精密加工装置及其控制方法
【专利摘要】本发明提供了一种精密加工装置，包括执行元件、气缸、直线电机、压力传感器和控制器；执行元件连接气缸的活塞连杆，执行元件作用于待加工工件；压力传感器置于气缸内，压力传感器连接至控制器；气缸与直线电机的动子固定连接，直线电机连接至控制器，控制器用于根据气缸内的压力变化控制直线电机的动子运动。本发明还提供了一种精密加工装置的控制方法。本发明的精密加工装置及其控制方法，使得待加工工件与执行元件之间的接触力保持不变，避免了加工过程中工件的变形，提高了加工的精度和加工效率，保证了加工质量。
【专利说明】精密加工装置及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及精密加工【技术领域】，特别是涉及一种精密加工装置及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 对于叶片、电子产品、五金产品等通常需进行磨削或抛光等加工，使产品的表面满 足质量要求。在磨削、抛光等加工过程中，通过砂轮或抛光轮的微小切削原理实现对工件的 精密加工。在此过程中，砂轮或抛光轮与工件之间产生的法向接触力对加工质量具有重要 的影响，法向力的波动会导致工件表面产生波纹，严重时产生尺寸误差，降低了工件生产效 率及质量。目前，对于复杂型工件的磨削、抛光等过程仍采用人工加工等方式，工作效率低。
【发明内容】
[0003] 鉴于现有技术的现状，本发明的目的在于提供一种精密加工装置及其控制方法， 该精密加工装置的结构简单，提高了加工的精度及加工效率，保证了加工质量。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0005] -种精密加工装置，包括执行元件、气缸、直线电机、压力传感器和控制器；
[0006] 所述执行元件连接所述气缸的活塞连杆，所述执行元件作用于待加工工件；
[0007] 所述压力传感器置于所述气缸内，所述压力传感器连接至所述控制器；所述气缸 与所述直线电机的动子固定连接，所述直线电机连接至所述控制器，所述控制器用于根据 所述气缸内的压力变化控制所述直线电机的动子运动。
[0008] 在其中一个实施例中，还包括直线电机位移传感器和活塞位移传感器；
[0009] 所述直线电机位移传感器安装在所述直线电机的动子上，所述直线电机位移传感 器连接至所述控制器，用于实时检测所述直线电机的动子的位移；
[0010] 所述活塞位移传感器安装在所述气缸的活塞连杆上，所述活塞位移传感器连接至 所述控制器，用于实时检测所述气缸的活塞连杆的位移。
[0011] 在其中一个实施例中，所述控制器包括位移控制模块、速度控制模块和电流控制 模块；所述位置控制模块、所述速度控制模块和所述电流控制模块依次串接；
[0012] 所述直线电机位移传感器和所述活塞位移传感器连接至所述位移控制模块，形成 位移控制闭环；
[0013] 所述直线电机分别连接至所述速度控制模块和所述电流控制模块，所述直线电机 与所述速度控制模块形成速度控制闭环；所述直线电机、所述电流控制模块和所述压力传 感器形成力控制闭环。
[0014] 在其中一个实施例中，还包括滑动轴承和缸体端盖，所述缸体端盖设置在所述气 缸的非密封端；
[0015] 所述滑动轴承安装在所述缸体端盖上，所述滑动轴承的轴线与所述气缸的轴线重 合，所述气缸的活塞连杆贯穿所述滑动轴承。
[0016] 在其中一个实施例中，所述气缸上设置有预压力孔，所述预压力孔用于向所述气 缸内充入定量的压缩气体。
[0017] 在其中一个实施例中，所述直线电机为平板型直线电机，所述气缸的底壁固定在 所述直线电机的动子上，所述直线电机的动子的长度小于所述直线电机的定子的长度。
[0018] 在其中一个实施例中，所述气缸的密封端的外壁与所述直线电机的动子的端部固 定连接，所述直线电机的动子的长度大于所述直线电机的定子的长度。
[0019] 在其中一个实施例中，所述直线电机为圆筒形电机，所述直线电机的动子为中空 结构，所述直线电机的定子套设在所述直线电机的动子上；
[0020] 所述气缸置于所述直线电机的动子内，所述气缸的侧壁与所述直线电机的动子的 内壁固定连接。
[0021] 本发明还涉及一种精密加工装置的控制方法，用于上述任一项所述的精密加工装 置，包括如下步骤：
[0022] S1、压力传感器实时检测气缸内的压力值；
[0023] S2、控制器根据直线电机的控制电流输出所述直线电机的电磁力；
[0024] S3、所述控制器根据所述气缸内的压力值和所述直线电机的电磁力计算出所述直 线电机的动子的位移变化量，控制所述直线电机的动子运动。
[0025] 在其中一个实施例中，步骤S2还包括如下步骤：
[0026] S4、所述控制器实时检测所述直线电机的动子的反馈速度和直线电机的反馈电 流；
[0027] S5、所述控制器将所述直线电机的动子的反馈速度与所述直线电机的动子的参考 速度进行比较后输出所述直线电机的参考电流；
[0028] S6、所述控制器将所述直线电机的反馈电流与所述直线电机的参考电流比较后输 出所述直线电机的控制电流。
[0029] 在其中一个实施例中，所述步骤S5还包括如下步骤：
[0030] S7、直线电机位移传感器实时检测所述直线电机的动子的位移，活塞位移传感器 实时检测气缸的活塞连杆的位移；
[0031] S8、所述控制器根据所述直线电机动子的位移、所述气缸的活塞连杆的位移和平 衡位置的参考位移计算出所述气缸的活塞连杆相对于所述气缸的位移变化量；
[0032] S9、所述控制器根据所述气缸的活塞连杆相对于气缸的位移变化量计算所述直线 电机的动子的参考速度。
[0033] 本发明的有益效果是：
[0034] 本发明的精密加工装置及其控制方法，通过将执行元件连接气缸内的活塞连杆， 当执行元件与待加工工件的之间的接触力发生变化时，气缸内的活塞连杆相对于气缸运 动，使得气缸内的压力发生变化，然后控制器根据气缸内的压力值控制直线电机的动子运 动，由于气缸与直线电机的动子固定连接，因此实现了实时调整气缸内的压力值使得气缸 内的压力值保持不变，进而使得待加工工件与执行元件之间的接触力保持不变，避免了加 工过程中待加工工件的变形，提高了加工的精度和加工效率，保证了加工质量。而且，该精 密加工装置的结构简单，使用方便。
【专利附图】
【附图说明】
[0035] 图1为本发明的精密加工装置实施例一的示意图；
[0036] 图2为本发明的精密加工装置实施例二的示意图；
[0037] 图3为本发明的精密加工装置实施例三的左视图；
[0038] 图4为本发明的精密加工装置实施例三的右视图；
[0039] 图5为本发明的精密加工装置的控制原理框图；
[0040] 图6为本发明的精密加工装置的控制方法流程图。
【具体实施方式】
[0041] 为了使本发明的技术方案更加清楚，以下结合附图，对本发明的精密加工装置及 其控制方法作进一步详细的说明。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。
[0042] 参见图1至图6,如图1至图3所示，本发明的精密加工装置，用于工件的磨削、抛 光、去毛刺等加工过程，包括气缸1、执行元件3、缸体端盖4、预压力孔5、滑动轴承6、直线电 机、压力传感器、直线电机位移传感器、活塞位移传感器和控制器。其中，直线电机包括动子 7和定子8,预压力孔5设置在气缸1上，用于向气缸1内充入定量的压缩气体，保证气缸1 内的初始压强。气缸1还包括活塞连杆2,活塞连杆2置于气缸1的内部，且与气缸1的密 封端形成密闭的空腔。当活塞连杆2移动时，气缸1的密闭空腔内的压力发生变化。应当 清楚的是，活塞连杆2与执行元件3连接的一端为气缸1的非密封端，与非密封端相对的气 缸的一端为气缸1的密封端。
[0043] 执行元件3连接活塞连杆2,执行元件3作用于待加工工件，用于对待加工工件的 磨削、抛光或去毛刺等加工。在本实施例中，执行元件3包括刀柄和刀头/砂轮/抛光轮等， 砂轮/抛光轮固定连接在刀柄上，刀柄固接于活塞连杆2上。当执行元件3与待加工工件 之间的接触力发生变化时，执行元件3通过活塞连杆2对气缸1内的压缩气体做功，使得气 缸1内的压力值发生变化。
[0044] 压力传感器置于气缸1内，压力传感器连接至控制器，用于实时检测气缸1内的压 力值，并将检测到的气缸1内的压力值传送至控制器。气缸1与直线电机的动子7固定连 接，直线电机连接至控制器，控制器用于根据气缸1内的压力变化控制直线电机的动子7运 动。当气缸1内的压力值发生变化时，控制器控制直线电机的动子7运动。由于气缸1固 接于直线电机的动子7上，因此通过调整气缸的位移实现了对气缸1内压力值的调整，使得 气缸1内的压力值保持不变。
[0045] 根据力平衡原理，Fp = FJf ;其中，Fp为气缸1内的压力值，F1为执行元件3与待 加工工件之间的接触力，f为活塞连杆2与气缸1之间的摩擦力。当气缸内1的压力值保 持不变时，根据力平衡原理可以保证执行元件3与待加工工件之间的接触力^保持不变， 这样就减小了待加工工件表面的残余应力，避免了加工过程中工件的变形，提高了加工的 精度及加工效率，保证了加工质量。
[0046] 通过将执行元件连接气缸内的活塞连杆，当执行元件与待加工工件的之间的接触 力发生变化时，气缸内的活塞连杆相对于气缸运动，使得气缸内的压力发生变化，然后控制 器根据气缸内的压力值控制直线电机的动子运动，由于气缸与直线电机的动子固定连接， 因此实现了实时调整气缸内的压力值使得气缸内的压力值保持不变，进而使得待加工工件 与执行元件之间的接触力保持不变，避免了加工过程中待加工工件的变形，提高了加工的 精度和加工效率，保证了加工质量。而且，该精密加工装置的结构简单，使用方便。
[0047] 作为一种可实施方式，活塞位移传感器安装在气缸1的活塞连杆2上，活塞位移传 感器连接至控制器，用于实时检测气缸1内活塞连杆2的位移，即用于实时检测活塞连杆2 的当前位置。在本实施例中，活塞位移传感器可以使用光栅尺等检测精度较高的位移传感 器。活塞位移传感器实时检测活塞连杆2的位移，并将检测到的活塞连杆2的位移传送至 控制器。
[0048] 直线电机位移传感器安装在直线电机的动子7上，直线电机位移传感器连接至控 制器，用于实时检测直线电机的动子7的位移，即用于实时检测直线电机的动子7的当前位 置。在本实施例中，直线电机位移传感器可以使用光栅尺等检测精度较高的位移传感器。直 线电机位移传感器实时检测直线电机的动子7的位移，并将检测到的直线电机的动子7的 位移传送至控制器。
[0049] 较优地，控制器包括位移控制模块、速度控制模块和电流控制模块；位置控制模 块、速度控制模块和电流控制模块依次串接。其中，直线电机位移传感器和活塞位移传感器 连接至位移控制模块，形成位移控制闭环。控制器上的位移控制模块根据直线电机位移传 感器传送的直线电机的动子7的位移X，活塞位移传感器传送的活塞连杆2的位移Xp和平 衡位置的参考位移;^计算出活塞连杆2相对于气缸1的位移变化量AX。然后位移控制模 块对活塞连杆2相对于气缸1的位移变化量进行微分运算后输出直线电机的动子的参考速 度/，并将直线电机的动子的参考速度vM专送至速度控制模块。
[0050] 直线电机连接至速度控制模块，直线电机与速度控制模块形成速度控制闭环。控 制器上的速度控制模块实时检测直线电机动子的反馈速度V，并将检测到的直线电机的动 子的反馈速度V与直线电机的动子的参考速度/比较后输出直线电机的参考电流i'然 后，速度控制模块将直线电机的参考电流iM专送至控制器上的电流控制模块。
[0051 ] 直线电机同时连接至控制器上的电流控制模块，直线电机、电流控制模块和压力 传感器形成力控制闭环。控制器上的电流控制模块实时检测直线电机的反馈电流i，并将检 测到的直线电机的反馈电流i与直线电机的参考电流比较后输出直线电机的控制电流。 电流控制模块根据直线电机的控制电流输出直线电机的电磁力匕，然后控制器根据直线电 机的电磁力气缸内的压力值Fp以及活塞连杆2与气缸1之间的摩擦力计算出直线电机 的动子7的位移变化量，控制器控制直线电机的动子7运动。通过调整气缸1的位置实现 调整气缸1内的压力，使得气缸1内的压力值保持不变，进而保证执行元件3与待加工工件 之间的接触力保持不变。
[0052] 作为一种可实施方式，缸体端盖4设置在气缸1的非密封端；滑动轴承6安装在缸 体端盖4上，滑动轴承6的轴线与气缸1的轴线重合，活塞连杆2贯穿滑动轴承6。缸体端 盖4主要用于活塞连杆2的定位和安装，滑动轴承6主要用于稳定支撑活塞连杆2,且活塞 连杆2与滑动轴承6之间实现滑动接触支撑。在本实施例中，滑动轴承6可以使用线性轴 承或其他具有同等作用的轴承。将滑动轴承6的轴线与气缸1的轴线重合设置，这样可以 保证活塞连杆2只能沿滑动轴承6的轴向往复运动，进而保证了执行元件3相对于气缸1 前后移动，而不能左右漂移，保证了加工精度。
[0053] 在本实施例中，预压力孔5设置在气缸1的密封端，保证了气缸1的密封性能，进 而保证了活塞连杆2与气缸1形成的密闭腔室内具有符合要求的初始压强。预压力孔5可 以预留在气缸的密闭腔室的底面、顶面或周侧等位置。
[0054] 根据气缸与直线电机的位置关系不同，本发明的精密加工装置可以包含以下三种 结构：
[0055] 如图1所示，直线电机为平板型直线电机，气缸1的底壁固定在直线电机的动子7 上，直线电机的动子7的长度小于直线电机的定子8的长度。即直线电机的动子7与气缸 1在位置关系上为并联关系。
[0056] 如图2所示，气缸1的密封端与直线电机的动子7的端部固定连接，直线电机的动 子7的长度大于直线电机的定子8的长度。即直线电机的动子7与气缸1在位置关系上为 串联关系。此时，直线电机可以选用平板型直线电机或圆筒形直线电机等其他直线电机。
[0057] 如图3和图4所示，直线电机为圆筒形电机，直线电机的动子7为中空结构，直线 电机的定子8套设在直线电机的动子7上。此时，对直线电机的定子8的长度和直线电机 的动子7的长度不做具体的限定。气缸1置于直线电机的动子7内，气缸1的侧壁与直线 电机的动子7的内壁固定连接。即直线电机与气缸1形成复合结构，这样可以减小该精密 加工装置的体积，便于移动。
[0058] 上述三种实施例的精密加工装置的工作原理相同，其工作原理如下：
[0059] 当待加工工件的表面平整度及一致性发生改变时，执行元件3与待加工工件表面 的接触力^发生变化，从而使气缸1内的活塞连杆2相对于气缸1产生位移变化量。活塞 连杆2的移动会引起气缸1内压力值的变化。
[0060] 气缸1内的压力传感器实时检测气缸1内的压力值，并将检测到的气缸1的压力 值传送至控制器。控制器根据气缸1内压力值的变化量对直线电机的动子7位置进行实时 微调。由于气缸1固接于直线电机的动子7上，通过微调直线电机的动子7位置即可调整 气缸1内的压力值，保证气缸1内压力值保持恒定，进而保证执行元件3与待加工工件的表 面的接触力处于恒定状态。
[0061]由于气缸1内的压缩气体具有气体弹簧缓冲特性，当执行元件3与待加工工件的 表面的接触力增大时，气缸1内压缩气体的气体弹簧特性可起到一定的柔性缓冲作用，可 防止执行元件3与待加工工件表面的机械硬接触导致工件表面损坏或导致执行元件的损 伤。
[0062] 如图5和图6所示，本发明还涉及一种精密加工装置的控制方法，用于上述任一实 施例的精密加工装置，包括如下步骤：
[0063] S1、压力传感器实时检测气缸内的压力值Fp;压力传感器用于将检测到的气缸内 的压力值传送至控制器。
[0064] S2、控制器根据直线电机的控制电流输出直线电机的电磁力Fe ;
[0065] S3、控制器根据气缸内的压力值Fp和直线电机的电磁力^计算出直线电机的动子 的位移变化量，控制直线电机的动子运动。
[0066] 较优地，步骤S2还包括如下步骤：
[0067] S4、控制器实时检测直线电机的动子的反馈速度V和直线电机的反馈电流i ;
[0068] S5、控制器将直线电机的动子的反馈速度V与直线电机的动子的参考速度/进行 比较后输出直线电机的参考电流r;在本实施例中，控制器上的速度控制模块接收直线电 机的动子的反馈速度V，然后将直线电机的动子的反馈速度V与直线电机的动子的参考速 度/比较后输出直线电机的参考电流i'
[0069] S6、控制器将直线电机的反馈电流i与直线电机的参考电流比较后输出直线电 机的控制电流。在本实施例中，直线电机的控制电流作为控制器上的电流控制模块的输入 量。
[0070] 较优地，步骤S5还包括如下步骤：
[0071] S7、直线电机位移传感器实时检测直线电机的动子的位移X，活塞位移传感器实时 检测气缸1内活塞连杆2的位移xp ;
[0072] S8、控制器根据直线电机动子7的位移X、气缸1内活塞连杆2的位移Xp和平衡位 置的参考位移计算出活塞连杆2相对于气缸的位移变化量Ax ;
[0073] S9、控制器根据活塞连杆2相对于气缸1的位移变化量计算直线电机的动子7的 参考速度V'在本实施例中，控制器上的速度控制模块将活塞连杆2相对于气缸1的位移 变化量△ X进行微分运算后得到直线电机的动子7的参考速度，。
[0074] 本发明的精密加工装置及其控制方法，通过将执行元件连接气缸内的活塞连杆， 当执行元件与待加工工件的之间的接触力发生变化时，气缸内的活塞连杆相对于气缸运 动，使得气缸内的压力发生变化，然后控制器根据气缸内的压力值控制直线电机的动子运 动，由于气缸与直线电机的动子固定连接，因此实现了实时调整气缸内的压力值使得气缸 内的压力值保持不变，进而使得待加工工件与执行元件之间的接触力保持不变，避免了加 工过程中待加工工件的变形，提高了加工的精度和加工效率，保证了加工质量。而且，该精 密加工装置的结构简单，使用方便。
[0075] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并 不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保 护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【权利要求】
1. 一种精密加工装置，其特征在于： 包括执行元件、气缸、直线电机、压力传感器和控制器； 所述执行元件连接所述气缸的活塞连杆，所述执行元件作用于待加工工件； 所述压力传感器置于所述气缸内，所述压力传感器连接至所述控制器；所述气缸与所 述直线电机的动子固定连接，所述直线电机连接至所述控制器，所述控制器用于根据所述 气缸内的压力变化控制所述直线电机的动子运动。
2. 根据权利要求1所述的精密加工装置，其特征在于： 还包括直线电机位移传感器和活塞位移传感器； 所述直线电机位移传感器安装在所述直线电机的动子上，所述直线电机位移传感器连 接至所述控制器，用于实时检测所述直线电机的动子的位移； 所述活塞位移传感器安装在所述气缸的活塞连杆上，所述活塞位移传感器连接至所述 控制器，用于实时检测所述气缸的活塞连杆的位移。
3. 根据权利要求2所述的精密加工装置，其特征在于： 所述控制器包括位移控制模块、速度控制模块和电流控制模块；所述位置控制模块、所 述速度控制模块和所述电流控制模块依次串接； 所述直线电机位移传感器和所述活塞位移传感器连接至所述位移控制模块，形成位移 控制闭环； 所述直线电机分别连接至所述速度控制模块和所述电流控制模块，所述直线电机与所 述速度控制模块形成速度控制闭环；所述直线电机、所述电流控制模块和所述压力传感器 形成力控制闭环。
4. 根据权利要求1-3任一项所述的精密加工装置，其特征在于： 还包括滑动轴承和缸体端盖，所述缸体端盖设置在所述气缸的非密封端； 所述滑动轴承安装在所述缸体端盖上，所述滑动轴承的轴线与所述气缸的轴线重合， 所述气缸的活塞连杆贯穿所述滑动轴承。
5. 根据权利要求4所述的精密加工装置，其特征在于： 所述气缸上设置有预压力孔，所述预压力孔用于向所述气缸内充入定量的压缩气体。
6. 根据权利要求5所述的精密加工装置，其特征在于： 所述直线电机为平板型直线电机，所述气缸的底壁固定在所述直线电机的动子上，所 述直线电机的动子的长度小于所述直线电机的定子的长度。
7. 根据权利要求5所述的精密加工装置，其特征在于： 所述气缸的密封端与所述直线电机的动子的端部固定连接，所述直线电机的动子的长 度大于所述直线电机的定子的长度。
8. 根据权利要求5所述的精密加工装置，其特征在于： 所述直线电机为圆筒形电机，所述直线电机的动子为中空结构，所述直线电机的定子 套设在所述直线电机的动子上； 所述气缸置于所述直线电机的动子内，所述气缸的侧壁与所述直线电机的动子的内壁 固定连接。
9. 一种精密加工装置的控制方法，用于权利要求1-9任一项所述的精密加工装置，其 特征在于，包括如下步骤： 51、 压力传感器实时检测气缸内的压力值； 52、 控制器根据直线电机的控制电流输出所述直线电机的电磁力； 53、 所述控制器根据所述气缸内的压力值和所述直线电机的电磁力计算出所述直线电 机的动子的位移变化量，控制所述直线电机的动子运动。
10. 根据权利要求9所述的精密加工装置的控制方法，其特征在于，步骤S2还包括如下 步骤： 54、 所述控制器实时检测所述直线电机的动子的反馈速度和直线电机的反馈电流； 55、 所述控制器将所述直线电机的动子的反馈速度与所述直线电机的动子的参考速度 进行比较后输出所述直线电机的参考电流； 56、 所述控制器将所述直线电机的反馈电流与所述直线电机的参考电流比较后输出所 述直线电机的控制电流。
11. 根据权利要求10所述的精密加工装置的控制方法，其特征在于，所述步骤S5还包 括如下步骤： 57、 直线电机位移传感器实时检测所述直线电机的动子的位移，活塞位移传感器实时 检测气缸的活塞连杆的位移； 58、 所述控制器根据所述直线电机动子的位移、所述气缸的活塞连杆的位移和平衡位 置的参考位移计算出所述气缸的活塞连杆相对于所述气缸的位移变化量； 59、 所述控制器根据所述气缸的活塞连杆相对于所述气缸的位移变化量计算所述直线 电机的动子的参考速度。
【文档编号】B24B51/00GK104308739SQ201410535514
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月11日 优先权日:2014年10月11日
【发明者】赵飞, 孙鹏, 张驰, 张 杰 申请人:中国科学院宁波材料技术与工程研究所