本发明属于智能加工制造技术领域，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。
背景技术：
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。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明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，同时本发明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，按照本发明的一个方面，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。
按照本发明的另一方面，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，通过本发明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.本发明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.本发明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.本发明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，构成了本发明的主动柔顺；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，减小振荡，使力跟踪更加稳定，构成了本发明的被动柔顺。
4.传统的加工大多采用人工磨抛等方式，存在尺寸可控性较差、型面精度与表面质量一致性依赖工人的熟练程度等问题，本发明采用智能柔顺打磨方式实现变力磨抛加工，具有尺寸可控性高、型面精度、表面一致性好、表面纹理一致性好等优势。
5.传统人工磨抛的加工方式存在工人劳动强度大、对身体伤害大、加工成本高、加工效率低、对操作人员的技能水平要求高等缺点，本发明采用智能柔顺打磨方式能够降低工人劳动强度与身体伤害，降低对工人技术熟练程度的依赖，具有成本低、加工效率高等优势。
6.本发明通过安装法兰连接在机器人末端，通过机器人的精密运动控制可实现机器人末端的姿态变化，从而间接地实现了本发明的姿态调整与运动补偿，即通过机器人的运动使变力磨抛装置到达指定位姿，通过变力磨抛装置实现变力光正加工，完成力/位解耦，实现给定位置处的给定力。
7.本发明采用直线模组伺服运动平台与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，区别于奥地利公司的气动变力装置acf以及美国mitdraper实验中心的无源被动柔顺装置，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，柔顺弹簧具有很好的线性特性，增加系统阻尼和响应带宽的同时并不引入非线性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种综合主被动柔顺的一维变力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主视图。
图4为本发明实施例提供的可调速柔顺磨抛机构的后视图。
图5为航空发动机叶片类自由曲面零件的结构示意图。
图6为机器人与本发明一维变力磨抛装置的连接示意图。
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，本发明实施例提供的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，其中直线模组伺服运动平台用于带动可调速柔顺磨抛机构做精密直线运动，以实时调整可调速柔顺磨抛机构与工件之间的接触状态，实现可调速柔顺磨抛机构与工件之间的变力柔顺接触，安装法兰8用于与连接机器人、机床等末端法兰连接，机器人、机床等的运动控制实现末端位姿的控制，间接实现变力磨抛装置的位姿控制与补偿，实现机器人磨抛加工中的力/位解耦，限位板6用于安装位姿传感器7和可调速柔顺磨抛机构5，可调速柔顺磨抛机构用于对工件进行打磨加工，可无极调整磨抛速度，而控制器则用于反馈位姿信息及接触力信息，以实现可调速柔顺磨抛机构运动的控制以及一维变力磨抛装置位姿的控制，进而实现磨抛接触力的主被动柔顺控制。
如图1和2所示，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，伺服电机1设置在直线模组基座10上，并与滚珠丝杠12譬如通过联轴器9相连，该滚珠丝杠12与直线模组滑块11螺纹配合，直线模组滑块11嵌装在直线模组基座10上并可沿直线模组基座10水平滑动，其将滚珠丝杠的精密转动转化为精密直线运动，即可在伺服电机的驱动下做精密直线运动。所述伺服电机1优选为带抱闸伺服电机，其通过抱闸实现电机制动，并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，带闸保证伺服电机在不同姿态下停机不会因为重力作用滑动，同时可用于抱闸制动。
具体的，安装法兰8和限位板6均安装在直线模组基座10上，位姿传感器7和可调速柔顺磨抛机构5则安装在限位板6上，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控制器，具体测量一维变力磨抛装置中的限位板与水平面的倾角，控制器根据当前姿态进行重力补偿，该可调速柔顺磨抛机构5面向直线模组伺服运动平台的一侧上安装有力传感器4，具体为一维力传感器，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直线模组滑块11相连，即连接法兰3一端安装在直线模组滑块上，另一端安装在力传感器上，通过连接法兰3将直线模组滑块的直线运动传递至力传感器以及力传感器连接的可调速柔顺磨抛机构，该力传感器4用于采集可调速柔顺磨抛机构的接触力信号并发送至控制器，即测量磨抛过程中砂带与工件的接触力，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伺服电机1，伺服电机根据该速度控制量进行精密转动，并通过滚珠丝杠和滑块转化为直线运动，可调速柔顺磨抛机构在直线模组伺服运动平台的精密运动下做直线运动，实时改变可调速柔顺磨抛机构具体是砂带与磨抛工件的接触状态，调整接触力实现砂带与磨削工件保持变力柔顺接触，构成了磨抛接触力的主动柔顺控制，而可调速柔顺磨抛机构可实现磨抛接触力的被动柔顺控制。
如图3和4所示，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，可调速电机19通过电机安装法兰18与力传感器4相连，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，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，具体为水平圆柱孔和竖直圆柱孔，驱动轮、张紧轮15和打磨接触轮13上套装有砂带14，即砂带绕在打磨接触轮、张紧轮与驱动轮上，该驱动轮与可调速电机的输出轴相连，以在可调速电机的驱动下带动砂带转动，该张紧轮15与张紧顶杆16相连，张紧顶杆16安装在柔顺打磨头安装基座20的竖直圆柱孔内，并且张紧顶杆16的下端与圆柱孔底部之间设置有张紧弹簧17，张紧顶杆下端在柔顺打磨头安装基座的圆柱空腔中滑动，由张紧弹簧的弹力支撑张紧顶杆提供张紧力使砂带张紧；该打磨接触轮13与柔顺顶杆相连，柔顺顶杆安装在柔顺打磨头安装基座20的水平圆柱孔内，并且柔顺顶杆的下端与圆柱孔底部之间设置有柔顺弹簧21，柔顺顶杆下端在柔顺打磨头安装基座圆柱孔中滑动，打磨接触轮处的砂带部分用于打磨工件，柔顺弹簧的设置使得柔顺顶杆和砂带接触轮具有一定被动柔顺，可以增加系统阻尼，增强系统稳定性，减小振荡，降低接触力波动的影响，构成了磨抛接触力的被动柔顺控制，起到被动柔顺的作用。该可调速柔顺磨抛机构可在直线模组伺服运动平台精密运动下实时调整打磨头单元与工件之间的接触状态实现可控变力柔顺接触，避免过大接触力导致的加工冲击和过量磨削等问题，可调速柔顺磨抛机构中的可调速电机可无级变速实现不同磨抛速度下的光整加工。
进一步的，打磨接触轮13通过打磨接触轮安装块24与柔顺顶杆相连，即打磨接触轮13安装在打磨接触轮安装块24上，该打磨接触轮安装块24上再安装柔顺顶杆，所述打磨接触轮安装块24与柔顺打磨头安装基座20之间还设置有柔顺导杆22，柔顺导杆22一端安装在柔顺打磨头安装基座20上，另一端通过直线轴承23安装在打磨接触轮安装块24上，可沿打磨接触轮安装块24水平移动。
进一步的，控制器与可调速电机、位姿传感器、力传感器以及直线模组伺服运动平台的伺服电机连接，在速度环下通过微分先行非线性pid控制算法以输出反馈调节的方式控制直线模组伺服运动平台的运动实现砂带与工件变力接触控制。即控制器一方面接收姿态传感器传入的装置姿态信息进行重力补偿，一方面接收力传感器传入的打磨过程中检测到的磨抛接触力，并经过巴特沃斯滤波处理后与目标接触力比较获得力误差，控制器根据力误差计算出直线模组伺服运动平台速度控制量，形成力控闭环，另一方面输出控制信号控制可调速电机的转速用来调整砂带的切削速度。具体的，控制器可采用plc、arm等常用控制器，用于运行算法、处理传感器信号并生成控制量，而待磨抛工件优选为航空发动机类复杂自由曲面零件，例如航空发动机叶片，如图5所示，航空发动机叶片具有型面26和阻尼台25。
如图6所示，通过安装法兰将本发明的一维变力磨抛装置与机器人的末端法兰连接，通过机器人的运动提供变力磨抛装置大范围位置和姿态的调节需要，结合本装置的变力磨抛特点实现给定位置处的给定力磨抛加工。
本发明还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，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、在控制器中例如采用低通滤波器与均值滤波器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(即实际接触力)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，例如磨抛过程结束即结束磨抛装置的控制。
具体的，低通滤波器采用巴特沃斯滤波器，均值滤波器采用100个采样数据进行滑动求均值滤波，根据下列公式计算应当补偿的重力：
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中限位板与水平面的夹角。
进一步的，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，即目标接触力，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，通过微分先行非线性pid调节计算伺服电机的速度控制量：
其中，t为时间，u(t)为伺服电机的速度控制量，fsensor(t)为力传感器实时测量的接触力，kp为比例系数，其是力误差e(t)的函数，kp＝f(e(t))，在误差大时kp大，误差小时kp小，ki为积分系数，kd为微分项系数。
总之，本发明的具有精密、高带宽控制特性的直线模组伺服运动平台与力传感器构成的负反馈主动柔顺系统能够很好地控制砂带与工件的接触状态，从而控制接触力，为了改善直线模组高刚性易导致振荡的特性，在可调速柔顺磨抛机构中加入柔顺弹簧，能够增加系统阻尼，改变系统特性，有效减小砂带与工件接触力的波动，实现被动柔顺。本发明综合以直线模组与力传感器为核心的主动柔顺与以阻尼弹簧为核心的被动柔顺，实现了机器人力控磨抛加工中的力/位解耦，结构简单，生产成本低，可广泛应用于机器人磨抛航空发动机叶片类自由曲面。
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，并不用以限制本发明，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。