一种用于磨削装置的动态磨削力测量方法与流程

本发明涉及动态接触力和接触力矩的测量技术领域，具体为一种用于磨削装置的动态磨削力测量方法。

背景技术：

在零件的加工过程中，磨削是必不可少的步骤。如铸造件(铸铁、铸铝、铸钢等)加工后存在的飞边和浇口需要打磨，车床加工的零件存在的毛刺需要打磨，金属材料的焊接缝隙也需要打磨。

目前存在两种打磨方式：一、传统的手工打磨：打磨质量参差不齐，耗时费力，且工况较差，易发生安全事故；二、自动化设备进行打磨：打磨质量自主可控，效率高，成本低。因此自动化设备打磨的方式即将全面替代传统的手工打磨方式。

使用自动化设备进行打磨的时候，为保证工件表面的磨削质量，往往需要控制自动化设备的磨削工具与工件表面保持恒力接触，而磨削工具与工件表面的接触力的测量是进行恒力控制的前提。

目前用于打磨的自动化设备分为两类：一、打磨专用自动化设备；二、工业机器人。对于打磨专用自动化设备，在附带磨削工具的磨削电机轴上安装动态转矩传感器测量打磨头与工件表面的接触力矩，此方式的主要缺点是：动态扭矩传感器价格昂贵，结构复杂，安装不便，维护不易，不适于小量程测量且只能用于扭矩测量；对于工业机器人，根据机器人的关节位姿和安装在机器人腕关节上的六轴力传感器的测量值，计算出磨削工具和工件表面的接触力和接触力矩，此方法的主要缺点：计算的过程复杂，计算的数据量大，采用的是间接测量的方法，测量精度得不到保证，且六轴力传感器价格昂贵。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种可进行直接测量，速度快，精度高，价格低，且具有普适性的用于磨削装置的动态磨削力测量方法。技术方案如下：

一种用于磨削装置的动态磨削力测量方法，包括以下步骤：

步骤1：确定隔离体：

将磨削电机的磨削电机轴穿过双法兰压扭耦合传感器，通过联轴器与磨削工具固定连接，将双法兰压扭耦合传感器的左法兰盘固定于安装板上，右法兰盘固定于磨削电机上；将磨削工具、联轴器、磨削电机轴、磨削电机及双法兰压扭耦合传感器作为隔离体；

步骤2：建立力学模型，进行力学分析：

以磨削电机轴的中轴线为x轴，以工件表面为yoz平面建立坐标系；则：

工件表面施加给磨削工具端面的接触力和力矩包括：沿坐标系x轴的等效法向力fa，沿坐标系y轴的等效切向力fc，沿坐标系z轴的等效切向力fn，以及绕坐标系x轴的等效磨削扭矩t；其中fa、fc及fn的作用线相交于磨削工具左端面的几何中心a点；

安装板施加给双法兰压扭耦合传感器左法兰盘端面的接触力和力矩包括：沿x、y、z坐标轴方向的等效力fx、fy、fz，以及绕x、y、z坐标轴的等效力矩mx，my，mz；fx、fy、fz和mx，my，mz的等效作用点为双法兰压扭耦合传感器左法兰盘端面中心b点；

隔离体所受重力g的作用点为c点，作用点a、b和c共线，且与磨削电机轴共轴线；

步骤3：构建动力学平衡方程

根据达朗贝尔原理，双法兰压扭耦合传感器测量到的fx和mx中不仅包含磨削工具与工件表面的接触力和力矩，还包含有惯性力和力矩，力学平衡方程如下：

式中：t为工件表面作用在磨削工具左端面几何中心a点的绕x轴的等效力矩；ma为隔离体在坐标系x轴方向的惯性力，其中m是隔离体的总质量，a是隔离体的沿坐标系x轴方向的加速度；iε是由磨削工具、联轴器及磨削电机轴三部分组成的整体的惯性力矩，其中i是磨削工具、联轴器及磨削电机轴三部分的等效转动惯量，ε是磨削工具、联轴器及磨削电机轴三部分的角加速度；

步骤4：计算目标力和目标力矩：

在无负载情况下，使隔离体和安装板一起以给定的加速度a沿坐标系x轴方向运动，通过双法兰压扭耦合传感器直接读取x坐标轴方向的等效力fx；此时，沿坐标系x轴的等效法向力fa＝0，则隔离体的总质量为：

同时，通过双法兰压扭耦合传感器直接读取绕x坐标轴方向的等效力矩mx，通过测量磨削电机的转速，并进行微分计算出角加速度ε；无负载情况下绕坐标系x轴的等效磨削扭矩t＝0，则磨削工具、联轴器及磨削电机轴三部分的等效转动惯量为：

在磨削作业中，通过测量隔离体和安装板沿坐标系x轴方向运动的速度，微分计算出当前的加速度a，再结合fx的测量值和隔离体的总质量m，求得目标力：

fa＝-fx-ma

通过测量磨削电机的转速，微分计算出当前的出角加速度ε，并结合mx的测量值和角加速度ε，求得目标力矩：

t＝-mx-iε。

本发明的有益效果是：本发明根据工件磨削时的受力情况，首先确定需进行力学分析的隔离体，其次对磨削工具末端与工件之间的接触力进行分析，再对压扭耦合传感器的受力进行分析，最后建立工件磨削时的力学模型求解目标力和力矩；可进行直接测量，速度快，精度高，价格低，且具有普适性。

附图说明

图1为本发明系统结构图。

图2为双法兰压扭耦合传感器结构示意图。

图3为受力模型。

图中：1-磨削工具；2-联轴器；3-磨削电机轴；4-安装板；5-双法兰压扭耦合传感器；6-磨削电机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1是系统结构图，其中：1磨削工具；2联轴器；3磨削电机轴；4安装板；5双法兰压扭耦合传感器；6磨削电机。图2是双法兰压扭耦合传感器立体结构图。

双法兰压扭耦合传感器5是由左右两个法兰盘和中间的弹性体组成，左右两个法兰盘上各开有四个螺栓孔，法兰盘和弹性体的几何中心处开有沿轴向贯穿的通孔用于磨削电机轴3穿过。双法兰压扭耦合传感器5的左法兰盘安装在安装板4上，磨削电机6安装在双法兰压扭耦合传感器5的右法兰盘上，磨削电机轴3从扭耦合传感器5的通孔中穿过，然后通过联轴器2与磨削工具连接。

建立力学模型：

工作过程说明：磨削电机6通过联轴器2带动磨削工具1高速转动，与y0z平面的工件表面接触进行磨削作业，磨削工具1可沿x轴平移，调节磨削工具1与工件表面的磨削接触力和力矩，压扭耦合传感器实时测量磨削工具1与工件表面的接触力和力矩。同时测量电机转速得到隔离体在运动过程中产生的惯性力和力矩，根据达朗贝尔原理建立动力学平衡方程，便可求解得到磨削工具1与工件表面的接触力和力矩，最后再根据求解得到的接触力和接触力矩，控制由磨削工具1、联轴器2、磨削电机轴3、安装板4、双法兰压扭耦合传感器5以及磨削电机6组成的整体沿x轴往复运动，从而使得磨削工具与工件表面的恒力接触实现恒力磨削。

步骤1：确定隔离体

可将磨削工具1、联轴器2、磨削电机轴3、磨削电机6及双法兰压扭耦合传感器5作为隔离体进行力学分析。

步骤2：力学分析

隔离体所受的力和力矩来自三方面：一、重力；二、工件表面施加给磨削工具1端面的接触力和力矩；三、安装板4施加给双法兰压扭耦合传感器5左法兰盘端面的接触力和力矩。

1)工件表面施加给磨削工具1端面的接触力和力矩包括：等效法向力fa(沿坐标系x轴)，等效切向力fc(沿坐标系y轴)，等效切向力fn(沿坐标系z轴)，等效磨削扭矩t(绕坐标系x轴)。其中fa、fc及fn的作用线相交于磨削工具1左端面的几何中心点a。

2)安装板4施加给双法兰压扭耦合传感器5左法兰盘端面的接触力和力矩包括：沿x、y、z坐标轴方向的等效力fx、fy、fz，以及绕x、y、z坐标轴的等效力矩mx，my，mz。需要说明的是，fx、fy、fz和mx，my，mz的等效作用点是双法兰压扭耦合传感器5左法兰盘端面中心b，作用对象并不是磨削电机轴3。

3)作用点a、b和c共线，且与磨削电机轴3共轴线。

步骤3：建立动力学平衡方程

根据达朗贝尔原理，双法兰压扭耦合传感器5测量到的fx和mx中不仅包含磨削工具1与工件表面的接触力和力矩，还包含有惯性力和力矩，力学平衡方程如下：

其中：t为工件表面作用在磨削工具1左端面几何中心a点的绕x轴的等效力矩；ma是隔离体的在坐标系x轴方向的惯性力，其中m是隔离体的总质量，a是隔离体的沿坐标系x轴方向的加速度；iε是由磨削工具1、联轴器2及磨削电机轴3三部分组成的整体的惯性力矩，其中i是磨削工具1、联轴器2及磨削电机轴3三部分的等效转动惯量，ε是磨削工具1、联轴器2及磨削电机轴3三部分的角加速度。

步骤4：力学平衡方程求解

由于双法兰压扭耦合传感器5只测量fx和mx，因此只需要求解如下两个方程即可得到目标力fa和目标力矩mx：

(1)fx可以通过双法兰压扭耦合传感器5直接读取得到，m是可以在无负载(即没有磨削作业任务，磨削工具1不与工件表面接触进行空转)的情况下计算得到，过程如下：无负载情况下fa＝0，给定加速度a(即让隔离体和安装板4一起以恒定的加速度沿坐标系x轴方向运动)，因此通过公式

便可计算出m。m已知后，通过测量隔离体和安装板4沿坐标系x轴方向运动的速度，可微分计算出加速度a，再结合fx的测量值，便可求得fa。

(2)mx可以通过双法兰压扭耦合传感器5直接读取得到，角加速度ε可以通过测量磨削电机6(含有霍尔传感器)的转速后微分得到，而转动惯量i可以在无负载(即没有磨削作业任务，磨削工具1不与工件表面接触进行空转)的情况下计算得到，过程如下：无负载情况下t＝0，角加速度ε可以通过测量计算得到，mx已知，因此通过公式

便可计算出转动惯量i。

i已知后，便可以通过测量和计算mx和角加速度ε求得t。