CN104858782B - 基于模糊自适应力控制的恒力自动打磨装置及方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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

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

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

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。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

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：

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。

进一步地，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，其动力学方程写成：

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，F_d为输入的力，F_e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：

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：

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+Bk_p，A₃＝k+k_iB+kk_p；

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k_p、k_i和k_d的值。

进一步地，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Δk_p,Δk_d,Δk_i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_mom的横坐标作为模糊集合的代表点，设A(u_j)＝max(A(u))，j＝1,2,…,n，有n个点的隶属度都取最大值，则取：u_mom＝∑u_j/n。

本发明还提供了实现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，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，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、y轴方向运动机构，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轴方向运动机构通过y轴方向滑块连接，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轴方向运动机构相连接，打磨时，所述y轴方向运动机构带动打磨设备沿y轴方向匀速移动，所述x轴方向运动机构产生驱动力使打磨设备以恒定的力与工件接触。

进一步地，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、x轴联轴器和x轴滚珠丝杆，所述x轴滚珠丝杆上设置有x轴方向滑块；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、y轴联轴器和y轴滚珠丝杆，所述y轴滚珠丝杆上设置有y轴方向滑块；所述y轴方向驱动单元通过螺栓固定于x轴方向滑块上；所述y轴方向滑块与传感器底座连接；所述的传感器底座与传感器固定座连接；所述的传感器固定座通过螺栓和凹形槽与一维力传感设备连接。

进一步地，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，所述的角磨机连接件与角磨机固定架连接；所述的角磨机固定架与电动角磨机连接。

进一步地，所述一维力传感设备包括S型一维力传感器、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型一维力传感器连接，用于保护S型一维力传感器6和增强连接的稳定性。

进一步地，所述电动角磨机的形状是圆柱形；所述角磨机固定架是两个半圆形机构通过螺栓连接从而将电动角磨机固定；所述角磨机连接件一端通过凹槽件与S型一维力传感器连接，另一端通过螺栓与角磨机固定架9连接。

进一步地，所述工件装夹设备通过螺栓固定于工作台表面，包括底座、L型压板和底板，所述底板通过螺钉连接工件，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。

相比现有技术，本发明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，通用性好，打磨质量高，适合大批量生产，可拓展性强，同时价格合适，成本低。

附图说明

图1为本发明的基于模糊自适应力控制的恒力自动打磨装置加工零件示意图。

图2为本发明实施例的打磨设备结构示意图。

图3为S型一维力传感器结构示意图。

图4为传感器固定座结构示意图。

图5为角磨机连接件结构示意图。

图6为角磨机固定架结构示意图。

图7为控制方法原理图。

图中所示为：1-工作台，2-y轴方向运动机构，21-y轴滚珠丝杆；22-y轴联轴器；23-y轴交流伺服电机；3-y轴方向滑块，4-传感器底座，5-传感器固定座，6-S型一维力传感器，7-角磨机连接件，8-电动角磨机，9-角磨机固定架，10-工件，11-工件装夹设备，12-x轴方向运动机构；121-x轴交流伺服电机；122-x轴联轴器；123-x轴滚珠丝杆；13-x轴方向滑块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。

实施例一

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：

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算法在C#中编程并结合运动控制器的运动控制函数，完成模糊自适应控制器的设计。

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PID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。

进一步地，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，其动力学方程写成：

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，F_d为输入的力，F_e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：

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：

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+Bk_p，A₃＝k+k_iB+kk_p；

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k_p、k_i和k_d的值。

进一步地，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Δk_p,Δk_d,Δk_i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_mom的横坐标作为模糊集合的代表点，设A(u_j)＝max(A(u))，j＝1,2,…,n，有n个点的隶属度都取最大值，则取：u_mom＝∑u_j/n。

实施例二

如图1所示，实现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，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12、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。

进一步地，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3；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，传感器底座4通过内六角螺栓固定在y轴方向滑块3上，传感器底座4的另一端与传感器固定座5相连，在传感器底座4与传感器固定座5上开有8mm的光孔，通过M8的螺栓与S型一维力传感器6相连。

如图2所示，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。

如图3和图4所示，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。

如图5和图6所示，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7一端通过凹槽件和M8内六角螺栓与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。

本实施例中，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，本实施例所述的工件10是一个中空的长方体，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。

本实施例的控制原理如图7所示，先给定磨削期望力，再给定y轴一个进给速度，用速度模式控制y轴方向滑块做匀速进给运动，进给过程中一维力传感器6实时测得磨头与工件10的接触力，经过A/D转换后反馈到控制器，反馈力与期望力进行比较得到力误差，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轴交流伺服电机121输出转矩的大小，达到恒力控制的目的。

综上所述，本实施例的基于模糊自适应力控制的恒力自动打磨装置能实现基于力控制技术完成打磨力的检测与反馈，并通过模糊自适应PID控制方法，实现平面的恒力自动打磨。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

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；

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，其动力学方程写成：

$F_d\left(t\right)+F_e\left(t\right)-F_s\left(t\right)=M\stackrel{\·\·}{x}\left(t\right),$

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，F_d为输入的力，F_e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：

$F_s\left(t\right)=B\stackrel{\·}{x}\left(t\right)+Kx\left(t\right),$

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、角磨机产生的阻尼，拉氏变换后消去X(s)得到：

$F_d\left(s\right)+F_e\left(s\right)-F_s\left(s\right)=\frac{{\mathrm{MS}}^2}{BS+K}{F}_s\left(s\right);$

步骤32)设计带滤波器的PID控制器，系统的闭环传递函数为：

$G\left(s\right)=\frac{F_s\left(x\right)}{u\left(s\right)}=\frac{{\mathrm{Bk}}_d{s}^3+({\mathrm{kk}}_d+{\mathrm{Bk}}_p)s^2+({\mathrm{Bk}}_i+{\mathrm{kk}}_p)s+{\mathrm{kk}}_i}{A_1{s}^3+A_2{s}^2+A_{3}s+{\mathrm{kk}}_i},$

其中A₁＝M+Bk_d，A₂＝B+k_dk+Bk_p，A₃＝k+k_iB+kk_p；

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k_p、k_i和k_d的值。

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：

$f\left(x,\mathrm{\σ},c\right)=e^{-\frac{{\left(x-c\right)}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}};$

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Δk_p,Δk_d,Δk_i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_mom的横坐标作为模糊集合的代表点，设A(u_j)＝max(A(u))，j＝1,2,…,n，有n个点的隶属度都取最大值，则取：u_mom＝∑u_j/n。

3.实现权利要求1或2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。

4.根据权利要求3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(3)；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。

5.根据权利要求3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。

6.根据权利要求5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。

7.根据权利要求6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)一端通过凹槽件与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。

8.根据权利要求3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。