[发明专利]一种气动抛光力控装置及控制方法

说明书

本发明属于抛光加工技术领域，公开了一种气动抛光力控装置及控制方法。力传感器测量抛光加工过程的轴向接触力；倾角传感器测量力控装置的实时姿态；力控模块通过双作用气缸和电气比例阀控制接触力；传动模块约束抛光工具的运动方向在轴向方向；控制平台根据采集到的信号经过计算得到修正电压信号，电气比例阀根据修正电压信号控制双作用气缸两个气腔的气压，进而控制力控装置输出力。本发明通过控制气缸有杆腔和无杆腔两个腔的气压差来控制装置的输出力，从而使气缸可以一直工作在最佳气压范围内，且具有重力补偿功能，并通过采用响应速度快、鲁棒性强的模糊PID控制算法，最终实现了恒力控制，保证了抛光加工过程中材料去除的一致性和均匀性。

技术领域

本发明涉及抛光加工技术领域，尤其涉及一种气动抛光力控装置及控制方法。

背景技术

大型复杂曲面在航空航天、汽车、船舶、能源动力等领域应用越来越广泛，并对其表面质量提出了很高要求。目前，机器人和数控机床等装备均可用于抛光加工，以提高加工效率、降低成本和改善工人工作环境。然而，为了确保抛光加工过程中材料去除的一致性和均匀性，需要对抛光过程中抛光工具和工件之间的接触力进行控制，但单纯通过装备的位置控制不能实现对接触力的精确控制，因此在机器人末端或者数控机床主轴末端安装力控装置十分必要。此外，通过力控装置还可以自适应的补偿加工路径偏差、重复定位误差和工件装夹误差，从而保证复杂曲面零件抛光加工的质量和柔顺性。

目前力控装置按照驱动方式主要分为电动式、电磁式和气动式力控装置。气动式力控装置大多数由气缸作为驱动元件，具有控制简单、柔顺性好、成本低、体积较好的优点，已经应用于现有的力控装置中。目前商业产品的气动式力控装置有奥地利Ferrobotics公司的ACF、美国PushCorp公司的ATI和中国斯蒂尔公司的stial Xpolish。目前气动式力控装置商业产品和CN209380743U(一种机器人手臂恒力控制装置)、CN111136543B(一种磨抛力控末端执行装置)、CN105234807A(一种工业机器人抛磨作业的力控法兰、及抛磨方法)、CN111571442A(一种气动自适应恒力装置的控制方法、装置及系统)中大多数都是通过控制气缸单气腔的气压来控制力控执行器的输出力，一方面，气缸在工作时有最低工作气压限制，气缸必须在一定气压以上才能正常工作，因此单纯控制气缸单气腔的气压不能对小抛光力进行控制。另一方面，对于复杂曲面零件的抛光，单纯控制气缸单气腔的气压不能使气缸一直在最佳工作气压范围工作，影响力控精度和响应时间。此外，现有的力控装置大多不具备重力补偿功能，导致在抛光复杂曲面零件过程中，抛光工具的自重对接触力的精确控制有很大影响。总之，为了实现复杂曲面零件的高质量抛光加工，有必要开发一套以双作用气缸作为驱动元件、有重力补偿功能的结构相对简单、成本低廉、各项性能良好的力控装置。

发明内容

针对现有气动抛光技术的不足及存在的问题，本发明提供了一种气动抛光力控装置及控制方法，其目的在于精准控制抛光过程中抛光工具和被加工表面之间的接触力，从而保证抛光加工的效率和表面质量。

与现有的气动式力控装置不同，本装置采用双作用气缸作为驱动元件，两个电气比例阀分别控制气缸有杆腔和无杆腔两个腔的气压，通过两个腔的气压差来控制装置的输出力，一方面，使气缸没有最低工作气压限制，可以对小抛光力进行控制。另一方面，可使气缸一直工作在最佳气压范围内，以提高气缸的响应速度和力控精度。同时，利用倾角传感器测量抛光加工过程中该气动抛光力控装置的空间位姿，通过空间坐标变换计算求得抛光工具重力对接触力的影响，从而通过重力补偿来消除重力对力控精度的影响。此外，本气动抛光力控装置采用并行的模糊PID控制算法，既消除了模糊控制在应用时产生的稳态误差，又弥补了PID控制应用于非定常系统时存在的不足，提高了力控精度以及控制系统的响应速度和鲁棒性。

本发明的技术方案：一种气动抛光力控装置，包括端盖1、外壳2、倾角传感器4、力传感器9、力控模块、传动模块、数据采集卡和控制平台；端盖1与倒几形外壳2端部固连，组成封闭结构；传动模块、倾角传感器4和力控模块均固定于封闭结构内；