本发明专利技术属于抛光加工技术领域，公开了一种气动抛光力控装置及控制方法。力传感器测量抛光加工过程的轴向接触力；倾角传感器测量力控装置的实时姿态；力控模块通过双作用气缸和电气比例阀控制接触力；传动模块约束抛光工具的运动方向在轴向方向；控制平台根据采集到的信号经过计算得到修正电压信号，电气比例阀根据修正电压信号控制双作用气缸两个气腔的气压，进而控制力控装置输出力。本发明专利技术通过控制气缸有杆腔和无杆腔两个腔的气压差来控制装置的输出力，从而使气缸可以一直工作在最佳气压范围内，且具有重力补偿功能，并通过采用响应速度快、鲁棒性强的模糊PID控制算法，最终实现了恒力控制，保证了抛光加工过程中材料去除的一致性和均匀性。致性和均匀性。致性和均匀性。
【技术实现步骤摘要】
一种气动抛光力控装置及控制方法
[0001]本专利技术涉及抛光加工
，尤其涉及一种气动抛光力控装置及控制方法。
技术介绍
[0002]大型复杂曲面在航空航天、汽车、船舶、能源动力等领域应用越来越广泛，并对其表面质量提出了很高要求。目前，机器人和数控机床等装备均可用于抛光加工，以提高加工效率、降低成本和改善工人工作环境。然而，为了确保抛光加工过程中材料去除的一致性和均匀性，需要对抛光过程中抛光工具和工件之间的接触力进行控制，但单纯通过装备的位置控制不能实现对接触力的精确控制，因此在机器人末端或者数控机床主轴末端安装力控装置十分必要。此外，通过力控装置还可以自适应的补偿加工路径偏差、重复定位误差和工件装夹误差，从而保证复杂曲面零件抛光加工的质量和柔顺性。
[0003]目前力控装置按照驱动方式主要分为电动式、电磁式和气动式力控装置。气动式力控装置大多数由气缸作为驱动元件，具有控制简单、柔顺性好、成本低、体积较好的优点，已经应用于现有的力控装置中。目前商业产品的气动式力控装置有奥地利Ferrobotics公司的ACF、美国PushCorp公司的ATI和中国斯蒂尔公司的stial Xpolish。目前气动式力控装置商业产品和CN209380743U(一种机器人手臂恒力控制装置)、CN111136543B(一种磨抛力控末端执行装置)、CN105234807A(一种工业机器人抛磨作业的力控法兰、及抛磨方法)、CN111571442A(一种气动自适应恒力装置的控制方法、装置及系统)中大多数都是通过控制气缸单气腔的气压来控制力控执行器的输出力，一方面，气缸在工作时有最低工作气压限制，气缸必须在一定气压以上才能正常工作，因此单纯控制气缸单气腔的气压不能对小抛光力进行控制。另一方面，对于复杂曲面零件的抛光，单纯控制气缸单气腔的气压不能使气缸一直在最佳工作气压范围工作，影响力控精度和响应时间。此外，现有的力控装置大多不具备重力补偿功能，导致在抛光复杂曲面零件过程中，抛光工具的自重对接触力的精确控制有很大影响。总之，为了实现复杂曲面零件的高质量抛光加工，有必要开发一套以双作用气缸作为驱动元件、有重力补偿功能的结构相对简单、成本低廉、各项性能良好的力控装置。
技术实现思路
[0004]针对现有气动抛光技术的不足及存在的问题，本专利技术提供了一种气动抛光力控装置及控制方法，其目的在于精准控制抛光过程中抛光工具和被加工表面之间的接触力，从而保证抛光加工的效率和表面质量。
[0005]与现有的气动式力控装置不同，本装置采用双作用气缸作为驱动元件，两个电气比例阀分别控制气缸有杆腔和无杆腔两个腔的气压，通过两个腔的气压差来控制装置的输出力，一方面，使气缸没有最低工作气压限制，可以对小抛光力进行控制。另一方面，可使气缸一直工作在最佳气压范围内，以提高气缸的响应速度和力控精度。同时，利用倾角传感器测量抛光加工过程中该气动抛光力控装置的空间位姿，通过空间坐标变换计算求得抛光工
具重力对接触力的影响，从而通过重力补偿来消除重力对力控精度的影响。此外，本气动抛光力控装置采用并行的模糊PID控制算法，既消除了模糊控制在应用时产生的稳态误差，又弥补了PID控制应用于非定常系统时存在的不足，提高了力控精度以及控制系统的响应速度和鲁棒性。
[0006]本专利技术的技术方案：一种气动抛光力控装置，包括端盖1、外壳2、倾角传感器4、力传感器9、力控模块、传动模块、数据采集卡和控制平台；端盖1与倒几形外壳2端部固连，组成封闭结构；传动模块、倾角传感器4和力控模块均固定于封闭结构内；
[0007]倾角传感器4固定于端盖1上，其中心轴线与气动抛光力控装置的中心轴线平行，用于测量抛光加工过程中该气动抛光力控装置的实时空间位姿，从而进行重力补偿；
[0008]力控模块包括双作用气缸15、浮动接头12、电气比例阀a5和电气比例阀b16；双作用气缸15一端与端盖1连接，另一端通过浮动接头12与滚珠花键连接板11连接；电气比例阀a5和电气比例阀b16分别固定于端盖1上；电气比例阀a5的出气口通过气管与双作用气缸15的无杆腔的进气口连接，电气比例阀b16的出气口通过气管与双作用气缸15的有杆腔的进气口连接；两电气比例阀根据电压信号控制阀口的开度大小向双作用气缸15输出相应的气压；
[0009]传动模块用于将抛光工具的运动限制在气动抛光力控装置的轴线方向，其包括导向装置14、滚珠花键、胀紧套7、滚珠花键连接板11和力传感器安装板10；滚珠花键包括依次相连的滚珠花键轴6和滚珠花键套13；导向装置14一端安装于端盖1上，另一端与滚珠花键套13、滚珠花键轴6、胀紧套7、滚珠花键连接板11、力传感器安装板10依次连接；定位块61安装于滚珠花键轴6上，其位于导向装置14和滚珠花键套13之间，用于防止滚珠花键轴6在气动抛光力控装置输出压力超过阈值时超出运动范围；
[0010]力传感器9一端固定于力传感器安装板10上，与传动模块的下端连接，另一端与工具连接法兰8连接，用于测量抛光加工过程中的轴向接触力；并将该数据通过数据采集卡传输给控制平台，最终实现了接触力的控制。
[0011]力传感器9和倾角传感器4依次连接至数据采集卡和控制平台，将数据通过数据采集卡传输给控制平台，最终实现接触力以及重力补偿的控制；
[0012]工具连接法兰8穿过封闭结构连接抛光工具；所述工具连接法兰8为可拆卸式，根据不同的抛光工具可以对其结构做适当调整。
[0013]控制平台根据模糊PID控制算法计算得到修正电压信号，两个电气比例阀根据修正电压信号控制双作用气缸15的两个气腔气压，从而控制气动抛光力控装置输出力。
[0014]所述倾角传感器4固定在倾角传感器安装板3上，所述倾角传感器安装3板垂直安装在所述端盖1下端；所述倾角传感器4用于测量抛光加工过程中该气动抛光力控装置的实时空间位姿，从而进行重力补偿。
[0015]一种气动抛光力控装置的控制方法，包括：
[0016]采集所述气动抛光力控装置在工作时的实时接触力数据和位姿数据；
[0017]实时接触力数据和位姿数据经过数据采集卡传输至控制平台；实时接触力数据根据力传感器9采集到的电压信号通过重力补偿算法计算获得；位姿数据根据倾角传感器4采集数字信号获得；
[0018]控制平台根据模糊PID控制算法计算得到输出电压信号；
[0019]两个电气比例阀根据控制平台输出的电压信号通过控制阀口的开度大小，调节双作用气缸15无杆腔和有杆腔的气压；双作用气缸15通过无杆腔和有杆腔之间的气压差产生输出力；
[0020]控制平台不断接收实时接触力数据和位姿数据，并持续输出修正电压信号；两个电气比例阀持续调节双作用气缸15的输出力，最终使接触力满足目标值的允差要求，从而实现气动抛光力控装置输出力的控制。
[0021]所述重力补偿算法由位姿数据根据RPY角计算方法，经过空间坐标变换计算得到。
[0022]所述气动抛光力控装置输出力的控制具体流程为：
[0023]在本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种气动抛光力控装置，其特征在于，该气动抛光力控装置包括端盖(1)、外壳(2)、倾角传感器(4)、力传感器(9)、力控模块、传动模块、数据采集卡和控制平台；端盖(1)与倒几形外壳(2)端部固连，组成封闭结构；传动模块、倾角传感器(4)和力控模块均固定于封闭结构内；倾角传感器(4)固定于端盖(1)上，其中心轴线与气动抛光力控装置的中心轴线平行，用于测量抛光加工过程中该气动抛光力控装置的实时空间位姿，从而进行重力补偿；力控模块包括双作用气缸(15)、浮动接头(12)、电气比例阀a(5)和电气比例阀b(16)；双作用气缸(15)一端与端盖(1)连接，另一端通过浮动接头(12)与滚珠花键连接板(11)连接；电气比例阀a(5)和电气比例阀b(16)分别固定于端盖(1)上；电气比例阀a(5)的出气口通过气管与双作用气缸(15)的无杆腔的进气口连接，电气比例阀b(16)的出气口通过气管与双作用气缸(15)的有杆腔的进气口连接；两电气比例阀根据电压信号控制阀口的开度大小向双作用气缸(15)输出相应的气压；传动模块用于将抛光工具的运动限制在气动抛光力控装置的轴线方向，其包括导向装置(14)、滚珠花键、胀紧套(7)、滚珠花键连接板(11)和力传感器安装板(10)；滚珠花键包括依次相连的滚珠花键轴(6)和滚珠花键套(13)；导向装置(14)一端安装于端盖(1)上，另一端与滚珠花键套(13)、滚珠花键轴(6)、胀紧套(7)、滚珠花键连接板(11)、力传感器安装板(10)依次连接；定位块(61)安装于滚珠花键轴(6)上，其位于导向装置(14)和滚珠花键套(13)之间，用于防止滚珠花键轴(6)在气动抛光力控装置输出压力超过阈值时超出运动范围；力传感器(9)一端固定于力传感器安装板(10)上，另一端与工具连接法兰(8)连接，用于测量抛光加工过程中的轴向接触力；力传感器(9)和倾角传感器(4)依次连接至数据采集卡和控制平台，将数据通过数据采集卡传输给控制平台，最终实现接触力以及重力补偿的控制；工具连接法兰(8)穿过封闭结构连接抛光工具；控制平台根据模糊PID控制算法计算得到修正电压信号，两个电气比例阀根据修正电压信号控制双作用气缸(15)的两个气腔气压，从而控制气动抛光力控装置输出力。2.一种气动抛光力控装置的控制方法，其特征在于，包括：采集所述气动抛光力控装置在工作时的实时接触力数据和位姿数据；实时接触力数据和位姿数据经过数据采集卡传输至控制平台；实时接触力数据根据力传感器(9)采集到的电压信号通过重力补...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙玉文，张新宇，徐金亭，牛金波，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：
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