CN105690209B - 一种大型曲面磨削自适应控制方法 - Google Patents

一种大型曲面磨削自适应控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大型曲面磨削自适应控制方法。该方法通过调整三个支撑点距离中心的位置来适应不同曲率的工件；通过粗调螺纹预紧力来减少接触力调整时间，提高效率；通过规定的采样周期采集磨削加工过程中的接触力进行力信号反馈，并设定接触力阈值，对连续5次采样周期采集的接触力值求出平均值，通过设定的控制器产生驱动信号不断调整打磨工具模块中驱动器的转矩方向和大小，改变弹性件变形量，使接触力大小适中并保持合适的数值范围，实现相对稳定的打磨接触力。本发明方法包括5步：1.磨削准备；2.碰触工件；3.轨迹规划；4.磨削加工；可实现打磨接触力的相对恒定，加工稳定性提高。

Description

一种大型曲面磨削自适应控制方法
技术领域
本发明涉及机械加工打磨领域，具体为一种大型曲面磨削自适应控制方法。
背景技术
传统的曲面打磨行业中，普遍由熟练工人手工完成。手工打磨不仅劳动强度大、费时费力，而且效率低下，很难保证工件形面质量的整体性和一致性；同时作业现场的噪声、粉尘和短纤维也严重影响工人的健康。而采用机器人直接夹持磨具进行打磨，工件表面质量虽然很高，但打磨前需要按工件模型和打磨区域示教机器人的运动轨迹，而且在实际的操作中，每个工件的定位尺寸都不一致，需要重复性进行运动轨迹的，这会严重影响打磨的效率。为提高机械加工打磨的效率、保证工件表面的加工质量，不破坏大型曲面工件形面的整体性和一致性，有必要开发一种能够根据工件形状实时地调整磨具打磨位置和姿态的方法，配合机器人对工件进行精细打磨。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种大型曲面磨削自适应控制方法。该方法控制原理简单，设计新颖，通过调整支撑点的位置来构造合适的支撑面，以适应不同曲率的工件表面磨削，通过螺纹预紧装置粗调预紧的接触力来减少调整时间，通过检测接触力大小，并通过控制驱动器输出转矩来改变弹簧的变形量，使接触力大小适中，保持在合适数值范围，实现相对稳定的打磨接触力，达到高效稳定的磨削加工效果。
本发明解决所述技术问题的技术方案是：设计一种大型曲面磨削自适应控制方法，该方法采用以下步骤：
（1）.磨削准备；在磨削加工开始前，先通过调整三个支撑点的位置，确定一个尽量贴合工件的最小面，以适应不同曲率工件的打磨，实现磨具和工件良好的接触；再通过设计的螺纹预紧装置粗调接触力大小，从而减少其调整时间，提高效率；其次，在控制***的人机交互界面上初步设置磨削参数和接触力阈值；
（2）.碰触工件；通过采集倾角传感器信息以及力传感信息进行倾角和接触力反馈，并显示在触摸屏上；当试触力大于接触力阈值时，需通过螺纹预紧装置来调整弹簧初始位置，然后对工件再进行碰触，直到试触力小于阈值；当试触力小于阈值时，可开始加工；
（3）.轨迹规划使得三个支撑点移动；在磨削加工过程中，通过控制***进行轨迹规划，控制三个支撑点移动，实时位姿调整，保证加工的连续性和形面的整体性，直至完成整个工件的磨削加工任务；
（4）.磨削加工；磨削加工开始后，接触力可以通过控制器和打磨工具模块自动调整，直到符合接触力要求；在磨削过程中，以打磨工具模块每循环进给1次作为一个采样周期，对磨具与工件的接触力信号进行采集，对连续5次采样周期采集的接触力值求出平均值，然后进行以下判断：并规定输出转矩以加大磨削量方向为正方向；
A. 开始加工后，再一次采集倾角传感器信息，计算两次倾角差值的绝对值，输入控制器，根据倾角差值以及力信息，按照下述公式【1】计算出接触力的平均值；
【1】
【1】式中，—接触力平均值，单位；—第i次采集的力信号，单位为；、 —分别为第一次、第二次采集的倾角值，单位。
B．当平均值小于阈值时，通过设定的控制器产生的驱动信号，顶部电机正向旋转，增大转矩，从而增大弹簧变形量，进而增大打磨接触力，最终使得磨削深度增加；
C.当平均值大于阈值时，通过设定的控制器产生的驱动信号，顶部电机反向旋转，减小转矩，从而减小弹簧变形量，进而减小打磨接触力，最终使得磨削深度减少；
D.当接触力平均值在10个采集周期内与接触力阈值相比保持基本相等时，通过设定的控制器产生的驱动信号，保持顶部电机的输出转矩，保持弹簧变形量，增大砂轮转速，提高磨削效率；
E.当接触力进行了10个采集周期后，适当减小弹簧变形量，恢复砂轮转速，采集次数归零，重新采集传感器信息。
（5）.接触力函数优化。在磨削加工开始后，可通过输入信息对接触力进行函数优化处理，进一步提高磨削精度，实现人机交互。
与现有技术相比，本发明方法的优点与积极效果为：
1本发明方法可适应大型曲面的稳定加工，在磨削加工开始前，首先通过调整由三个支撑点的位来确定一个尽量贴合工件的最小面，从而使安装在移动机构上的打磨工具尽量贴合工件曲面，使得磨具与工件间保持良好的接触，以适应不同曲率工件的打磨，打磨接触面大，效率高。同时通过设计的螺纹预紧装置粗调接触力大小，从而减少其调整时间，提高效率。
2本发明方法对工件进行试触，通过采取的试触力信息重新调整弹簧的初始位置，保证加工开始阶段，试触力小于设定阈值，提高表面加工质量。
3本发明方法在磨削加工过程中，通过控制***进行轨迹规划，控制三个支撑点按照规定的轨迹移动，实时位姿调整，保证加工的连续性和形面的整体性。
4本发明方法具有一定的接触力控制能力。在磨削加工开始后，通过实时检测磨具和工件的接触力进行力信号反馈，通过设定的控制器产生驱动信号不断调整打磨工具模块中驱动器的转矩方向和大小，使接触力大小适中，保持在合适的数值范围，实现相对稳定的打磨接触力，从而较好的保持磨削形面精度。
5本发明方法在触摸屏上通过输入信息对接触力阈值进行函数化处理，可进一步提高磨削精度，实现人机交互，增大控制***的灵活性，以提高针对不同曲率工件的适应能力和接触力的稳定性。
附图说明
图1为本发明大型曲面磨削自适应控制方法一种实施例的控制流程示意图；
图2为本发明大型曲面磨削自适应控制方法一种实施例（图1）中磨削加工的具体流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图进一步叙述本发明。
本发明设计的大型曲面磨削自适应力控制方法（简称方法，参见图1和2），该方法具体包括以下操作步骤：
第一步，磨削准备；在磨削加工开始前，首先通过调整由三个支撑点的位置来确定一个尽量贴合工件的最小面，以适应不同曲率工件的打磨要求，其次通过螺纹预紧装置来粗调接触力大小，减少接触力的调整时间，提高效率。
进一步，进行参数初步设置。控制***中设计了触摸显示屏，界面上分别设计了砂轮转速、进给速度、进给深度等各种磨削参数的预设置和显示框。在磨削过程中，界面上还会有接触力信号的动态显示框、接触力阈值设定框。
第二步，碰触工件或试碰触工件；通过采集倾角传感器信息以及力传感信息进行倾角和接触力反馈，并显示在触摸屏上；当试触力大于接触力阈值时，需通过三个螺杆螺母构成的螺纹预紧装置来调整弹簧的初始位置，然后对工件再进行碰触，直到试触力小于试触力阈值；当试触力小于试触力阈值时，即可开始加工；
第三步，三个支撑点移动；在磨削加工过程中，通过控制***进行轨迹规划，控制三个支撑点移动，实时位姿调整，保证加工的连续性和形面的整体性，直至完成整个工件的磨削加工任务；
第四步，磨削加工；磨削加工开始后，接触力可以通过控制器和打磨工具模块自动调整，直到符合接触力要求；在磨削过程中，以打磨工具模块每循环进给1次作为一个采样周期，对磨具与工件的接触力信号进行采集，对连续5次采样周期采集的接触力值求出平均值，然后进行以下判断：并规定输出转矩以加大磨削量方向为正方向；
A.开始加工后，再一次采集倾角传感器信息，计算两次倾角差值的绝对值，输入控制器，根据倾角差值以及力信息，按照下述公式【1】计算出接触力的平均值；
【1】
【1】式中，—接触力平均值，单位；—第i次采集的力信号，单位为；、 —分别为第一次、第二次采集的倾角值，单位。
B．当平均值小于阈值时，通过设定的控制器产生的驱动信号，顶部电机正向旋转，增大转矩，从而增大弹簧变形量，进而增大打磨接触力，最终使得磨削深度增加；
C.当平均值大于阈值时，通过设定的控制器产生的驱动信号，顶部电机反向旋转，减小转矩，从而减小弹簧变形量，进而减小打磨接触力，最终使得磨削深度减少；
D.当接触力平均值在10个采集周期内与接触力阈值相比保持基本相等时，通过设定的控制器产生的驱动信号，保持顶部电机的输出转矩，保持弹簧变形量，增大砂轮转速，提高磨削效率；
E.当接触力进行了10个采集周期后，适当减小弹簧变形量，恢复砂轮转速，采集次数归零，重新采集传感器信息。
本发明的进一步特征是，所述支撑点由三个万向轮构成，通过调整三个万向轮的相对位置，可确定一个尽量贴合工件的最小平面，以适应不同曲率工件的打磨，实现磨具和工件的最大接触面，提高磨削效率。三个万向轮的导向作用，使得移动机构可以完成任何方位的移动，从而提高对工件形状的自适应性。
本发明的进一步特征是，所述的螺纹预紧结构由三根端部有螺纹的细螺杆和螺母相配合构成，实现粗调接触力，预紧力小于接触力阈值，实施例设计的预紧力是阈值的50-80%。
本发明的进一步特征是，所述的接触力阈值根据材料类别和磨削量设定。
本发明的进一步特征是，在触摸屏上，通过输入信息对接触力进行函数优化处理，以进一步提高磨削精度，实现人机交互，增大控制***的灵活性，以提高针对不同曲率工件的适应能力和接触力的稳定性。
本发明方法涉及的设备、装置或结构基本为公知技术。但特别适用于申请人在先发明专利申请的“一种大型曲面磨削自适应打磨装置”（申请号为2016100150879）。该申请文件的权利要求书、说明书及附图可被引视为已引用到本发明方法中，以进一步支持本发明方法。
本发明方法未述及之处适用于现有技术。
上面结合附图对本发明的实施例做了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出的各种变化，也应视为本申请权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种大型曲面磨削自适应控制方法，该方法采用以下步骤：
(1).磨削准备；在磨削加工开始前，先通过调整三个支撑点的位置，确定一个尽量贴合工件的最小面，以适应不同曲率工件的打磨，实现磨具和工件良好的接触；再通过设计的螺纹预紧装置粗调接触力大小，从而减少其调整时间，提高效率；其次，在控制***的人机交互界面上初步设置磨削参数和接触力阈值；
(2).碰触工件；通过采集倾角传感器信息以及力传感器信息进行倾角和接触力反馈，并显示在触摸屏上；当试触力大于接触力阈值时，需通过由三个螺杆螺母构成的螺纹预紧装置来调整弹簧的初始位置，然后对工件再进行碰触，直到试触力小于阈值；当试触力小于阈值时，即可开始加工；
(3).轨迹规划；轨迹规划使得三个支撑点移动；在磨削加工过程中，通过控制***进行轨迹规划，控制三个支撑点移动，实时位姿调整，保证加工的连续性和形面的整体性，直至完成整个工件的磨削加工任务；
(4).磨削加工；磨削加工开始后，接触力可以通过控制器和打磨工具模块自动调整，直到符合接触力要求；在磨削过程中，以打磨工具模块每循环进给1次作为一个采样周期，对磨具与工件的接触力信号进行采集，对连续5次采样周期采集的接触力值求出平均值，然后进行以下判断：并规定输出转矩以加大磨削量方向为正方向；
A.开始加工后，再一次采集倾角传感器信息计算两次倾角差值的绝对值，输入控制器，根据倾角差值以及力信息，按照下述公式【1】计算出接触力的平均值；
【1】式中，F′—接触力平均值，单位N；Fi—第i次采集的力信号，单位为N；—分别为第一次、第二次采集的倾角值，单位rad；
B.当平均值小于阈值时，通过设定的控制器产生的驱动信号，顶部电机正向旋转，增大转矩，从而增大弹簧变形量，进而增大打磨接触力，最终使得磨削深度增加；
C.当平均值大于阈值时，通过设定的控制器产生的驱动信号，顶部电机反向旋转，减小转矩，从而减小弹簧变形量，进而减小打磨接触力，最终使得磨削深度减少；
D.当接触力平均值在10个采集周期内与接触力阈值相比保持基本相等时，通过设定的控制器产生的驱动信号，保持顶部电机的输出转矩，保持弹簧变形量，增大砂轮转速，提高磨削效率；
E.当接触力进行了10个采集周期后，适当减小弹簧变形量，恢复砂轮转速，采集次数归零，重新采集传感器信息。
2.根据权利要求1所述的大型曲面磨削自适应控制方法，其特征在于，所述支撑点由三个万向轮构成，通过调整三个万向轮的相对位置来确定一个尽量贴合工件的最小平面，以适应不同曲率工件的打磨，实现磨具和工件的最大接触面，提高磨削效率；三个万向轮的导向作用，使得移动机构可以完成任何方位的移动，从而提高对工件形状的自适应性。
3.根据权利要求1所述的大型曲面磨削自适应控制方法，其特征在于，所述的螺纹预紧装置由三根端部有螺纹的细螺杆和螺母相配合构成，实现接触力的粗调，预紧力应小于接触力阈值，是接触力阈值的50-80％。
4.根据权利要求1所述的大型曲面磨削自适应控制方法，其特征在于，所述的接触力阈值根据材料类别和磨削量设定。
5.根据权利要求1所述的大型曲面磨削自适应控制方法，其特征在于，在触摸屏上，通过输入信息对接触力阈值进行函数优化处理，进一步提高磨削精度，实现人机交互，增大控制***的灵活性，提高针对不同曲率工件的适应能力和接触力的稳定性。
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