[发明专利]基于实时力控的复杂曲面恒定切除率的机器人打磨方法

说明书

本发明公开了一种基于实时力控的复杂曲面恒定切除率的机器人打磨系统及方法，包括以下步骤：对几种空间曲面的基本元素建立数学模型，上位机计算刀路轨迹，六维末端力传感器测量加工过程中的力/力矩信息，通过实时通讯软件搭建的机器人实时力控打磨抛光系统，采用基于标准位置的重力补偿方法，消除机器人全空间作业时重力分量对六维力传感器读数的影响，对打磨过程中的接触压力建立数学模型，根据HERTZ接触理论计算在给定恒力条件下随工件表面形状变化研磨压力的变化规律，并通过自适应阻抗控制算法以实时调整刀具的位置，保证接触压力恒定，实现对工件研磨压力的恒定切除率。本发明可以保证打磨过的曲面满足更高的粗糙度要求，提高工件的精度。

技术领域

本发明涉及机器人打磨抛光领域，特别涉及一种基于实时力控的复杂曲面恒定切除率的机器人打磨方法。

背景技术

针对具有复杂表面形状的模具和零部件的精加工技术是现代精加工和自动制造技术交叉学科的前沿研究领域，是衡量一个国家制造加工技术水平的重要标志，目前对具有复杂表面形状的零件研磨普遍采用手工操作，而国防工业和一些高新技术产业中，许多模具与零件对表面光滑度以及光滑度的一致性都有非常高的要求，手工操作难以保证以恒定力作用于工件，研磨质量的一致性和稳定性很差。同时传统的手工研磨抛光还有效率低，工作环境恶劣，熟练技术工人的短缺等越来越突出的缺点，研磨工人的训练周期也很长，工作单调且一旦失误就会造成零件报废。当今工业机器人在机床上的应用已成为加工制造业发展的一大趋向。

机器人与机床相结合，以实现对复杂几何形状工件的抛光打磨不仅可以大大提高工作效率，也能得到比人工操作更高的加工质量。利用机器人进行研磨抛光具有以下优点：降低生产成本：使用机器人的自动化生产线可以大大减少了使用具有丰富经验的技工的人工成本；提高生产效率：机器人一旦投入使用，可以程序化的对加工工件进行加工处理，极大的提高生产效率，并且可以长时间不间断工作；提高产品质量：由于机器人可以近乎完全重复的工作，其加工的产品质量有高度的一致性。

实现工件的自动化打磨抛光依赖与机器人系统的柔顺性。目前的柔顺控制分为主动柔顺控制和被动柔顺控制。被动柔顺控制主要通过机械结构实现加工自适应(如六弹簧构成的RCC柔顺手腕等)，但是被动柔顺控制无法根除高柔顺性和高强度之间的矛盾，适应性较差，精度低且无法应用于既需要进行力控制又需要严格控制定位的场合。主动柔顺控制也就是力控制，在抛光打磨过程中，要求机器人具有接触力的感知和控制能力，能与环境进行力的交互，所以机器人完成这些作业任务，必须具备这种基于力反馈的柔顺控制的能力。目前常用的力控制策略主要有阻抗控制策略，力/位混合控制策略，自适应控制策略和智能控制新策略。

对于复杂曲面的工件的打磨抛光是一种很复杂的工艺，目前的打磨抛光系统是基于力传感器的恒力控制，这适用于平面或表面曲率变化不大的工件加工。当工件表面比较复杂时，曲率半径变化较大时，直接决定曲面抛磨质量的是工件与打磨工具作用点的接触压力，即压强，而不是力传感器检测到的研磨力。因此，有必要建立给定力与研磨压力的关系，应用接触模型计算在给定恒力条件下随工件表面形状变化研磨压力的变化规律，然后根据该变化规律实现对工件研磨压力的恒定控制。

MATLAB/SIMULINK可实现各种算法的计算和控制系统的仿真，ROS(RobotOperating System)是一个机器人软件平台，它能为异质计算机集群提供类似操作系统的功能。ROS的前身是斯坦福人工智能实验室为了支持斯坦福智能机器人STAIR而建立的交换庭(switchyard)项目，ROS提供一些标准操作系统服务，例如硬件抽象，底层设备控制，常用功能实现，进程间消息以及数据包管理。ROS是基于一种图状架构，从而不同节点的进程能接受，发布，聚合各种信息(例如传感，控制，状态，规划等等)。目前ROS 主要支持Ubuntu。因此可以建立机器人模型并与MATLAB/SIMULINGK进行通讯，两个软件联合控制机器人的抛磨加工运动。

发明内容