[发明专利]基于模糊自适应力控制的恒力自动打磨装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及自动打磨领域，尤其是一种基于模糊自适应力控制的恒力自动打磨装置及方法。

背景技术

目前，打磨行业相当一部分打磨由熟练的工人手工完成，自动化水平较低。手工打磨不仅劳动强度大、费时、效率低，而且打磨产生的粉尘危害工人的身体健康。专用打磨机床的效率很高，但专用机床加工的通用性差，适合大批量生产，可拓展性不强，不仅如此专用机床的价格昂贵。在高精度的磨削加工中，法向磨削力是影响表面加工质量和材料去除率的重要因素，因此保证法向磨削力的恒定是确保磨削质量和效率的关键。因此传统的位置控制方式已经不能满足对产品表面质量越来越高的要求，在自动化打磨设备中加入力控制是解决这一问题的有效方法。

发明内容

本发明为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种基于力传感器模糊自适应控制的恒力自动打磨方法及实现这种打磨方法的打磨装置，该装置结构简单、易于控制、通用性强。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

基于模糊自适应力控制的恒力自动打磨方法，包括以下步骤：

1)通过位置传感器对工件坐标进行标定，缓慢移动x轴，当打磨设备碰到工件，一维力传感设备会产生一个阶跃信号，检测出这个阶跃信号和伺服电机编码器的读数，计算出运动机构坐标与工件坐标之间的转换关系；

2)读取不同进给深度的力传感器的电压值，估算运动机构和装夹机构的刚度；

3)对打磨过程建模，设计模糊自适应控制器，并初步估算控制参数；

4)所述模糊自适应控制器的算法通过工控主机编程，给定y轴一个恒定的速度运动，在x轴方向通过力反馈控制磨削力的大小，记录力传感器电压值，不断调整模糊PID参数直到得到较好的恒力磨削效果；

5)以步骤4所调整的参数作为初始参数，设计模糊自适应控制器；

6)以步骤5所述的模糊自适应控制器的算法编程并结合运动控制器的运动控制函数，完成模糊自适应PID控制器的设计。

7)工控主机采用位置控制方式控制打磨设备y轴方向匀速运动，采用设计好的模糊自适应控制器控制打磨设备x轴方向的运动，使打磨设备以恒定的力与工件接触。

进一步地，所述步骤3具体包括：

步骤31)将磨削过程简化成质量-弹簧-阻尼模型，其动力学方程写成：

其中质量M是力传感器、连接件、和手持角磨机的总质量，x是x轴方向的位移，F_d为输入的力，F_e为力的干扰，包括伺服系统的干扰和力传感器的干扰，F_s为力传感器的检测力返回值：

其中刚度K是串联刚度，连接件的刚度对K的影响最大，B是系统阻尼，即由力传感器、角磨机等产生的阻尼。拉氏变换后消去X(s)得到：

步骤32)设计带滤波器的PID控制器，系统的闭环传递函数为：

其中A₁＝M+Bk_d，A₂＝B+k_dk+Bk_p，A₃＝k+k_iB+kk_p；

步骤33)由阻尼比和角频率画出特征方程的根轨迹图，初步确定一组特征方程的根，由分母恒等式就可以估算出一组控制参数k_p、k_i和k_d的值。

进一步地，所述步骤5具体包括：

51)用隶属函数对输入误差e和误差改变ec进行模糊化处理，使用高斯型隶属函数，函数方程为：

52)根据控制规则进行PID参数的整定，从而实现控制参数对控制过程的自适应，所述控制规则的制定是模糊控制器设计的核心内容，需要结合技术人员的操作经验，建立合适的规则表，分别得到Δk_p,Δk_d,Δk_i的模糊控制规则表；

53)解模糊，采用最大隶属度平均值法，即mom法，如果在模糊集合的论域上，有多个点都取最大隶属度值，则取这些点的平均值u_mom的横坐标作为模糊集合的代表点，设A(u_j)＝max(A(u))，j＝1,2,…,n，有n个点的隶属度都取最大值，则取：u_mom＝∑u_j/n。