CN113319687B - 控制机床中的接触力 - Google Patents

Abstract

提供用于响应于不受单轴力受控致动器控制的动态工艺变量，如相对于工件的工具取向、工件的曲率、研磨介质的磨损和其他动态工艺变量，控制单轴力受控工具中的接触力的技术。一种控制系统包括：传感器，其用于确定所述工具和所述工件之间沿着单一依从轴的接触力；以及一个或多个附加工艺参数，如由工件的取向和表面曲率导致的工具上的倾覆力矩、围绕所述工具的旋转轴的扭矩等。控制电路使用这些附加参数的测量结果来确定所述工具与所述工件之间的接触力。

Description

控制机床中的接触力

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年2月28日提交的标题为“Controlling Contact Force in aMachine Tool”的美国专利申请No.16/804,870的优先权，该申请的公开内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及材料去除和表面抛光工艺，并且更具体地，涉及对自动表面抛光和材料去除工具的力控制。

背景技术

许多制成零件需要表面抛光，例如研磨、砂磨和磨光，以提供光滑的表面。这些接触任务是劳动密集型的，但可以通过机床自动进行。许多制造商提供了可以安装在机械臂或操纵器上的机床，以对制成零件的表面进行研磨、砂磨或磨光。通常，通过致动器将机床安装到操纵器，该致动器使机床沿着单个轴运动，并且使用某种形式的反馈控制来保持工件和工具之间的接触力恒定。

机床产生的结果可以根据所施加的接触压力而变化，即使当接触力保持恒定时，结果也可能动态变化。例如，在平坦表面的情况下砂磨垫不平行于工件的表面时，或者在曲线表面的情况下砂磨垫不平行于工件表面的切线时，砂磨工具与工件之间的接触区域的面积减小。接触区域的面积也可以由于可能变化的表面曲率而减小。当接触区域的面积减小时，如果接触力保持恒定，则接触压力将增加。在这种情况下，相同的力施加在较小的面积上，因此接触压力在接触区域上增加。

此外，在材料去除过程中使用的研磨介质会随着时间而磨损。随着研磨介质的磨损，摩擦减小，因此需要更多的力才能执行相同的材料去除。因此，随着研磨介质的磨损，可能需要更大的接触力。

手动执行材料去除工艺的技术工人可以补偿影响砂磨工艺的动态因素。当前，尚无办法为单轴受力受控的工具提供类似的控制，以补偿材料去除工艺中的动态变量。

发明内容

本公开提供了用于响应于不受单轴力受控致动器控制的动态工艺变量，如相对于工件的工具取向、工件的曲率、研磨介质的磨损和其他动态工艺变量，控制单轴力受控工具中的接触力的技术。一种控制系统包括：传感器，其用于确定所述工具和所述工件之间沿着单一依从轴的接触力；以及一个或多个附加工艺参数，如由于工件的取向和表面曲率而导致的工具上的倾覆力矩、围绕所述工具的旋转轴的扭矩、马达电流等。控制电路使用这些附加参数的测量结果来控制所述工具与所述工件之间的接触力。

附图说明

图1示出安装于机械臂的用于执行接触任务的机床。

图2A和图2B示出设置在机床和操纵器之间的致动器，该致动器用于控制机床和工件之间的接触力。

图3是致动器的分解立体图。

图4示出设置在工具和致动器之间的力/扭矩传感器。

图5示出用于控制致动器的控制电路。

图6示出砂磨工具以一角度接触平坦表面工件的情形。

图7示出控制电路，其中响应于由于工具取向引起的倾覆力矩来调节接触力，以补偿工具与工件之间接触面积的减小。

图8A和图8B示出砂磨工具以一角度接触曲面工件的情形。

图9示出控制电路，其中响应于由于工具取向和表面曲率引起的倾覆力矩来调节接触力，以补偿工具与工件之间接触面积的减小。

图10示出控制电路，其中响应于围绕工具的旋转轴的扭矩来调节接触力，以补偿研磨介质的磨损。

图11示出用于沿着单一依从轴控制工具与工件之间的接触力的示例性方法。

具体实施方式

现在参考附图，将在材料去除设备10的背景下描述根据本公开的力控制原理。本领域技术人员将理解，本文描述的技术不限于用于材料去除工艺，而是更普遍地适用于任何具有单一依从轴的力受控接触任务。

材料去除设备10通常包括由操纵器30支撑的工具20(例如，砂光机)，用于对工件12进行砂磨。工具20包括电动或气动马达22和砂磨垫24。工具20可以包括旋转式砂光机或轨道式砂光机。操纵器30包括提供6个自由度(DOF)的机械臂32。操纵器30的功能是在砂磨工件12时将工具20定位在操作位置。安装在机械臂32的末端执行器板34和工具20之间的致动器40控制工具20和工件12之间沿着单一依从轴的接触力。控制系统100(图5)控制接触力的量，如下所述。

图2A、图2B和图3示出致动器40的示例性实施方式。致动器40包括壳体42，壳体42包含致动器组件80，致动器组件80提供用于使工具20沿着单一依从轴移动的原动力。壳体42包括基部44和顶板46。基部44包括容纳致动器组件80的腔86。顶板46通过螺栓(未示出)牢固地紧固到基部44，并且包括开口48。

安装适配器板(MAP)50可滑动地安装于壳体42的顶板46。一对线性导轨52紧固于顶板46的顶表面。MAP 50安装于滑架54，滑架54沿着线性导轨52滑动。

图4中所示的6轴力/扭矩传感器60设置在MAP 50和工具适配器板(TAP)70之间。力/扭矩传感器60包括通过三个短梁66连接到外环64的中心毂62。中心毂62通过螺栓(未示出)牢固地紧固于TAP 70，而外环64通过螺栓(未示出)牢固地紧固于MAP 50。传感器60包括：六个应变仪68，其中三个安装于相应梁66的顶表面，三个安装于相应梁66的垂直表面之一。在图4中可见这六个应变仪68中的四个。当力在TAP 70和MAP 50之间传输时，应变仪68测量梁66的变形。

TAP 70提供用于将工具20安装于操纵器30的平台。在所示的实施方式中，TAP 70包括大体上平坦的板，该板通过螺栓(未示出)牢固地紧固到力/扭矩传感器60的毂62。机床20安装到力/扭矩传感器60的TAP70。MAP 50、传感器60和TAP 70共同提供操纵器30和工具20之间的接口，具有集成传感器60。

在图1中所示的示例中，致动器40被安装到末端执行器板34，并且被取向为沿着依从轴(例如，垂直轴)线性地移动工具20。致动器组件80设置在壳体42内，并且使工具20沿着依从轴(例如，垂直轴)线性地移动，以控制由工具20施加到工件12的力的量。致动器组件80包括气缸82、连接块84和测力传感器88。气缸82通过测力传感器88固定到基部44的内壁。连接块84安装到气缸82的柄。连接块84穿过壳体42的顶板46中的开口48并连接至MAP 50。气缸82的致动使MAP 50沿着线性导轨前后移动。因此，工具20的运动被约束为沿着单一依从轴。开口48的尺寸为连接块84的运动提供间隙。

在所示的实施方式中，致动器40由机械臂32支撑，并且力传感器60布置在致动器40和工具20之间。本领域技术人员将理解，替代的力感测布置也是可能的。例如，力传感器60可以位于致动器40和机械臂32上的末端执行器板34之间。在另一个示例中，力传感器60可以布置在致动器40和工件12之间。因此，本文对力感测装置的描述意图仅是说明性的，以帮助理解本公开，而不意图进行限制。

在操作过程中，控制电路100控制气缸82沿着工具20和工件12之间的单一依从轴保持恒定的力。在图5中示出了控制电路100的一般实施方式。控制电路100包括处理电路102，该处理电路102包括内环路控制过程104和外环路控制过程106。第一传感器或第一组传感器110向处理电路102提供反馈，用于确定工具20和工件12之间沿着单一依从轴测得的接触力Fc。内环路控制过程104控制致动器40以保持测得的接触力Fc等于设定点S。第二传感器或第二组传感器112提供由外环路控制过程106使用的附加反馈，以确定由内环路控制过程104使用的设定点S。如将在下文中描述的，外环路控制过程106响应于一个或多个动态工艺变量来调节由内环路控制过程104使用的设定点S。

在图2A、图2B和图3中所示的致动器40的实施方式中，沿着单一依从轴的接触力Fc由测力传感器88测量并且被反馈到内环路控制过程104。在一些实施方式中，测力传感器88可以由压力传感器代替，用于测量沿着依从轴的接触力。其他变量或参数(例如，倾覆力矩)力/扭矩传感器60测量并被反馈到外环路控制过程106。在一些实施方式中，可以从力/扭矩传感器60提供的测量结果确定接触力Fc。一些实施方式还可以将马达电流和/或马达扭矩反馈到外环路控制过程106。在其他实施方式中，力/扭矩传感器60可以测量围绕工具20的旋转轴的扭矩。外环路控制过程106使用与这些动态工艺变量有关的测量结果来调节内环路控制过程104的设定点S.

图6示出控制方法的一个示例性应用，用于补偿工具20相对于工件12的取向。如图6中所示，工具20的磨砂垫24以一微小角度接触工件12的表面。接触力Fc将引起砂磨垫24的一些挠曲，因此，砂磨垫24和工件12之间的接触区域的面积将根据接触角而变化，即，接触区域的面积随着接触角度变大而减小。因为致动器40被设计成控制沿着单一依从轴的接触力Fc，而不是工具20相对于工件12的取向，所以接触区域上的压力将与接触区域的面积成反比地增加。据信接触压力是抛光表面质量的重要因素。在最坏的情况下，过大的接触压力可能会划伤抛光产品的表面。

根据一个实施方式，来自六轴力/扭矩传感器60的数据用于确定工具20的倾覆力矩Mx并动态地调节接触力Fc。力/扭矩传感器60产生的测量结果是沿单一依从轴的接触力Fc的测量结果的补充。这些附加的测量结果可以与接触力Fc的测量结果结合使用以改善工艺结果。例如，由力/扭矩传感器60提供的附加测量结果可用于确定工具20上的倾覆力矩Mx，该倾覆力矩与工具取向有关。可以根据倾覆力矩Mx来改变施加到工件12的接触力Fc。在一个实施方式中，控制接触力Fc以维持预定的设定点S，直到倾覆力矩Mx达到或超过阈值。当倾覆力矩Mx满足阈值时，调节内环路控制处理104使用的设定点S，以防止倾覆力矩Mx超过阈值。

图7示出控制器100的一种实现方式，用于补偿工具20相对于工件12的倾斜。在该实施方式中，测力传感器88测量工具20与工件12之间的接触力Fc并将接触力Fc反馈给内环路控制过程104。力/扭矩传感器60测量倾覆力矩Mx，并将倾覆力矩Mx反馈给外环路控制过程106。内环路控制过程104将Fc保持为等于预定的设定点S，直到倾覆力矩Mx达到阈值。一旦达到阈值，外环路控制过程106改变设定点S，以防止倾覆力矩Mx超过阈值。

图8A和图8B示出用于补偿工件12的表面曲率的力控制方法的另一示例。图8A示出工具20接触工件12的弯曲表面。图8B示出接触区域的面积可以根据工件12的曲率和工具20相对于工件12的取向而变化。通常，曲率增大与接触面积减小相关。工具20相对于工件12的不正确取向导致接触区域相对于砂磨轴的移位。在这种情况下，随着接触区域的面积减小，减小接触力Fc也是有用的。可以使用来自力/扭矩传感器60的测量结果来估计接触区域的面积。接触力Fc与围绕砂磨轴的扭矩T之比是接触区域的面积和从依从轴到每个接触区域的质心测得的接触区域的位置的函数。接触区域的相对位置可以通过两个倾覆力矩Mx和My近似得出。通过从力/扭矩比(Fc/T)中去除接触区域的位置的贡献，可以近似得出接触区域的面积。可以由外环路控制过程106使用所计算出的接触区域的面积来控制设定点S，用于内环路控制过程104在接触区域内保持恒定压力。

图9示出用于补偿工件12的曲率和工具20相对于工件12的取向的控制器100的实施方式。在该实施方式中，力/扭矩传感器60测量工具20和工件12之间的接触力Fc，并且将接触力Fc反馈给内环路控制过程104。可替代地，可以由测力传感器88测量接触力。力/扭矩传感器60测量倾覆力矩Mx和My，并将倾覆力矩Mx和My反馈给外环路控制过程106。围绕工具20的旋转轴的扭矩T也由马达22反馈给外环路控制过程106。可替代地，可以由力传感器60测量扭矩T。内环路控制过程104将Fc保持为等于预定的设定点S。外环路控制过程106基于倾覆力矩Mx和My以及马达扭矩T调节设定点S，以补偿工件12的曲率和工具20相对于工件的倾斜。

在另一个示例中，所述力控制方法可以用于补偿研磨介质的磨损。通常，在砂磨应用中使用的研磨介质会随着时间而磨损，因此随着研磨介质磨损需要更多的力才能实现相同的材料去除。材料去除量的这种变化会影响最终产品的质量。手动执行此任务的熟练工人具有视觉和触觉上评估工件12的能力，并可以调节去除材料的力或持续时间以补偿研磨介质的磨损。正如工具的取向与工件曲率，传统的单轴力控制方法无法补偿研磨介质的磨损。

根据本公开的实施方式，测量围绕砂磨机轴的扭矩T或在轨道砂磨机的情况下的振荡侧向力，并将其提供给外环路控制过程106。随着研磨介质磨损，砂磨垫24与工件12之间的摩擦减小，这将导致马达扭矩T减小。材料去除量是马达扭矩T和接触力Fc的函数。马达扭矩T与接触力Fc之比可以用作研磨介质磨损的替代。可以根据研磨扭矩与接触力之比来调节接触力Fc的量，以补偿磨损。

图10示出用于补偿研磨介质的磨损的控制器100的一种实现方式。在该实施方式中，力/扭矩传感器60测量工具20与工件12之间的接触力Fc，并将接触力Fc反馈给内环路控制过程104。可替代地，可以通过测力传感器88来测量接触力Fc。马达扭矩T也被马达22反馈给外环路控制过程106。内环路控制过程104将Fc保持为等于预定设定点S。外环路控制过程106基于马达扭矩T调节设定点S以补偿研磨介质的磨损。在一种变型中，来自力传感器60的测量数据可用于确定围绕工具20的旋转轴的扭矩，以用于代替或补充马达扭矩T。

图11示出用于控制由自动化工具执行的接触任务(例如砂磨)的示例性方法200。方法200包括：用工具20接触工件12的表面(210)；测量工件121与工具20之间沿着单一依从轴的接触力(220)；测量除了所述接触力之外的至少一个动态工艺变量(230)；以及基于所述至少一个动态工艺变量控制沿着单一依从轴的接触力(240)。

在方法200的一些实施方式中，测量工件与工具之间的接触力包括利用工具上的测力传感器测量接触力。

在方法200的一些实施方式中，测量工件与工具之间的接触力包括利用布置在工件12或工具20与用于控制工具20和工件12沿着单一依从轴的相对位置的致动器40之间的力传感器测量接触力。

在方法200的一些实施方式中，动态工艺变量包括在工件或工具与用于控制工具和工件沿着单一依从轴的相对位置的致动器之间的线性力或扭矩。

在方法200的一些实施方式中，测量动态工艺变量包括利用布置在工件12或工具20与致动器40之间的力传感器测量线性力或扭矩。

在方法200的一些实施方式中，力传感器包括在工具和致动器之间的6轴力/扭矩传感器60。

在方法200的一些实施方式中，参数包括工具的马达电流或马达扭矩。

在方法200的一些实施方式中，控制沿着单一依从轴的接触力包括控制工件12和工具20的相对位置。

在方法200的一些实施方式中，控制工件12和工具20沿着单一依从轴的相对位置包括沿着单一依从轴线性地移位工具20。

在方法200的一些实施方式中，基于参数控制工件12沿着单一依从轴和工具20的相对位置包括沿着单一依从轴线性地移位工件12。

本文所述的技术允许响应于不受单轴力受控致动器控制的动态工艺变量，如相对于工件的工具取向、工件的曲率、研磨介质的磨损和其他动态工艺变量，控制单轴力受控工具中的接触力。控制方法将改善加工零件的抛光表面的质量，并减少加工零件中的缺陷数量。减少材料缺陷将反过来提高成品零件的质量，并因为更少的零件被丢弃而降低成本。

Claims (9)

1.一种控制接触任务的方法，所述方法包括：

测量工具与工件之间沿着一个依从轴的接触力；

测量除了所述接触力之外的至少一个动态工艺变量；

基于所述动态工艺变量确定设定点；和

基于测得的接触力和所述设定点控制用于控制所述工具和工件沿着单一依从轴的相对位置的致动器，以将所述接触力保持在所述设定点。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，测量所述工件与所述工具之间的接触力包括利用下列之一测量所述接触力：所述工具上的测力传感器；布置在所述工件或工具与用于控制所述工具和工件沿着单一依从轴的相对位置的致动器之间的力传感器；以及布置在用于控制所述工具和工件沿着所述单一依从轴的相对位置的所述致动器与机械臂的末端执行器板之间的力传感器。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述动态工艺变量包括以下列之一：所述工具与用于控制所述工具和工件沿着单一依从轴的相对位置的致动器之间的线性力或扭矩；所述工具的马达电流；和所述工具的马达扭矩。

4.一种自动化工具，包括：

用于加工工件的工具；

致动器，用于使所述工具沿着单一依从轴相对于所述工件移动；

第一传感器，用于确定所述工具和所述工件之间沿着依从轴的接触力；

第二传感器，用于确定除了沿着所述依从轴的所述接触力之外的动态工艺变量；

用于控制所述致动器的处理电路，所述处理电路被配置为基于所述动态工艺变量确定设定点；并且

基于测得的接触力和所述设定点控制所述致动器，以将所述接触力保持在所述设定点。

5.根据权利要求4所述的自动化工具，其中，所述第一传感器包括下列之一：所述工具上的测力传感器；沿着所述单一依从轴布置在所述工件或工具与所述致动器之间的力传感器；以及布置在所述致动器与机械臂的末端执行器板之间的力传感器。

6.根据权利要求4所述的自动化工具，其中，所述动态工艺变量包括下列之一：所述工具与用于控制所述工具和工件沿着所述单一依从轴的相对位置的所述致动器之间的线性力或扭矩；所述工具的马达电流；和所述工具的马达扭矩。

7.根据权利要求4所述的自动化工具，其中，所述第二传感器包括布置在所述工具与所述致动器之间的力传感器。

8.一种用于自动工具的控制器，所述自动工具被配置为执行接触任务，所述控制器包括处理电路，所述处理电路被配置为：

基于第一传感器数据确定工具与工件之间的接触力；

基于第二传感器数据确定动态工艺变量；

基于所述动态工艺变量确定控制设定点；

根据所述控制设定点控制所述接触力。

9.根据权利要求8所述的控制器，其中，所述处理电路基于所述工具的倾覆力矩、围绕所述工具的旋转轴的扭矩以及马达电流或马达扭矩中的一个来确定所述设定点。