[发明专利]力位耦合微动精密抛光装置及在线力检测与控制方法

权利要求书

1.一种力位耦合微动精密抛光装置，其特征在于：X轴导轨固定安装在床身上，Y轴导轨安装在X轴导轨上溜板上，Y轴导轨上溜板与Y轴导轨滑动连接，微动抛光工具系统安装在Y轴导轨上溜板上，Z轴导轨固定安装在床身上，Z轴导轨溜板与Z轴导轨滑动连接，工件夹具固定在Z轴导轨溜板上；

所述微动抛光工具系统由连接板、主轴基座、轴向力位耦合单元、球笼联轴器、滚珠花键、固定支架、电主轴、三组径向力位耦合单元组成，固定支架与连接板固定连接，三组力位耦合单元通过两端关节轴承一、关节轴承二分别连接在电主轴和固定支架上，该三组力位耦合单元位于同一平面内、且互成120度夹角，轴向由电主轴与滚珠花键、力位耦合单元、球笼联轴器通过连接件串联组成，所述滚珠花键花键轴左端与主轴后座固定连接、右端与力传感器左杆端固连，轴套与连接架固连，连接架与球笼联轴器一端固连，球笼联轴器另一端与基座固连，所述连接板固定在Y轴导轨上溜板上。

2.根据权利要求1所述的一种力位耦合微动精密抛光装置，其特征在于：所述的径向力位耦合单元杆长方向由关节轴承、力传感器一、气缸一、关节轴承通过连接件串联组成，位移传感器一的一端通过连接件与力传感器左端杆相连，另一端与气缸固定座相连。

3.根据权利要求1所述的一种力位耦合微动精密抛光装置，其特征在于：所述的轴向力位耦合单元杆长方向由力传感器二、气缸二通过连接件串联组成，气缸二底座与连接架固定连接，位移传感器二一端通过连接件与力传感器左端杆相连，另一端与气缸固定座相连。

4.一种力位耦合微动精密抛光在线力检测与控制方法，其特征在于包括下列步骤：

一、根据机床结构和运动规律，建立笛卡尔直角坐标系，Z轴坐标系Z，坐标原点为O_Z；床身坐标系O，坐标原点O；X轴坐标系X，坐标原点O_X；Y轴坐标系Y，坐标原点O_Y；工具系统局部坐标系T，坐标原点O_T；P₁'、P₂'、P₃'为微动抛光工具系统初始位置时三组径向力位移耦合单元中关节轴承一几何中心点，P₁、P₂、P₃为三组径向力位移耦合单元中关节轴承二几何中心点；O_T为P₁'、P₂'、P₃'所在三角形平面所在中心点，O_Y为球笼联轴器几何中心点，d₁为坐标系O_Y与坐标系O_X竖直方向固定长度，d₂为坐标系O与坐标系O_X水平X方向固定长度，L₁为刀具接触点M与O_T的固定长度，L₂为微动抛光工具系统初始状态下坐标系O_T与坐标系O_Y初始状态下坐标原点距离，X₁、Y₁、Z₁对应加工时X、Y、Z导轨的运动量；

得到工件坐标系Z与工具系统所在坐标系Y之间的坐标变换：

TYZ=TOZTXOTYX=100-X1010Y1+d2001d1-Z10001]]>

TZY=100X1010-d2-Y1001Z1-d10001]]>

二、将工件安装在夹具上，待加工起始点为M，M在Z轴坐标系Z中坐标^Z{M}＝(x₁,y₁,z₁)；则M转换到坐标系Y中坐标：

{M}Y=TZY{M}Z=(x1+X1,y1-Y1-d2,z1+Z1-d1);]]> 1

同时M在坐标系Y中直接坐标为^Y{M}＝(0，-L₁-L₂，0)；

得到加工M点时对应的X、Y、Z导轨的运动量；

X₁＝-x₁

Y₁＝L₁+L₂+y₁-d₂

Z₁＝d₁

此时微动抛光工具系统处于初始状态下，微动抛光工具系统局部坐标系T与坐标系Y间变换为

则P₁'在坐标系Y中坐标

得到一号径向力位耦合单元杆长度

同理得到另外两组径向力位移耦合单元杆长轴向力位耦合单元杆长

力位移耦合单元杆长的控制通过位移传感器提供电压反馈，通过控制器的调节作用使位移电压输入信号与气缸位移反馈信号之差减小并趋于零，调节过程，当给定的输入信号大于反馈位移信号时，增大推进方向气压使气缸前进直到电压差趋于零；反之，减小推进方向气压使气缸后退直到电压差趋于零，实现气缸位移对输入信号的跟踪；

三、根据步骤一、步骤二求得X₁、Y₁、Z₁、l₁、l₂、l₃、l₄输入到机床中开始加工，工件起始加工接触点M工作状态下根据各力传感器反馈的数据进行工件与刀具接触力的检测，以下是检测接触力大小的推导公式：

电主轴轴向O_T O_Y方向合力测量计算：

根据微动抛光工具系统运动结构分析，当主轴姿态处于任意位置时，加工点M点接触力F_N的轴向分力与O_T点轴向力大小相等，O_T点轴向力为三组径向力位移耦合单元力沿轴向分力及轴向力位移耦合单元303测量力矢量和；

对一组径向力位耦合单元和轴向力位耦合单元受力分析如下：

则沿轴向分量

同理得到杆2，杆3，轴向力分量

所以O_T点轴向合力

为三组径向力位耦合单元杆长方向向量，为轴向力位耦合单元杆长方向向量，α₁、α₂、α₃分别对应与的夹角；F₁、F₂、F₃、F₄分别对应三组径向力位耦合单元和轴向力位耦合单元力传感器测量值；

M点法向力接触力F_N推导，对杆MO_T受力分析可知F_N沿轴向分力与相平衡，已知M对应单位法向量及其在坐标系Z中坐标β为与夹角；

所以由此获得加工时工件与刀具接触力F_N；

四、根据实际接触力F_N与期望接触力F_r反馈到位置阻抗模型控制器中进行微动调节，

位置阻抗模型：

在频域内表示为

可将频域阻抗模型看作是一个二阶的低通滤波器对每个力误差信号E_F进行滤波，其滤波后的结果为位置修正量E；

M_d目标惯性矩阵、D_d目标阻尼矩阵、K_d目标刚度矩阵、E位移修正量；

五、根据检测到接触力F_N与期望F_r差值E_F和位置阻抗控制模型计算出M点法向位移修正量E,工具头法向进给E后到达修正后加工点M₁；

则M₁在坐标系Z中坐标M₁^Z{M₁}＝(x₁+Ea,y₁+Eb,z₁+Ec)

在坐标系Y中坐标^Y{M₁}＝(x₁+Ea+X,y₁+Eb-Y-d₂,z₁+Z+Ec-d₁)

根据机床运动结构分析，在坐标系Y中向量与夹角余弦从O_YM运动到O_YM₁等效转轴单位向量其在坐标系Y中坐标

初始状态下坐标系O_T到坐标系Y的变换为^Y{O_T}＝(0，-L₂,0),O_YM绕旋转θ到O_YM₁由坐标系T到Y的齐次转换矩阵为：

Rot(f,θ)=fxfxversθ+cθfyfxversθ-fzsθfzfxversθ+fysθ0fxfyversθ+fzsθfyfyversθ+cθfzfyversθ-fxsθ-L2fxfzversθ-fysθfyfzversθ+fxsθfzfzversθ+cθ00001]]>

versθ＝1-cosθ；

当接触点运动到M₁位置时，可看作工具头轴线先绕旋转θ，再沿方向移动Δl₄来实现；

其中

设单位法向量在坐标系Y中坐标则调整后各点相对Y参考系对应坐标为：

^Y{O'_T}＝Trans(Δl₄u,Δl₄v,Δl₄w)Rot(f,θ)^T{O_T}；

^Y{P₁”}＝Trans(Δl₄u,Δl₄v,Δl₄w)Rot(f,θ)^T{P₁'}；

同理可得^Y{P₂”}^Y{P₃”}，则

P₁"、P₂"、P₃"、O'_T对应P₁'、P₂'、P₃'、O_T调整后位置；

得到调整后的杆长l₁'，l'₂，l₃'，l'₄，实现了精确微动柔性调节，保证了抛光过程中接触力恒定。