一种基于XYZ轴滑台的曲面力控制轮廓跟随装置的制作方法

本实用新型涉及柔性控制领域，具体涉及一种基于xyz轴滑台的曲面力控制轮廓跟随装置。

背景技术：

对不规则曲面进行跟随移动，在工业生产中常常有所应用，例如，车体表面的抛光打磨，打磨头跟随车体表面执行有规律移动同时打磨，又或者对不规则曲面的形状测量，探头跟随曲面移动等。其中，跟随移动装置既需要在曲面的预定轨迹上执行移动，又需要保持跟随移动装置与曲面的接触力恒定，避免导致被测曲面变形甚至损坏。在实际运用中，跟随移动装置采用位置控制，同时需要引入额外的力或力矩作为反馈量，来控制输出量，这就是混合力/位置控制，属于柔顺控制中一种。在装置的跟随移动末端，需要实时跟随移动精确的力/力矩，所以采用多维力/力矩传感器。

电动滑台常采用滚珠丝杠作为传动件，因为滚珠丝杠接触是滚珠的点接触，滚动摩擦力小，整体传动效率高、精度高、轴向刚度高，而且既可以实现高速进给又可以实现微进给，配以高精度的伺服电机，可以精确控制装置的进给运动。三个电动滑台通过合理构件的拼搭，形成xyz轴三轴的移动平台，保证了全方位的可移动性。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本实用新型提供一种基于xyz轴滑台的曲面力控制轮廓跟随装置。

本实用新型运用柔顺控制保证了装置与曲面的相互接触精确可控，同时采用高精度的伺服电动滑台加以绕z轴旋转的伺服电机，在装置中辅以视觉系统，可以实时监测跟随装置与曲面的接触情况，保证探头与曲面切面垂直接触。

本实用新型采用如下技术方案：

一种基于xyz轴滑台的曲面力控制轮廓跟随装置，包括跟随装置本体部分、视觉检测部分及控制部分；

所述跟随装置本体部分包括实验平台，所述实验平台设置三个相同的伺服滚珠丝杠直线滑台构成xyz轴三向滑台，三个伺服滚珠丝杠直线滑台的滑块均与驱动电机连接，伺服电机固定在实现z轴方向运动的滚珠丝杠滑台的滑块上，所述伺服电机的轴平键连接力传感器连杆，力传感器连杆连接六维力/力矩传感器的一端，所述六维力/力矩传感器的另一端与探头连接，探头前方设置曲面板；

所述视觉检测部分包括工业相机，所述工业相机通过相机固定架固定在曲面板的上方，观测探头与曲面板的接触情况，传输至工业计算机；

所述控制部分包括伺服电机驱动器、电荷放大器、运动控制卡及工业计算机，所述工业计算机与运动控制卡相互连接，所述伺服电机驱动器与运动控制卡相互连接，所述驱动电机及伺服电机与伺服电机驱动器连接，所述六维力/力矩传感器检测探头与曲面板接触时的接触力，经过电荷放大器输入运动控制卡。

所述实验平台设置三个相同的伺服滚珠丝杠直线滑台构成xyz轴三向滑台，具体为：三个相同的伺服滚珠丝杠直线滑台分别为第一伺服滚珠丝杠直线滑台、第二伺服滚珠丝杠直线滑台及第三伺服滚珠丝杠直线滑台，所述第一伺服滚珠丝杠直线滑台固定在实验平台上为x轴移动滑台，所述第二伺服滚珠丝杠直线滑台与第一伺服滚珠丝杠直线滑台垂直设置为y轴移动滑台，y轴移动滑台的滑块通过z轴连接件与第三伺服滚珠丝杠滑台连接，第三伺服滚珠丝杠滑台为z轴移动滑台。

本实用新型中三个相同的伺服滚珠丝杠直线滑台的导轨侧面设置光电限位开关，滑块侧面设置限位开关挡片。

所述相机固定架由三条铝型材构成。

所述z轴连接件为t型。

本实施例的工作过程：

利用六维力/力矩传感器检测探头与曲面板接触时的接触力，经过电荷放大器放大，输入运动控制卡，进一步传输至工业计算机中；同时工业相机记录探头与曲面板接触时的姿态实时图像输入工业计算机；

工业计算机运行相应的柔顺控制算法，得到控制输出量经由运动控制卡的d/a模块输出，输出传给伺服电机驱动器，驱动每个伺服滚珠丝杠直线滑台的驱动电机以及伺服电机的响应相应转动，从而使与滚珠丝杠相连接的滑块移动；伺服电机的转动驱动力传感器连杆转动；每个伺服滚珠丝杠直线滑台的滑块移动与伺服电机的转动驱动末端探头跟随曲面板移动，并且两者时刻沿曲面法线接触，接触力恒定；

如果伺服滚珠丝杠直线滑台的滑块移动超出行程，连接在滑块侧面的限位开关挡片会触发所述的固定在滑轨侧面的光电限位开关，光电限位开关的信号会传输到电荷放大器，经过运动控制卡传输到工业计算机，经过计算机处理及时输出控制量到伺服电机驱动器，控制对应的伺服滚珠丝杠直线滑台锁定滑块继续移动，并退回安全位置。

本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型采用高精度的伺服滚珠丝杠直线滑台，分辨率2μm，而且高刚性，组成xyz轴三向的移动滑台，能高效高精度地实现跟随装置的进给运动，既可以高速进给也可以微进给；

(2)本实用新型辅以视觉系统作为检测的一部分，实时记录接触姿态，通过计算机的图像处理，保证探头与曲面接触时时刻刻保持垂直曲面的姿态，应用的前景更大，例如抛光打磨要求打磨头要与不规则曲面保持垂直切面接触，而且这样的接触力更为可控恒定；

(3)本实用新型采用的六维力/力矩传感器不仅体积小、质量轻，而且测量精度高、响应频率高，能够实时测量探头与曲面的各个方向接触力，从而更有利于柔顺控制，控制移动轨迹的同时，保持特定接触方向的接触力在要求范围内。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的跟随装置主体部分的结构示意图；

图3是本实用新型的伺服滚珠丝杠滑台的结构示意图；

图4是图1的主视图；

图5是图1的右视图；

图6是图1的俯视图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图1-图6所示，一种基于xyz轴滑台的曲面力控制轮廓跟随装置，包括跟随装置本体部分、视觉检测部分及控制部分。

所述跟随装置本体部分包括：

实验平台1四个角均安装有可以调节高度的支脚，整体由30x30的铝型材以及角钢搭建而成，安装平面上预留有多个螺纹通孔，用于安装固定整体实验装置。

所述实验平台1上设置三个相同的伺服滚珠丝杠直线滑台2，具体包括第一伺服滚珠丝杠直线滑台、第二伺服滚珠丝杠直线滑台及第三伺服滚珠丝杠直线滑台，三个滑台构成xyz轴三向滑台，所述第一伺服滚珠丝杠直线滑台通过8个螺钉固定在实验平台上，其滑块直接螺钉连接第二伺服滚珠丝杠直线滑台的导轨，二者呈现垂直的十字型构成xy轴运动平台，第二个伺服滚珠丝杠直线滑台的滑块安装有t字形的z轴连接件连接，而z轴连接件与竖直摆放的第三个伺服滚珠丝杠滑台通过6颗螺钉连接，构成xyz轴三向移动滑台。

伺服电机6固定在伺服电机固定座7上，伺服电机座由8颗螺钉固定在第三个伺服滚珠丝杠滑台的滑块上，这样伺服电机可以跟随滑块实现z轴上下移动；并且在每个伺服滚珠丝杠直线滑台的导轨侧面安装了光电限位开关5，而滑块侧面安装限位开关挡片4，滑块即将超出行程，挡片会触发光电限位开关5，立刻停止伺服滚珠丝杠直线滑台继续运行；伺服电机6的轴平键加紧定螺钉连接力传感器连杆8，力传感器连杆通过法兰盘连接六维力/力矩传感器9，类似地，探头10由法兰盘连接在六维力/力矩传感器的输入端；实验平台上还装有曲面板，用于模拟实际工作时跟随曲面移动。

所述视觉检测部分包括：

相机固定架12和工业相机13；相机固定架由三条20x20的铝型材构成“n”字形，之间采用角钢连接，固定于曲面板11的上方；而工业相机13固定在相机固定架上，位于曲面板正上方，用于实时观测探头与曲面板的接触情况，并将图像传输到工业计算机17中经过特定的算法处理分析，由此反馈控制探头(10)与曲面板任何时刻垂直接触。

控制部分包括：

将伺服滚珠丝杠直线滑台的驱动电机以及伺服电机连接到伺服电机驱动器16，将伺服电机驱动器16连接到运动控制卡15，运动控制卡15与工业计算机17相互连接；伺服滚珠丝杠直线滑台的驱动电机以及伺服电机自带的磁电编码器可以将电机自身的转动角位移、角速度等信息反馈给伺服电机驱动器，再传输至运动控制卡，进而通过运动控制卡传输给工业计算机；六维力/力矩传感器检测接触力及力矩信号经过电荷放大器传输计算机，然后工业计算机根据反馈信息运行相应的算法后发出相应控制量，经过运动控制卡传给伺服电机驱动器，驱动电机的驱动，控制伺服滚珠丝杠直线滑台滑块的移动以及力传感器连杆8的姿态，从而控制末端探头10与曲面接触的姿态；

所述的力传感器连杆运动方向有xyz轴三向以及绕z轴旋转，进而通过六维力/力矩传感器与探头连接，所以探头能够实现与不规则曲面的跟随移动，并且通过力/力矩传感器的测量接触力，保证与曲面的恒定可控接触力。

本实用新型的工作过程：

第一步利用六维力/力矩传感器检测探头与曲面板接触时的接触力，同时工业相机记录探头与曲面板的接触时的姿态实时图像；

第二步将步骤一采集到的六维力/力矩传感器接触力、力矩信号经由电荷放大器14放大，通过运动控制卡内部的a/d转换模块将模拟信号转换成数字信号输入到工业计算机中；同时工业相机将探头与曲面板的接触时的姿态图像输入到工业计算机中；

第三步根据步骤二得到检测信号与图像，工业计算机运行相应的柔顺控制算法，得到控制输出量经由运动控制卡的d/a模块输出，输出传给伺服电机驱动器，驱动每个伺服滚珠丝杠直线滑台的伺服电机以及伺服电机的响应相应转动，伺服滚珠丝杠直线滑台的伺服电机转动带动滚珠丝杠转动，从而使与滚珠丝杠相连接的滑块移动；伺服电机的转动驱动力传感器连杆转动；每个伺服滚珠丝杠直线滑台的滑块移动与伺服电机的转动驱动末端探头跟随曲面板移动，并且两者时刻沿曲面法线接触，接触力恒定；

第四步如果伺服滚珠丝杠直线滑台的滑块移动超出行程，连接在滑块侧面的限位开关挡片会触发所述的固定在滑轨侧面的光电限位开关，光电限位开关的信号会传输到电荷放大器，经过运动控制卡传输到工业计算机，经过计算机处理及时输出控制量到伺服电机驱动器，控制对应的伺服滚珠丝杠直线滑台锁定滑块继续移动，并退回安全位置。

图1中的虚线指示了各个设备之间的连线关系，方向箭头表明了检测和控制信号流的传递方向。

在本实施例中，实验平台由两种长度分别为350mm、340mm的30mmx30mm铝型材组装而成，台面为一块400mm×400mm×5mm的不锈钢板，通过m6螺钉与型材连接，型材的每个连接处都有角钢固定。

伺服滚珠丝杠直线滑台采用日本米思米公司的高精度直线滚珠型滑台，型号为xycvlc675-2-1-c-n，行程为100mm，分辨率为2μm，材质为sus440c，经过电解镀镍的表面处理，滑块长度为60mm，台面宽度为60mm，承载负荷98n。

光电限位开关可采用日本欧姆龙公司的ee-sx47/67系列凹槽形微型光电传感器，狭缝宽度为6mm，工作电压24v。

伺服电机选用美国的科尔摩根公司的akmakm系列同步伺服电机，型号为akm11x_akcn1_00，额定功率为140w，额定转矩为0.61n·m。

六维力/力矩传感器选用德国的雄克公司的ft系列六维力传感器，型号为ftn-nano-25si-125-3，重量63g，几何尺寸φ25mmx21.6mm，测量范围fx，fy为±125n，测量范围fz为±500n，测量范围mx，my，mz为±3nm，分辨率fx，fy为0.025n，分辨率fz为0.065n，分辨率mx，my，mz为0.001nmm。

工业相机选用瑞士的堡盟公司的hx系列工业相机，型号为hxg20，几何尺寸为52mm×52mm×55mm，重量为232g，传感器为cmv2000，分辨率2048×1088像素，最大采集帧率337fps。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。