一种机器人自动化磨削作业过程中智能控制方法技术

本发明专利技术涉及一种机器人自动化磨削作业过程的智能控制方法。采用机器人末端固定力传感器，传感器末端夹持工件，利用机器人的位置控制实现工件在砂带机上磨削加工，力传感器用来检测工件与砂带机之间的接触力和力矩。上位机、传感器和机器人之间利用IP/UDP协议进行传输实现控制。磨削作业采用力位混合控制实现高精度的接触力控制，实现重力补偿算法和接触力的求解，基于模糊PID控制实现恒力控制。为有效避免磨削路径起始位、终点和工件表面起伏变化较大位置的过磨削现象，在控制策略中加入力矩控制实现力和力矩融合控制。本发明专利技术的智能控制策略可以实现工件磨削作业的材料定量去除，此外，本发明专利技术通用性强，适应各种复杂曲面零件的磨削加工。磨削加工。磨削加工。

【技术实现步骤摘要】
一种机器人自动化磨削作业过程中智能控制方法


[0001]本专利技术涉及智能制造加工领域，具体地说机器人自动化磨削加工复杂曲面过程中智能控制方法。

技术介绍

[0002]目前，叶片等复杂曲面零件的加工主要依靠人工磨削，不仅难以保证加工质量的一致性，导致加工效率低下，并且加工环境恶劣、劳动强度较大。为了获得更高的加工质量和生产效率，大量的数控设备被设计并成功应用于叶片等零件的加工，数控机床则存在成本高、灵活性差、工艺周期长等缺点。近年来，随着机器人技术的迅速革新，机器人技术已经运用到搬运、装配和加工等过程，已经成为智能制造加工产业发展的重要环节。机器人在磨削加工中的应用日趋成熟，机器人磨削系统具有灵活性好，通用性强，成本较低等优点。对于机器人自动化磨削加工技术，磨削作业过程的接触力控制是关键环节，接触力控制的精度关系到零件表面的加工质量以及加工效率，同时也是材料定量去除的必要条件。国内外对于力控制的研究主要由被动力控制和主动力控制，被动力控制主要运用能够吸收或存储能量的、弹簧、阻尼等构成的柔顺机构，使机器人在与工作环境接触时能够自然顺从外部的作用力，被动力控制方法很难完成叶片等复杂曲面的加工。对于主动力控制，国内外运用在加工制造的力控制策略主要为阻抗控制和力位混合控制策略，控制算法多采用PID控制，由于接触力控制精度不高，因此这种控制算法能够完成结构简单、精度不高的零件机器人自动化磨削加工。对于叶片等复杂曲面的加工，对精度要求较高，机器人自动化磨削的定量去除至关重要，因此对接触力的控制精度要求很高。目前国内外的一些控制算法很难保证接触力的精确控制，无法实现叶片等复杂曲面的高精度磨削，并且多数控制算法都没有将力矩控制考虑进去。

技术实现思路

[0003]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种基于模糊PID控制的力位混合自适应控制方法，应用在机器人自动化磨削作业，以实现叶片类复杂曲面的高精度加工。
[0004]本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：一种机器人自动化磨削作业过程的智能控制方法，包括以下步骤：
[0005]控制机器人的手臂末端按照预设轨迹位置运动；
[0006]运动过程中，通过力传感器实时检测工件与磨削机床之间的接触力和力矩；
[0007]根据机器人末端负载重力补偿求解磨削接触力；
[0008]根据重力补偿结果实现机器人自动化磨削力位混合控制，使得实际接触力逼近目标值实现机器人自动化磨削加工；
[0009]同时在自动化磨削加工过程中采用力矩控制，计算出机器人磨削加工的下一轨迹位置和姿态信息，实现整个过程的恒力控制以及力和力矩的融合。
[0010]该方法是基于机器人自动化磨削作业过程的智能控制系统实现的，该系统包括工
业机器人、力传感器、磨削加工工件、磨削机床、上位机；所述机器人末端通过连接工装固定所述力传感器，所述力传感器末端通过连接工装夹持磨削加工工件，所述上位机与所述工业机器人的驱动器和传感器之间通过IP/UDP协议进行传输指令，所述上位机控制机器人的手臂末端位置实现工件在砂磨削机床上磨削加工。
[0011]所述根据机器人末端负载重力补偿求解磨削接触力包括：
[0012]根据机器人自动化磨削系统各坐标系统变换关系，对工件负载以及其他位置变量进行求解，利用下式进行最小二乘法完成重力补偿；
[0013]S
F＝
S
G+
S
F
zero
[0014]其中，
S
F是力传感器实际检测的接触力数据，
S
G是负载重力在力传感器坐标系下的检测效应值，
S
F
zero
是力传感器检测的零点漂移值；
[0015]所述磨削接触力的求解为，
[0016][0017]其中，F
cg
是所求接触力，是工件坐标系到力传感器坐标系的变换关系，表示磨削机床坐标系到工件坐标系的变换关系。
[0018]所述根据重力补偿结果实现机器人自动化磨削力位混合控制包括：给定机器人末端位置控制机器人按照预设轨迹规划路径X
p
行走，过程中采用力位混合控制对接触力进行控制。
[0019]所述接触力控制为：
[0020]接触力控制过程通过力位混合控制调整实际接触力F
cg
与目标接触力F
p
差值、对规划路径实时修正，实现机器人末端力柔顺控制。
[0021]所述接触力控制过程是采用基于模糊PID控制的接触力控制方法；
[0022]定义e
f
是目标接触力F
p
与实际接触力F
cg
的差值，ec
f
是e
f
的变化率，ec
f
和e
f
是模糊PID控制器的输入，ΔK
p
,ΔK
i
,ΔK
d
是PID控制器的比例、积分、微分调整参数，通过对模糊集e
f
,ec
f
,ΔK
p
,ΔK
i
,ΔK
d
＝{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}的取值，调整模糊PID控制最终的输出参数K
p
、K
i
、K
d
：从而实现实际接触力F
cg
趋近目标接触力F
p
。
[0023]所述在自动化磨削加工过程中采用力矩控制，计算出机器人磨削加工的下一轨迹位置和姿态信息，包括：
[0024]当进行机器人自动化磨削加工时，实时检测力矩信息，如果力矩值超过参考力矩值，将调整机器人末端姿态以实现恒定力矩控制。
[0025]采用上述技术方案后，本专利技术具有的有益效果为：
[0026]1、重力补偿技术可以快速实现负载重力求解，根据补偿结果计算出自动化磨削作业过程的接触力。
[0027]2、基于模糊PID控制的接触力智能控制可以实现磨削接触力的高精度控制，保证磨削过程中接触力维持在设定值允许范围内。
[0028]3、根据接触力的高精度控制完成工件磨削的材料的定量去除，实现机器人自动化磨削叶片等复杂曲面的效率与精度。
[0029]4、力矩控制的引入可以有效避免磨削路径起始位、终点位置和工件表面起伏变化较大位置的过磨削现象。
[0030]5、本专利技术的控制策略通用性强，可以适应各种零件的磨削加工。
附图说明
[0031]图1为机器人自动化磨削作业过程各个坐标系之间的关系。
[0032]图2为本专利技术设计的机器人自动化磨削加工力位混合控制策略。
[0033]图3为本专利技术提出的模糊PID接触力智能控制策略。
[0034]图4为本专利技术模糊PID控制过程中使用的模糊规则表。
[0035]图5为本专利技术力矩控制方法框图。
[0036]图6为本专利技术机器人自动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机器人自动化磨削作业过程的智能控制方法，其特征在于，包括以下步骤：控制机器人的手臂末端按照预设轨迹位置运动；运动过程中，通过力传感器实时检测工件与磨削机床之间的接触力和力矩；根据机器人末端负载重力补偿求解磨削接触力；根据重力补偿结果实现机器人自动化磨削力位混合控制，使得实际接触力逼近目标值实现机器人自动化磨削加工；同时在自动化磨削加工过程中采用力矩控制，计算出机器人磨削加工的下一轨迹位置和姿态信息，实现整个过程的恒力控制以及力和力矩的融合。2.根据权利1所述的一种机器人自动化磨削作业过程的智能控制方法，其特征在于，该方法是基于机器人自动化磨削作业过程的智能控制系统实现的，该系统包括工业机器人、力传感器、磨削加工工件、磨削机床、上位机；所述机器人末端通过连接工装固定所述力传感器，所述力传感器末端通过连接工装夹持磨削加工工件，所述上位机与所述工业机器人的驱动器和传感器之间通过IP/UDP协议进行传输指令，所述上位机控制机器人的手臂末端位置实现工件在砂磨削机床上磨削加工。3.根据权利1所述的一种机器人自动化磨削作业过程的智能控制方法，其特征在于，所述根据机器人末端负载重力补偿求解磨削接触力包括：根据机器人自动化磨削系统各坐标系统变换关系，对工件负载以及其他位置变量进行求解，利用下式进行最小二乘法完成重力补偿；
S
F＝
S
G+
S
F
zero
其中，
S
F是力传感器实际检测的接触力数据，
S
G是负载重力在力传感器坐标系下的检测效应值，
S
F
zero
是力传感器检测的零点漂移值；所述磨削接触力的求解为，其中，F
cg
是所求接触力，是工件坐标系到力传感器坐标系的变换关系，表示磨削机床坐标系到工件坐标系的变换关系。4.根据权利1所述的一种机器人自动化磨削作业过程的智能控制系统及策略，其特征在于，所述根据重力补偿结果实现机器人自动化磨削力位混合控...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵吉宾，张洪瑶，李论，赵敬川，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：