基于模糊自适应力控制的恒力自动打磨装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及自动打磨领域，尤其是一种基于模糊自适应力控制的恒力自动打磨装 置及方法。
【背景技术】
[0002] 目前，打磨行业相当一部分打磨由熟练的工人手工完成，自动化水平较低。手工打 磨不仅劳动强度大、费时、效率低，而且打磨产生的粉尘危害工人的身体健康。专用打磨机 床的效率很高，但专用机床加工的通用性差，适合大批量生产，可拓展性不强，不仅如此专 用机床的价格昂贵。在高精度的磨削加工中，法向磨削力是影响表面加工质量和材料去除 率的重要因素，因此保证法向磨削力的恒定是确保磨削质量和效率的关键。因此传统的位 置控制方式已经不能满足对产品表面质量越来越高的要求，在自动化打磨设备中加入力控 制是解决这一问题的有效方法。
【发明内容】
[0003] 本发明为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种基于力传感器模糊自适应 控制的恒力自动打磨方法及实现这种打磨方法的打磨装置，该装置结构简单、易于控制、通 用性强。
[0004] 本发明的目的通过以下的技术方案实现：
[0005] 基于模糊自适应力控制的恒力自动打磨方法，包括以下步骤：
[0006] 1)通过位置传感器对工件坐标进行标定，缓慢移动X轴，当打磨设备碰到工件，一 维力传感设备会产生一个阶跃信号，检测出这个阶跃信号和伺服电机编码器的读数，计算 出运动机构坐标与工件坐标之间的转换关系；
[0007] 2)读取不同进给深度的力传感器的电压值，估算运动机构和装夹机构的刚度； [0008] 3)对打磨过程建模，设计模糊自适应控制器，并初步估算控制参数；
[0009] 4)所述模糊自适应控制器的算法通过工控主机编程，给定y轴一个恒定的速度运 动，在X轴方向通过力反馈控制磨削力的大小，记录力传感器电压值，不断调整模糊PID参 数直到得到较好的恒力磨削效果；
[0010] 5)以步骤4所调整的参数作为初始参数，设计模糊自适应控制器；
[0011] 6)以步骤5所述的模糊自适应控制器的算法编程并结合运动控制器的运动控制 函数，完成模糊自适应PID控制器的设计。
[0012] 7)工控主机采用位置控制方式控制打磨设备y轴方向匀速运动，采用设计好的模 糊自适应控制器控制打磨设备X轴方向的运动，使打磨设备以恒定的力与工件接触。
[0013] 进一步地，所述步骤3具体包括：
[0014] 步骤31)将磨削过程简化成质量-弹簧-阻尼模型，其动力学方程可以写成：
[0015] Fd(t) + Fc(t)-Fs(t) = Mx(t),
[0016] 其中质量M是力传感器、连接件、和手持角磨机的总质量，X是X轴方向的位移，Fd 为输入的力，Fe为力的干扰，包括伺服系统的干扰和力传感器的干扰，F s为力传感器的检测 力返回值：
【主权项】
1. 基于模糊自适应力控制的恒力自动打磨方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 通过位置传感器对工件坐标进行标定，缓慢移动X轴，当打磨设备碰到工件，一维力 传感设备会产生一个阶跃信号，检测出这个阶跃信号和伺服电机编码器的读数，计算出运 动机构坐标与工件坐标之间的转换关系； 2) 读取不同进给深度的力传感器的电压值，估算运动机构和装夹机构的刚度； 3) 对打磨过程建模，设计模糊自适应控制器，并初步估算控制器参数； 4) 所述模糊自适应控制器的算法通过工控主机编程，给定y轴一个恒定的速度运动， 在X轴方向通过力反馈控制磨削力的大小，记录力传感器电压值，不断调整模糊PID参数直 到得到较好的恒力磨削效果； 5) 以步骤4)所调整的参数作为初始参数，设计模糊自适应控制器； 6) 以步骤5)所述的模糊自适应控制器的算法编程并结合运动控制器的运动控制函 数，完成模糊自适应PID控制器的设计； 7) 工控主机采用位置控制方式控制打磨设备y轴方向匀速运动，采用设计好的模糊自 适应控制器控制打磨设备X轴方向的运动，使打磨设备以恒定的力与工件接触。
2. 根据权利要求1所述的基于模糊自适应力控制的恒力自动打磨方法，其特征在于： 所述步骤3)具体包括： 步骤31)将磨削过程简化成质量-弹簧-阻尼模型，其动力学方程可以写成： Fd(t) + Fc(t)-Fs(t) = Mx(t), 其中质量M是力传感器、连接件、和手持角磨机的总质量，X是X轴方向的位移，Fd为输 入的力，Fe为力的干扰，包括伺服系统的干扰和力传感器的干扰，F 3为力传感器的检测力返 回值： Fs (t) = Bx (t) + Kx(t), 其中刚度K是串联刚度，连接件的刚度对K的影响最大，B是系统阻尼，即由力传感器、 角磨机等产生的阻尼。拉氏变换后消去X(S)得到： Fd(s)+ Fc(S)-Fs(S) =^Fs(S); 步骤32)设计带滤波器的PID控制器，系统的闭环传递函数为：
其中 A1= M+Bk d，A2= B+k dk+Bkp，A3= k+k iB+kkp; 步骤33)由阻尼比和角频率画出特征方程的根轨迹图，初步确定一组特征方程的根， 由分母恒等式就可以估算出一组控制参数kp、匕和k d的值。
3. 根据权利要求1所述的基于模糊自适应力控制的恒力自动打磨方法，其特征在于： 所述步骤5)具体包括： 51)用隶属函数对输入误差e和误差改变ec进行模糊化处理，使用高斯型隶属函数，函 数方程为：
52) 根据控制规则进行PID参数的自整定，从而实现控制参数对控制过程的自适应，所 述控制规则的制定是模糊控制器设计的核心内容，需要结合技术人员的操作经验，建立合 适的规则表，分别得到Ak p，Λ kd，Aki的模糊控制规则表； 53) 解模糊，采用最大隶属度平均值法，即mom法，如果在模糊集合的论域上，有多个点 都取最大隶属度值，则取这些点的平均值U m的横坐标作为模糊集合的代表点，设A (u p = max(A(u))，j = 1，2,…，n，有η个点的隶属度都取最大值，则取：Unrom= Σ u j/n〇
4. 实现权利要求1至3任一项所述的基于模糊自适应力控制的恒力自动打磨方法的打 磨装置，其特征在于：包括工控主机、工作台（1)、运动机构、一维力传感设备、用于获取工 件位置坐标的位置传感器、打磨设备和工件装夹设备（11)，所述运动机构和工件装夹设备 分别固定在工作台上，所述运动机构包括X轴方向运动机构（12)、y轴方向运动机构（2)， 所述一维力传感设备一端与打磨设备连接，另一端与运动机构的y轴方向运动机构（2)通 过y轴方向滑块（3)连接，所述工控主机通过电路与一维力传感设备、位置传感器、打磨设 备、X轴方向运动机构、y轴方向运动机构（2)相连接，打磨时，所述y轴方向运动机构（2) 带动打磨设备沿y轴方向匀速移动，所述X轴方向运动机构（12)产生驱动力使打磨设备以 恒定的力与工件接触。
5. 根据权利要求4所述的打磨装置，其特征在于：所述X轴方向运动机构包括依次连 接的X轴交流伺服电机（121)、X轴联轴器（122)和X轴滚珠丝杆（123)，所述X轴滚珠丝 杆（123)上设置有X轴方向滑块（13);所述Y轴方向运动机构包括依次连接的y轴交流伺 服电机（23)、y轴联轴器（22)和y轴滚珠丝杆（21)，所述y轴滚珠丝杆（21)上设置有y轴 方向滑块⑶；所述y轴方向驱动单元通过螺栓固定于X轴方向滑块（13)上；所述y轴方 向滑块（3)与传感器底座（4)连接；所述的传感器底座（4)与传感器固定座（5)连接；所述 的传感器固定座（5)通过螺栓和凹形槽与一维力传感设备连接。
6. 根据权利要求4所述的打磨装置，其特征在于：所述的打磨设备包括与一维力传感 设备相连接的角磨机连接件（7)，所述的角磨机连接件（7)与角磨机固定架（9)连接；所述 的角磨机固定架（9)与电动角磨机（8)连接。
7. 根据权利要求4所述的打磨装置，其特征在于：所述一维力传感设备包括S型一维 力传感器（6)、变送器、A/D转换接口和力传感器的夹持装置，所述力传感器的夹持装置通 过凹形连接件与S型一维力传感器（6)连接，用于保护S型一维力传感器（6)和增强连接 的稳定性。
8. 根据权利要求7所述的打磨装置，其特征在于：所述电动角磨机（8)的形状是圆柱 形；所述角磨机固定架（9)是两个半圆形机构通过螺栓连接从而将电动角磨机（8)固定； 所述角磨机连接件（7) -端通过凹槽件与S型一维力传感器（6)连接，另一端通过螺栓与 角磨机固定架（9)连接。
9. 根据权利要求4所述的打磨装置，其特征在于：所述工件装夹设备（11)通过螺栓固 定于工作台（1)表面，包括底座、L型压板和底板，所述底板通过螺钉连接工件（10)，所述底 座设置有两个T型槽，所述L型压板一端开有长孔，所述L型压板通过设置在T型槽内的螺 栓将所述的底板压固在底座上。
【专利摘要】本发明公开了一种基于模糊自适应力控制的恒力自动打磨方法，所述打磨方法包括通过实时检测磨头与工件的接触力进行力信号的反馈，通过设定的控制算法改变控制器输出的模拟量电压值，从而控制x轴伺服电动机输出转矩的大小，达到接触力控制的目的。本发明还提供了一种实现该方法的打磨装置，包括工控主机、工作台、运动机构、一维力传感设备、用于获取工件位置坐标的位置传感器、打磨设备和工件装夹设备，本发明装置能实现基于智能力控制技术完成打磨过程中法向磨削力的检测，并对将检测结果进行反馈，通过控制器的处理，产生驱动信号不断调整驱动器的输出力矩，从而实时控制磨削法向力，实现恒定压力的打磨。
【IPC分类】B24B49-16, G05D13-04
【公开号】CN104858782
【申请号】CN201510161357
【发明人】张铁, 胡广, 陈首彦
【申请人】华南理工大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年4月3日