[發明專利]一種超聲在機測厚接觸狀態控制方法

有效

• 申請號: 201810385105.1
• 申請日: 2018-04-26
• 公開（公告）號: CN108645358B
• 公開（公告）日: 2019-10-29
• 發明（設計）人: 王永青;廉盟;劉海波;應楊威;張桐宇;劉闊;李特;賈振元
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01B17/02
• 分類號: G01B17/02
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 關慧貞

1.一種超聲在機測厚接觸狀態控制方法，其特征在于，超聲在機測厚接觸狀態控制中，首先將測量系統安裝至機床主軸上，數控機床驅動超聲探頭按照預先規劃的測量路徑定向掃描測量被測工件；測量過程中，力傳感器實時采集接觸力信息，上位機測控系統根據力信號計算探頭與工件之間的法向接觸力；然后，根據阻抗控制模型，將法向接觸力與理想法向接觸力差值轉化為機床位置校正量；最后，基于滑模變結構的接觸狀態控制器，超聲探頭可以實時、準確調整到校正后的目標位置，實現探頭與被測件的穩定接觸狀態保持；方法具體步驟如下：

第一步 測量系統的安裝

先將三維力傳感器(2)安裝至機床主軸(1)上，再將超聲探頭(3)安裝在三維力傳感器(2)上，使超聲探頭(3)與被測工件(4)接觸；

第二步 基于三維力信號計算法向接觸力

機床主軸(1)負載三維力傳感器(2)和超聲探頭(3)沿預設路徑勻速運動，三維力傳感器(2)實時感測接觸力并輸出三維力信號；根據掃描方向與工件表面局部幾何形貌不同，分“爬升階段”與“下降階段”兩種情況：

爬升階段：

下降階段：

式中，fn_up為爬升階段的法向接觸力，fn_down為下降階段的法向接觸力，p_f＝f_x/f_z，f_z為三維力傳感器(2)在Z_M軸方向測量值，f_x為三維力傳感器(2)在X_M軸方向測量值，μ_u與μ_d分別為超聲探頭(3)與被測工件(4)表面之間在爬升與下降階段的動摩擦系數；

第三步 基于阻抗控制的力-位轉化

將計算得到的超聲探頭(3)與工件(4)間實際法向接觸力與理想法向接觸力差值e_f作為目標阻抗控制環的輸入，機床單軸方向阻抗控制器模型差分方程如下：

式中，x_f為輸出位置校正量，m_d為目標慣量，k_d為目標剛度，b_d為目標阻尼，e_f為實際法向接觸力與理想法向接觸力差值，k為離散時間域計數；

第四步 接觸狀態滑模變結構控制

將阻抗控制環輸出的位置校正量x_f結合輸入指令位置x_i生成的參考位置x_r作為滑模變結構控制環的輸入，使運動軸位移x精確跟蹤校正后的參考指令；滑模變結構系統的控制律u(k)：

式中，系數J_e＝J/K_aK_tr_g，系數B_e＝B/K_aK_tr_g，J為滾珠絲杠轉動慣量，B為滾珠絲杠粘性阻尼，K_a為電流放大器參數，K_t為伺服電機參數，r_g為絲杠半徑，K_s＞0為反饋增益；根據數控系統命令獲得參考位置x_r(k)、參考速度參考加速度實際位置x(k)可以通過光柵尺測量獲得，求導獲得實際速度與實際加速度

S為滑模變結構控制器的滑移面：

式中，λ為驅動器理想帶寬，x_r為參考位置，為參考速度；

外部干擾的觀測器跟蹤值預測為，

式中，T為控制周期，k為離散時間域計數，ρ為參數增益；

伺服系統的控制律保證運動軸位移x精確跟蹤校正后的參考指令，并使穩定系統中能量和預測誤差不斷減小，實現掃描測量過程中的接觸狀態保持。