CN112525403A - 一种电动和弹簧耦合压力脚压紧力测量装置及控制方法 - Google Patents

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李奇
李鹏程
王珉
李波
张奇
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Abstract

本发明公开了一种电动和弹簧耦合压力脚压紧力测量装置及控制方法，包括：利用测力仪标定得到矩形螺旋弹簧平均弹性系数；通过小型激光位移传感器读数计算出矩形螺旋弹簧的压缩变形量，求解出压力脚的压紧力，综合考虑工件变形导致的压紧力波动允差，通过设置压缩量阈值，将压紧力控制转换到直观的矩形螺旋弹簧位移控制，间接控制压力脚压紧力恒定。本发明的测量及控制过程简单，易于实现。

Description

一种电动和弹簧耦合压力脚压紧力测量装置及控制方法
技术领域
本发明属于飞机自动化制孔装配技术领域，具体涉及一种电动和弹簧耦合压力脚压紧力测量装置及控制方法。
背景技术
随着航空航天技术的飞速发展，对飞机性能提出更高要求的同时，自动化制孔技术也得到了越来越广泛的关注和重视。制孔末端执行器作为自动化制孔装备的核心组成部分，承担着压紧工件、法向检测和加工工件的重要作用。因此，末端执行器压力脚已经成为加工质量的重要保证。
压力脚机构控制包括电液控制和气动控制。电液控制系统在工程上较为常用，大型自动制孔系统自动钻铆机中的末端执行器压力脚机构便是采用液压缸驱动并完成工件双向压紧的，具有负载刚性好、输出力大、效率高等优点。但是，存在系统能耗大、设备复杂且昂贵、液压油泄露易污染工作环境等问题。
气动控制具有简单、经济环保、安全等一系列优点。轻型自动化制孔系统因对末端执行器整体质量要求高，其压力脚机构控制一般采用气动控制系统，由气缸驱动压力脚机构，而且在压力脚压紧工件并保持压力恒定控制时，气动系统能以紧凑的结构给予较大的压紧力，这一点电机和电液控制是难以实现的。但是，气动控制系统没有电液控制的高输出刚度，也没有电机控制的高控制精度。而且由于气体具有压缩性，使得单独的气缸进给压力不稳定，压力脚不能稳定保持在预定的压力状态。
中国专利CN104647111A提出一种自动制孔末端执行器的电动和弹簧耦合压力脚及控制方法。在电机驱动型压力脚中，虽然电机控制精度高，但是在紧凑型末端执行器压力脚处想要实时获得压力脚压紧力大小，需要安装压力传感器，相较于气动压力脚可以通过空气压缩求得压紧力来说，是极其不方便的。而在飞机环形轨自动化制孔加工过程中，不同加工材料压紧力大小也不同，制孔过程压紧力大小的实时反馈与压紧力大小控制恒定是很有必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电动和弹簧耦合压力脚压紧力测量装置及控制方法，以解决紧凑型末端电动和弹簧耦合压力脚压紧力无法进行控制及精确控制的问题。
本发明所采用的技术方案为：
一种电动和弹簧耦合压力脚压紧力测量装置，包括测力仪、L型挡板、小型激光位移传感器和两矩形螺旋弹簧，所述两矩形螺旋弹簧左右对称地安装在丝杆连接板底部，矩形螺旋弹簧与压力脚连接座前侧上部的台体顶部连接；所述L型挡板固定在丝杆连接板前侧底部中间位置，所述小型激光位移传感器固定在所述台体前侧，所述小型激光位移传感器与所述L型挡板配合测量压力脚位移量；所述测力仪用于标定矩形螺旋弹簧时，测量压力脚的压紧力。
进一步地，所述小型激光位移传感器为量程35-65mm的小型激光位移传感器HG-C1050；所述L型挡板与所述小型激光位移传感器间的初始安装距离为50mm。
进一步地，矩形螺旋弹簧选用MISUMI高质量矩形螺旋弹簧。
进一步地，所述L型挡板通过六角螺钉固定在丝杆连接板上。
一种电动和弹簧耦合压力脚压紧力的控制方法，包括如下步骤：
步骤a、标定矩形螺旋弹簧，通过测力仪测量压力脚电机不同进给位置时压力脚的压紧力，并通过弹簧弹性力公式计算出多组弹性系数k，取平均值，得到平均弹性系数
Figure BDA0002799058990000024
；
步骤b、压力脚压紧前，小型激光位移传感器读数为m1；启动压力脚电机，压力脚向下压紧制孔表面，读取小型激光位移传感器读数为m2，得到矩形螺旋弹簧的长度变化量Δl＝m1-m2；
步骤c、制孔时压紧力
Figure BDA0002799058990000021
设置小型激光位移传感器的读数阀值，当m2小于等于设置的读数阀值时，压力脚电机停止进给以保证压紧力恒定。
进一步地，步骤a中，平均弹性系数
Figure BDA0002799058990000022
为：
Figure BDA0002799058990000023
公式(1)中，fi为标定矩形螺旋弹簧时，第i次的压紧力大小；n为测量次数；
Δwi＝λei-λbi，Δwi为第i次测力时，压力脚轴进给的距离值；λei为第i次测力时，压力脚轴压紧结束时电机的位置；λbi为第i次测力时，压力脚接触蒙皮时，压力脚轴电机起始的位置，始、末压力脚轴电机位置值相减即可得到压力脚的下压距离，亦即矩形螺旋弹簧的压缩值。
进一步地，步骤c中，由于压力脚所压蒙皮的弱刚性，在压紧力大时或者压力脚接触后调姿过程中，会发生挤压弹性变形，导致小型激光位移传感器读数会有微小变化；
设定压紧力的波动范围允差在s牛顿，压紧力设定值为Fn'：
Figure BDA0002799058990000031
设置的小型激光位移传感器读数阀值
Figure BDA0002799058990000032
β即小型激光位移传感器的最大读数；从而，可保证压力脚压紧力大小在规定允许的范围内微小波动，总体保持压紧力的恒定，保证制孔锪窝质量。
本发明的有益效果在于：
本发明的测量过程操作简单，只需要标定一次弹簧弹性系数，不需要安装价格昂贵的压力传感器。通过将力控制转换到弹簧位移伸缩量控制，可直接反馈得到压力脚压紧力大小，保证不同工况下压紧力保持恒定，控制简单，易于在PLC中控制实现。本发明尤其适用于紧凑型末端电动和弹簧耦合压力脚压紧力的测量和控制(如环形轨道制孔执行器末端)。
附图说明
图1为本发明的压紧力测量装置的结构示意图；
图2为本发明的压紧力控制方法流程框图；
附图标记：1-L型挡板，2-矩形螺旋弹簧，3-小型激光位移传感器，4-压力脚，5-丝杆连接板，6-压力脚连接座。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明的电动和弹簧耦合压力脚压紧力测量装置及控制方法作进一步地详细说明。
如图1所示，一种电动和弹簧耦合压力脚压紧力测量装置，包括测力仪、L型挡板1、小型激光位移传感器3和两矩形螺旋弹簧2，两矩形螺旋弹簧2左右对称地安装在丝杆连接板5底部，矩形螺旋弹簧2与压力脚连接座6前侧上部的台体顶部连接。L型挡板1固定在丝杆连接板5前侧底部中间位置，小型激光位移传感器3固定在台体前侧，小型激光位移传感器3与L型挡板1配合测量压力脚4位移量(小型激光位移传感器3发出的激光点打在L型挡板1上，用来测量激光位移传感器3激光发射点距离L型挡板1的距离，从而间接测量矩形螺旋弹簧2在压力脚4压紧前后的变化量)。测力仪用于标定矩形螺旋弹簧2时，测量压力脚4的压紧力。
在具体安装时，小型激光位移传感器3和L型挡板1的安装距离视小型激光位移传感器3的量程而定。本实施例中，小型激光位移传感器3为量程35-65mm的小型激光位移传感器HG-C1050。L型挡板1与小型激光位移传感器3间的初始安装距离为50mm。
矩形螺旋弹簧2选用MISUMI高质量矩形螺旋弹簧。L型挡板1通过六角螺钉固定在丝杆连接板5上。
如图2所示，一种电动和弹簧耦合压力脚压紧力的控制方法，包括如下步骤：
步骤a、标定矩形螺旋弹簧2，通过测力仪测量压力脚电机不同进给位置时压力脚4的压紧力，并通过弹簧弹性力公式计算出多组弹性系数k，取平均值，得到平均弹性系数
Figure BDA0002799058990000041
具体地，平均弹性系数
Figure BDA0002799058990000042
为：
Figure BDA0002799058990000043
公式(1)中，fi为标定矩形螺旋弹簧2时，第i次的压紧力大小。n为测量次数。
Δwi＝λei-λbi，Δwi为第i次测力时，压力脚轴进给的距离值。λei为第i次测力时，压力脚轴压紧结束时电机的位置。λbi为第i次测力时，压力脚接触蒙皮时，压力脚轴电机起始的位置，始、末压力脚轴电机位置值相减即可得到压力脚4的下压距离，亦即矩形螺旋弹簧2的压缩值。
步骤b、压力脚4压紧前，小型激光位移传感器3读数为m1(即初始安装距离)。启动压力脚电机，压力脚4向下压紧制孔表面，读取小型激光位移传感器3读数为m2(如果接触工件，继续保持进给则激光位移传感器读数会发生改变)，得到矩形螺旋弹簧2的长度变化量Δl＝m1-m2。
步骤c、制孔时压紧力
Figure BDA0002799058990000044
设置小型激光位移传感器3的读数阀值，当m2小于等于设置的读数阀值时，压力脚电机停止进给以保证压紧力恒定。
由于压力脚所压蒙皮的弱刚性，在压紧力大时或者压力脚接触后调姿过程中，会发生挤压弹性变形，导致小型激光位移传感器3读数会有微小变化。
设定压紧力的波动范围允差在s牛顿(把压力脚调姿或者挤压弱刚性蒙皮引起变形时引起的压紧力波动允差s考虑进去)，压紧力设定值为Fn'：
Figure BDA0002799058990000045
设置的小型激光位移传感器3读数阀值
Figure BDA0002799058990000046
β即小型激光位移传感器3的最大读数。从而，可保证压力脚4压紧力大小在规定允许的范围内微小波动，总体保持压紧力的恒定，保证制孔锪窝质量。
需要说明的是，本发明的装置在初次投入使用，或者矩形螺旋弹簧2损坏，或者更换矩形螺旋弹簧2时，均需要标定弹簧。本发明的控制方法通过PLC程序实现，程序判断激光位移传感器3的读数是否小于等于读数阀值β，如果条件满足，则压力脚继续进给，达到设定的压紧力Fn'，否则继续进给，直到激光位移传感器3读数满足设定条件。从而，将压力脚压紧力控制转换到位移量的控制，压紧力能够保持恒定且容易控制。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术方法范围内，可轻易想到的替换或变换方法，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电动和弹簧耦合压力脚压紧力测量装置，其特征在于，包括测力仪、L型挡板(1)、小型激光位移传感器(3)和两矩形螺旋弹簧(2)，所述两矩形螺旋弹簧(2)左右对称地安装在丝杆连接板(5)底部，矩形螺旋弹簧(2)与压力脚连接座(6)前侧上部的台体顶部连接；L型挡板(1)固定在丝杆连接板(5)前侧底部中间位置，小型激光位移传感器(3)固定在所述台体前侧，小型激光位移传感器(3)与L型挡板(1)配合测量压力脚(4)位移量；所述测力仪用于标定矩形螺旋弹簧(2)时，测量压力脚(4)的压紧力。
2.根据权利要求1所述的电动和弹簧耦合压力脚压紧力测量装置，其特征在于，小型激光位移传感器(3)为量程35-65mm的小型激光位移传感器HG-C1050；L型挡板(1)与小型激光位移传感器(3)间的初始安装距离为50mm。
3.根据权利要求1所述的电动和弹簧耦合压力脚压紧力测量装置，其特征在于，矩形螺旋弹簧(2)选用MISUMI高质量矩形螺旋弹簧。
4.根据权利要求1所述的电动和弹簧耦合压力脚压紧力测量装置，其特征在于，L型挡板(1)通过六角螺钉固定在丝杆连接板(5)上。
5.一种电动和弹簧耦合压力脚压紧力的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤a、标定矩形螺旋弹簧(2)，通过测力仪测量压力脚电机不同进给位置时压力脚(4)的压紧力，并通过弹簧弹性力公式计算出多组弹性系数k，取平均值，得到平均弹性系数
Figure FDA0002799058980000014
步骤b、压力脚(4)压紧前，小型激光位移传感器(3)读数为m1；启动压力脚电机，压力脚(4)向下压紧制孔表面，读取小型激光位移传感器(3)读数为m2，得到矩形螺旋弹簧(2)的长度变化量Δl＝m1-m2；
步骤c、制孔时压紧力
Figure FDA0002799058980000011
设置小型激光位移传感器(3)的读数阀值，当m2小于等于设置的读数阀值时，压力脚电机停止进给以保证压紧力恒定。
6.根据权利要求5所述的电动和弹簧耦合压力脚压紧力的控制方法，其特征在于，步骤a中，平均弹性系数
Figure FDA0002799058980000012
为：
Figure FDA0002799058980000013
公式(1)中，fi为标定矩形螺旋弹簧(2)时，第i次的压紧力大小；n为测量次数；
Δwi＝λei-λbi，Δwi为第i次测力时，压力脚轴进给的距离值；λei为第i次测力时，压力脚轴压紧结束时电机的位置；λbi为第i次测力时，压力脚接触蒙皮时，压力脚轴电机起始的位置，始、末压力脚轴电机位置值相减即可得到压力脚(4)的下压距离，亦即矩形螺旋弹簧(2)的压缩值。
7.根据权利要求5所述的电动和弹簧耦合压力脚压紧力的控制方法，其特征在于，步骤c中，由于压力脚所压蒙皮的弱刚性，在压紧力大时或者压力脚接触后调姿过程中，会发生挤压弹性变形，导致小型激光位移传感器(3)读数会有微小变化；
设定压紧力的波动范围允差在s牛顿，压紧力设定值为Fn'：
Figure FDA0002799058980000021
设置的小型激光位移传感器(3)读数阀值
Figure FDA0002799058980000022
β即小型激光位移传感器(3)的最大读数；从而，可保证压力脚(4)压紧力大小在规定允许的范围内微小波动，总体保持压紧力的恒定，保证制孔锪窝质量。
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