CN114434325B - 一种基于串联弹性执行器的单自由度力控磨头装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于智能加工制造相关技术领域，其公开了一种基于串联弹性执行器的单自由度力控磨头装置，该磨头装置包括单自由度伺服平台、串联弹性执行器、力传感器、磨头电机及磨头，所述串联弹性执行器连接所述单自由度伺服平台及所述力传感器，所述磨头电机连接于所述力传感器，所述磨头可拆卸地连接于所述磨头电机；所述串联弹性执行器用于使得所述磨头在接触力法向上被动柔顺，即使得所述磨头与待加工的工件之间保持柔性接触。本发明中串联弹性执行器的设置可以获得较小的输出阻抗，实现所述磨头与待加工的工件之间的柔性接触，避免刚性接触带来的加工冲击振动，增加了力控柔顺性，有效提高了力控精度。

Description

一种基于串联弹性执行器的单自由度力控磨头装置
技术领域
本发明属于智能加工制造相关技术领域，更具体地，涉及一种基于串联弹性执行器的单自由度力控磨头装置。
背景技术
在航空航天、船舶、汽车等领域中，许多核心零部件都具有复杂的曲面，这些曲面不能由初等解析曲面组成，难以获得自由复杂曲面的精确解析解，因此复杂曲面的高效高质量的加工一直是制造难题。
目前自由曲面的表面精加工主要有数控抛光技术和人工手工研磨的方式。其中，数控抛光技术存在数控机床价格昂贵和通用性差的缺点，而人工抛光劳动强度大，加工效率低，工作环境恶劣，同时工件精度受工人技术熟练程度影响很大，材料去除量一致性差，严重制约了工件的表面质量。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于串联弹性执行器的单自由度力控磨头装置，其基于现有自由曲面的表面光整加工特点，研究及设置了一种设置有串联弹性执行器的单自由度力控磨头装置，串联弹性执行器的设置可以获得较小的输出阻抗，实现所述磨头与待加工的工件之间的柔性接触，避免了刚性接触带来的加工冲击振动，增加了力控柔顺性，有效地提高了力控精度。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于串联弹性执行器的单自由度力控磨头装置，所述磨头装置包括单自由度伺服平台、串联弹性执行器、力传感器、磨头电机及磨头，所述串联弹性执行器连接所述单自由度伺服平台及所述力传感器，所述磨头电机连接于所述力传感器，所述磨头可拆卸地连接于所述磨头电机；
所述串联弹性执行器用于使得所述磨头在接触力法向上被动柔顺，即使得所述磨头与待加工的工件之间保持柔性接触。
进一步地，所述串联弹性执行器包括传感器连接件、弹性模块及移动平台连接件，所述弹性模块连接所述传感器连接件及所述移动平台连接件；所述传感器连接件连接于所述力传感器，所述移动平台连接件连接于所述单自由度伺服平台。
进一步地，所述弹性模块的数量为两个，两个所述弹性模块相互平行设置；所述弹性模块包括两个导轴固定件、两个弹簧、直线轴承连接件、直线轴承及导轴；两个所述导轴固定件的一端分别连接于所述移动平台连接件相背的两侧，另一端分别连接于所述导轴的两端；所述直线轴承设置在所述直线轴承连接件的中部，所述直线轴承连接件的顶部连接于所述传感器连接件；所述导轴穿过所述直线轴承，两个所述弹簧套设在所述导轴上，且分别位于所述直线轴承连接件相背的两侧。
进一步地，所述导轴固定件与所述传感器连接件间隔设置。
进一步地，所述磨头装置还包括光栅尺位移传感器及控制组件，所述光栅尺位移传感器设置在所述串联弹性执行器上，所述单自由度伺服平台、所述光栅尺位移传感器、所述力传感器及所述磨头电机分别连接于所述控制组件。
进一步地，所述光栅尺位移传感器用于检测所述串联弹性执行器在接触力法向的位移大小，以实现对抛光过程中的所述串联弹性执行器位移变化的实时监测；所述力传感器用于检测所述磨头与工件之间的接触力；同时，所述光栅尺位移传感器还用于将检测到的位移信息传输给所述控制组件，所述力传感器用于将检测到的力信息传输给所述控制组件；所述控制组件用于根据接收到的位移信息及力信息来控制所述单自由度伺服平台及所述磨头电机的运动。
进一步地，所述光栅尺位移传感器为光栅尺KA-300位移传感器。
进一步地，所述力传感器是一个三维力传感器；所述串联弹性执行器为单自由度被动柔顺控制平台单元。
进一步地，所述单自由度伺服平台包括移动平台、滚珠丝杠机构及伺服电机，所述滚珠丝杠机构连接所述移动平台及所述伺服电机。
进一步地，所述控制组件连接于所述伺服电机，其用于控制所述伺服电机的运动，进而控制所述移动平台在接触力法向上的移动；所述伺服电机采用光电编码器进行位置检测，所述光电编码器还用于将检测到的所述伺服电机的当前位置信息传输给所述控制组件。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的基于串联弹性执行器的单自由度力控磨头装置主要具有以下有益效果：
1.串联弹性执行器的设置可以获得较小的输出阻抗，实现所述磨头与待加工的工件之间的柔性接触，避免了刚性接触所带来的加工冲击振动，增加了力控柔顺性，有效地提高了力控精度；同时，所述串联弹性执行器用于保证在抛光过程中，所述磨头在接触力法向上的被动柔顺，以避免刚性接触带来的冲击振动，以实现对抛光过程中接触力的控制，使得工件的型面精度和表面一致性较好。
2.所述力传感器用于检测所述磨头与所述工件之间的法向接触力大小，以实现对抛光过程中的接触力及磨抛力的实时监测，实现了智能加工，使得工件的尺寸可控性较高。
3.所述光栅尺位移传感器用于检测所述串联弹性执行器相对于所述单自由度伺服平台的位移变化，以实现对抛光过程中串联弹性执行器的位移变化检测，实现了加速度反馈控制。
4.所述力传感器和所述光栅尺位移传感器分别还用于将检测得到的力信息和位移信息传输给所述控制组件，所述控制组件用于根据接收到的所述力信号和位移信号来控制所述单自由度伺服平台及所述磨头电机的运动，智能控制加工，加工效率和加工精度得到了有效提高。
5.所述单自由度伺服平台用于带动所述磨头在接触力法向上的运动，以实现所述磨头与待加工的工件之间的柔性接触，以保证法向接触力的稳定控制；同时通过力反馈来实现抛光过程中的力检测，通过PID力控算法控制和加速度反馈控制来调整平台的进给量，从而保证稳定柔顺的抛光过程。
6.采用伺服电机直接加滚珠丝杆进行旋转到平移运动转化的驱动方式，消除了齿轮减速机构造成的摩擦力、回程差等误差。
7.所述磨头装置的结构简单，使用方便，力控制精度误差小，灵活性以及自动化程度高。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于串联弹性执行器的单自由度力控磨头装置的结构示意图；
图2是图1中的基于串联弹性执行器的单自由度力控磨头装置的单自由度伺服平台的结构示意图；
图3是图1中的基于串联弹性执行器的单自由度力控磨头装置的串联弹性执行器的示意图；
图4是图3中的串联弹性执行器的弹性模块的示意图；
图5是图1中的基于串联弹性执行器的单自由度力控磨头装置的光栅尺位移传感器的示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-连接法兰，2-单自由度伺服平台，3-光栅尺位移传感器，4-串联弹性执行器，5-力传感器，6-磨头电机，7-磨头，8-移动平台，9-伺服电机，10-传感器连接件，11-弹性模块，12-移动平台连接件，13-弹簧，14-直线轴承连接件，15-直线轴承，16-导轴，17-导轴固定件。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1，本发明提供了一种基于串联弹性执行器的单自由度力控磨头装置，所述磨头装置包括连接法兰1、单自由度伺服平台2、光栅尺位移传感器3、串联弹性执行器4、力传感器5、磨头电机6及磨头7，所述连接法兰1连接于所述单自由度伺服平台2的一侧，所述磨头装置通过所述连接法兰1连接于机器人末端。所述单自由度伺服平台2的另一侧连接于所述串联弹性执行器4，所述光栅尺位移传感器3设置在所述串联弹性执行器4上。所述力传感器5连接所述串联弹性执行器4及所述磨头电机6，所述磨头7连接于所述磨头电机7远离所述力传感器5的一侧。本实施方式中，所述连接法兰1、所述单自由度伺服平台2、所述串联弹性执行器4、所述力传感器5、所述磨头电机6及所述磨头7自上而下依次相连接；所述磨头7可拆卸地连接于所述磨头电机6；所述力传感器5是一个三维力传感器；所述串联弹性执行器为单自由度被动柔顺控制平台单元；所述光栅尺位移传感器3为光栅尺KA-300位移传感器。
所述磨头装置还包括控制组件，所述单自由度伺服平台2、所述光栅尺位移传感器3、所述力传感器5及所述磨头电机6分别连接于所述控制组件。其中，所述单自由度伺服平台2用于带动所述串联弹性执行器4在接触力法向上运动，以实现所述磨头7与待加工的工件之间的接触力的控制。所述串联弹性执行器4用于保证所述磨头7在接触力法向上的被动柔顺，避免了刚性接触带来的加工冲击振动。所述光栅尺位移传感器3用于检测所述串联弹性执行器4在接触力法向上的位移大小，以实现对抛光过程中的所述串联弹性执行器4位移变化的实时监测。所述力传感器5用于检测所述磨头7与工件之间的接触力，以实现对抛光过程中接触力与磨抛力的实时监测；同时，所述光栅尺位移传感器3还用于将检测到的位移信息传输给所述控制组件；所述力传感器5用于将检测到的力信息传输给所述控制组件，所述控制组件用于根据接收到的位移信息及力信息来控制所述单自由度伺服平台2及所述磨头电机6的运动。
工作时，所述单自由度伺服平台2的一端通过所述连接法兰1连接于机器人末端，另一端连接于所述串联弹性执行器4。所述单自由度伺服平台2用于带动所述串联弹性执行器4及所述磨头7在接触力法向上运动，以实现所述磨头7与工件之间以稳性接触力相接触，避免了磨抛力过大或者过小而对抛光精度和表面一致性的影响。
请参阅图2，所述单自由度伺服平台2包括移动平台8、滚珠丝杠机构及伺服电机9，所述滚珠丝杠机构连接所述移动平台8及所述伺服电机9。所述控制组件连接于所述伺服电机9，其用于控制所述伺服电机9的运动，进而控制所述移动平台8在接触力法向上的移动。所述伺服电机9采用光码编码器进行位置检测，所述光码编码器将检测到的所述伺服电机9的当前位置信息传输给所述控制组件。
请参阅图3及图4，所述串联弹性执行器4包括传感器连接件10、弹性模块11及移动平台连接件12，所述弹性模块11连接所述传感器连接件10及所述移动平台连接件12。所述传感器连接件10连接于所述力传感器5，所述移动平台连接件12连接于所述移动平台8。
本实施方式中，所述弹性模块11的数量为两个，两个所述弹性模块11相互平行设置；所述串联弹性执行器4用于实现所述磨头7与工件之间的柔性接触，避免了刚性接触而导致的加工冲击和接触力不稳定等问题。
所述弹性模块11包括两个导轴固定件17、两个弹簧13、直线轴承连接件14、直线轴承15及导轴16。两个所述导轴固定件17的一端分别连接于所述移动平台连接件12相背的两侧，另一端分别连接于所述导轴16的两端。所述直线轴承15设置在所述直线轴承连接件14的中部，所述直线轴承连接件14的顶部连接于所述传感器连接件10。所述导轴16穿过所述直线轴承15，两个所述弹簧13套设在所述导轴16上，且分别位于所述直线轴承连接件14相背的两侧。其中，所述导轴固定件17与所述传感器连接件10间隔设置。
本实施方式中，所述传感器连接件10、所述直线轴承连接件15、所述导轴固定件17及所述移动平台连接件12均基本呈矩型，当然还可以为其他形状。
请参阅图5，所述光栅尺位移传感器3用于检测所述串联弹性执行器4连接于所述力传感器5的所述传感器连接件10的位移大小，以实现对抛光过程中所述力传感器5沿接触力法向上的位移及加速度的实时检测。同时，所述光栅尺位移传感器3还用于将检测到的位移信息传输给所述控制组件，所述控制组件通过加速度反馈控制来进一步优化调整所述单自由度伺服平台2的位置，从而进一步提高接触力的稳定性，提升了磨抛精度。
所述力传感器5用于检测所述磨头7与工件之间的接触力，以实现对抛光过程中的接触力及磨抛力的实时监测。同时，所述力传感器5将检测到的接触力信息传输给所述控制组件，所述控制组件基于PID算法及接收到的所述接触力信息来调整所述单自由度伺服平台2的位置，从而保证接触力稳定顺应的恒力抛光过程，减小工件的加工变形及加工区的应力集中，提升了磨抛精度。
所述磨头电机6用于驱动所述磨头7旋转，以提供磨抛力。所述磨头7作为刀具实现零件的加工，可以根据打磨零件的具体要求选择更换端部特征不同的磨头。
本发明提供的基于串联弹性执行器的单自由度力控磨头装置采用力传感器用于检测检测所述磨头与所述工件之间的接触力，同时光栅尺位移传感器检测所述串联弹性执行器的实时位移，以实现对抛光过程中的接触力及磨抛力的实时监测，实现了智能加工，使得工件的尺寸可控性较高，型面精度及表面一致性较好。此外，所述串联弹性执行保证磨头在接触力法向方向的柔性接触，避免了刚性接触所存在的加工冲击振动；同时通过力反馈和加速度反馈，实现抛光过程中的力检测，通过PID力控，调整平台的进给量，从而保证稳定顺应的抛光过程。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于串联弹性执行器的单自由度力控磨头装置，其特征在于：
所述磨头装置包括单自由度伺服平台(2)、串联弹性执行器(4)、力传感器(5)、磨头电机(6)及磨头(7)，所述串联弹性执行器(4)连接所述单自由度伺服平台(2)及所述力传感器(5)，所述磨头电机(6)连接于所述力传感器(5)，所述磨头(7)可拆卸地连接于所述磨头电机(6)；
所述串联弹性执行器(4)用于使得所述磨头(7)在接触力法向上被动柔顺，即使得所述磨头(7)与待加工的工件之间保持柔性接触；
所述串联弹性执行器(4)包括传感器连接件(10)、弹性模块(11)及移动平台连接件(12)，所述弹性模块(11)包括两个导轴固定件(17)、两个弹簧(13)、直线轴承连接件(14)、直线轴承(15)及导轴(16)；两个所述导轴固定件(17)的一端分别连接于所述移动平台连接件(12)相背的两侧，另一端分别连接于所述导轴(16)的两端；所述直线轴承(15)设置在所述直线轴承连接件(14)的中部，所述直线轴承连接件(14)的顶部连接于所述传感器连接件(10)；所述导轴(16)穿过所述直线轴承(15)，两个所述弹簧(13)套设在所述导轴(16)上，且分别位于所述直线轴承连接件(14)相背的两侧。
2.如权利要求1所述的基于串联弹性执行器的单自由度力控磨头装置，其特征在于：所述传感器连接件(10)连接于所述力传感器(5)，所述移动平台连接件(12)连接于所述单自由度伺服平台(2)。
3.如权利要求2所述的基于串联弹性执行器的单自由度力控磨头装置，其特征在于：所述弹性模块(11)的数量为两个，两个所述弹性模块(11)相互平行设置。
4.如权利要求3所述的基于串联弹性执行器的单自由度力控磨头装置，其特征在于：所述导轴固定件(17)与所述传感器连接件(10)间隔设置。
5.如权利要求1-4任一项所述的基于串联弹性执行器的单自由度力控磨头装置，其特征在于：所述磨头装置还包括光栅尺位移传感器(3)及控制组件，所述光栅尺位移传感器(3)设置在所述串联弹性执行器(4)上，所述单自由度伺服平台(2)、所述光栅尺位移传感器(3)、所述力传感器(5)及所述磨头电机(6)分别连接于所述控制组件。
6.如权利要求5所述的基于串联弹性执行器的单自由度力控磨头装置，其特征在于：所述光栅尺位移传感器(3)用于检测所述串联弹性执行器(4)在接触力法向的位移大小，以实现对抛光过程中的所述串联弹性执行器(4)位移变化的实时监测；所述力传感器(5)用于检测所述磨头(7)与工件之间的接触力；同时，所述光栅尺位移传感器(3)还用于将检测到的位移信息传输给所述控制组件，所述力传感器(5)用于将检测到的力信息传输给所述控制组件；所述控制组件用于根据接收到的位移信息及力信息来控制所述单自由度伺服平台(2)及所述磨头电机(6)的运动。
7.如权利要求5所述的基于串联弹性执行器的单自由度力控磨头装置，其特征在于：所述光栅尺位移传感器(3)为光栅尺KA-300位移传感器。
8.如权利要求5所述的基于串联弹性执行器的单自由度力控磨头装置，其特征在于：所述力传感器(5)是一个三维力传感器；所述串联弹性执行器(4)为单自由度被动柔顺控制平台单元。
9.如权利要求5所述的基于串联弹性执行器的单自由度力控磨头装置，其特征在于：所述单自由度伺服平台(2)包括移动平台(8)、滚珠丝杠机构及伺服电机(9)，所述滚珠丝杠机构连接所述移动平台(8)及所述伺服电机(9)。
10.如权利要求9所述的基于串联弹性执行器的单自由度力控磨头装置，其特征在于：所述控制组件连接于所述伺服电机(9)，其用于控制所述伺服电机(9)的运动，进而控制所述移动平台(8)在接触力法向上的移动；所述伺服电机(9)采用光电编码器进行位置检测，所述光电编码器还用于将检测到的所述伺服电机(9)的当前位置信息传输给所述控制组件。
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