CN116673874A - 一种液压恒力磨抛控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液压恒力磨抛控制方法及系统，包括：S1、获取磨抛力的设定值；S2、实时获取当前磨抛力的实际值；S3、基于磨抛力的设定值和实际值，计算得出打磨头与待被打磨工件之间所需磨抛力的实时补偿值；S4、根据打磨头的姿态，结合所需磨抛力的实时补偿值计算需要施加在打磨头上磨抛力的调整值；S5、设置电液执行器作用在打磨头上，根据磨抛力的调整值计算得到电液执行器需要输出的电机转矩，对电液执行器进行闭环力矩控制。本发明采用液压控制技术，通过调节液压油的流量和压力来实现恒力打磨的效果，并且，还考虑了使用时打磨头的姿态，综合计算得到电液执行器需要输出的电机转矩，从而控制打磨头恒力施加在被打磨工件上。

Description

一种液压恒力磨抛控制方法及系统

技术领域

本发明涉及打磨技术领域，尤其是指一种液压恒力磨抛控制方法及系统。

背景技术

在很多制造领域中，如工件加工、模具制造等，都需要对工件表面进行精细打磨。传统的打磨过程中通常需要人工操作，并且操作者水平不同，导致高度不一，从而影响了打磨质量和效率。

近年来，许多高效的打磨自动化系统被广泛采用，相比较一些现有的主动恒力浮动单元，大体分为两部分，一部分系统的核心是通过一定的方法，例如外部传感器(如外部六维力传感器控制、视觉识别等)引导六轴机械臂进行位姿调整实现力控，进而实现工件自动打磨；通过传感器引导的机械臂控制方案是响应速度慢，可控力精度低，不能完美实现最终需要的力控效果，而且需要在一台机械臂的基础上还需要再配置一套六维度传感器，价格昂贵。

另外还有一些先进的打磨系统还利用气压调节打磨头的压力，是通过气缸控制内部气压输出恒力控制。首先对外部气源要有一定要求，气源压力不能过低，否则达不到设定的目标力，气缸输出力完全依赖于外部气压，导致输出力很低。并且通过比例阀控制的气体压强压力调节不够灵活和精准，导致打磨效果不理想。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中打磨系统存在的不适用的问题，提供一种液压恒力磨抛控制方法及系统，采用液压控制技术，通过调节液压油的流量和压力来实现恒力打磨的效果，并且，在该方法和系统中，还考虑了使用时打磨头的姿态，综合计算得到电液执行器需要输出的电机转矩，从而控制打磨头施加在被打磨工件上的磨抛力恒定。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种液压恒力磨抛控制方法，用于控制打磨头与被打磨工件之间的磨抛力，包括以下步骤：

S1、获取磨抛力的设定值；

S2、实时获取当前磨抛力的实际值；

S3、基于磨抛力的设定值和实际值，计算得出打磨头与待被打磨工件之间所需磨抛力的实时补偿值；

S4、根据打磨头的姿态，结合所需磨抛力的实时补偿值计算需要施加在打磨头上磨抛力的调整值；

S5、设置电液执行器作用在打磨头上，根据磨抛力的调整值计算得到电液执行器需要输出的电机转矩，对电液执行器进行闭环力矩控制

在本发明的一个实施例中，在步骤S2中，控制打磨头与被打磨工件接触，在打磨头与被打磨工件相对位置稳定后，获取当前磨抛力的实际值，并实时获取打磨头的实际位置。

在本发明的一个实施例中，在步骤S3中，采用增量式PID控制算法计算得出打磨头与待被打磨工件之间所需磨抛力的实时补偿值。

在本发明的一个实施例中，在步骤S4中，对打磨头的姿态进行检测，计算打磨头的重力在不同姿态下向被打磨工件方向施加的分力，以及浮动设置的打磨头向被打磨工件方向施加的摩擦力，结合重力分力、摩擦力和所需磨抛力的实时补偿值计算需要施加在打磨头上磨抛力的调整值为：

F_a＝ΔF_k-F_G+F_f

其中：ΔF_k是所需磨抛力的实时补偿值，F_G是打磨头在的重力分力，F_f是浮动设置的打磨头的摩擦力。

在本发明的一个实施例中，所述步骤S5包括以下步骤：

S5-1、对电液执行器的输出力矩和输出力进行标定，得到多组输出力矩和输出力的对应关系；

S5-2、根据以上标定数据使用最小二乘法拟合出电机力矩和输出力的函数关系；

S5-3、输入需要施加在打磨头上磨抛力的调整值，得到输出的电机转矩。

在本发明的一个实施例中，所述电液执行器进行闭环力矩控制的相应时间小于0.2s，所述电液执行器进行闭环力矩控制的力矩的控制精度小于0.5N。

在本发明的一个实施例中，在步骤S5中，电液执行器进行闭环力矩控制的过程为：当电液执行器接收到的电机转矩的控制信号后，开始控制液压作动器往复运动，增压式蓄能器为整个液压回路提供液压油，通过液压油压力的不断上调或下调达到所期望的力矩，进而实现液压恒力磨抛控制。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种液压恒力磨抛控制系统，包括：

打磨头，用于在被打磨工件表面进行磨抛的磨料；

驱动组件，输出端与所述打磨头连接，用于带动所述打磨头旋转；

拉压力传感器，用于实时监测打磨头作用在被打磨工件上的磨抛力；

主控板控制器，接收磨抛力的设定值和通过所述拉压力传感器监测得到的实际值，计算得出打磨头与待被打磨工件之间所需磨抛力的实时补偿值，并根据打磨头的姿态，结合所需磨抛力的实时补偿值计算需要施加在打磨头上磨抛力的调整值；

伺服控制器，接收主控板控制器计算得到的磨抛力的调整值，计算得到电液执行器需要输出的电机转矩，对电液执行器进行闭环力矩控制；

电液执行器，作用在打磨头上，根据伺服控制器的闭环力矩控制输出作用在打磨头上的力，使打磨头能够恒力执行磨抛动作。

在本发明的一个实施例中，还包括：位置传感器，用于实时获取打磨头的实际位置。

在本发明的一个实施例中，还包括：姿态传感器，用于获取打磨头在使用时的姿态。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的液压恒力磨抛控制方法，采用液压控制技术即电液执行器，通过调节液压油的流量和压力来实现恒力打磨的效果；

一方面，电液执行器的输出端能够直接作用在打磨头上，通过电液执行器对打磨头直接进行调整无需引入其他结构，其相应速度快，并且电液执行器的液压输出力远远大于气压输出，其输出更加稳定；

另一方面，在执行精度方面，实时采集的磨抛力的实际值与设定值进行比对，得到实时的补偿值，还考虑了使用时打磨头的姿态，综合计算得到电液执行器需要输出的电机转矩，通过电液执行器对补偿值进行实现闭环控制，从而保证打磨头施加在被打磨工件上的磨抛力恒定，其控制的精度更加准确。

本发明所述的液压恒力磨抛控制系统，

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明的液压恒力磨抛控制方法的步骤流程图；

图2是本发明的液压恒力磨抛控制系统的结构示意图；

图3是本发明的液压恒力磨抛控制系统的结构框图；

图4是本发明中电液执行器的的电机力矩和输出力的函数关系图。

图5是通过示波器显示的采用本发明液压恒力磨抛控制方法和系统调节得到的磨抛力设定值和测量值的对比图。

说明书附图标记说明：1、打磨头；2、驱动组件；3、拉压力传感器；4、电液执行器；5、位置传感器；6、姿态传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

众所周知，在很多制造领域中，如工件加工、模具制造等，都需要对工件表面进行精细打磨，由于被打磨工件的表面是不平整的，采用设定好的磨抛力对被打磨工件进行打磨的时候，经常不能保证稳定的施力打磨，如果不对磨抛力进行实时调整，那么被打磨工件在打磨后的表面也会凹凸不平，不能满足精细打磨的需求。

本发明旨在提供一种液压恒力磨抛控制方法及系统，采用液压控制技术，通过调节液压油的流量和压力来实现恒力打磨的效果，下面结合具体实施例进一步说明。

实施例1

参照图1所示，本发明公开了一种液压恒力磨抛控制方法，用于控制打磨头与被打磨工件之间的磨抛力，包括以下步骤：

S1、获取磨抛力的设定值；采用打磨设备对不同材料的产品进行磨抛处理的时候，由于不同材料的产品的软硬程度不同，所以在磨抛处理的时候需要采用不同的磨抛力，在企业标准和行业标准中，对材料硬度和打磨时采用的磨抛力都有明确的限制，在此不多加赘述，只要根据需求设定所需的恒定磨抛力即可。

S2、实时获取当前磨抛力的实际值；在确定好设定的磨抛力后就可以采用打磨设备对被打磨工件进行打磨，在打磨头与被打磨工件接触的时候，由于力的作用是相互的，在打磨头向被打磨工件施加磨抛力的同时，被打磨工件也会向打磨头反向施加压力，这个压力是能够被实时采集到的，采集到的这个力就可以作为当前磨抛力的实际值。

S3、基于磨抛力的设定值和实际值，计算得出打磨头与待被打磨工件之间所需磨抛力的实时补偿值；一般情况下，磨抛力的实际值和设定值都是不相同的，由于磨抛动作是高速进行的，因此无论采用机器打磨还是人工磨抛，都没办法保持稳定的施力状态，因此，就需要计算出需要的补偿值，而且，打磨设备的打磨动作是连续不断的，在整个过程中补偿值也是动态变化的，因此，需要计算实时变化的补偿值。

S4、根据打磨头的姿态，结合所需磨抛力的实时补偿值计算需要施加在打磨头上磨抛力的调整值；在实际的磨抛加工领域，打磨设备一般都不是固定的，都是设置移载模组或者机械手臂上，所述移载模组包括X向、Y向、Z向和R向驱动单元、所述机械手臂也为六轴机械手臂，无论移载模组还是机械手臂都能够带动打磨头调整不同的姿态，在计算实际补偿值的时候，往往打磨头的姿态会被忽略的，由于不同姿态下打磨头与打磨设备受到的重力和摩擦力是不同的，受重力和摩擦力的影响，获取的磨抛力的实际值是不准确的，并且在打磨的过程中，打磨头的姿态也是不断变化的，打磨头的重力和摩擦力也是实时变化的，因此，在实际计算中，如果忽略打磨头的姿态，计算得到的需要施加在打磨头上磨抛力的调整值也是不准确的；只有考虑了实际使用时打磨头的姿态，根据实时的姿态对补偿值进行调整，才能计算的得到真正所需要施加在打磨头上的调整值，从而保证打磨头施加在被打磨工件上的磨抛力恒定，使其控制的精度更加准确。

S5、设置电液执行器作用在打磨头上，根据磨抛力的调整值计算得到电液执行器需要输出的电机转矩，对电液执行器进行闭环力矩控制；设置电液执行器的输出端能够直接作用在打磨头上，通过电液执行器对打磨头直接进行调整无需引入其他结构，其相应速度快，并且电液执行器的液压输出力远远大于气压输出，其输出更加稳定。

具体地，在本实施例的步骤S2中，在打磨头与被打磨工件接触的时候，如果打磨头与被打磨工件之间的接触速度过大或接触力较大，那么在还没有对打磨头的恒力进行控制的时候，打磨头就已经被损坏了，就无法实现恒力控制，并且，在打磨头相对于被打磨工件逐渐进给的过程中，就是在没有到达指定的打磨位置前，打磨头与被打磨工件之间的力也是不稳定的，这个过程是不需要控制恒力的，也就不需要对磨抛力进行采集，为了解决上述问题，在实际的使用过程中，需要控制打磨头与被打磨工件之间的实际位置，就需要实时获取打磨头的实际位置，这样一方面能够保证打磨头不受损伤，另一方面也能够保证获取的磨抛力的实际值的准确性。

具体地，在步骤S3中，采用增量式PID控制算法计算得出打磨头与待被打磨工件之间所需磨抛力的实时补偿值，增量式PID控制算法是一种应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节，PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的，采用增量式PID控制算法能够对变化进行实时计算，并且保证实时补偿值的稳定性。

具体地，在步骤S4中，对打磨头的姿态进行检测，打磨头的姿态对磨抛力的实际影响只需要考虑施加在被打磨工件方向上的力即可，主要是打磨头的重力和打磨头与打磨设备之间浮动过程中的摩擦力，计算打磨头的重力在不同姿态下向被打磨工件方向施加的分力，以及浮动设置的打磨头向被打磨工件方向施加的摩擦力，结合重力分力、摩擦力和所需磨抛力的实时补偿值计算需要施加在打磨头上磨抛力的调整值为：

F_a＝ΔF_k-F_G+F_f

其中：ΔF_k是所需磨抛力的实时补偿值，F_G是打磨头在的重力分力，F_f是浮动设置的打磨头的摩擦力。

具体地，所述步骤S5包括以下步骤：

S5-1、对电液执行器的输出力矩和输出力进行标定，得到多组输出力矩和输出力的对应关系；不同型号的电液执行器的输出力矩和输出力的关系是不同的，因此，在使用前需要对其进行标定确认，如表1所示：

表1

其中：Torque表示电机转矩，Force表示输出的力。

S5-2、根据以上标定数据使用最小二乘法拟合出电机力矩和输出力的函数关系：

如图4所示，电液执行器中输出力矩和输出力的关系为线性关系，根据上述关系，执行步骤S53、只要确定所需要的输出力的大小就能够计算出输出力矩的大小，在电液执行器中输出力矩的大小都是能够调节的。

具体地，在步骤S5中，电液执行器进行闭环力矩控制的过程为：当电液执行器接收到的电机转矩的控制信号后，开始控制液压作动器往复运动，增压式蓄能器为整个液压回路提供液压油，通过液压油压力的不断上调或下调达到所期望的力矩，进而实现液压恒力磨抛控制,无论施加的实际磨抛力大于或小于设定值，通过上述方法均能实现恒定的输出控制。

实施例2

参照图2和图3所示，针对上述实施例1提供的方法，在本实施例中提供了一种能够实现上述方法的液压恒力磨抛控制系统，包括：

打磨头1，用于在被打磨工件表面进行磨抛的磨料，在实际实用的过程中，根据被打磨工件的软硬度可以更换打磨头1，使打磨头1与被打磨工件的软硬度匹配，达到最佳的打磨效果；

驱动组件2，输出端与所述打磨头1连接，用于带动所述打磨头1旋转，所述驱动组件2一般包括力矩电机和控制器，所述驱动组件2和打磨头1之间通过传动组件，例如传动轴和花键连接，所述驱动组件2和打磨头1连接后就构成了最基本的打磨设备，往往需要配合移载机构或机械手臂实用；

拉压力传感器3，用于实时监测打磨头1作用在被打磨工件上的磨抛力，所述拉压力传感器3直接作用在打磨头1上，保证监测的数据的准确性，不会受到其他作用力的影响；

主控板控制器，接收磨抛力的设定值和通过所述拉压力传感器3监测得到的实际值，计算得出打磨头1与待被打磨工件之间所需磨抛力的实时补偿值，并根据打磨头1的姿态，结合所需磨抛力的实时补偿值计算需要施加在打磨头1上磨抛力的调整值；

伺服控制器，接收主控板控制器计算得到的磨抛力的调整值，计算得到电液执行器需要输出的电机转矩，对电液执行器进行闭环力矩控制；

电液执行器4，作用在打磨头1上，根据伺服控制器的闭环力矩控制输出作用在打磨头1上的力，使打磨头1能够恒力执行磨抛动作。

具体地，在本实施例中，为了检测打磨头1的位置和姿态，还包括：位置传感器5和姿态传感器6，所述位置传感器5用于实时获取打磨头1的实际位置，所述姿态传感器6用于获取打磨头1在使用时的姿态，对应能够完成上述方法步骤，具体的技术效果已在实施例1中说明，在此不多加赘述，

为了进一步的验证本发明的液压恒力磨抛控制方法和系统的实用性，进一步证明本申请带来的技术效果，在本申请中还设置了实验，基于以上实施例，对该液控恒力进行验证，实施方案为：

在打磨头1前方水平安装压力传感器，固定之后将传感器清零，首先通过位置控制将打磨头1缩回至不与传感器接触状态，也可以使用后方摇把将液控恒力装备移动到不与传感器接触的位置。在此时通过示波器监控前方压力传感器，并且设定恒力磨抛设备的目标力为30N，此时液控设备会向前推出打磨头1直到力满足目标力，具体地的变化过程参照图5所示。

由图5可知，采用本发明的液压恒力磨抛控制方法和系统在对磨抛力进行恒定调节的过程中，在0.4s的时候设定恒力磨抛设备的目标力为30N，在0.6s的时候，就已经进行相应，并且调节到了接近稳定恒力的状态，也就是说，设置电液执行器4进行闭环力矩控制，并且达到稳定的相应时间小于0.2s，并且在后续1s的时间内，持续对输出力进行调节，最后达到的闭环力矩控制的力矩的控制精度小于0.5N，在响应速度及目标力输出稳定上都较于其他结构有明显得优势。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。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变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种液压恒力磨抛控制方法，用于控制打磨头与被打磨工件之间的磨抛力，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取磨抛力的设定值；

S2、实时获取当前磨抛力的实际值；

S3、基于磨抛力的设定值和实际值，计算得出打磨头与待被打磨工件之间所需磨抛力的实时补偿值；

S4、根据打磨头的姿态，结合所需磨抛力的实时补偿值计算需要施加在打磨头上磨抛力的调整值；

S5、设置电液执行器作用在打磨头上，根据磨抛力的调整值计算得到电液执行器需要输出的电机转矩，对电液执行器进行闭环力矩控制。

2.根据权利要求1所述的液压恒力磨抛控制方法，其特征在于：在步骤S2中，控制打磨头与被打磨工件接触，在打磨头与被打磨工件相对位置稳定后，获取当前磨抛力的实际值，并实时获取打磨头的实际位置。

3.根据权利要求1所述的液压恒力磨抛控制方法，其特征在于：在步骤S3中，采用增量式PID控制算法计算得出打磨头与待被打磨工件之间所需磨抛力的实时补偿值。

4.根据权利要求1所述的液压恒力磨抛控制方法，其特征在于：在步骤S4中，对打磨头的姿态进行检测，计算打磨头的重力在不同姿态下向被打磨工件方向施加的分力，以及浮动设置的打磨头向被打磨工件方向施加的摩擦力，结合重力分力、摩擦力和所需磨抛力的实时补偿值计算需要施加在打磨头上磨抛力的调整值为：

F_a＝ΔF_k-F_G+F_f

其中：ΔF_k是所需磨抛力的实时补偿值，F_G是打磨头在的重力分力，F_f是浮动设置的打磨头的摩擦力。

5.根据权利要求4所述的液压恒力磨抛控制方法，其特征在于：所述步骤S5包括以下步骤：

S5-1、对电液执行器的输出力矩和输出力进行标定，得到多组输出力矩和输出力的对应关系；

S5-2、根据以上标定数据使用最小二乘法拟合出电机力矩和输出力的函数关系；

S5-3、输入需要施加在打磨头上磨抛力的调整值，得到输出的电机转矩。

6.根据权利要求1所述的液压恒力磨抛控制方法，其特征在于：所述电液执行器进行闭环力矩控制的相应时间小于0.2s，所述电液执行器进行闭环力矩控制的力矩的控制精度小于0.5N。

7.根据权利要求1所述的液压恒力磨抛控制方法，其特征在于：在步骤S5中，电液执行器进行闭环力矩控制的过程为：当电液执行器接收到的电机转矩的控制信号后，开始控制液压作动器往复运动，增压式蓄能器为整个液压回路提供液压油，通过液压油压力的不断上调或下调达到所期望的力矩，进而实现液压恒力磨抛控制。

8.一种液压恒力磨抛控制系统，其特征在于：包括：

打磨头，用于在被打磨工件表面进行磨抛的磨料；

驱动组件，输出端与所述打磨头连接，用于带动所述打磨头旋转；

拉压力传感器，用于实时监测打磨头作用在被打磨工件上的磨抛力；

主控板控制器，接收磨抛力的设定值和通过所述拉压力传感器监测得到的实际值，计算得出打磨头与待被打磨工件之间所需磨抛力的实时补偿值，并根据打磨头的姿态，结合所需磨抛力的实时补偿值计算需要施加在打磨头上磨抛力的调整值；

伺服控制器，接收主控板控制器计算得到的磨抛力的调整值，计算得到电液执行器需要输出的电机转矩，对电液执行器进行闭环力矩控制；

电液执行器，作用在打磨头上，根据伺服控制器的闭环力矩控制输出作用在打磨头上的力，使打磨头能够恒力执行磨抛动作。

9.根据权利要求8所述的液压恒力磨抛控制系统，其特征在于：还包括：位置传感器，用于实时获取打磨头的实际位置。

10.根据权利要求8所述的液压恒力磨抛控制系统，其特征在于：还包括：姿态传感器，用于获取打磨头在使用时的姿态。