CN109623590B - 一种全数字式刚柔耦合精准力控磨抛装置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于磨抛接触力控制领域，并公开了一种全数字式刚柔耦合精准力控磨抛装置。所述磨抛装置包括可变速柔顺磨抛机构、一维直线模组力控伺服运动平台以及用于连接所述可变速柔顺磨抛机构和直线模组力控伺服运动平台的连接装置，一维直线模组力控伺服运动平台包括直线伺服模组电机、滚珠丝杠、直线模组滑块、直线模组基座及控制器。本发明还公开了该装置的控制方法。本发明的全数字式刚柔耦合精准力控磨抛装置，一维力传感器采集可变速柔顺磨抛机构与待磨抛工件的接触力信号并通过控制器来控制伺服电机进行精密运动，进而实时改变可变速柔顺磨抛机构与待磨抛工件的接触状态，从而实现可变速柔顺磨抛机构与待磨抛工件保持自适应变力柔顺接触。

Description

一种全数字式刚柔耦合精准力控磨抛装置及控制方法
技术领域
本发明属于磨抛接触力控制技术领域，更具体地，涉及一种全数字式刚柔耦合精准力控磨抛装置及控制方法。
背景技术
随着科技的不断发展，复杂的自由曲面在航空航天领域的应用越来越广泛。这些复杂的曲面并不能由初等解析曲面简单组成，即难以获得自由复杂曲面的精确解析解，且航空发动叶片由于易变形的特点往往要求智能磨抛机构具有精确的力控制和一定的柔顺性，并且可以补偿由于工业机器人的运动精度有限，再加上待加工工件的装夹误差，实际加工的表面精度并不是很理想等缺陷，因此复杂曲面的精密加工是亟待解决的制造难题。
目前复杂自由曲面的表面精密加工主要有数控抛光技术和人为手工研磨的方式。其中，数控抛光技术存在数控机床价格昂贵和加工效率低的缺点，而人工抛光劳动强度大，加工效率低，工作环境恶劣，同时工件精度受工人技术熟练程度影响很大，严重制约了工件的表面质量。与传统加工方式相比，工业机器人有着灵活性好，通用性强，易于拓展等优点，工业机器人在磨抛加工过程中往往要求磨抛工具与待磨抛工件之间的接触力保持恒定，因此研究曲面变力磨抛加工装置及控制方法很有必要。
机器人柔顺性可分为主动柔顺与被动柔顺。例如美国MIT Draper实验中心设计的远程中心柔顺的无源机械装置，但是由于弹簧精度不可控，故容易产生过磨或磨抛不均匀的问题。主动柔顺中奥地利一家公司生产的气动变力装置ACF(Active contact flange)能够较好实现工具末端与工件之间的接触力。虽然目前国内已经在对机器人力控打磨进行了相关的研究，但是还有一定的局限性和缺陷，如缺少力反馈高带宽控制技术的研究等。因此，研究机器人的力控制并将其用于机器人的磨抛加工具有一定的创新性，符合目前机械加工领域的潮流。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供全数字式刚柔耦合精准力控磨抛装置及控制方法，其目的在于通过设计一种一维智能磨抛机构，原位实时调整磨抛力，从而实现提高打磨精度、实现柔性打磨的同时，防止过磨和磨抛不均匀，通过自适应砂带磨抛机构的设置，对叶片不同区域采用不同的磨抛方式，提高磨抛精度，同时通过对控制器的设置，实现变力磨削的闭环控制，由此解决磨抛精度低和磨削力难于控制的技术问题。
为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种全数字式刚柔耦合精准力控磨抛装置，其特征在于，包括可变速柔顺磨抛机构、一维直线模组力控伺服运动平台以及用于连接所述可变速柔顺磨抛机构和直线模组力控伺服运动平台的连接装置；其中，
所述可变速柔顺磨抛机构包括三角板、设于所述三角板上的打磨接触轮以及套设于所述打磨接触轮上的砂带，所述砂带与待磨抛工件接触的部位形成进刀点，用于磨抛待磨抛工件；
所述连接装置包括直线滑轨、安装板以及一维力传感器，所述直线滑轨固定于所述安装板上，并通过所述一维力传感器与所述砂带相连，所述一维力传感器用于实时测量所述可变速柔顺磨抛机构与待磨抛工件之间的接触力；
所述一维直线模组力控伺服运动平台包括直线模组基座、直线伺服模组电机、滚珠丝杠、直线模组滑块及控制器，所述直线模组基座固定在所述安装板上，所述直线伺服模组电机安装在所述直线模组基座上，并与所述滚珠丝杠通过联轴器相连，所述滚珠丝杠与所述直线模组滑块螺纹配合，所述控制器用于接收所述一维力传感器测量的接触力并实时控制所述直线伺服模组电机动作，驱动所述滚珠丝杠、直线模组滑块带动所述可变速柔顺磨抛机构沿所述直线滑轨运动，以实时调节所述可变速柔顺磨抛机构与待磨抛工件之间的接触力。
进一步的，所述可变速柔顺磨抛机构包括伺服驱动电机、设于所述三角板上的张紧轮、传动轮以及与所述伺服驱动电机匹配连接的驱动轮，所述砂带套设于所述驱动轮、张紧轮及传动轮上。
进一步的，所述可变速柔顺磨抛机构包括张紧连杆及设于所述张紧连杆之间的弹簧，所述张紧连杆为“V”型弯折结构，其下半部部分与所述连接装置固定连接。
进一步的，所述可变速柔顺磨抛机构包括集尘槽及毛刷，所述集尘槽设于所述三角板底部。
进一步的，所述一维力传感器为一个、两个或多个，其一端通过传感器安装基座与所述张紧连杆连接，另一端通过L型块与所述直线滑轨连接。
进一步的，所述控制器还包括阻抗控制器。
按照本发明的另一方面，还提供一种全数字式刚柔耦合精准力控磨抛装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1设置所述可变速柔顺磨抛机构与待磨抛工件之间的目标接触力；
S2待磨抛工件按照规划的轨迹移动到砂带的进刀点，控制器开始工作，控制伺服驱动电机运转进而驱动砂带转动；
S3当砂带与待磨抛工件的表面接触时，控制器控制所述一维直线模组力控伺服运动平台的直线伺服模组电机进行运转，使砂带与待磨抛工件表面的磨抛接触力达到目标接触力的数值；
S4所述一维力传感器实时采集所述砂带与待磨抛工件之间的磨抛接触力信息，并将磨抛接触力信息反馈给控制器，控制器对磨抛接触力信息进行去噪处理；
S5所述控制器将去噪后的磨抛接触力信息与目标接触力进行比较得到力误差，根据该力误差信息得到所述直线伺服模组电机的速度控制量；
S6根据直线伺服模组电机的速度控制量调控砂带与待磨抛工件之间的磨抛接触力，完成待磨抛工件一点的磨抛；
S7待磨抛工件按照规划的轨迹继续移动，重复S2到S6，直到完成整个磨抛工件的加工，强制关闭程序。
进一步的，S5具体包括如下步骤：
S51比较目标接触力与去噪后的磨抛接触力信息获取力误差e(t)：
e(t)＝Fd-Fs
其中，Fd是目标接触力，Fs是去噪后的磨抛接触力；
S52计算砂带(1)与待磨抛工件的位置偏移量E(t)：
Figure GDA0002592602940000041
其中，e(t)为力误差，Ms为阻抗控制器的等效质量矩阵，Bs为阻抗控制器的等效阻尼矩阵，Ks为阻抗控制器的等效刚度矩阵。
S53修正控制器得到伺服电机的控制量u(t),即：
Figure GDA0002592602940000042
其中，ΔMs为阻抗控制器的等效质量矩阵的变化量，ΔBs为阻抗控制器的等效阻尼矩阵，ΔKs为阻抗控制器的等效刚度矩阵。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明通过采用一维力传感器采集可变速柔顺磨抛机构与待磨抛工件的接触力信号并通过控制器来控制伺服电机进行精密运动，进而实时改变可变速柔顺磨抛机构与待磨抛工件的接触状态，从而实现可变速柔顺磨抛机构与待磨抛工件保持自适应变力柔顺接触。
2、本发明通过采用两种不同的砂带缠绕方式，针对叶片的不同区域采用不同的砂带缠绕方式进行磨抛，实现叶片上全部特征的磨抛，同时分区域的磨抛提高了磨抛精度。
3、本发明将由力控构成的主动柔顺和由弹簧构成的被动柔顺相结合的磨抛机构使磨抛机构在与待磨抛工件进行磨抛时可以形成自适应变力柔性接触，从而可以避免过磨和力过冲等问题。
4、本发明中可变速柔顺磨抛机构与两条直线滑轨之间装有四个一维力传感器，其安装四个一维力传感器优势在于可以增加直线滑轨和磨抛装置结构的刚度和稳定性，最重要的是可以实现对叶片的不同部位打磨时的精准力控，其中四个力传感器用于采集可变速柔顺磨抛机构与待磨抛工件的接触力信号，实现对打磨过程中接触力的实时精确控制与反馈，从而可以实现自适应变力打磨，其中四个一维力传感器通过实时测量磨抛加工过程中的磨抛力引入控制器实现力控制，该控制器根据反馈的实际磨抛力对驱动指令进行相应的调整，从而实现磨抛力的闭环控制。
5、本发明的一维直线模组伺服运动平台具有可精密运动控制、高带宽控制的特性，与力传感器组成的反馈调节***能够实时精密地调整砂带与接触轮的接触状态，从而精密控制砂带与待磨抛工件的接触力，构成了本发明的主动柔顺；
6、本发明采用直线模组伺服运动平台与四个一维力传感器实现全电数字式变力磨抛，综合主动柔顺与被动柔顺控制，直线模组的高刚度及精密运动控制弥补了气体变力装置由于气体压缩导致的非线性问题。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种全数字式刚柔耦合精准力控磨抛装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的直线模组伺服运动平台的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的可调速柔顺磨抛机构的示意图；
图4为本发明实施例提供的直线滑轨和传感器安装示意图；
图5为该种砂带的缠绕方式可以用于磨抛叶片的叶背和叶盆；
图6为该种砂带的缠绕方式可以用于磨抛叶片的进排气边，由此实现叶片的所有特征的磨抛结构示意图；
图7为本发明连接的机器人结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件和结构，其中：1-砂带、2-三角板、3-一维传感器、4-Z型板、5-风扇支架、6-安装板、7-磨抛接触轮、8-毛刷、9-弹簧、10-弹簧固定销、11-模组伺服电机、12-集尘槽、13-驱动轮、14-可调速电机、15-联轴器、16-滚珠丝杆、17-直线模组滑块、18-直线模组基座、19-传感器安装基座、20-直线滑轨、21-防尘罩、22-限位杆、23-连接块、24-直线滑轨限位板、25-三角板连接板、26-L型块、27-传动轮、28-张紧轮。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实例提供的一种全数字式刚柔耦合精准力控磨抛装置，其包括一维直线模组伺服运动平台、集尘槽12、毛刷8、力传感器3、直线滑轨20、安装板6、可变速柔顺磨抛机构和控制器，其中一维直线模组伺服运动平台包括直线模组伺服电机11、联轴器15、滚珠丝杆16、直线模组滑块17、直线模组基座18，其中直线模组伺服电机11安装在直线模组基座18上并且可以沿着直线模组基座进行直线运动，将滚珠丝杆16的精密转动转化为相应的直线运动，即实现在直线模组伺服电机11的作用下实现精密的直线运动，所述伺服电机优选为带抱闸伺服电机，其采用光电编码器作为位置传感器实现精密位置反馈，保证运动控制精度，从而对直线模组平台进行精确的位置控制和精准力控。
具体的，所述可变速柔顺磨抛机构包括伺服驱动电机14、设于所述三角板2上的张紧轮28、传动轮27以及与所述伺服驱动电机14匹配连接的驱动轮13，所述砂带1套设于所述驱动轮13、张紧轮28及传动轮27上。可变速柔顺磨抛装置面向一维直线模组平台的一侧安装有一维力传感器3，力传感器3通过传感器安装基座19与三角板2相连，另一端固定在L型块26上，L型块26安装在直线滑轨20上，其中四个一维力传感器3用于采集可变速柔顺磨抛装置与待磨抛工件之间的磨抛接触力信号并将其发送给控制器，即磨削过程中砂带1与待磨抛工件之间的接触力，其控制器根据四个一维力传感器3采集的力信号计算出一维直线模组平台相应的速度控制量，并将相应的速度控制量发送给直线模组伺服电机11，直线模组伺服电机11根据该速度指令进行精密的转动，并通过滚珠丝杠16和直线滑块16转化为直线运动，可变速柔顺磨抛机构在一维直线模组伺服运动平台的控制下做精密的直线运动，实时改变砂带1与待磨抛工件的接触状态，调整接触力实现砂带1与待磨削工件保持自适应变力柔顺接触，构成了磨抛接触力的主动柔顺控制；所述可变速柔顺磨抛机构包括张紧连杆及设于所述张紧连杆之间的弹簧9，所述张紧连杆为“V”型弯折结构，其下半部部分与所述连接装置固定连接。力传感器3通过螺栓分别与L型块26和传感器安装基座19相连；可调速电机14固定在三角板2上，可调速电机14驱动主动轮13高速旋转，同时通过砂带1带动传动轮27和磨抛接触轮7高速转动；模组伺服电机11固定在直线模组基座18上，用来驱动直线滑块17进行直线运动，为整个磨抛装置提供较小的线性移动，实现砂带1与待磨抛工件的自适应变力接触。所述控制器还包括阻抗控制器。此外，将六自由度工业机器人(以下简为机器人)用于提供叶片的宏观位姿控制，使其按照规定的刀路轨迹运动，其优点是机器人运动灵活，可以对扭转角达45°的叶片进行全特征刀路规划。
本发明还提供可一种全数字式刚柔耦合精准力控磨抛装置的控制方法，包括如下步骤：
S1、设置该一维变力磨抛装置与待磨抛工件之间的恒定目标接触力；
S2、六轴工业机器人按照离线规划好的轨迹从初始点移动到进刀点，此过程中变力磨抛机构不工作。当接触轮前端的砂带到达进刀点时，控制器开始工作，控制电机运转，驱动砂带高速转动；
S3、由于叶片表面存在刀痕，因此当机器人按照预定规划的轨迹运动时，轨迹上不同点的磨削余量并不相同。当砂带与叶片工件表面进行接触时，控制器控制一维直线模组平台的伺服电机进行精确运转，使砂带与叶片工件表面的磨抛力达到预定的数值；
S4、四个一维力传感器在磨削过程中采集变力磨抛装置与待磨抛工件之间的接触力信息，并反馈给控制器，并在控制器中的低通滤波器对接触力信息进行去噪处理；
S5、根据去噪后的接触力信息与设置的恒定磨抛接触力进行比较得到实时的力误差；
S6、根据该力误差信息得到一维直线模组平台伺服电机的速度控制量；
S7、一维直线模组平台的伺服电机在该速度控制量的控制下实现恒定的目标接触力跟踪；
S8、重复S2到S7，直到满足条件结束，如磨抛过程结束、强制关闭程序。
具体的，步骤S5和S6详细为：
首先，比较目标接触力与去噪处理后的接触力(打磨过程中的实时接触力)获得力误差e(t)：
e(t)＝Fd-Fs
其中，Fd是人为设定的可变速柔顺磨抛机构与待磨抛工件之间的期望接触力，Fs是四个一维力传感器的实时测量的接触力合力；
然后，通过阻抗控制器得到位置的偏移量E(t)：
Figure GDA0002592602940000091
其中，E(E＝Xe-Xd)为位置的偏移量,Xe为磨抛装置实际的到达的轨迹信息，Xd为期望的打磨装置的轨迹信息，e(t)为力误差，Ms为阻抗控制器的等效质量矩阵，Bs为阻抗控制器的等效阻尼矩阵，Ks为阻抗控制器的等效刚度矩阵。
为了减少打磨过程中力控制中存在的误差和实现对环境刚度的实时预测，我们引入一种自适应阻抗控制策略来对阻抗参数进行在线的自适应调整，从而实现稳定的力跟踪效果，具体实施办法为在原有的算法中添加一个误差补偿项Ψ来减少力误差，即
Figure GDA0002592602940000092
式中
Figure GDA0002592602940000093
其中：t为时间，α为自适应阻抗控制器的采样周期，即采样率，t-α为采样的前一周期，ξ为自适应阻抗控制器的更新率。
然后利用阻抗控制器的等效质量矩阵的变化量ΔMs、阻抗控制器的等效阻尼矩阵ΔBs，阻抗控制器的等效刚度矩阵ΔKs，对控制器进行修正得到伺服电机的控制量u(t),即：
Figure GDA0002592602940000094
总之，本发明采用具有精密运动、高带宽控制特性的一维直线模组伺服运动平台和四个一维力传感器构成的负反馈主动柔顺***可以很好的控制砂带与待磨抛工件的接触状态，从而可以达到自适应变力接触状态，且本发明采用力控闭环控制及运控闭环控制，具有精度可控性高等优点，且在磨抛均匀以及防止过度磨削等方面有着明显的优势。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种全数字式刚柔耦合精准力控磨抛装置，其特征在于，包括可变速柔顺磨抛机构、一维直线模组力控伺服运动平台以及用于连接所述可变速柔顺磨抛机构和直线模组力控伺服运动平台的连接装置；其中，
所述可变速柔顺磨抛机构包括三角板(2)、设于所述三角板(2)上的打磨接触轮(7)以及套设于所述打磨接触轮(7)上的砂带(1)，所述砂带(1)与待磨抛工件接触的部位形成进刀点，用于磨抛待磨抛工件；所述可变速柔顺磨抛机构包括伺服驱动电机(14)、设于所述三角板(2)上的张紧轮(28)、传动轮(27)以及与所述伺服驱动电机(14)匹配连接的驱动轮(13)，所述砂带(1)套设于所述驱动轮(13)、张紧轮(28)及传动轮(27)上；所述可变速柔顺磨抛机构还包括张紧连杆及设于所述张紧连杆之间的弹簧(9)，所述张紧连杆为“V”型弯折结构，其下半部部分与所述连接装置固定连接；
所述连接装置包括直线滑轨(20)、安装板(6)以及一维力传感器(3)，所述直线滑轨(20)固定于所述安装板(6)上，并通过所述一维力传感器(3)与所述砂带(1)相连，所述一维力传感器(3)用于实时测量所述可变速柔顺磨抛机构与待磨抛工件之间的接触力；
所述一维直线模组力控伺服运动平台包括直线模组基座(18)、直线伺服模组电机(11)、滚珠丝杠(16)、直线模组滑块(17)及控制器，所述直线模组基座(18)固定在所述安装板(6)上，所述直线伺服模组电机(11)安装在所述直线模组基座(18)上，并与所述滚珠丝杠(16)通过联轴器(15)相连，所述滚珠丝杠(16)与所述直线模组滑块(17)螺纹配合，所述控制器用于接收所述一维力传感器(3)测量的接触力并实时控制所述直线伺服模组电机(11)动作，驱动所述滚珠丝杠(16)、直线模组滑块(17)带动所述可变速柔顺磨抛机构沿所述直线滑轨(20)运动，以实时调节所述可变速柔顺磨抛机构与待磨抛工件之间的接触力。
2.根据权利要求1所述的一种全数字式刚柔耦合精准力控磨抛装置，其特征在于，所述可变速柔顺磨抛机构包括集尘槽(12)及毛刷(8)，所述集尘槽(12)设于所述三角板(2)底部。
3.根据权利要求1所述的一种全数字式刚柔耦合精准力控磨抛装置，其特征在于，所述一维力传感器(3)为一个、两个或多个，其一端通过传感器安装基座(19)与所述张紧连杆连接，另一端通过L型块(26)与所述直线滑轨(20)连接。
4.根据权利要求1所述的一种全数字式刚柔耦合精准力控磨抛装置，其特征在于，所述控制器还包括阻抗控制器。
5.一种如权利要求1-4中任一项所述的全数字式刚柔耦合精准力控磨抛装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1设置所述可变速柔顺磨抛机构与待磨抛工件之间的目标接触力；
S2待磨抛工件按照规划的轨迹移动到砂带(1)的进刀点，控制器开始工作，控制伺服驱动电机(14)运转进而驱动砂带(1)转动；
S3当砂带(1)与待磨抛工件的表面接触时，控制器控制所述一维直线模组力控伺服运动平台的直线伺服模组电机(11)进行运转，使砂带(1)与待磨抛工件表面的磨抛接触力达到目标接触力的数值；
S4所述一维力传感器(3)实时采集所述砂带(1)与待磨抛工件之间的磨抛接触力信息，并将磨抛接触力信息反馈给控制器，控制器对磨抛接触力信息进行去噪处理；
S5所述控制器将去噪后的磨抛接触力信息与目标接触力进行比较得到力误差，根据该力误差信息得到所述直线伺服模组电机(11)的速度控制量；
S6根据直线伺服模组电机(11)的速度控制量调控砂带(1)与待磨抛工件之间的磨抛接触力，完成待磨抛工件一点的磨抛；
S7待磨抛工件按照规划的轨迹继续移动，重复S2到S6，直到完成整个磨抛工件的加工，强制关闭程序。
6.根据权利要求5所述的一种全数字式刚柔耦合精准力控磨抛装置的控制方法，其特征在于，S5具体包括如下步骤：
S51比较目标接触力与去噪后的磨抛接触力信息获取力误差e(t)：
e(t)＝Fd-Fs
其中，Fd是目标接触力，Fs是去噪后的磨抛接触力；
S52计算砂带(1)与待磨抛工件的位置偏移量E(t)：
Figure FDA0002592602930000032
其中，e(t)为力误差，Ms为阻抗控制器的等效质量矩阵，Bs为阻抗控制器的等效阻尼矩阵，Ks为阻抗控制器的等效刚度矩阵。
S53修正控制器得到伺服电机的控制量u(t),即：
Figure FDA0002592602930000031
其中，ΔMs为阻抗控制器的等效质量矩阵的变化量，ΔBs为阻抗控制器的等效阻尼矩阵，ΔKs为阻抗控制器的等效刚度矩阵。
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