一种综合主被动柔顺的一维变力磨抛装置及控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于智能加工制造技术领域，并具体公开了一种综合主被动柔顺的一维变力磨抛装置及控制方法，包括直线模组伺服运动平台、安装法兰、限位板、位姿传感器、可调速柔顺磨抛机构和控制器，直线模组伺服运动平台用于带动磨抛机构做直线运动；安装法兰和限位板安装在直线模组伺服运动平台基座上，位姿传感器和可调速柔顺磨抛机构安装在限位板上，位姿传感器用于测量一维变力磨抛装置的位姿并反馈至控制器，柔顺磨抛机构与滑块之间设有力传感器，力传感器用于采集接触力信号并发送至控制器，控制器计算出速度控制量，伺服电机根据速度控制量进行转动带动可调速柔顺磨抛机构运动。本发明专利技术可实时调整砂带与工件的接触状态，实现稳定柔顺的磨抛过程。

One dimensional variable force grinding and polishing device combined with active and passive compliance and its control method

The invention belongs to the field of intelligent processing and manufacturing technology, and specifically discloses one kind of integrated and passive and flexible one-dimensional variable force grinding and polishing device and control method, including the linear module servo platform, installation flange, limit plate, position and attitude sensor, adjustable speed compliant grinding and polishing mechanism and controller, and the servo motion platform of the linear module. The mounting flange and the limit plate are installed on the base seat of the servo motion platform of the linear module. The position and position sensor and the adjustable speed grinding and polishing mechanism are installed on the limit plate. The position and attitude sensors are used to measure the position and posture of the one dimension variable force grinding device and feed back to the controller, the flexible grinding and throwing mechanism and the slide block are used. A force sensor is set up. The force sensor is used to collect contact force signals and send to the controller. The controller calculates the speed control. The servo motor rotates and drives the motion of the adjustable speed compliant grinding mechanism. The invention can adjust the contact state between the abrasive belt and the workpiece in real time so as to achieve stable and smooth grinding and polishing process.

【技术实现步骤摘要】
一种综合主被动柔顺的一维变力磨抛装置及控制方法
本专利技术属于智能加工制造
，涉及工业机器人应用场合的变力作用力控制领域，更具体地，涉及一种综合主被动柔顺的一维变力磨抛装置及控制方法。
技术介绍
随着科学技术的不断发展，复杂曲面在航空航天、能源以及船舶等领域的应用日益广泛。但是这些曲面不能由初等解析曲面组成，难以获得自由复杂曲面的精确解析解，因此，复杂曲面的加工已经成为亟待解决的关键问题。目前针对自由曲面的磨抛加工主要采用手工研磨的方式，但该方法劳动强度大、对工人身体伤害大，且加工效率不高、磨抛余量不均匀、零件表面质量受工人技术熟练程度影响很大。机器人在与复杂曲面等非结构化环境进行如打磨、抛光等约束操作时，加工件的几何形貌难以精确建模，这往往要求磨抛工具具有一定的柔顺性，且加工环境先验知识的缺乏难以保证加工表面质量，机器人在磨抛加工过程中往往要求磨抛工具与工件之间接触力恒定。机器人柔顺性可分为主动柔顺与被动柔顺。被动柔顺主要通过调节弹簧刚度获得所需柔顺性，例如美国MITDraper实验中心设计的远程中心柔顺的无源机械装置。主动柔顺中奥地利一家公司生产的气动变力装置ACF(Activecontactflange)能够较好实现工具末端与工件之间的接触力。虽然国内外已经对机器人力控制柔顺加工进行了相关研究，但是还具有一定的局限性和不足，如对复杂曲面类零件的机器人磨抛尚且缺乏基于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。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种综合主被动柔顺的一维变力磨抛装置及控制方法，其采用力传感器、直线模组伺服运动平台等组成的主动柔顺控制以及柔顺弹簧等组成的被动柔顺控制进行变力适应性磨抛，综合了主动柔顺与被动柔顺实现变力磨抛，同时本专利技术采用位姿传感器实现装置姿态的精确测量并进行重力补偿，采用力传感器形成力反馈，形成力控闭环，实现打磨、抛光过程中的力检测与输出反馈，降低模型参数变化、扰动以及测量误差的影响，并通过调整直线平台的速度进给量，实时调整砂带与工件的接触状态，实现了稳定柔顺的磨抛过程，适用于航空发动机类复杂自由曲面零件的打磨、抛光。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提出了一种综合主被动柔顺的一维变力磨抛装置，其包括直线模组伺服运动平台、安装法兰、限位板、位姿传感器、可调速柔顺磨抛机构和控制器，其中：所述直线模组伺服运动平台包括伺服电机、滚珠丝杠、直线模组滑块和直线模组基座，所述伺服电机设置在所述直线模组基座上，并与滚珠丝杠相连，该滚珠丝杠与所述直线模组滑块螺纹配合；所述安装法兰和限位板均安装在所述直线模组基座上，所述位姿传感器和可调速柔顺磨抛机构则安装在所述限位板上，该位姿传感器用于测量一维变力磨抛装置的位姿并反馈至所述控制器，该可调速柔顺磨抛机构面向所述直线模组伺服运动平台的一侧上安装有力传感器，所述力传感器通过连接法兰与直线模组伺服运动平台中的所述直线模组滑块相连，其用于采集可调速柔顺磨抛机构的接触力信号并发送至所述控制器，所述控制器根据力传感器采集的接触力信号计算出直线模组伺服运动平台的速度控制量，并将速度控制量发送给所述伺服电机，所述伺服电机根据该速度控制量进行转动以带动可调速柔顺磨抛机构做直线运动，进而实时改变可调速柔顺磨抛机构与待磨抛工件的接触状态，实现可调速柔顺磨抛机构与待磨抛工件保持变力柔顺接触。作为进一步优选的，所述可调速柔顺磨抛机构包括可调速电机和柔顺打磨头单元，所述可调速电机通过电机安装法兰与所述力传感器相连，所述柔顺打磨头单元包括柔顺打磨头安装基座、驱动轮、张紧轮和打磨接触轮，其中，所述柔顺打磨头安装基座安装在电机安装法兰上，其内开设有两个圆柱孔，所述驱动轮、张紧轮和打磨接触轮上套装有砂带，该驱动轮与可调速电机的输出轴相连以驱动砂带转动，该张紧轮与张紧顶杆相连，所述张紧顶杆安装在柔顺打磨头安装基座的其中一个圆柱孔内，并且张紧顶杆与圆柱孔之间设置有为张紧顶杆提供张紧力使砂带张紧的张紧弹簧，该打磨接触轮与柔顺顶杆相连，所述柔顺顶杆安装在柔顺打磨头安装基座的另一个圆柱孔内，并且柔顺顶杆与圆柱孔之间设置有柔顺弹簧。作为进一步优选的，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，并且在不同姿态下停机时不会因为重力作用滑动。作为进一步优选的，所述安装法兰与机器人末端法兰或机床末端法兰相连，通过机器人、机床的运动控制实现末端位姿的控制，间接实现一维变力磨抛装置的位姿控制与补偿。作为进一步优选的，所述一维变力磨抛装置的位姿具体指一维变力磨抛装置与水平面的倾角。作为进一步优选的，所述待磨抛工件优选为航空发动机叶片。按照本专利技术的另一方面，提供了一种综合主被动柔顺的一维变力磨抛装置的控制方法，其包括如下步骤：S1、设置一维变力磨抛装置与待磨抛工件之间的目标接触力；S2、位姿传感器采集位姿信息，力传感器采集接触力信息，并反馈到控制器；S3、在控制器中对位姿信息与接触力信息进行去噪处理，并对位姿信息进行重力补偿；S4、将目标接触力与去噪处理后的接触力进行比较获得力误差，根据该力误差计算伺服电机的速度控制量；S5、伺服电机在速度控制量的控制下运动实现变力跟踪；S6、重复S2至S5，直到满足结束条件。作为进一步优选的，所述重力补偿根据下列公式计算：Fc＝G0×sin(α)其中，Fc代表控制器应当减去的由于传感器连接的可调速柔顺磨抛机构的重力引起的传感器初值，G0为可调速柔顺磨抛机构的重力，α为位姿传感器测得的整个一维变力磨抛装置与水平面的夹角。作为进一步优选的，所述步骤S4具体为：首先，比较目标接触力与去噪处理后的接触力获得力误差e(t)：e(t)＝Fd-Fs其中，Fd是期望获得的可调速柔顺磨抛机构与待磨抛工件之间的接触力，Fs是步骤S3去噪之后的力传感器的实际测量的接触力；然后，计算伺服电机的速度控制量：其中，u(t)为伺服电机的速度控制量，t为时间，Fsensor(t)为力传感器实时测量的接触力，Kp为比例系数，Kp＝f(e(t))，Ki为积分系数，Kd为微分项系数。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：1.本专利技术采用自主设计的一种综合主被动柔顺的一维变力磨抛装置及控制方法，力控闭环形成的主动柔顺与柔顺弹簧等被动柔顺磨抛机构形成的被动柔顺使砂带与工件之间能够实现变力柔性接触，避免刚性接触所产生的加工冲击、过度磨抛等问题。2.本专利技术中力传感器通过测量磨抛加工过程中的接触力并接入控制器实现力反馈，通过微分先行非线性PID算法实现接触力的闭环反馈控制，并通过调整直线模组伺服运动平台的速度控制量，保证稳定顺应的磨抛过程，减小工件的加工变形，避免过大磨抛接触力导致的过磨、磨抛不均匀等问题。3.本专利技术的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系统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工件的接触力，构成了本专利技术的主动柔顺；同时，所述直线模组伺服运动平台具有高刚性的特点，加入柔顺弹簧能够有效的改善系统特性，增加系统阻尼，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种综合主被动柔顺的一维变力磨抛装置，其特征在于，包括直线模组伺服运动平台、安装法兰(8)、限位板(6)、位姿传感器(7)、可调速柔顺磨抛机构(5)和控制器，其中：所述直线模组伺服运动平台包括伺服电机(1)、滚珠丝杠(12)、直线模组滑块(11)和直线模组基座(10)，所述伺服电机(1)设置在所述直线模组基座(10)上，并与滚珠丝杠(12)相连，该滚珠丝杠(12)与所述直线模组滑块(11)螺纹配合；所述安装法兰(8)和限位板(6)均安装在所述直线模组基座(10)上，所述位姿传感器(7)和可调速柔顺磨抛机构(5)则安装在所述限位板(6)上，该位姿传感器(7)用于测量一维变力磨抛装置的位姿并反馈至所述控制器，该可调速柔顺磨抛机构(5)面向所述直线模组伺服运动平台的一侧上安装有力传感器(4)，所述力传感器(4)通过连接法兰(3)与直线模组伺服运动平台中的所述直线模组滑块(11)相连，其用于采集可调速柔顺磨抛机构的接触力信号并发送至所述控制器，所述控制器根据力传感器采集的接触力信号计算出直线模组伺服运动平台的速度控制量，并将速度控制量发送给所述伺服电机(1)，所述伺服电机(1)根据该速度控制量进行转动以带动可调速柔顺磨抛机构做直线运动，进而实时改变可调速柔顺磨抛机构与待磨抛工件的接触状态，实现可调速柔顺磨抛机构与待磨抛工件保持变力柔顺接触。...

【技术特征摘要】
1.一种综合主被动柔顺的一维变力磨抛装置，其特征在于，包括直线模组伺服运动平台、安装法兰(8)、限位板(6)、位姿传感器(7)、可调速柔顺磨抛机构(5)和控制器，其中：所述直线模组伺服运动平台包括伺服电机(1)、滚珠丝杠(12)、直线模组滑块(11)和直线模组基座(10)，所述伺服电机(1)设置在所述直线模组基座(10)上，并与滚珠丝杠(12)相连，该滚珠丝杠(12)与所述直线模组滑块(11)螺纹配合；所述安装法兰(8)和限位板(6)均安装在所述直线模组基座(10)上，所述位姿传感器(7)和可调速柔顺磨抛机构(5)则安装在所述限位板(6)上，该位姿传感器(7)用于测量一维变力磨抛装置的位姿并反馈至所述控制器，该可调速柔顺磨抛机构(5)面向所述直线模组伺服运动平台的一侧上安装有力传感器(4)，所述力传感器(4)通过连接法兰(3)与直线模组伺服运动平台中的所述直线模组滑块(11)相连，其用于采集可调速柔顺磨抛机构的接触力信号并发送至所述控制器，所述控制器根据力传感器采集的接触力信号计算出直线模组伺服运动平台的速度控制量，并将速度控制量发送给所述伺服电机(1)，所述伺服电机(1)根据该速度控制量进行转动以带动可调速柔顺磨抛机构做直线运动，进而实时改变可调速柔顺磨抛机构与待磨抛工件的接触状态，实现可调速柔顺磨抛机构与待磨抛工件保持变力柔顺接触。2.如权利要求1所述的综合主被动柔顺的一维变力磨抛装置，其特征在于，所述可调速柔顺磨抛机构包括可调速电机(19)和柔顺打磨头单元，所述可调速电机(19)通过电机安装法兰(18)与所述力传感器(4)相连，所述柔顺打磨头单元包括柔顺打磨头安装基座(20)、驱动轮、张紧轮(15)和打磨接触轮(13)，其中，所述柔顺打磨头安装基座(20)安装在电机安装法兰(18)上，其内开设有两个圆柱孔，所述驱动轮、张紧轮(15)和打磨接触轮(13)上套装有砂带(14)，该驱动轮与可调速电机的输出轴相连以驱动砂带转动，该张紧轮(15)与张紧顶杆(16)相连，所述张紧顶杆(16)安装在柔顺打磨头安装基座(20)的其中一个圆柱孔内，并且张紧顶杆(16)与圆柱孔之间设置有为张紧顶杆提供张紧力使砂带张紧的张紧弹簧(17)，该打磨接触轮(13)与柔顺顶杆相连，所述柔顺顶杆安装在柔顺打磨头安装基座(20)的另一个圆柱孔内，并且柔顺顶杆与圆柱孔之间设置有柔顺弹簧(21...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵欢，梁秀权，李祥飞，陈鹏飞，丁汉，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42