[发明专利]一种综合主被动柔顺的一维变力磨抛装置及控制方法

说明书

本发明属于智能加工制造技术领域，并具体公开了一种综合主被动柔顺的一维变力磨抛装置及控制方法，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，直线模组伺服运动平台用于带动磨抛机构做直线运动；安装法兰和限位板安装在直线模组伺服运动平台基座上，位姿传感器和可调速柔顺磨抛机构安装在限位板上，位姿传感器用于测量一维变力磨抛装置的位姿并反馈至控制器，柔顺磨抛机构与滑块之间设有力传感器，力传感器用于采集接触力信号并发送至控制器，控制器计算出速度控制量，伺服电机根据速度控制量进行转动带动可调速柔顺磨抛机构运动。本发明可实时调整砂带与工件的接触状态，实现稳定柔顺的磨抛过程。

技术领域

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MIT Draper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(Active contact flange)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。

发明内容

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。