本發(fā)明屬于機(jī)器人自動(dòng)化加工領(lǐng)域，具體涉及一種基于ros的復(fù)雜曲面葉片力位混合控制加工系統(tǒng)，適用于機(jī)器人對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、渦輪葉片型面和進(jìn)排氣邊的加工。

背景技術(shù)：

葉片類復(fù)雜曲面零件作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪等裝置的核心零部件之一，對(duì)整機(jī)工作性能具有非常重要的作用，其幾何形狀精度和表面質(zhì)量直接決定整機(jī)的工作性能和效率。復(fù)雜曲面葉片也因其葉形薄且彎曲和扭曲程度大，屬于機(jī)械加工領(lǐng)域中典型的難加工零件，其制造材料也以難加工的高溫合金、鈦合金等為主，傳統(tǒng)的加工方法存在加工效率低和精度差等問(wèn)題。

葉片的加工方式當(dāng)前依然停留在以人工磨拋為主的階段，此方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且加工精度也難以保證。隨著葉片尺寸的不斷增大，產(chǎn)量需求的不斷上升，葉片自動(dòng)化機(jī)械磨拋已經(jīng)成為限制高質(zhì)量葉片生產(chǎn)的瓶頸。

近年來(lái)，由于機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展和勞動(dòng)力成本的上漲，機(jī)器人在磨拋加工中逐漸得到重視。與傳統(tǒng)加工方式相比，機(jī)器人系統(tǒng)不僅具有靈活性好、通用性強(qiáng)、易于拓展等優(yōu)點(diǎn)，而且其成本也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于專用機(jī)床和數(shù)控機(jī)床。但是為機(jī)器人編寫程序?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜曲面葉片的位置環(huán)和力環(huán)精確控制加工卻越來(lái)越復(fù)雜繁重。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明旨在基于消息服務(wù)機(jī)制的ros(robotoperatingsystem，機(jī)器人操作系統(tǒng))，構(gòu)建一種易于建立網(wǎng)絡(luò)化、分布式計(jì)算、模塊化設(shè)計(jì)以及具有豐富的機(jī)器人軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具的葉片力位混合控制加工系統(tǒng)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種基于ros的復(fù)雜曲面葉片力位混合控制加工系統(tǒng)，其包括：工業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人控制單元、處理單元、力/力矩傳感器、砂帶磨拋機(jī)；

工業(yè)機(jī)器人的輸入端連接機(jī)器人控制單元的輸出端；機(jī)器人控制單元連接處理單元并與處理單元雙向傳輸數(shù)據(jù)；力/力矩傳感器設(shè)置在砂帶磨拋機(jī)上，連接處理單元并與處理單元雙向傳輸數(shù)據(jù)；

砂帶磨拋機(jī)位置固定，用于磨削葉片；

處理單元安裝有ubuntu操作系統(tǒng)和ros機(jī)器人操作系統(tǒng)，用于錄入刀路軌跡規(guī)劃、力軌跡規(guī)劃以及實(shí)時(shí)接受力/力矩傳感器的反饋信息，從而得到刀路軌跡規(guī)劃、力軌跡規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解并實(shí)時(shí)發(fā)送到機(jī)器人控制單元；

機(jī)器人控制單元用于將接收到的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解轉(zhuǎn)換為刀路軌跡指令和力軌跡指令，并發(fā)送給工業(yè)機(jī)器人；

工業(yè)機(jī)器人用于裝夾葉片并機(jī)器人控制單元的指令帶動(dòng)葉片繞砂帶磨拋機(jī)運(yùn)動(dòng)以完成葉片的磨削。

進(jìn)一步地，處理單元包括主處理器、第一分處理器、第二分處理器；

第一分處理器用于執(zhí)行砂帶磨拋機(jī)的刀位軌跡規(guī)劃數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解過(guò)程，并將向主處理器發(fā)布得到的刀位軌跡規(guī)劃運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解控制信息，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人位置環(huán)實(shí)時(shí)控制；

第二分處理器用于執(zhí)行砂帶磨拋機(jī)的力軌跡規(guī)劃數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解過(guò)程，向主處理器發(fā)布砂帶磨拋機(jī)的力軌跡規(guī)劃運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解控制信息，實(shí)現(xiàn)力環(huán)實(shí)時(shí)控制；

主處理器用于根據(jù)接收到的刀位軌跡規(guī)劃運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解控制信息、力軌跡規(guī)劃運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解控制信息向工業(yè)機(jī)器人發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令，以及接受力/力矩傳感器的反饋信息，并將得到的反饋信息上傳給第一分處理器和第二分處理器。

進(jìn)一步地，主處理器還用于向機(jī)器人控制單元發(fā)送工業(yè)機(jī)器人的各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)值，并實(shí)時(shí)獲取工業(yè)機(jī)器人的各關(guān)節(jié)的當(dāng)前位置、實(shí)時(shí)顯示磨拋過(guò)程的仿真運(yùn)動(dòng)以及繪制和記錄力位數(shù)據(jù)信息。

進(jìn)一步地，第一分處理器用于執(zhí)行如下閉環(huán)控制：以復(fù)雜曲面葉片機(jī)器人砂帶磨拋刀路軌跡規(guī)劃數(shù)據(jù)作為輸入，同時(shí)，接受工業(yè)機(jī)器人反饋的關(guān)節(jié)位置信息，利用kdl庫(kù)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的各關(guān)節(jié)角信息進(jìn)行后置處理，實(shí)現(xiàn)位置環(huán)的閉環(huán)控制。

進(jìn)一步地，第二分處理器用于執(zhí)行如下閉環(huán)控制：以復(fù)雜曲面葉片機(jī)器人砂帶磨拋力軌跡規(guī)劃數(shù)據(jù)作為輸入，同時(shí)，利用開(kāi)源機(jī)器人控制軟件以及針對(duì)力/力矩傳感器數(shù)據(jù)采集的ati數(shù)據(jù)采集c語(yǔ)言庫(kù)，實(shí)時(shí)地向主處理器和力/力矩傳感器發(fā)送葉片打磨的力軌跡信息，并接受力/力矩傳感器的反饋，實(shí)現(xiàn)力環(huán)的閉環(huán)控制。

進(jìn)一步地，工業(yè)機(jī)器人采用六自由度的comau-nj220-2.7機(jī)器人；機(jī)器人控制單元采用c5g；砂帶磨拋機(jī)所使用砂帶為gxk-51p180；力/力矩傳感器采用atiomega160六維力/力矩傳感器。

進(jìn)一步地，comau-nj220-2.7機(jī)器人的手腕負(fù)載220kg，重復(fù)精度±0.075mm；atiomega160六維力/力矩傳感器輸出電壓為±10v，對(duì)應(yīng)力為0～1000n。

總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

(1)本發(fā)明不再利用windows作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，而是選擇ubuntu操作系統(tǒng)，同時(shí)使用機(jī)器人操作系統(tǒng)ros作為機(jī)器人的軟件開(kāi)發(fā)和控制平臺(tái)，充分利用ros的分布式計(jì)算、模塊化設(shè)計(jì)以及代碼的開(kāi)源性和可重用性，以提高復(fù)雜曲面葉片機(jī)器人砂帶磨拋的軟件開(kāi)發(fā)和實(shí)際加工效率。

(2)本發(fā)明構(gòu)建了一種基于ros的復(fù)雜曲面葉片力位混合控制加工系統(tǒng)，該系統(tǒng)可有效地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面葉片機(jī)器人砂帶磨拋的力位混合控制，因而能夠精確地控制復(fù)雜曲面葉片的材料去除率以及提高其表面完整性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的磨拋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為機(jī)器人力位混合閉環(huán)控制框圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

本發(fā)明提供一種基于ros的復(fù)雜曲面葉片力位混合控制加工系統(tǒng)，其包括：工業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人控制單元、處理單元、力/力矩傳感器、砂帶磨拋機(jī)。

如圖1所示，本發(fā)明的第一實(shí)施例，其主要包括1臺(tái)6自由度的comau-nj220-2.7工業(yè)機(jī)器人、1臺(tái)機(jī)器人控制單元(c5g)、1臺(tái)砂帶磨拋機(jī)、1個(gè)atiomega160六維力/力矩傳感器、3臺(tái)處理器構(gòu)成的處理器單元(本實(shí)施例為3臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī))。工業(yè)機(jī)器人的輸入端連接機(jī)器人控制單元的輸出端；機(jī)器人控制單元連接處理單元并與處理單元雙向傳輸數(shù)據(jù)；力/力矩傳感器設(shè)置在砂帶磨拋機(jī)上，連接處理單元并與處理單元雙向傳輸數(shù)據(jù)；砂帶磨拋機(jī)位置固定，用于磨削葉片；處理單元安裝有ubuntu操作系統(tǒng)和ros機(jī)器人操作系統(tǒng)，用于錄入刀路軌跡規(guī)劃、力軌跡規(guī)劃以及實(shí)時(shí)接受力/力矩傳感器的反饋信息，從而得到刀路軌跡規(guī)劃、力軌跡規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解并實(shí)時(shí)發(fā)送到機(jī)器人控制單元；機(jī)器人控制單元用于將接收到的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解轉(zhuǎn)換為刀路軌跡指令和力軌跡指令，并發(fā)送給工業(yè)機(jī)器人；工業(yè)機(jī)器人用于裝夾葉片并機(jī)器人控制單元的指令帶動(dòng)葉片繞砂帶磨拋機(jī)運(yùn)動(dòng)以完成葉片的磨削。其工作流程為：工作人員在單元間通過(guò)操作處理器發(fā)送力/位數(shù)據(jù)指令給機(jī)器人控制單元c5g，c5g利用其自身封裝的插補(bǔ)算法控制夾持葉片的comau-nj220-2.7機(jī)器人配合砂帶磨拋機(jī)完成磨拋任務(wù)。

3臺(tái)處理器均安裝有ubuntu操作系統(tǒng)和機(jī)器人操作系統(tǒng)ros的處理器，其中1臺(tái)為主處理器，另外2臺(tái)為分處理器。第一分處理器、第二分處理器和主處理器通過(guò)編寫節(jié)點(diǎn)(node)，利用ros中的話題(topic)或服務(wù)(service)進(jìn)行消息(msg)傳遞，同時(shí)利用ros的分布式計(jì)算和模塊化設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，由主處理器啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)管理器(master)并負(fù)責(zé)仿真、運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)記錄，由第一分處理器和第二分處理器分別負(fù)責(zé)位置環(huán)和力環(huán)的模塊化處理。

主處理器使用ros中的rviz工具實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人砂帶磨拋系統(tǒng)的仿真運(yùn)動(dòng)以及使用ros中的rxplot繪制和記錄力位數(shù)據(jù)信息；通過(guò)編寫硬件驅(qū)動(dòng)與機(jī)器人控制單元相連，并利用tcp/ip協(xié)議向機(jī)器人發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令以及接受機(jī)器人運(yùn)動(dòng)反饋，其主要作用是顯示仿真效果、繪制和記錄力/位數(shù)據(jù)。

第一分處理器通過(guò)kdl庫(kù)執(zhí)行復(fù)雜曲面葉片機(jī)器人砂帶磨拋刀位軌跡規(guī)劃數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，并將逆解的位置信息發(fā)送到話題供主處理器訂閱,同時(shí)接收位置反饋，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人位置環(huán)控制。

第二分處理器通過(guò)atidaqclibrary(ati數(shù)據(jù)采集c語(yǔ)言庫(kù))和orocos(openrobotcontrolsoftware)對(duì)力軌跡規(guī)劃控制信息進(jìn)行處置，向主處理器發(fā)布力信息，同時(shí)接收力反饋，實(shí)現(xiàn)力環(huán)實(shí)時(shí)控制。

本實(shí)施例所采用的機(jī)器人控制單元c5g與comau-nj220-2.7機(jī)器人直接相連，其內(nèi)部封裝有位置插補(bǔ)、安全監(jiān)測(cè)等，可以接收來(lái)自主處理器的位置控制指令，并驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又可以將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)信息反饋給主處理器構(gòu)成位置環(huán)閉環(huán)控制。

在其他實(shí)施例中，三臺(tái)處理器的功能可以由一個(gè)處理器直接完成，但僅使用一個(gè)處理器，運(yùn)算量會(huì)大大增加，運(yùn)算速度會(huì)降低，功耗會(huì)提高。

本實(shí)施例所采用的砂帶磨拋機(jī)，其接觸輪為橡膠接觸輪，具有一定的彈性，可以有效地避免機(jī)器人夾持葉片與接觸輪之間的剛性碰撞。其所使用的砂帶為gxk-51p180，即密植砂全樹(shù)脂重布棕剛玉砂帶，粒度180#，可以有效地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面葉片的精磨加工。

如圖2所示，以兩個(gè)獨(dú)立的形式控制復(fù)雜曲面葉片機(jī)器人砂帶加工過(guò)程中的力和位置。在機(jī)器人研究領(lǐng)域，力自由空間和位置自由空間是兩個(gè)互補(bǔ)的正交的子空間，假設(shè)力自由空間的開(kāi)關(guān)特性的對(duì)角矩陣為s，總的自由空間的單位矩陣為i，則位置自由空間的開(kāi)關(guān)特征的對(duì)角矩陣為i-s。通過(guò)開(kāi)關(guān)特性的對(duì)角矩陣s和雅可比矩陣的逆矩陣j^-1，再分別乘以相應(yīng)的力控制比例系數(shù)kf和位置控制比例系數(shù)kp，在力自由空間進(jìn)行力控制，在剩余的正交方向上進(jìn)行位置控制，最終實(shí)現(xiàn)comau機(jī)器人和環(huán)境之間的力位混合控制。

在本實(shí)施例中，主處理器使用ros中的rviz工具實(shí)時(shí)顯示comau機(jī)器人仿真運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人模型由urdf(unifiedrobotdescriptionformat)文件定義，在launch文件中啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)管理器(master)和多個(gè)節(jié)點(diǎn)(node)。節(jié)點(diǎn)主要包括有發(fā)布(publish)機(jī)器人的關(guān)節(jié)狀態(tài)(joint_state)以及跟蹤坐標(biāo)變換(tf),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人狀態(tài)(robot_state)的更新，從而完成仿真運(yùn)動(dòng)。并且主處理器可以使用ros中的rxplot繪制和記錄機(jī)器人砂帶磨拋中的位置和力的數(shù)據(jù)信息。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。