一维力控制机器人砂带磨削机设计_王留呆.pdf

一维力控制机器人砂带磨削机设计*王留呆1,贠超1,彭伟1,李成群1,孙云权2(1.北京航空航天大学 机器人研究所,北京 100083;2.廊坊智通机器人系统有限公司,河北 廊坊 065001)摘要:设计了一种新型机器人砂带磨削机。使用导轨滑块机构解耦出磨削压力,借助气动比例减压阀,以及力传感器实现磨削力的控制,用变频器调节磨削速度,结合机器人扫描和工件进给速度的控制,能够很好地完成高精度磨削加工,提高了产品的加工精度和生产效率。关键词:力控制;砂带磨削机;高精度磨削中图分类号:TG596;TP242 文献标识码:A 文章编号:1001-2354(2008)06-0029-04 航空发动机、气轮机叶片这类零件具有复杂的曲面,并且加工精度要求也很高。然而,目前大多数的生产厂家对于该类产品的精加工采用人工磨削,存在着效率低下、尺寸精度低及产品一致性差的缺点 1。也有部分生产厂家采用机器人砂带磨削系统进行磨削,但是只能起到降低工件表面粗糙度的作用,对于产品的外形尺寸不能保证。针对这种情况开发出了一维力控制砂带磨削机,从而实现机器人在磨削过程中对磨削压力、磨削速度的控制,为实现高精度磨削提供过程控制支持,以此提高了生产效率和产品质量。1 机器人磨削系统组成及对砂带磨削机的要求1.1 系统组成该机器人砂带磨削系统如图 1所示。由图可知,该砂带磨削系统主要由砂带磨削机、水冷系统、接触式测量仪、三维激光扫描仪(Scanner)、ABB I RB4400型机器人 5部分组成。1.2 产品磨削流程完成一个产品的磨削要经过对工具、工件装卡和标定,加工路径离线编程,通过接触式测量仪测得工件外形尺寸误差分布,从而得到一些特定点的磨削量。基于磨削知识库和特定点的磨削量来设定机器人磨削过程参数,从而实现给定点上给定磨削量的磨削,机器人自动磨削,工件卸载这一流程。1砂带磨削机;2水冷系统;3接触式测量仪4三维激光扫描仪(Scanner);5ABB I RB4400型机器人图 1 机器人磨削系统组成因素决定:质量、刚度、阻尼、落地接触时间和落地时的各组件速度。在实际设计中,应针对这几方面进行专门的优化设计,尽可能减少质量、降低刚度、增大阻尼,使用弹性元件增大组件落地时的接触时间,在规划运动曲线时和落地时尽可能降低速度和加速度。参考文献 1 M arc Raibert.Dynamic si mulation of humans and humanoids C.In:Proceedings of the Second International Conference onHumanoidRobots,Tokyo,Japan,2001:34-42.2 丁称林.双足机器人的动力学建模与控制 D.大连:大连理工大学,2002.3 王沫然.Matlab与科学计算 M.北京:电子工业出版社,2004.4 包志军.仿人型机器人的系统设计、步态规划及稳定性研究D.上海:上海交通大学,2000.5 倪振华.振动力学 M.西安:西安交通大学出版社,1989.Study on the touchdown vibration of biped robotLIANG W en-hong,MA Chao-feng,LIU Kai(School of M echanical and Precision Instrumental Engineer-ing,X i.anUniversity ofScience and Engineering,Xi.an 710048,China)Abstract:A kind of biped robot with an addition of toe linksin its ne w leg mechanism was put for ward.The elastic-dynam icsmodel of syste m was established.Calculationson the vibrationmod-elwere carried through by the use of SI M I LINK function ofMAT-LAB,the systematic vibration caused by pulse inputwas si mulated,and revealed the reason ofproducing the systematic vibration.Ana-lysis on the vibration curve was carried out and the method for relie-ving the vibration was put for ward.Key words:biped erection robot;vibration mode;ldyna m iccharacteristicsF ig 3 Tab 0Ref5/Jixie Sheji07525第 25卷第 6期20 0 8年 6月机 械 设 计JOURNAL OF MACHI NE DESI GNVo.l 25 No.6Jun.2008*收稿日期:2007-07-10;修订日期:2007-11-23作者简介:王留呆(1982-),男,河南商水人,在读硕士研究生,研究方向:机器人技术。1.3 实现高精度磨削对磨削机的要求由磨削流程可以看到,完成工件精确磨削最重要的一点是实现在给定点上进行给定磨削量的磨削,而磨削过程中工件与砂带之间的磨削压力及磨削速度是影响磨削量重要因素 2,由此可见,砂带磨削机能够精确地控制磨削压力和磨削速度是最终实现机器人高精度磨削的基础。2 机械部分设计在机械部分设计过程中该砂带磨削机采用了如图 2所示的方案。由图 2可以看出,该砂带磨削机主要由接触轮、调偏轮、压力传感器、LVDT(线性位移传感器)等组成。其中低摩擦气缸推动固定在横梁上的接触轮及其他部分通过导轨滑块机构相对于机架前后移动,以此来补偿磨削压力的变化,实现恒磨削力磨削。由于所用的电机功率比较大,所以将电机放在机架上,这样可以减小浮动部分的质量,使浮动部分具有比较小的惯性,从而可以使系统能够快速地响应磨削力的变化,提高力控制的效果。1机器人;2工件;3接触轮;4调偏轮;5压力传感器;6低摩擦气缸;7涨紧气缸;8 涨紧轮;9砂带;10 LVDT;11三相电机;12余轮;13导轨滑块机构图 2 机械原理图3 电控部分设计电控部分的硬件组成如图 3所示。选用 S7-200PLC作为主控制器,其 CPU 型号为 CPU 226,该种型号的 PLC为一款高性能的中小型 PLC,能够满足该系统的控制要求。由图 3可以看出,该控制系统主要由人机交互界面、驱动部分、数据采集部分及其他 I/O部分 4个单元组成。图 3 电控部分硬件构成3.1 人机交互界面在该控制系统中,采用西门子 TP170A 触摸屏与 S7-200PLC通过 RS485接口相连进行数据交换,以实现人机交互界面。通过该人机交互界面,一方面可以在触摸屏上对整个磨削系统进行参数设置,包括磨削速度、磨削压力等;另一方面可以在触摸屏上显示整个系统的运行状态及一些系统参数。这样就能提供一个非常友好的人机交互界面。3.2 驱动部分该部分主要包括三相变频电机的驱动及低摩擦气缸的驱动。三相电机的驱动:首先是 D/A 模块将 PLC发出的控制电机转速的数字量转换为一个 0 10 V 的模拟量,对于变频器来说,该模拟量对应的是 0 nmax(最大转速)的电机转速,然后由变频器输出相应频率的电压,驱动三相电机以一定转速运转,以此控制磨削速度。低摩擦气缸的驱动:将在 PLC中经过一定运算得到的对应于气缸活塞杆输出推力的数字量经过 D/A模块转换为一个 0 10V 的模拟量,然后经过比例阀输出一个与输入模拟量成比例的 0 ps(供气压力)的气压,以此来使低摩擦气缸输出一定的气缸推力。3.3 数据采集此部分的作用主要是采集两个数据,首先由压力传感器采集气缸的输出压力,采集到的模拟量信号经过放大器放大后由A/D模块进行模数转换,然后传给 CPU 模块,以此来构成磨削压力的一个半闭环控制;其次通过 LVDT 来采集接触轮的前后浮动量,并将采集的模拟量信号经 A/D模块进行模数转换后传给 CPU 进行相应的运算,以此来解耦出磨削压力。3.4 数字 I/O 部分此部分的功能是进行数字开关信号的输入与输出,如变频器使能、限位开关信号,以及用于与机器人通信的 I/O信号采集等。4 力控制的实现4.1 力控制方案在机器人磨削系统中,机器人用来进行位置的控制,是刚性的;而砂带磨削机要进行磨削压力的控制,为保证两者接触时的安全,需要力控制的驱动部分具有一定的柔性;另一方面为了提高磨削精度,要求磨削机能够快速响应磨削压力的变化,同时也要尽可能提高力控制的精度 3。基于以上两点考虑,在磨削机设计的时候采用了由气动比例减压阀和低摩擦气缸构成被动式的力控制方式,这是因为一方面由于空气的压缩性大、粘性小,有利于构成柔软型驱动机构和实现高速运动,从而能够快速响应磨削压力的变化3,4;另一方面采用比例减压阀驱动低摩擦气缸,并由压力传感器采集气缸的输出力构成半闭环的控制系统,能够实现压力的高精度控制5。由于采用的是水冷的磨削方式,需要用外罩将浮动部分及电机进行密封,因此,可以将支撑浮动部分的滑块两端面的防尘板去掉,这样通过实验发现滑块与导轨间的摩擦力相对于磨削用的接触力来说很小,因此可以忽略不计。此时所采用的力控制方案的原理图如图 4所示。图 4 力控制方案原理图30机 械 设 计第 25卷第 6期4.2 磨削压力解耦在忽略导轨与滑块之间摩擦力的情况下,假设某一时刻浮动部分向后移动了$x,相应的涨紧轮向后移动$x1,此时对磨削机浮动部分做如图 5所示的水平方向受力分析,由受力分析图可以看出,磨削压力是气缸输出力与砂带涨紧力在水平方向分力的合力,而在磨削过程中,由于接触轮会前后浮动从而引起 Ft及 Fct在水平方向上分力的变化,因此这是一个力位混合控制系统,首先要解耦出气缸输出力,这样才有可能实现磨削压力的精确控制。图 5 磨削机水平方向受力分析图磨削前根据所需要的磨削切向力大小来确定砂带所需要的涨紧力,这样在磨削过程中就能知道砂带紧边和松边的拉力。标定的理论工作位置是砂带紧边为竖直时接触轮最前端所在的位置。若浮动部分因为叶片尺寸误差及示教误差向后浮动了$x(如图 5所示),若忽略各个胶轮上圆弧部分砂带长度的改变量,可以认为只有 l2与 l3的长度发生了改变。l2的改变量:$l2=$x-$x1l3的改变量可近似计算为:$l3=$x1cos A由砂带总长不变可知:$l2=$l3即:$x-$x1=$x1cosA所以:$x1=$x1+cos A(1)cos A c=x3+$x1l3+$l3=x3+$x1l3+$x1cos A(2)松边拉力在水平方向分力:Fctx=Ftxcos A c=Ftxx3+$x1l3+$x1cosA(3)式中:A)初始位置砂带松边与水平方向的夹角;Ac)当前位置砂带松边与水平方向的夹角。由于浮动量极限值相对于 l1来说很小,并且初始位置处 l1为竖直的,因此,紧边拉力在水平方向分力可以近似计算为:FtxU Ft$xl1(4)对于浮动部分,由水平方向受力平衡可得:Fc=Fa+Ftx+Fctx(5)所以:Fa=Fc-Ftx-Fctx(6)式(6)即为 PLC控制的目标值。在磨削过程中接触轮的浮动量$x 能够通过 LVDT 适时地测量并传送给 PLC,这样,PLC就能根据砂带总长不变这个约束条件算出在每个时刻砂带紧边和松边与水平方向的夹角,从而算出紧边和松边在水平方向的分力 Ftx和 Fctx,进而由公式(6)计算出目标值 Fa的大小。力传感器适时地采集目标值的大小,并将采集到的值反馈给 PLC,PLC再根据反馈回来的实际目标值与理论值之间的偏差,通过 PI D控制算法来输出对应的模拟量电压值,以此构成对目标值的闭环控制,从而实现对磨削压力的半闭环控制。4.3 力控制验证为验证力控制效果,采用一个在腕关节处带有六维力传感器的 ABB机器人夹持叶片进行叶片磨削实验,该六维力传感器用来采集机器人末端的叶片所受到的水平方向的正压力(即磨削压力)并实时传送给机器人控制器。在磨削过程中,由一台与机器人控制器相连的上位机以曲线形式实时显示磨削压力的变化情况。设定磨削压力为 170 N,启动磨削后运行机器人磨削程序,得到的六维力传感器采集的磨削压力变化曲线如图 6所示。通过分析曲线图发现该磨削机能够比较精确地控制磨削压力,满足磨削精加工对于磨削力控制的要求。图 6 磨削压力变化曲线5 结论设计了一种新型砂带磨削机,使用西门子 S7-200PLC作为砂带磨削机控制器,使用变频器控制磨削速度,解耦出磨削压力,由比例减压阀驱动低摩擦气缸对磨削压力进行补偿,采用 PI D 控制算法通过半闭环控制方式实现了对磨削压力的控制,通过磨削实验验证了该磨削机能够满足产品精加工的需要。参考文献 1 L iu L,U lrich B J,Elbestaw iM A.Robotic grinding force regula-tion:design,i mplementation and benefits J.IEEE I nternationalConference on Robotics and Automation,Cincinnat,i Ohio,1990:258-265.2 Sun Yunquan.Development of a comprehensive grinding processD.USA:Connecticut,The University of Connecticut,2004.3 洪云飞.用于复杂空间曲面加工的机器人磨削系统 J.中国机械工程(增刊),2006,8(17):150-152.4 李乙杰.一种滑模控制及其在气动力伺服系统上的应用研究 J.流体传动与控制,2005(3):12-15.5 韩建海,张河新.气动比例/伺服控制技术及应用 J.机床与液压,2001(1):3-6.Design of unidim ensional force controlled robotic abrasivebelt grinderWANG L iu-dai1,YUN Chao1,PENG W ei1,LI Cheng-qun1,SUN Yun-quan2(1.Research Institute of Robot,Beijing University ofAero-nautics andA stronautics,Beijing 100083,China;2.Langfang Zh-itong Robotic Syste m L i mited Company,Langfang 065001,China)Abstract:A kind of new typed robotic abrasive belt grinder312008年 6月王留呆,等:一维力控制机器人砂带磨削机设计双输出函数发生机构类型综合*杜力1,冯俊1,黄茂林2(1.重庆工商大学 废油资源化技术与装备教育部工程中心,重庆 400067;2.重庆大学,重庆 400044)摘要:运用机构型综合理论,在列出作为脉动式无级变速器主传动机构全部结构型式方案的基础上,针对目前单输出函数发生机构的缺点和脉动式无级变速器的工作特点,通过对 W att型和 Stephenson型六杆运动链的宏观运动及动力学特性的分析,提出了双输出函数发生机构的选型原则,并以 Stephenson型六杆运动链为雏形构建了同轴式全铰链双输出函数发生机构的方案。实践表明,该方案不仅有丰富、可调的函数发生规律,同时尺度参数的可综合性较强。关键词:函数发生机构;双输出;型综合;同轴式中图分类号:TH112 文献标识码:A 文章编号:1001-2354(2008)06-0032-04 为保证脉动式无级变速器传动系统的函数发生机构输出轴获得连续转动,减小输出速度的脉动值,必须采用具有较大急回特性且相差一定相位的多套机构并联而成的组合机构。然而,多套机构相互耦合势必造成系统的结构复杂,增加了机构运动的不确定性。同时,有些传动机构由于含较多的移动副,不仅摩擦损失较大,而且由于移动副本身及含有移动副的运动链中存在对误差敏感的过约束,为保证系统的平面约束特性及运动传递的顺畅性,常需要很高的制造与安装精度1。因此,为提高机构动力学性能和机械效率而开发的新型脉冲发生机构必需遵循以下几个基本原则:(1)较少的机构套数;(2)机构在工作过程中能实现动力不间断的连续作用;(3)输出速度具有小的脉动值。1 函数发生机构的结构类型1.1 函数发生机构的结构类型综合所谓机构类型综合,对于连杆机构而言又称为/数综合0,即是把一定数量的构件和运动副如何进行排列搭配以组成机构的综合过程 2。单自由度的平面机构中,如果把机架约束解除,可得到具有 4个自由度的运动链。因为单自由度机构的类型综合与自由度为 4的运动链综合是一致的,故当运动链中构件数目为 n,运动副数为 p时,一个自由度为 4的运动链应满足下列关系式:3n-2p=4(1)又由欧拉方程式 L=p-n+1(L 为闭链的数目),代入式(1)可得:p-3L=1(2)满足式(1)和式(2)的运动链很多,根据构件数目的递增可举下列诸排列:n=2,p=1,L=0n=4,p=4,L=1n=6,p=7,L=2n=8,p=10,L=3n=10,p=13,L=4n=2的单自由度机构为开式链;n=4的单自由度机构为单闭链,即为常用的四杆机构;n=6的单自由度机构为 L=2的复式闭链,其运动的基本型式有两种,即 W att型机构和 Stephenson型六杆机构3。考虑到对于函数发生机构的综合,从最简单的四杆和六杆机构的型综合出发,力求以最简单的机构作为脉动式无级变速器的主传动机构。同时为了实现无级调速,可通过调节机构中某一构件的长度,即通过改变该构件的相对几何尺度而满足输出转速在 0 nmax内无级变速的功能要求。在整个调速过程中,不改变机构曲柄存在的固有特征,并且对输出特性(如急回特性、传动角及运动规律的变化趋势等)的影响尽可能小。以上这些便是函数发生机构型综合最基本的要求与出发点。1.2 传动机构为四杆机构的结构类型对于能满足上述基本要求的四杆机构中最简单的结构即为曲柄摇杆机构,如图 1a所示,由它可派生出摆动导杆机构(图 1b)和摆动凸轮机构(图 1c)。这几种机构都能实现将整转运动转换为摆动输出运动,并实现减速功能。曲柄摇杆机构为全铰链结构,通过调节曲柄长度实现调速,而且最小速度可以调到 0,因此可以作为最简单的脉冲发生机构。但摆杆的角速度规律不够理想,一般在极值的两边曲线是非对称的,且机构的行程速比系数较小,若用较少的套数迭加,其脉动值较大,为was designed.U sing the guide rail slidermechanism to decouple thegrinding pressure,with the aid of pneumatic proportional pressure-reducing valve and force sensor to achieve the control of grindingforce.Using the transducer to regulate the grinding speed,by com-bining with robotic scanning and the control of feeding speed ofworkpiece,the task of high precision grinding could be nicely ac-co mplished,thus enhanced the machining accuracy and manufac-ture efficiency of the product.Keyword:force contro;l abrasive belt grinder;high precisiongrindingF ig 6 Tab 0Ref5/Jixie Sheji07423第 25卷第 6期20 0 8年 6月机 械 设 计JOURNAL OF MACHI NE DESI GNVo.l 25 No.6Jun.2008*收稿日期:2007-08-06;修订日期:2007-11-12基金项目:国家自然科学基金资助项目(50675235)作者简介:杜力(1971-)女,重庆人,博士,副教授,主要从事机械设计及理论方面的研究,发表论文 10余篇。