一種用于可調距螺旋槳機器人磨削的主動順應末端執行器及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于機電領域，更具體地，涉及一種用于可調距螺旋槳機器人磨削系統的主動順應末端執行器及其控制方法。
【背景技術】
[0002]隨著微電子技術、傳感器技術、控制技術和機械制造工藝水平的飛速發展，機器人的應用領域逐步從搬運、焊接領域拓展到磨削、拋光領域。在各種類型的機械臂中，模擬人體手臂而構成的關節型機械臂，具有結構緊湊、所占空間小、運動空間大等優點，是應用最為廣泛的機械臂之一。
[0003]可調距螺旋槳槳葉尺寸大，葉片扭曲，采用定制化生產方式，目前的加工工藝主要是在數控機床精加工之后進行手工磨削和拋光。手工磨削時工人手持電動磨具，分區域對該大尺寸葉片進行磨削和拋光。接觸力的恒定控制是保證加工表面質量(表面粗糙度、波紋度等)的主要因素。然而由于人手的控制精度有限，導致葉片曲面加工質量一致性差，且存在加工效率低、勞動強度大、環境惡劣等問題。
[0004]在采用多自由度關節機械臂代替操作工人進行復雜自由曲面的磨削和拋光時，由于機器人本身非線性、強耦合、末端剛度隨位姿變化、重復定位精度難以滿足高精度加工的要求等因素，以及工件位置誤差、剛度誤差等外界干擾因素，機器人控制系統難以同時滿足較高的位置精度和接觸力精度。同時，機器人末端工具與工件表面接觸過程中存在沖擊過程，機器人本體頻率較低，控制系統響應速度較慢，難以快速抑制接觸力震蕩，從而造成工件表面形成加工振紋。

【發明內容】

[0005]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種用于可調距螺旋槳機器人磨削的主動控制末端執行器，其目的在于提供結構簡單、裝配方便、定位精度高、動態響應快，同時可以自動更換磨具的主動順應末端執行器及其控制方法，由此解決可調距螺旋槳機器人磨削和拋光加工中對于接觸力的控制精度要求的技術問題。
[0006]為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種用于可調距螺旋槳機器人磨削的主動順應末端執行器，其特征在于，該末端執行器包括執行磨具組件、控制組件以及底部支撐組件，其中控制組件容納于執行磨具組件與底部支撐組件組成的空間內；
[0007]其中執行磨具組件包括用于承擔執行刀具的磨削電主軸支架，磨削電主軸以及執行磨具，所述磨削電主軸支架設置有用于套設所述磨削電主軸的卡箍，其中所述執行磨具以所述磨削電主軸為軸執行動作；
[0008]其中控制組件包括動力部與傳感部，其中動力部包括如下部分:設置于所述底部支撐組件中的底部支撐板上的電機法蘭支座，滾珠絲杠左端和右端分別通過軸承座和所述電機法蘭支座固定于底部支撐板，所述滾珠絲杠通過滾珠絲杠螺母提供所述磨削電主軸軸向移動自由度，交流伺服電機，通過聯軸器與所述滾珠絲杠相連并且通過所述電機法蘭支座固定于所述底部支撐板上，所述動力部還包括與所述交流伺服電機相連的控制器；
[0009]所述傳感部包括如下部分:位移傳感器以及力傳感器，其中所述位移傳感器通過設置于兩側的位移傳感器支座與所述底部支撐板相連，活動部分與力傳感器右支座相連，所述力傳感器的左側通過力傳感器左支座與磨削電主軸支架相連，右側通過力傳感器右支座與設置于所述滾珠絲杠螺母上的滾珠絲杠螺母支座相連，用于檢測所述磨具所受的法向磨削力；
[0010]所述底部支撐組件還包括設置于所述底部支撐板上兩側邊沿的直線導軌，所述磨削電主軸支架底部通過滑塊沿直線導軌滑動。
[0011]進一步地，所述力傳感器為S型拉壓力傳感器，實時檢測所述磨具所受法向磨削力，并且輸出與所測磨削力線性相關的模擬電壓作為所述控制器輸入。
[0012]進一步地，所述位移傳感器為直線光柵，輸出與所測位置信息線性相關的信號于所述控制器。
[0013]進一步地，所述控制器接收來自所述機器人、所述力傳感器以及所述位移傳感器的信號，并且通過控制所述交流伺服電機的位置以及伺服剛度來調節所述磨具的法向磨削力。
[0014]本發明還提出了一種實現用于可調距螺旋槳機器人磨削的主動順應末端執行器的控制方法，其中機器人具有主控制器，所述末端執行器的控制器為嵌入式微控制器，所述主控制器與所述嵌入式微控制器通過串行總線進行通訊，其特征在于，該方法包括如下步驟:
[0015](I)由所述機器人發出信號使所述末端執行器進入輸出狀態，所述控制器設置所述交流伺服電機回到零位并保持較小的伺服剛度和阻尼;所述末端執行器接近待磨削工件表面的加工規劃路徑起始點；
[0016](2)執行磨削加工，所述力傳感器檢測法向磨削力信號，若所述磨削力信號大于或小于閾值，所述控制器相應控制所述交流伺服電機回退或前進使得所述力傳感器的輸出保持在所述閾值或閾值附近波動，并反饋調整后的信號給所述機器人繼續執行磨削加工；
[0017]總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果:
[0018]按照本發明實現的主動順應末端執行器可以安裝于商用六軸工業機器人末端，商用六軸工業機器人主要采用位置控制，按照本發明實現的主動順應末端執行器采用獨立的驅動控制器進行接觸力控制，其控制精度和響應速度高于六軸工業機器人，且具有自動更換磨具的功能，按照本發明實現的主動順應末端執行器及控制方法尤其可以被很好地用于可調距螺旋槳槳葉等復雜自由曲面的機器人磨削系統中。
[0019]總而言之，本發明實現的主動順應末端執行器結構簡單、裝配方便、控制精度高，在不影響六軸工業機器人機械臂運動控制系統的條件下實現大型復雜自由曲面機器人磨削和拋光加工中的接觸力控制，有望在實際中得到廣泛的應用。
【附圖說明】
[0020]圖1是按照本發明實現的一種用于可調距螺旋槳機器人磨削的主動順應末端執行器的三維結構爆炸圖；
[0021]圖2是按照本發明實現的一種用于可調距螺旋槳機器人磨削的主動順應末端執行器的整體結構三維圖；
[0022]圖3是按照本發明實現的主動順應末端執行器中的接觸力控制方法的控制框圖；
[0023]圖4是按照本發明圖1中的末端執行器力傳感器的安裝結構分解圖；
[0024]圖5是按照本發明圖1中實現的末端執行器位移傳感器及伺服電機安裝結構示意圖；
[0025]圖6是按照本發明圖1中實現的末端執行器磨削電主軸支架結構示意圖；
[0026]圖7是按照本發明圖1中實現的末端執行器底部支撐板結構示意圖；
[0027]圖8是按照本發明圖1中實現的末端執行器安裝于機器人末端的示意圖。
【具體實施方式】
[0028]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0029]按照本發明實現的末端執行器，并沒有采用多自由度關節機械臂，而是設計出了一種可以裝設于商用六軸工業機器人末端的執行器，并且在此執行器中設置了獨立的控制器來進行控制，總之，該末端執行器包括執行磨具組件、控制組件以及底部支撐組件，其中控制組件容納于執行磨具組件與底部支撐組件組成的空間內；
[0030]其中執行磨具組件包括用于承擔執行刀具的磨削電主軸支架160，磨削電主軸170以及執行磨具，磨削電主軸支架160設置有用于套設所述磨削電主軸170的卡箍，其中執行磨具以磨削電主軸170為軸執行動作；
[0031]其中控制組件包括動力部與傳感部，其中動力部包括如下部分:設置于底部支撐組件中的底部支撐板10上的電機法蘭支座80，滾珠絲杠50左端和右端分別通過軸承座40和電機法蘭支座80固定于底部支撐板10，滾珠絲杠50通過滾珠絲杠螺母60提供磨削電主軸170軸向移動自由度，交流伺服電機100通過聯軸器90與滾珠絲杠50相連并且通過電機法蘭支座80固定于底部支撐板10上，動力部還包括與交流伺服電機100相連的控制器；
[0032]傳感部包括如下部分:位移傳感器110以及力傳感器140，其中位移傳感器110通過設置于兩側的位移傳感器支座12與底部支撐板10相連，活動部分與力傳感器右支座130相連，力傳感器140的左側通過力傳感器左支座150與磨削電主軸支架160相連，右側通過力傳感器右支座130與設置于滾珠絲杠螺母60上的滾珠絲杠螺母支座70相連，用于檢測執行磨具所受的法向磨削力；
[0033]底部支撐組件還包括設置于所述底部支撐板10上兩側邊沿的直線導軌20，磨削電主軸支架160底部通過滑塊30沿直線導軌20滑動。
[0034]實施例
[0035]如圖1、2所示，為按照本發明實現的末端執行器的結構示意圖，其中該末端執行器包括:底部支撐板10、直線導軌20、滑塊30、軸承座40、滾珠絲杠50、滾珠絲杠螺母60、滾珠絲杠螺母支座70、電機法蘭組件80、彈性聯軸器90、伺服電機100、位移傳感器110、位移傳感器支座120、力傳感器右支座130、力傳感器140、力傳感器左支座150、磨削電主軸支架160、磨削電主軸170、BT30刀柄180、磨具190等構成的末端執行器，以及由驅動器2、控制器3等構成的末端執行器控制系統。主動順應末端執行器為單自由度機構，主要通過力傳感器140檢測磨削電主軸170與工件接觸時的法向磨削力以及位移傳感器110檢測磨削電主軸170的位置變化，通過調節伺服電機100的位置和伺服剛度保持接觸力恒定或在設定值附近小范圍波動。
[0036]如圖3所示，從末端執行器控制系統的控制框圖可以看出，末端執行器控制器接受力傳感器和位移傳感器的模擬電壓信號作為輸入，通過設計好的控制算法處理輸出伺服電機控制信號，驅動器驅動伺服電機精確調節