基于模糊自適應(yīng)力控制的恒力自動打磨裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及自動打磨領(lǐng)域，尤其是一種基于模糊自適應(yīng)力控制的恒力自動打磨裝 置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，打磨行業(yè)相當(dāng)一部分打磨由熟練的工人手工完成，自動化水平較低。手工打 磨不僅勞動強(qiáng)度大、費(fèi)時、效率低，而且打磨產(chǎn)生的粉塵危害工人的身體健康。專用打磨機(jī) 床的效率很高，但專用機(jī)床加工的通用性差，適合大批量生產(chǎn)，可拓展性不強(qiáng)，不僅如此專 用機(jī)床的價格昂貴。在高精度的磨削加工中，法向磨削力是影響表面加工質(zhì)量和材料去除 率的重要因素，因此保證法向磨削力的恒定是確保磨削質(zhì)量和效率的關(guān)鍵。因此傳統(tǒng)的位 置控制方式已經(jīng)不能滿足對產(chǎn)品表面質(zhì)量越來越高的要求，在自動化打磨設(shè)備中加入力控 制是解決這一問題的有效方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明為了克服以上現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供了一種基于力傳感器模糊自適應(yīng) 控制的恒力自動打磨方法及實(shí)現(xiàn)這種打磨方法的打磨裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、通 用性強(qiáng)。
[0004] 本發(fā)明的目的通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0005] 基于模糊自適應(yīng)力控制的恒力自動打磨方法，包括以下步驟：
[0006] 1)通過位置傳感器對工件坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定，緩慢移動X軸，當(dāng)打磨設(shè)備碰到工件，一 維力傳感設(shè)備會產(chǎn)生一個階躍信號，檢測出這個階躍信號和伺服電機(jī)編碼器的讀數(shù)，計算 出運(yùn)動機(jī)構(gòu)坐標(biāo)與工件坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系；
[0007] 2)讀取不同進(jìn)給深度的力傳感器的電壓值，估算運(yùn)動機(jī)構(gòu)和裝夾機(jī)構(gòu)的剛度； [0008] 3)對打磨過程建模，設(shè)計模糊自適應(yīng)控制器，并初步估算控制參數(shù)；
[0009] 4)所述模糊自適應(yīng)控制器的算法通過工控主機(jī)編程，給定y軸一個恒定的速度運(yùn) 動，在X軸方向通過力反饋控制磨削力的大小，記錄力傳感器電壓值，不斷調(diào)整模糊PID參 數(shù)直到得到較好的恒力磨削效果；
[0010] 5)以步驟4所調(diào)整的參數(shù)作為初始參數(shù)，設(shè)計模糊自適應(yīng)控制器；
[0011] 6)以步驟5所述的模糊自適應(yīng)控制器的算法編程并結(jié)合運(yùn)動控制器的運(yùn)動控制 函數(shù)，完成模糊自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計。
[0012] 7)工控主機(jī)采用位置控制方式控制打磨設(shè)備y軸方向勻速運(yùn)動，采用設(shè)計好的模 糊自適應(yīng)控制器控制打磨設(shè)備X軸方向的運(yùn)動，使打磨設(shè)備以恒定的力與工件接觸。
[0013] 進(jìn)一步地，所述步驟3具體包括：
[0014] 步驟31)將磨削過程簡化成質(zhì)量-彈簧-阻尼模型，其動力學(xué)方程可以寫成：
[0015] Fd(t) + Fc(t)-Fs(t) = Mx(t),
[0016] 其中質(zhì)量M是力傳感器、連接件、和手持角磨機(jī)的總質(zhì)量，X是X軸方向的位移，F(xiàn)d 為輸入的力，F(xiàn)e為力的干擾，包括伺服系統(tǒng)的干擾和力傳感器的干擾，F(xiàn) s為力傳感器的檢測 力返回值：
【主權(quán)項】
1. 基于模糊自適應(yīng)力控制的恒力自動打磨方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 通過位置傳感器對工件坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定，緩慢移動X軸，當(dāng)打磨設(shè)備碰到工件，一維力 傳感設(shè)備會產(chǎn)生一個階躍信號，檢測出這個階躍信號和伺服電機(jī)編碼器的讀數(shù)，計算出運(yùn) 動機(jī)構(gòu)坐標(biāo)與工件坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系； 2) 讀取不同進(jìn)給深度的力傳感器的電壓值，估算運(yùn)動機(jī)構(gòu)和裝夾機(jī)構(gòu)的剛度； 3) 對打磨過程建模，設(shè)計模糊自適應(yīng)控制器，并初步估算控制器參數(shù)； 4) 所述模糊自適應(yīng)控制器的算法通過工控主機(jī)編程，給定y軸一個恒定的速度運(yùn)動， 在X軸方向通過力反饋控制磨削力的大小，記錄力傳感器電壓值，不斷調(diào)整模糊PID參數(shù)直 到得到較好的恒力磨削效果； 5) 以步驟4)所調(diào)整的參數(shù)作為初始參數(shù)，設(shè)計模糊自適應(yīng)控制器； 6) 以步驟5)所述的模糊自適應(yīng)控制器的算法編程并結(jié)合運(yùn)動控制器的運(yùn)動控制函 數(shù)，完成模糊自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計； 7) 工控主機(jī)采用位置控制方式控制打磨設(shè)備y軸方向勻速運(yùn)動，采用設(shè)計好的模糊自 適應(yīng)控制器控制打磨設(shè)備X軸方向的運(yùn)動，使打磨設(shè)備以恒定的力與工件接觸。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模糊自適應(yīng)力控制的恒力自動打磨方法，其特征在于： 所述步驟3)具體包括： 步驟31)將磨削過程簡化成質(zhì)量-彈簧-阻尼模型，其動力學(xué)方程可以寫成： Fd(t) + Fc(t)-Fs(t) = Mx(t), 其中質(zhì)量M是力傳感器、連接件、和手持角磨機(jī)的總質(zhì)量，X是X軸方向的位移，F(xiàn)d為輸 入的力，F(xiàn)e為力的干擾，包括伺服系統(tǒng)的干擾和力傳感器的干擾，F(xiàn) 3為力傳感器的檢測力返 回值： Fs (t) = Bx (t) + Kx(t), 其中剛度K是串聯(lián)剛度，連接件的剛度對K的影響最大，B是系統(tǒng)阻尼，即由力傳感器、 角磨機(jī)等產(chǎn)生的阻尼。拉氏變換后消去X(S)得到： Fd(s)+ Fc(S)-Fs(S) =^Fs(S); 步驟32)設(shè)計帶濾波器的PID控制器，系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：
其中 A1= M+Bk d，A2= B+k dk+Bkp，A3= k+k iB+kkp; 步驟33)由阻尼比和角頻率畫出特征方程的根軌跡圖，初步確定一組特征方程的根， 由分母恒等式就可以估算出一組控制參數(shù)kp、匕和k d的值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模糊自適應(yīng)力控制的恒力自動打磨方法，其特征在于： 所述步驟5)具體包括： 51)用隸屬函數(shù)對輸入誤差e和誤差改變ec進(jìn)行模糊化處理，使用高斯型隸屬函數(shù)，函 數(shù)方程為：
52) 根據(jù)控制規(guī)則進(jìn)行PID參數(shù)的自整定，從而實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)對控制過程的自適應(yīng)，所 述控制規(guī)則的制定是模糊控制器設(shè)計的核心內(nèi)容，需要結(jié)合技術(shù)人員的操作經(jīng)驗(yàn)，建立合 適的規(guī)則表，分別得到Ak p，Λ kd，Aki的模糊控制規(guī)則表； 53) 解模糊，采用最大隸屬度平均值法，即mom法，如果在模糊集合的論域上，有多個點(diǎn) 都取最大隸屬度值，則取這些點(diǎn)的平均值U m的橫坐標(biāo)作為模糊集合的代表點(diǎn)，設(shè)A (u p = max(A(u))，j = 1，2,…，n，有η個點(diǎn)的隸屬度都取最大值，則?。篣nrom= Σ u j/n〇
4. 實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1至3任一項所述的基于模糊自適應(yīng)力控制的恒力自動打磨方法的打 磨裝置，其特征在于：包括工控主機(jī)、工作臺（1)、運(yùn)動機(jī)構(gòu)、一維力傳感設(shè)備、用于獲取工 件位置坐標(biāo)的位置傳感器、打磨設(shè)備和工件裝夾設(shè)備（11)，所述運(yùn)動機(jī)構(gòu)和工件裝夾設(shè)備 分別固定在工作臺上，所述運(yùn)動機(jī)構(gòu)包括X軸方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)（12)、y軸方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)（2)， 所述一維力傳感設(shè)備一端與打磨設(shè)備連接，另一端與運(yùn)動機(jī)構(gòu)的y軸方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)（2)通 過y軸方向滑塊（3)連接，所述工控主機(jī)通過電路與一維力傳感設(shè)備、位置傳感器、打磨設(shè) 備、X軸方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)、y軸方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)（2)相連接，打磨時，所述y軸方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)（2) 帶動打磨設(shè)備沿y軸方向勻速移動，所述X軸方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)（12)產(chǎn)生驅(qū)動力使打磨設(shè)備以 恒定的力與工件接觸。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的打磨裝置，其特征在于：所述X軸方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)包括依次連 接的X軸交流伺服電機(jī)（121)、X軸聯(lián)軸器（122)和X軸滾珠絲桿（123)，所述X軸滾珠絲 桿（123)上設(shè)置有X軸方向滑塊（13);所述Y軸方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)包括依次連接的y軸交流伺 服電機(jī)（23)、y軸聯(lián)軸器（22)和y軸滾珠絲桿（21)，所述y軸滾珠絲桿（21)上設(shè)置有y軸 方向滑塊⑶；所述y軸方向驅(qū)動單元通過螺栓固定于X軸方向滑塊（13)上；所述y軸方 向滑塊（3)與傳感器底座（4)連接；所述的傳感器底座（4)與傳感器固定座（5)連接；所述 的傳感器固定座（5)通過螺栓和凹形槽與一維力傳感設(shè)備連接。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的打磨裝置，其特征在于：所述的打磨設(shè)備包括與一維力傳感 設(shè)備相連接的角磨機(jī)連接件（7)，所述的角磨機(jī)連接件（7)與角磨機(jī)固定架（9)連接；所述 的角磨機(jī)固定架（9)與電動角磨機(jī)（8)連接。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的打磨裝置，其特征在于：所述一維力傳感設(shè)備包括S型一維 力傳感器（6)、變送器、A/D轉(zhuǎn)換接口和力傳感器的夾持裝置，所述力傳感器的夾持裝置通 過凹形連接件與S型一維力傳感器（6)連接，用于保護(hù)S型一維力傳感器（6)和增強(qiáng)連接 的穩(wěn)定性。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的打磨裝置，其特征在于：所述電動角磨機(jī)（8)的形狀是圓柱 形；所述角磨機(jī)固定架（9)是兩個半圓形機(jī)構(gòu)通過螺栓連接從而將電動角磨機(jī)（8)固定； 所述角磨機(jī)連接件（7) -端通過凹槽件與S型一維力傳感器（6)連接，另一端通過螺栓與 角磨機(jī)固定架（9)連接。
9. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的打磨裝置，其特征在于：所述工件裝夾設(shè)備（11)通過螺栓固 定于工作臺（1)表面，包括底座、L型壓板和底板，所述底板通過螺釘連接工件（10)，所述底 座設(shè)置有兩個T型槽，所述L型壓板一端開有長孔，所述L型壓板通過設(shè)置在T型槽內(nèi)的螺 栓將所述的底板壓固在底座上。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于模糊自適應(yīng)力控制的恒力自動打磨方法，所述打磨方法包括通過實(shí)時檢測磨頭與工件的接觸力進(jìn)行力信號的反饋，通過設(shè)定的控制算法改變控制器輸出的模擬量電壓值，從而控制x軸伺服電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的大小，達(dá)到接觸力控制的目的。本發(fā)明還提供了一種實(shí)現(xiàn)該方法的打磨裝置，包括工控主機(jī)、工作臺、運(yùn)動機(jī)構(gòu)、一維力傳感設(shè)備、用于獲取工件位置坐標(biāo)的位置傳感器、打磨設(shè)備和工件裝夾設(shè)備，本發(fā)明裝置能實(shí)現(xiàn)基于智能力控制技術(shù)完成打磨過程中法向磨削力的檢測，并對將檢測結(jié)果進(jìn)行反饋，通過控制器的處理，產(chǎn)生驅(qū)動信號不斷調(diào)整驅(qū)動器的輸出力矩，從而實(shí)時控制磨削法向力，實(shí)現(xiàn)恒定壓力的打磨。
【IPC分類】B24B49-16, G05D13-04
【公開號】CN104858782
【申請?zhí)枴緾N201510161357
【發(fā)明人】張鐵, 胡廣, 陳首彥
【申請人】華南理工大學(xué)
【公開日】2015年8月26日
【申請日】2015年4月3日