝像頭作為工件輪廓檢測單元3，以三維重構工件輪廓的三維測量數據。下面具體說明三維重構工件表面上任意點Pi的坐標的方法圖2為重構工件表面上任意點Pi的三維坐標(X^ypZi)的示意圖。如圖2所示，本發明采用異面直線的方法來求解Pi的坐標。三維重構工件表面上任意點Pi的坐標的工作步驟如下步驟Al :建立攝像頭21的二維像素坐標(uS vL)和三維空間坐標(xS yL, zL)之間的關系，如下式(I)所示
SUl Ulfl OTji2mf4 xSVl = "7(1 m1” / (',少(I)
JL」卜& n^2 " 么」i式(I)中參數HiijQ = 1, 2,6 ；j = 1,2,3,4)在攝像頭標定過程中可以獲得，s為比例系數。步驟A2 :建立攝像頭22的二維像素坐標(uK，vE)和三維空間坐標(xK，yE, zE)之間的關系，如式(2)所示
權利要求
1.一種機器人磨削系統，用于對工件(7)進行磨削，包括系統控制主機(6)、機器人(I)、安裝于機器人(I)末端的電主軸單元(3)和安裝于電主軸單元(3)的末端的砂輪(32)，所述系統控制主機(6)通過控制電主軸單元(3)的對砂輪(32)的轉動，以及控制機器人(I)末端對砂輪(32)的平動來完成對工件(7)的磨削過程，其特征在于 所述機器人磨削系統還包括工件輪廓檢測單元(2)，其用于檢測工件(7)的輪廓，產生工件輪廓數據并輸送給系統控制主機(6)； 所述系統控制主機(6)根據該工件輪廓數據產生轉速數據和進給速度數據，分別將其輸入至電主軸單元(3)和機器人(I)，以控制所述砂輪(32)對于工件(7)的磨削過程。
2.如權利要求1所述的機器人磨削系統，其特征在于，所述工作輪廓檢測單元(3)包括兩個攝像頭(21、22)，該工作輪廓檢測單元(3)該兩個攝像頭(21、22)實時采集的二維工件圖像，采用三維重構方法構建三維的工件輪廓數據。
3.如權利要求1所述的機器人磨削系統，其特征在于，還包括砂輪磨損檢測單元(4)，其用于檢測砂輪(32)的磨損程度，得到砂輪磨損程度數據并傳輸給系統控制主機(6)； 所述系統控制主機(6)還根據該砂輪磨損程度數據來產生轉速數據和進給速度數據。
4.如權利要求3所述的機器人磨削系統，其特征在于，所述砂輪磨損檢測單元(4)通過實時檢測砂輪(32)的磨損程度來重建砂輪表面的實時特征輪廓，將該實時特征輪廓與預設的特征輪廓做比較，計算砂輪(32)的磨損量，產生砂輪磨損程度數據。
5.如權利要求4所述的機器人磨削系統，其特征在于，所述砂輪磨損檢測單元(3)為激光視覺傳感器，其包括雙目攝像頭和線結構光源，并通過線結構光三角測量法重建砂輪表面的實時特征輪廓。
6.如權利要求3所述的機器人磨削系統，其特征在于，還包括磨削力檢測單元(5)，其用于檢測所述磨削過程中所述工件(7)和所述砂輪(32)之間的磨削力，產生磨削力數據并輸送給系統控制主機(6)； 所述系統控制主機(6)還根據該磨削力數據來產生轉速數據和進給速度數據。
7.如權利要求6所述的機器人磨削系統，其特征在于，所述磨削力檢測單元(5)包括六維力傳感器(51)和數據采集模塊(52)， 所述六維力傳感器(41)安裝在所述機器人(I)的末端，用于檢測磨削過程中工件7和砂輪32之間的磨削力； 所述數據采集模塊(52)用于采集磨削力的切向分量和法向分量，產生磨削力數據并輸入到系統控制王機(6)中。
8.如權利要求6所述的機器人磨削系統，其特征在于，所述系統控制主機(6)包括磨削軌跡規劃模塊(61)、機器人標定模塊(62)和磨削力控制模塊(63),其中， 所述磨削軌跡規劃模塊(61)用于根據實時測量的工件輪廓數據和工件輪廓的設計數據，得到工件表面的磨削軌跡，規劃磨削運動軌跡； 所述機器人標定模塊￠2)用于建立機器人坐標系與工件坐標系之間的坐標變換關系，并將磨削運動軌跡轉換為機器人的末端運動軌跡； 所述磨削力控制模塊(63)用于根據所述磨削力數據、砂輪磨損數據、工件輪廓數據和工件位置數據，計算得到砂輪的進給速度和轉動速度，并將轉動速度數據傳輸至所述電主軸單元(3)中，將所述進給速度轉輸到機器人(I)中。
9.如權利要求8所述的機器人磨削系統，其特征在于，磨削軌跡規劃模塊61的算法流程為 步驟Dl :從工件輪廓檢測單元(2)輸入工件輪廓檢測數據集合{SRJ (i = 1，2，. . .，n ;n是數據的數量)； 步驟D2 :系統控制主機(6)中事先存儲工件輪廓設計數據集合{SIJ (i = 1,2,... ,n ；n是數據的數量)； 步驟D3 {SRJ和{SIJ的數據進行一對一的比較，計算其差值，該差值就是工件表面的去除量集合{SGJ，其中，i = 1,2, . . . , n, n是數據的數量； 步驟D4:根據去除量集合{SGJ和砂輪的最佳磨削力區間，計算得到來回往復磨削次數t，以及第j (I彡j彡t)次去除量集合{SGJ」，t為滿足tmin ( t ( 的一個整數，其中
10.如權利要求8所述的機器人磨削系統，其特征在于，所述磨削力控制模塊(63)中的算法流程為 步驟Fl :在砂輪(32)和工件(7)的無接觸約束空間中，即在砂輪(32)沒有接觸工件(7)時，為了彌補由于砂輪磨損、工件安裝位置偏差導致機器人(I)末端軌跡與工件表面的位置偏差，在線自適應補償機器人(I)末端軌跡，使砂輪能夠與工件表面保持接觸； 步驟F2 :在砂輪(32)和工件(7)的接觸約束空間中，即當砂輪(32)磨削工件(7)時，基于磨削力檢測單元(5)輸入的磨削力數據，控制機器人(I)的末端上安裝的砂輪(32)與工件(7)的接觸力。
11.如權利要求10所述的機器人磨削系統，其特征在于，所述步驟F2包括 步驟F21 :根據第j (I ^ j ^ t)次去除量集合{SGjp以及砂輪當前的轉動速度和進給速度，計算第j次磨削過程中，期望切向磨削力和期望法向磨削力； 步驟F22 :根據實際切向磨削力和期望切向磨削力的差值，實際法向磨削力和期望法向磨削力的差值，采用比例-微分-積分(PID)控制算法，調節砂輪的轉動速度V。和進給速度Vw; 步驟F23 :重復步驟F21和步驟F22，直至完成需要來回往復磨削的次數t。
全文摘要
本發明公開了本發明涉及一種能夠檢測工件輪廓并實時調整磨削軌跡的機器人磨削系統，該系統由機器人(1)、工件輪廓檢測單元(2)、電主軸單元(3)、砂輪磨損檢測單元(4)、磨削力檢測單元(5)和系統控制主機(6)組成。本發明通過檢測砂輪與工件之間磨削力、工件輪廓的三維測量數據，以及砂輪的磨損程度，通過控制算法控制砂輪的進給速度和轉動速度，實現對工件表面的自動化磨削。
文檔編號B24B49/04GK103056759SQ201210567038
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月24日 優先權日2012年12月24日
發明者蘇建華, 喬紅, 張宇仁, 賈立好 申請人:中國科學院自動化研究所