[发明专利]一种超声在机测厚接触状态控制方法

摘要

本发明一种超声在机测厚接触状态控制方法属于测量控制技术领域，涉及一种超声在机测厚接触状态控制方法。该方法将测量系统安装在机床主轴上，数控机床驱动超声探头按照预先规划的测量路径定向扫描测量被测工件，力传感器实时采集接触力信息。根据阻抗控制模型，将法向接触力与理想法向接触力差值转化为机床位置校正量。基于滑模变结构的接触状态控制器，超声探头可以实时准确调整到校正后的目标位置，实现探头与被测件的稳定接触状态。该方法实现了基于阻抗控制器和位置控制器串联组成的超声在机测量接触状态实时反馈闭环控制，测厚中，超声探头根据力反馈信号快速、准确地调整目标位置，维持探头与工件表面稳定接触，保证测厚精度和稳定性。

主权项

1.一种超声在机测厚接触状态控制方法，其特征在于，超声在机测厚接触状态控制中，首先将测量系统安装至机床主轴上，数控机床驱动超声探头按照预先规划的测量路径定向扫描测量被测工件；测量过程中，力传感器实时采集接触力信息，上位机测控系统根据力信号计算探头与工件之间的法向接触力；然后，根据阻抗控制模型，将法向接触力与理想法向接触力差值转化为机床位置校正量；最后，基于滑模变结构的接触状态控制器，超声探头可以实时、准确调整到校正后的目标位置，实现探头与被测件的稳定接触状态保持；方法具体步骤如下：第一步 测量系统的安装先将三维力传感器(2)安装至机床主轴(1)上，再将超声探头(3)安装在三维力传感器(2)上，使超声探头(3)与被测工件(4)接触；第二步 基于三维力信号计算法向接触力机床主轴(1)负载三维力传感器(2)和超声探头(3)沿预设路径匀速运动，三维力传感器(2)实时感测接触力并输出三维力信号；根据扫描方向与工件表面局部几何形貌不同，分“爬升阶段”与“下降阶段”两种情况：爬升阶段：下降阶段：式中，fn_up为爬升阶段的法向接触力，fn_down为下降阶段的法向接触力，p_f＝f_x/f_z，f_z为三维力传感器(2)在Z_M轴方向测量值，f_x为三维力传感器(2)在X_M轴方向测量值，μ_u与μ_d分别为超声探头(3)与被测工件(4)表面之间在爬升与下降阶段的动摩擦系数；第三步 基于阻抗控制的力‑位转化将计算得到的超声探头(3)与工件(4)间实际法向接触力与理想法向接触力差值e_f作为目标阻抗控制环的输入，机床单轴方向阻抗控制器模型差分方程如下：式中，x_f为输出位置校正量，m_d为目标惯量，k_d为目标刚度，b_d为目标阻尼，e_f为实际法向接触力与理想法向接触力差值，k为离散时间域计数；第四步 接触状态滑模变结构控制将阻抗控制环输出的位置校正量x_f结合输入指令位置x_i生成的参考位置x_r作为滑模变结构控制环的输入，使运动轴位移x精确跟踪校正后的参考指令；滑模变结构系统的控制律u(k)：式中，系数J_e＝J/K_aK_tr_g，系数B_e＝B/K_aK_tr_g，J为滚珠丝杠转动惯量，B为滚珠丝杠粘性阻尼，K_a为电流放大器参数，K_t为伺服电机参数，r_g为丝杠半径，K_s＞0为反馈增益；根据数控系统命令获得参考位置x_r(k)、参考速度参考加速度实际位置x(k)可以通过光栅尺测量获得，求导获得实际速度与实际加速度S为滑模变结构控制器的滑移面：式中，λ为驱动器理想带宽，x_r为参考位置，为参考速度；外部干扰的观测器跟踪值预测为，式中，T为控制周期，k为离散时间域计数，ρ为参数增益；伺服系统的控制律保证运动轴位移x精确跟踪校正后的参考指令，并使稳定系统中能量和预测误差不断减小，实现扫描测量过程中的接触状态保持。