CN108645358A - 一种超声在机测厚接触状态控制方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种超声在机测厚接触状态控制方法

技术领域

本发明属于测量控制技术领域，特别涉及一种超声在机测厚接触状态控制方法。

背景技术

接触式超声脉冲测厚主要采用脉冲反射原理，接触状态直接影响超声探头与被测工件间的耦合状态。不可靠接触会导致回波信号多分量耦合，致使测量结果不可信。因此，要求传感器与被测面间保持可靠接触，即保持一定的接触压力。然而，在实际接触式超声在机自动测量中，由于被测面形复杂，超声探头与工件表面间的接触状态难以保持稳定。接触力过大，势必划伤工件甚至引起工件变形；反之，耦合效果不佳，影响超声回波信号质量。因此，实施接触力有效控制，是保证超声在机测厚精度与稳定性的核心难题。

国内外学者针对力/位控制问题进行了大量研究。2018年北京邮电大学丁宇堃、宋荆洲等在发明专利CN107748496A中公开了一种基于参数自适应调节的阻抗控制器算法，在从端柔顺控制的研究中，通过同时传递主端的力和位置，构造控制器的两路输入，实现在模型准确的稳定状态下从端对主端的位置跟踪。2015年南京理工大学姚建勇、刘龙等在发明专利CN105068426B中公开了“一种基于干扰补偿的电液位置伺服系统连续滑模控制方法”，消除滑模控制策略中的不连续项的同时保证了该方法的强鲁棒性，获得了渐近跟踪的稳态性能，保证了电液位置伺服系统良好的控制性能。

上述发明主要侧重于动力学模型研究或末端执行器的力/力矩控制算法研究，并未对超声测厚接触状态控制进行深入研究。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是克服现有方法的不足，面向接触式超声在机测厚检测要求，针对检测过程中超声探头与待测表面接触状态难以保持稳定的问题，发明了一种超声在机测厚接触状态控制方法。该方法建立了探头与工件之间的法向接触力计算模型，根据超声在机连续测厚过程中力传感器输出的三维力信号，实时、准确地计算出探头与工件表面之间的法向接触力；建立了基于离散化阻抗控制器的力-位转化模型，将力/位控制系统等效为“弹簧-质量-阻尼”物理控制模型，通过调节惯性、阻尼、刚度参数，实现探头与工件表面之间的法向接触力向位移校正量的实时转化；虑及超声在机测厚中的摩擦与外力干扰、机械驱动系统建模误差等因素，设计了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；串联阻抗控制器和接触状态控制器组成的接触力实时反馈闭环控制策略，与传统方法相比具有较强的鲁棒性，可以实现接触状态实时自适应调整的精确控制，保证超声在机测厚精度与稳定性。

本发明采用的技术方案是一种超声在机测厚接触状态控制方法，该方法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为力传感器2在Z_M轴方向测量值，f_x为力传感器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间法向接触力fn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为理想法向接触力与实际测量法向接触力差值。

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生成的参考指令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)、速度加速度实际位置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。

本发明的有益效果是该方法建立了探头与工件之间的法向接触力计算模型，根据超声在机连续测厚过程中力传感器输出的三维力信号，实时、准确地计算出探头与工件表面之间的法向接触力。建立了基于离散化阻抗控制器的力-位转化模型，考虑超声在机测厚中的摩擦与外力干扰、机械驱动系统建模误差等因素，设计了基于滑模变结构的接触状态控制器，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。测厚过程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。

附图说明

附图1-接触状态实时反馈闭环控制原理图，其中：1-机床主轴，2-三维力传感器，3-超声探头，4-工件。

附图2-超声在机自动测厚中接触状态控制效果图。曲线1-未施加控制，曲线2-施加接触状态控制，横坐标-X_M位置(mm),纵坐标-法向力(N)。

具体实施方式

结合附图和技术方案详细说明本发明的实施方式，说明超声在机测厚接触力控制过程。

实验所用工件4为1200mm×800mm铝合金圆弧件，表面曲率半径为4 000mm。以卧式铣削机床作为测量平台，机床X_M轴行程为1100mm，Y_M轴行程为650mm，Z_M轴行程为600mm。采用KISTLER三维力传感器测量力信号，X_M、Y_M方向测量范围均为0～500N，Z_M方向测量范围为0～3000N，测量精度为1N。采用16位PCI-1716采集卡对力数据进行采样，采用研华IPC-610L工控机作为扫描运动控制系统上位机。接触力控制目标设定为50N，超声探头3与被测工件4的摩擦系数为0.2，控制器参数如表1所示。

表1控制器参数

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与装夹后的被测工件4接触，如附图1所示。

第二步，对装夹后的工件4进行接触式超声在机测厚。

机床主轴1负载三维力传感器2和超声探头3沿数控程序设定的轨迹沿X_M轴方向连续扫描，扫描行程为450mm，扫描速度设置为25mm/s。三维力传感器2实时感测接触力，并反馈三维力信号至上位机测量控制系统，经过基于阻抗控制器和位置控制器串联组成的接触力实时反馈闭环控制策略的分析和计算，输出伺服系统的控制指令，控制机床扫描运动(Z轴)，动态调整接触力，实现传感器与被测件的稳定接触。同时，上位机按照设定的采样频率采集当前测点厚度、对应控制点坐标，准确、稳定地计算出工件4的厚度分布状态。

如图2示，曲线1、2分别代表测量扫描中未进行和进行接触力控制下的接触力输出，采用本发明接触力控制方法可使测量系统快速地跟踪期望的设定力，系统上升时间为0.48s，与设定的接触力控制目标50N相比，接触力控制误差范围在4N以内。

本发明实现了接触式超声在机测厚过程中接触状态实时反馈闭环控制，超声探头根据力反馈信号快速、准确地调整目标位值，以维持探头与工件表面接触状态稳定，保证测厚精度和稳定性。

Claims (1)

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为力传感器(2)在Z_M轴方向测量值，f_x为力传感器(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)间法向接触力fn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为理想法向接触力与实际测量法向接触力差值；

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生成的参考指令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)、速度加速度实际位置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。