[发明专利]一种三自由度磨抛装置及其力位耦合控制方法

说明书

本发明属于磨抛装置相关技术领域，并公开了一种三自由度磨抛装置及其力位耦合控制方法。该方法包括下列步骤：(a)获取达到预设期望接触正压力的速度控制量；(b)获取达到切平面内预设期望位移偏差的速度控制量；(c)将步骤(a)和(b)中获得的接触正压力和切平面的速度控制量分别解耦至世界坐标系的各个坐标轴方向，以此获得沿各个坐标轴方向的速度总控制量，利用该各个坐标轴方向的总速度控制量对三自由度磨抛装置的控制，使其达到设定的期望正压力和位移偏差，即实现对三自由度磨抛装置的力位耦合控制。通过本发明，提高了磨抛装置的可控性和控制精度，减小加工误差，提高加工精度。

技术领域

本发明属于磨抛装置相关技术领域，更具体地，涉及一种三自由度磨抛装置及其力位耦合控制方法。

背景技术

随着科学技术的发展，复杂曲面在航空航天、汽车、船舶等领域的应用日益广泛。复杂曲面零件的表面粗糙度直接影响其服役的气动性能、效率和疲劳寿命。因此，对复杂曲面零件进行表面精加工提高其表面质量，对于提高复杂曲面零件的服役性能具有重要影响。

目前自由曲面的表面精加工主要有数控机床抛光技术和人工手工研磨的方式。其中，数控抛光机床价格昂贵、灵活性差，人工抛光存在劳动强度大，加工效率低，工作环境粉尘较大，严重影响工人身体健康，同时磨抛精度受工人技术熟练程度影响。与传统加工方式相比，机器人系统有着灵活性好、通用性强、易于拓展等优点，因此研究机器人夹持末端执行器的磨抛系统及方法很有必要。

在力控磨抛方法和系统中需实现接触力的控制，主要包括单自由度接触力控制、二自由度接触力控制和三自由度接触力控制，单自由度的接触力控制方法存在耗时长和容易过抛的问题，二自由度接触力控制方法只能在一个面内控制接触力，无法在控制三维空间中的接触力。另外目前的接触力控制方法中通常将磨抛过程中的摩擦系数考虑为恒定系数，这样会对接触力的控制带来一定的偏差。三自由度磨抛装置及其接触力控制方法可以解决上述问题，但目前对于如何实现三自由度磨抛装置的设计及其接触力的有效控制，目前的研究较少。为了设计出三自由度磨抛装置，实现三自由度接触力的有效的控制，有必要进行进一步的研究。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种三自由度磨抛装置及其力位耦合控制方法，其通过采用位移和接触力两个方面的速度控制，使得磨抛装置对达到预设期望接触力和预设位移偏差，提高了磨抛装置的可控性和控制精度，减小加工误差，提高加工精度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种三自由度磨抛装置的力位耦合控制方法，该方法包括下列步骤：

(a)获取达到预设期望接触正压力的速度控制量

对于待控制的三自由度磨抛装置的磨头部分，由其三个自由度方向建立坐标系xyz，采集该磨头部分沿x、y和z方向分别受到的力，利用该磨头部分的重力对分别沿x、y和z方向受到的力进行补偿，以此获得磨头部分与被加工工件之间的实际接触正压力；计算该实际接触正压力与期望接触正压力之间的差值，采用PID控制算法结合所述差值计算获得期望接触正压力的速度控制量；

(b)获取达到切平面内预设期望位移偏差的速度控制量

将所述磨头部分的位移矢量投影至磨抛位置点处的切平面，以此获得在切平面内的投影位移矢量，利用该投影位移矢量计算其在切平面内的位移偏差，将该位移偏差与预设期望位移偏差相比较获得位移偏差差值，采用PID控制算法结合所述位移偏差差值计算获得在切平面的速度控制量，其中，所述位移矢量包括位移量和该位移量的方向向量；

(c)将步骤(a)和(b)中获得的接触正压力和切平面的速度控制量分别解耦至世界坐标系的各个坐标轴方向，以此获得沿各个坐标轴方向的速度总控制量，利用该各个坐标轴方向的总速度控制量对三自由度磨抛装置的控制，使其达到设定的期望正压力和位移偏差，即实现对三自由度磨抛装置的力位耦合控制。