一种机器人并行打磨系统

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一种机器人并行打磨系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及工业机器人技术领域，尤其涉及一种大型自由曲面机器人并行打磨系统。\n背景技术\n[0002] 传统的毛刺清理和表面打磨由于技术的限制绝大多数是由人工操作完成的，这使得打磨效率低且打磨质量难以控制，并威胁到劳动者的身体健康。目前市场上的自动化毛刺清理工具对于整齐的边缘和表面可以实现清理，但对于大型复杂自由曲面的零件，由于没有柔性顺从控制，其打磨效果很难尽如人意。\n发明内容\n[0003] 针对上述存在的问题，本发明提出了一种机器人并行打磨系统，所述系统包括两个打磨子系统（粗打磨系统和精打磨系统）、底座部件、系统控制柜、气动控制柜、防护栏、双目三维光学扫描仪、工件、工作台，所述机器人并行打磨系统通过两个打磨子系统对工件的自由曲面同时进行粗打磨和精打磨，有效地保证了打磨精度并提高了打磨效率。\n[0004] 本发明提出的一种机器人并行打磨系统包括：粗打磨系统、精打磨系统、底座部件、系统控制柜、气动控制柜、机器人视觉自定位系统、工件和工作台，其中：\n[0005] 所述工件放置在工作台上；\n[0006] 所述精打磨系统固定安装在所述底座部件上，用于对于所述工件进行精打磨；\n[0007] 所述粗打磨系统固定安装在所述底座部件上，用于对于所述工件进行粗打磨；\n[0008] 所述底座部件通过驱动其运动单元实现两个打磨系统的直线进给运动；\n[0009] 所述系统控制柜用于进行机器人运动学与动力学的离线解算、与打磨系统中的机器人控制柜进行通讯、对气动回路进行控制、图像采集和处理以及人机对话；\n[0010] 所述气动控制柜用于利用气动回路控制两个打磨系统的气动打磨头的旋转运动和气动柔顺力，实现气动打磨头的打磨功能；\n[0011] 所述机器人视觉自定位系统包括双目三维光学扫描仪和图像采集卡，所述双目三维光学扫描仪安装在所述防护栏上，用于实现工件基准的快速精准标定及打磨路径实时校准补偿，所述双目三维光学扫描仪与图像采集卡配合，采用全局视觉方式对工作区域进行图像采集。\n[0012] 本发明打磨系统的有益效果包括：(1)气动打磨头与被加工零件表面的压力易于控制，并能保证打磨过程中打磨压力大小始终保持一致，有效保证零件的打磨去除量，使打磨质量统一，同时气动主轴还具备打磨工具磨损自动补偿功能；(2)通过机器人路径规划使打磨压力始终保持在被加工表面的法线方向，有效地保证自由曲面打磨精度和打磨质量一致性；(3)采用粗打磨路径和精打磨路径互相正交的方法，有效地提高了打磨质量；(4)采用机器人视觉自定位系统，能快速地对工件的基准进行精确标定，同时具备打磨路径实时校准补偿功能；(5)本发明打磨系统既可实现大型自由曲面的粗、精同步打磨，也可以实现两个同样零件的同时打磨，具备较高的打磨效率。\n附图说明\n[0013] 图1为根据本发明一实施例的打磨系统结构示意图。\n[0014] 图2为根据本发明一实施例的打磨系统主视图。\n[0015] 图3为根据本发明一实施例的打磨系统俯视图。\n[0016] 图4为根据本发明一实施例的打磨系统左视图。\n[0017] 图5为根据本发明一实施例的气动打磨头结构示意图。\n[0018] 图6为根据本发明一实施例的滑鞍结构示意图。\n[0019] 图7为根据本发明一实施例的底座部件结构示意图。\n[0020] 图8为根据本发明一实施例的气动回路示意图。\n[0021] 图9为根据本发明一实施例的控制系统结构示意图。\n[0022] 图10为根据本发明一实施例的正交打磨轨迹示意图。\n具体实施方式\n[0023] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。\n[0024] 本发明提出了一种机器人并行打磨系统，该打磨系统通过同步控制两台工业机器人，可实现对大型自由曲面零件的粗打磨与精打磨同步进行，从而有效地提高了生产效率。\n[0025] 图1为根据本发明一实施例的打磨系统结构示意图，图2为根据本发明一实施例的打磨系统主视图，图3为根据本发明一实施例的打磨系统俯视图，图4为根据本发明一实施例的打磨系统左视图，如图1-4所示，所述打磨系统包括两个打磨子系统（粗打磨系统和精打磨系统）、底座部件1、系统控制柜3、气动控制柜4、防护栏8、机器人视觉自定位系统、工件\n13和工作台14，其中：\n[0026] 所述工件13放置在工作台14上；\n[0027] 所述精打磨系统固定安装在所述底座部件1上，用于对于所述工件13进行精打磨；\n[0028] 所述精打磨系统包括第一工业机器人7、第一机器人控制柜5、第一气动打磨头9、第一滑鞍6，其中：\n[0029] 所述第一滑鞍6固定安装在所述底座部件1的滑块1-3上，可在底座部件1的线性导轨1-2上做直线运动，同时，第一滑鞍6通过螺母座与第一滚珠丝杠螺母副1-5固定在一起，底座部件1上的第一伺服电机1-7驱动第一滚珠丝杠螺母副1-5带动第一滑鞍6在底座部件1的线性导轨1-2上做直线运动；\n[0030] 所述第一工业机器人7固定安装在所述第一滑鞍6上；\n[0031] 所述第一机器人控制柜5用于控制第一工业机器人7的运动，使第一工业机器人7末端的第一气动打磨头9按照规划轨迹运动，同时还控制第一伺服电机1-7完成第一工业机器人7的进给运动；\n[0032] 所述第一气动打磨头9安装在所述第一工业机器人7的末端，用于对工件13进行精打磨，如图5所示，其进一步包括依次连接的第一气动主轴9-1、第一连接件9-2和第一打磨工具9-3，其中，所述第一气动打磨头9通过第一连接件9-2固定在第一工业机器人7的末端法兰上；所述第一气动主轴9-1包括第一气动马达9-1-1和第一柔顺气缸9-1-2，第一柔顺气缸9-1-2具备气动柔顺力控制功能，用于控制第一打磨工具9-3的打磨压力，同时具备砂轮磨损自动补偿功能；第一气动马达9-1-1用于实现第一打磨工具9-3的高速旋转并使其打磨零件；\n[0033] 所述粗打磨系统固定安装在所述底座部件1上，用于对于所述工件13进行粗打磨；\n[0034] 所述粗打磨系统包括第二工业机器人11、第二机器人控制柜2、第二气动打磨头\n12、第二滑鞍15，其中：\n[0035] 所述第二滑鞍15固定安装在所述底座部件1的滑块1-3上，可在底座部件1的线性导轨1-2上做直线运动，同时，第二滑鞍15通过螺母座与第二滚珠丝杠螺母副1-6固定在一起，底座部件1上的第二伺服电机1-9驱动第二滚珠丝杠螺母副1-6带动第二滑鞍15在底座部件1的线性导轨1-2上做直线运动，滑鞍的结构示意图如图6所示；\n[0036] 所述第二工业机器人11固定安装在所述第二滑鞍15上；\n[0037] 所述第二机器人控制柜2用于控制第二工业机器人11的运动，使第二工业机器人\n11末端的第二气动打磨头12按照规划轨迹运动，同时还控制第二伺服电机1-9完成第二工业机器人11的进给运动；\n[0038] 所述第二气动打磨头12安装在所述第二工业机器人11的末端，用于对工件13进行粗打磨，其组成与第一气动打磨头9一致，即包括第二气动主轴12-1、第二连接件12-2、第二打磨工具12-3，但所述第二打磨工具12-3的粒度较小且打磨压力较大，其中，所述第二气动打磨头12通过第二连接件12-2固定在第二工业机器人11的末端法兰上；第二气动主轴12-1包括第二气动马达12-1-1和第二柔顺气缸12-1-2，第二柔顺气缸12-1-2具备气动柔顺力控制功能，用于控制第二打磨工具12-3的打磨压力，同时具备砂轮磨损自动补偿功能；第二气动马达12-1-1用于实现第二打磨工具12-3的高速旋转并使其打磨零件。\n[0039] 在本发明一实施例中，所述细打磨系统和粗打磨系统之间设有防撞装置及报警装置并保持一定的距离，以防止两个打磨系统相互碰撞。\n[0040] 粗打磨系统和精打磨系统的区别在于打磨压力不同、打磨工具不同（粗打磨系统的打磨工具粒度较小）、打磨路径不同。所述机器人并行打磨系统通过两个打磨子系统即可实现大型自由曲面的粗、精同步打磨，也可以实现两个同样工件的同时打磨，有效地保证了打磨精度并提高了打磨效率。\n[0041] 所述底座部件1包括两个运动单元，所述底座部件1通过驱动其运动单元实现两个打磨子系统的直线进给运动。图7为根据本发明一实施例的底座部件结构示意图，如图7所示，所述底座部件1包括底座1-1、安装在底座1-1两端的轴承座1-4和电机座1-8、安装在电机座1-8上的第一伺服电机1-7和第二伺服电机1-9、安装在轴承座1-4和电机座1-8之间的第一滚珠丝杠螺母副1-5和第二滚珠丝杠螺母副1-6、安装在轴承座1-4和电机座1-8外侧的线性导轨1-2、安装在线性导轨1-2上的滑块1-3。\n[0042] 所述系统控制柜3用于进行机器人运动学与动力学的离线解算、与第一机器人控制柜5和第二机器人控制柜2进行通讯、对气动回路进行控制、图像采集和处理以及人机对话；\n[0043] 所述气动控制柜4用于利用气动回路使第一气动主轴9-1和第二气动主轴12-1高速旋转并对其进行柔顺力控制，进而控制第一气动打磨头9和第二气动打磨头12的旋转运动和气动柔顺力，实现气动打磨头的打磨功能；\n[0044] 图8为根据本发明一实施例的打磨系统的气动回路示意图，从图8中可以看出，该气动回路包括气源4-1、释放残压手动阀4-2、过滤减压阀4-3、油雾器4-4、第一二位二通阀\n4-5、第一电气比例阀4-6、第一二位五通阀4-7、第一气动主轴9-1（包括第一气动马达9-1-1和第一柔顺气缸9-1-2）、第二二位二通阀4-8、第二电气比例阀4-9、第二二位五通阀4-10、第二气动主轴12-1（包括第二气动马达12-1-1和第二柔顺气缸12-1-2），其中：第一二位二通阀4-5（第二二位二通阀4-8）用于控制第一气动马达9-1-1（第二气动马达12-1-1）高速旋转的启动和停止，第一电气比例阀4-6（第二电气比例阀4-9）和第一二位五通阀4-7（第二二位五通阀4-10）用于控制第一柔顺气缸9-1-2（第二柔顺气缸12-1-2）的顶出力，从而实现打磨压力的控制；该气动回路的工作原理为：压缩空气从气源4-1输入到释放残压手动阀4-2后进入过滤减压阀4-3和油雾器4-4，使压缩空气得到过滤和减压，并携带油雾（主要是用于对气动主轴件进行润滑），然后通过T型3通快速接头分成两路，其中一路通过T型3通快速接头又分成两路，一路经过第一二位二通阀4-5后进入第一气动马达9-1-1，另一路经过第一电气比例阀4-6和第一二位五通阀4-7后进入第一柔顺气缸9-1-2，另一路通过T型3通快速接头也分成两路，一路经过第二二位二通阀4-8后进入第二气动马达12-1-1，另一路经过第二电气比例阀4-9和第二二位五通阀4-10后进入第二柔顺气缸12-1-2；当第一二位二通阀\n4-5（第二二位二通阀4-8）接收到来自控制系统的信号时，线圈得电，使压缩空气直接进入第一气动马达9-1-1（第二气动马达12-1-1），实现第一气动马达9-1-1（第二气动马达12-1-\n1）高速旋转；第一电气比例阀4-6（第二电气比例阀4-9）根据接收到的控制系统模拟量输出相应的气压，当第一二位五通阀4-7（第二二位五通阀4-10）接收到来自控制系统的信号时，线圈得电，使压缩空气进入第一柔顺气缸9-1-2（第二柔顺气缸12-1-2），产生打磨压力，通过调节第一电气比例阀4-6（第二电气比例阀4-9）的模拟量即可气动柔顺力的控制。\n[0045] 所述防护栏8安装在所述打磨系统的上部，用于隔离打磨噪音和粉尘，保护工作人员的人身安全，同时用于固定双目三维光学扫描仪10。在本发明一实施例中，所述防护栏8由金属比如铝合金支架和有机玻璃制成。\n[0046] 所述机器人视觉自定位系统包括双目三维光学扫描仪10和图像采集卡，其中所述双目三维光学扫描仪10是机器人视觉自定位的关键部件，其安装在所述防护栏8上，用于实现工件基准的快速精准标定及打磨路径实时校准补偿；所述双目三维光学扫描仪10与图像采集卡配合，采用全局视觉方式对工作区域进行图像采集，然后通过相关机器视觉算法，提取出工件基准的圆孔边缘特征，确定其中心线，实现工件基准的快速精准标定，同时系统控制柜3通过图像识别方法，提取跟踪特征，进行数据识别和计算，通过逆运动学求解得到机器人各关节位置误差值，根据误差值再结合机器人运动学原理实时调整机器人位姿以消除此误差，实现打磨路径实时校准补偿。\n[0047] 所述机器人并行打磨系统的控制系统组成如图9所示，该控制系统由机器人控制系统、气动控制系统及机器人视觉自定位系统组成，所述机器人控制系统包括系统控制柜\n3、第一实时控制卡、第二实时控制卡、第一机器人控制柜5、第二机器人控制柜2、第一工业机器人7、第二工业机器人11、第一伺服电机1-7和第二伺服电机1-9，机器人控制系统通过第一实时控制卡和第二实时控制卡2分别实现第一机器人控制柜5与系统控制柜3的通讯、第二机器人控制柜2与系统控制柜3的通讯，第一机器人控制柜5（第二机器人控制柜2）用于控制第一工业机器人7（第二工业机器人11）的6个轴的运动，使工业机器人末端的第一气动打磨头9（第二气动打磨头12）按照规划轨迹运动，同时还用于控制第一伺服电机1-7（第二伺服电机1-9）完成实现工业机器人的进给运动；所述气动控制系统包括系统控制柜3、气动控制柜4、第一气动打磨头9和第二气动打磨头12，系统控制柜3通过控制指令控制气动控制柜4中的气动元器件，实现气动打磨头的高速转动和打磨压力，从而有效地保证了打磨精度及打磨质量一致性；所述机器人视觉自定位系统包括系统控制柜3、图像采集卡和双目三维光学扫描仪10，利用双目三维光学扫描仪10对工作区域进行全局视觉方式的图像采集，通过图像采集卡将采集到的图像传到系统控制柜3，采用直方图均衡化方法增强图像的对比度，再采用中值滤波方法对图像进行平滑处理，通过边缘检测算子提取出工件基准的圆孔边缘特征，确定其中心线，实现工件基准的快速精准标定，同时通过图像识别方法，提取跟踪特征，进行数据识别和计算，通过逆运动学求解得到机器人各关节位置误差值，根据误差值再结合机器人运动学原理实时调整机器人位姿以消除此误差，实现打磨路径实时校准补偿。\n[0048] 所述机器人并行打磨系统工作前，先通过路径生成软件对被加工零件的三维模型进行处理，提取被加工曲面数据，然后划分打磨区域和打磨次序，根据曲面数据和打磨工艺数据库确定工艺参数，生成每个打磨区域的打磨路径，再生成机器人运动程序，并将机器人运动程序传送到第二机器人控制柜2和第一机器人控制柜5；机器人并行打磨系统工作时，先由粗打磨系统对第一片自由曲面进行粗打磨，第二机器人控制柜2根据机器人运动程序驱动第二伺服电机1-9通过第二滚珠丝杠螺母副1-6带动第二工业机器人11在底座部件1线性导轨1-2上移动到第一片自由曲面区域，系统控制柜3将控制指令传送到气动控制柜4，通过控制气动系统使第二气动打磨头12带动打磨工具高速旋转，同时驱动第二工业机器人11按照规划路径带动第二气动打磨头12对待加工工件的第一片自由曲面进行打磨；完成第一片自由曲面粗打磨后，第二机器人控制柜2根据机器人运动程序驱动第二伺服电机1-9通过第二滚珠丝杠螺母副1-6使第二工业机器人11移动到第二片自由曲面区域，通过系统控制柜3控制气动控制柜4使第二气动打磨头12带动打磨工具高速旋转，同时驱动第二工业机器人11按照规划路径带动第二气动打磨头12对第二片自由曲面进行粗打磨，与此同时，第一机器人控制柜5根据机器人运动程序驱动第一伺服电机1-7通过第一滚珠丝杠螺母副1-5带动第一工业机器人7在底座部件1线性导轨1-2上移动到已经粗打磨完的第一片自由曲面区域，通过系统控制柜3控制气动控制柜4使第一气动打磨头9带动打磨工具高速旋转，同时驱动第一工业机器人7按照规划路径带动第一气动打磨头9对第一片自由曲面进行精打磨；粗打磨系统打磨完第二片自由曲面后进入第三片自由曲面进行粗打磨，同时精打磨系统完成第一片自由曲面的精打磨并进入第二片自由曲面，如此按顺序对自由曲面进行先粗打磨后精打磨的加工，最后实现整个自由曲面的打磨；打磨完成后第一工业机器人7和第二工业机器人12分别先进行复位，然后通过驱动第一伺服电机1-7和第二伺服电机1-9使第一工业机器人7和第二工业机器人12分别复位到各自在底座上的原点。\n[0049] 所述机器人并行打磨系统在打磨过程中通过系统控制柜3控制气动控制柜4中气动回路的气动比例阀，使第一气动打磨头9或第二气动打磨头12始终压紧被加工零件的表面，并通过设置电气比例阀使打磨过程中的压力大小保持恒定，实现气动柔顺力的控制，从而实现要求的打磨精度，同时通过机器人路径规划，使打磨压力始终保持在被加工零件表面法线上，从而确保打磨质量的一致性。\n[0050] 如图10所示，所述机器人并行打磨系统在打磨过程中，为了使打磨效果更好，且打磨效率更高，通过路径生成软件，并采用ZigZag路径规划方法，使同一片自由曲面的粗打磨路径和精打磨路径的互相正交。图10中，图10a为粗打磨路径，图10b为精打磨路径。\n[0051] 本发明可以对大型自由曲面的工件进行粗、精同步打磨，也可以实现两个同样工件的同时打磨，有效地保证了打磨精度并提高了打磨效率；系统工作前，先通过路径生成软件根据工件的三维模型划分打磨区域，生成打磨路径，通过机器人视觉自定位系统快速准确地标定工件基准，再由两台工业机器人带动气动打磨头按规划路径对各个打磨区域分别进行粗、精打磨，打磨过程采用气动柔顺力控制技术、法向打磨力控制技术和路径实时校准补偿技术，有效地保证打磨精度和打磨质量一致性。本发明适用于具有大型自由曲面的工件的打磨，可以实现打磨的质量稳定，效果统一，同时代替了工人在打磨抛光这种恶劣的环境中工作，并提高了产品加工效率。\n[0052] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。