机器人切除毛刺技术的进展.doc

2012-07-19#P#r o#g#r e#ss#in#R2o0b1ot2ic -D0eb7u-r r1in9g #Te#ch#n#ol#og#y#2#012-07-19#山东大学机械工程学院王宪伦 王 勇 薛云娜摘要 介绍了机器人切除毛刺的加工过程的特点, 指出了实际应用中存在的问题, 并重点对机器人切 除毛刺操作的轨迹规划和控制策略进行了分析比较。 最后展望了机器人去毛刺技术的发展方向。进行准确的路径跟踪, 确保刀具沿毛刺存在方向运动;二是在表面施加恰当的力, 保证完全去除毛刺, 同时避 免损坏零件表面和刀具。对于小型和精度要求较低的零件, 机器人去毛刺 的过程较简单, 仅涉及到轨迹的规划和避障, 而航空航 天行业大型复杂零件及精度要求较高的零件的去毛刺 过程则相对复杂, 需要精确控制机器人的运动轨迹和 接触力, 属于力控制即柔顺控制。在实际操作中去毛刺机器人力控制方式有别于装 配操作机器人, 前者以非冲突的方法控制力和力矩, 沿 着被约束的方向控制力, 沿着非约束的方向控制位置, 根据运动中的接触力来修正和实现规划好的路径。而 装配机器人的力反馈则是为了增加在约束环境中的定 位精度, 是机械手末端执行器对于环境的实际位置的 信息源。去毛刺机器人的路径规划和力控制方式与抛 光、研磨机器人也有很大区别, 去毛刺过程中机械手必 须准确跟踪零件的棱边, 而抛光机械手必须完成对待 加工曲面的跟踪; 去毛刺过程中末端工具沿进给方向 的切向力随着毛刺大小的不同变化较大, 对加工效果 产生很大影响, 必须同时控制切向力和法向力, 而抛光 操作由于切除材料少, 切向力一般不作特别控制。1.2操作过程的分类根据去毛刺机器人末端执行器夹持对象的不同可 以把去毛刺加工方法分为2类。( 1) 夹持零件法: 去毛刺工具位置固定, 机器人夹持着零件按设定的轨迹执行进给运动, 从而切除毛刺。 这种方法仅适合尺寸较小、质量较轻、形状简单的零 件。( 2) 夹持工具法: 机器人夹持着加工工具沿零件的 棱边作进给运动, 完成去毛刺加工。这种方式适合质量 较大、外形复杂的零件。无论哪种方式, 两者间的相对运动都必须是具有 高的位置精度和重复定位精度的连续轨迹运动。关键词:机器人 去毛刺 轨迹规划 力控制ABSTRACTIn this paper, the procedure char-acteristics and the problems of robot deburring are sur- veyed. The trajectory planning and control strategies for robotic deburring are also analyzed and compared. In the end, the future development directions are discussed.Keywor ds: Robot Debur r ing Tr ajector y plan ning For ce contr ol在零件加工中会产生各种毛刺, 毛刺的存在不但影响零件的表面质量和实际应用, 而且对环境、人身也 有一定的影响。机器人去毛刺因其易于实现作业的自 动化、柔性化和智能化, 有较高的加工效率和加工精 度, 可以减少零件的报废率, 并且具有易于与外围设备 集成、加工方法简单、花费较低等优点, 得到了快速发 展和应用。国外切除毛刺机器人的研究已有20多年的历史, 特别是航空航天领域的研究与应用已取得了大量的成 果, 但还有很多关键问题有待解决, 仍被认为处于初级 研究阶段。国内航空航天领域也已开始使用机器人去 除航空发动机叶片上的毛刺, 提高了叶片的磨削加工 精度和使用寿命, 并可减少废品, 被认为是很有前途的 工艺方法。1概述1.1操作过程的特点机器人去毛刺操作是在保证零件尺寸公差的前提 下, 驱动加工工具沿着零件的棱边运动以切除毛刺的 过程。整个操作可以分为2个子任务, 一是对工件棱边2 操作规划和编程*教 育 部 留 学 回 国 基 金( 01345) 、 山 东 省 自 然 科 学 基 金( Y2002F13) 资助项目。 由于机器人去毛刺多用于复杂零件, 且需要对棱2012-07-19#2012-07-19#2#012-07-19#边进行准确的跟踪, 因此需要较多的路径点和较高的位置精度, 这给机器人去毛刺系统的编程带来很大的 困难。目前有以下2种常见路径规划方式。2.1离线编程方式通过基于零件CAD / CAM模型的机器人仿真系统 进行离线编程, 可节省编程时间, 具有一定的优越性。 但是由于理论建模和实际环境的误差影响因素较多, 计算出的轨迹有时很难达到加工要求, 在实际加工过 程中还应进行修改或在线调整。通用机器人的编程仿 真软件, 如GRASP、WORKSPACE 等都有离线编程功 能, 但是对于去毛刺这种复杂任务的编程有一定的难 度; 专用于去毛刺机器人的编程仿真软件, 如ADACS 和CDWS可从零件CAD模型中分离出边界, 然后提取 棱边的特征信息, 根据这些信息得出工具末端轨迹。2.2对不确定或未知轮廓进行在线轨迹跟踪 由于工件的位置和形状的不确定性, 对工件表面轮廓进行在线识别变得十分必要。目前在这方面的研 究可分为以下3类:( 1) 采用安装在力传感器上的滚轮跟踪零件的棱边, 这种方法仅适用于低进给率的情况, 而且对零件的 形状也有一定的要求。( 2) 应用三维测量设备或各种视觉传感器在线生 成被加工部分的几何模型, 进而找出边界轨迹, 计算出 刀具路径。Mizukawa1在零件轮廓信息不完全的情况 下, 应用拍摄的两维视频图像在线重建被加工部分的 几何模型, 获取所需运动轨迹。Rajagopalan2建立了一 个自动去毛刺系统, 该系统首先应用位置传感器探测, 并重建工件表面几何结构, 然后决定加工路径, 最后完 成加工。这类方法需要系统有很高的运算速度, 系统结 构复杂, 加工成本较高。( 3) 利用先进的控制方法, 结合力传感器信息, 实 现对未知环境的追踪和不确定参数的补偿。Kiguchi3 等应用模糊向量的概念从力传感器信息中获得未知轮 廓表面的法向向量, 进而在线调整力控制的方向。Jung 和Jung S4应用神经网络对环境刚度、工件位置和机器 人动态模型的不确定因素进行了全面的补偿, 取得了 很好的效果。但目前基于智能控制的未知环境的跟踪段使用1个控制器, 不需要更换控制器, Cai5等没有考虑过渡阶段, 而根据其他2个阶段的不同情况, 找到了 统一的路径表达方式, 设置了内外2个反馈环节, 通过 不同的反馈, 实现2个阶段的稳定过渡。显然这种方法 忽略了过渡阶段, 在过渡阶段的冲击必然会引起系统 的不稳定甚至对工具和工件造成一定的损害。另一类根据不同阶段的特点使用不同的控制器, Pagilla6根据去毛刺过程中不同阶段工具末端的法向 力、法向速度和不同的位置设置了转折点, 在各转折 点触发不同的控制器。这种方法重视了过渡阶段的存 在, 但是在各阶段更换控制器时, 整个系统处于开环控 制状态或者不确定的状态, 需要考虑各阶段的平稳过 渡。3.1 加工阶段的控制方法机器人去毛刺加工阶段的控制同装配机器人一样 需要进行力控制, 在文献中对于后者的力控制方案和 通用的力控制方法有了详细的论述, 本文就去毛刺操 作中力控制的应用进行分析讨论。3.1.1 基本控制方法机器人基本的力控制方法分类有很多, 目前对这 些控制方法还没有标准的分类, 很多研究者认同把它 们分为两大类: 阻抗控制5和力 / 位置混合控制3。阻抗控制的特点是不直接控制机器人与环境的作用力, 而是根据机器人端部的位置(或速度)和端部作用 力之间的关系, 通过调整反馈位置误差、速度误差或刚 度来达到控制力的目的。在去毛刺作业中, 为了减少外 力对加工精度的影响, 一般在具有位置约束的法向应 用较大的阻抗; 在切向进给方向, 为使刀具进给时能适 应毛刺大小的变化而应用较小的阻抗。应用阻抗控制 需要得到精确的机械手和环境之间的动态模型, 并且 需要获得精确的接触力大小, 模型的不确定性和力的 误差会降低控制效果。在力 / 位置混合控制中, 机器人以独立的形式同时 控制力和位置, 在非约束方向控制位置, 而在约束方向 控制力。在实际应用中通过雅可比矩阵和选择矩阵可 以将操作空间任意方向的力和位置分配到各个关节控 制器上。对于去毛刺机器人则在加工表面的法向使用 力控制, 而在没有位置约束的切向使用位置控制, 但是 这种方法运算量大且存在稳定性问题。后来的研究者们对控制方案进行了改进和完善, 如在混合控制器中考虑了机械手的动态影响, 对机械 手所受重力、哥氏力、向心力和摩擦力等进行了补偿,与补偿还处于仿真和一些简单的试验阶段,际生产中应用。未能在实操作过程的控制3目前去毛刺的控制方式可分为两类: 一类是3个阶2007 年第 4 期航空制造技术 97在力控制回路中加入阻尼反馈来消减振荡等。Ander-son7等把2种经典的控制方法结合起来, 提出了混合阻 抗控制的方法, 克服了二者的缺点, 取得了较好的控制 效果。不能在实际生产中应用。3.2过渡阶段的控制这一阶段的主要任务就是实现末端执行工具和工件的稳定接触, 减小碰撞。目前解决这个问题的方法有以下3种:( 1) 应用被动柔顺原理设计机器人执行末端, 用它 来吸收能量, 减小碰撞。ADACS系统中配备的由美国 联合技术研究中心(UTRC)研发的CADET和ADT就是2 种有效的被动工具夹持器。( 2) 运用运动冗余来优化运动轨迹, 减小碰撞力。 Walker13利用冗余机器人执行相同任务时手臂位姿的 灵活性, 寻求最佳位姿, 减小碰撞冲击。( 3) 设计合理的控制器, 实现稳定的过渡。一旦实 际生产中的机器人和它的硬件定下来, 其机械结构、运 动冗余、传感器是不容易改变的, 并且即使采取了以上 一种或几种方法, 也不可能完全解决过渡阶段的问题。 更好的办法就是设计合理的控制器, 控制末端执行工 具的法向速度, 实现稳定的过渡。Allotta14通过超声波 和红外传感器获得机器人末端执行工具与工件相对位 置关系, 进而调整机器人关节速度, 更换控制方法, 实 现工具和工件的平滑接触。Pagilla15等在机械手末端和 工件接触的稳定问题上做了大量的试验, 研究了前后 撞击的关系, 考虑了动摩擦系数, 并设计了包含多种控 制方法的控制器。3.1.2现代控制方法近年来在基本控制方法的基础上结合自适 应 控制、学习控制和软计算技术出现了先进的现代控制方 法。( 1) 自适应控制策略。为克服毛刺大小的不确定性和模型不精确 等 问 题, 控制器必须能够适应环境的变化, 并有较好的稳定 性。Bone8在切除毛刺的加工过程中融合视觉传感器和 力传感器的信息, 对毛刺的尺寸和位置进行精确的测 量, 根据反馈结果在线调整控制参数, 适应环境的变 化。Jung4 提 出 了 自 适 应 阻 抗 控 制 方 法 , 根 据 力 的 误 差、采样周期和阻尼增益等在线调整动态模型中的自 适应参数, 进而补偿不确定环境对接触力的影响, 并通 过优化其调整范围, 增强了系统的稳定性。Pagilla9等 通过磨削系数建立切向力和法向力的关系, 根据工具和零件不同的接触状况估计磨削系数,了很好的补偿作用。( 2) 智能控制策略。对切向力起到近年来, 以模糊逻辑、神经网络、遗传算法等软计算技术为代表的智能控制理论方法及其综合集成为解 决不确定性(包括结构不确定性和参数不确定性)、时空 非线性以及多变量等特性的复杂建模系统的控制问题 提供了一条有效途径。Liu10应用神经网络把人在去毛刺过程中的经验 和技能教给机器人, 让它们模仿人的识别和加工过程。 Su11等提出了基于进化的虚拟示教方法, 工人通过虚 拟环境不断训练, 可以得到阻抗控制参数和实际加工 信息的关系, 然后应用模糊控制理论, 根据实际的加工 环境调整机器人阻抗控制的参数。Liu12提出了矫正的 位置 / 力混合控制结构, 并在此基础上引入了模糊控制 策略, 该方法可以补偿系统位置误差, 并能根据毛刺尺 寸大小的变化调整工具进给速度。Kiguchi3开发了模 糊神经网络力 / 位置控制器, 控制器把模糊神经网络合 并到混合控制方法内, 可以在未知环境下在线调整其 控制参数, 完成去毛刺作业。先进的控制方法的研究提高了机器人切除毛刺的 加工效果, 但是目前多局限于机器人的实验室研究, 还44.1其他相关技术力学模型机器人去毛刺加工过程中机械手动力学模型和加工过程的力学模型对于控制方法的设计和实现具有十分重要的意义。在以往的研究中, 提出的模型大都是描 述法向力或者切向力与切削深度、进给速度、刀具角度 等过程参数的关系, 由于刀具磨损和振动的存在, 这类 模型一般很难精确描述加工过程的情况。4.2在线检测去毛刺前用各种传感器来识别毛刺的大 小 和 位置, 可以为加工轨迹的校正和刀具的选择提供依据, 而加工后的检测可以用来分析去毛刺的效果, 并做出判 断, 在线调整控制参数, 补偿刀具磨损等。所以在线检 测在目前各种控制方法均不能很好达到加工效果的情 况下有着十分重要的作用。4.3末端夹持器和加工工具设计虽然运动规划与控制策略中考虑了去毛刺过程的98 航空制造技术2007 年第 4 期不确定性, 但是被动柔顺的末端夹持器和加工工具对于补偿位置误差、吸收振动能量、增加加工柔顺性起着 不可替代的作用。柔顺工具比刚性工具可以减小振动 和二次毛刺的产生,但增加了编程的难度。柔顺末端夹 持器的开发与研究不仅包括机械结构的设计, 主动柔 顺控制的夹持器还包括力控制机制与控制算法的研 究。3 Kiguchi K, Fukuda Toshio. 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