[發(fā)明專利]一種超聲在機(jī)測厚接觸狀態(tài)控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810385105.1
• 申請日: 2018-04-26
• 公開（公告）號: CN108645358B
• 公開（公告）日: 2019-10-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王永青;廉盟;劉海波;應(yīng)楊威;張桐宇;劉闊;李特;賈振元
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: G01B17/02
• 分類號: G01B17/02
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 關(guān)慧貞

本發(fā)明一種超聲在機(jī)測厚接觸狀態(tài)控制方法屬于測量控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種超聲在機(jī)測厚接觸狀態(tài)控制方法。該方法將測量系統(tǒng)安裝在機(jī)床主軸上，數(shù)控機(jī)床驅(qū)動超聲探頭按照預(yù)先規(guī)劃的測量路徑定向掃描測量被測工件，力傳感器實時采集接觸力信息。根據(jù)阻抗控制模型，將法向接觸力與理想法向接觸力差值轉(zhuǎn)化為機(jī)床位置校正量。基于滑模變結(jié)構(gòu)的接觸狀態(tài)控制器，超聲探頭可以實時準(zhǔn)確調(diào)整到校正后的目標(biāo)位置，實現(xiàn)探頭與被測件的穩(wěn)定接觸狀態(tài)。該方法實現(xiàn)了基于阻抗控制器和位置控制器串聯(lián)組成的超聲在機(jī)測量接觸狀態(tài)實時反饋閉環(huán)控制，測厚中，超聲探頭根據(jù)力反饋信號快速、準(zhǔn)確地調(diào)整目標(biāo)位置，維持探頭與工件表面穩(wěn)定接觸，保證測厚精度和穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于測量控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種超聲在機(jī)測厚接觸狀態(tài)控制方法。

背景技術(shù)

接觸式超聲脈沖測厚主要采用脈沖反射原理，接觸狀態(tài)直接影響超聲探頭與被測工件間的耦合狀態(tài)。不可靠接觸會導(dǎo)致回波信號多分量耦合，致使測量結(jié)果不可信。因此，要求傳感器與被測面間保持可靠接觸，即保持一定的接觸壓力。然而，在實際接觸式超聲在機(jī)自動測量中，由于被測面形復(fù)雜，超聲探頭與工件表面間的接觸狀態(tài)難以保持穩(wěn)定。接觸力過大，勢必劃傷工件甚至引起工件變形；反之，耦合效果不佳，影響超聲回波信號質(zhì)量。因此，實施接觸力有效控制，是保證超聲在機(jī)測厚精度與穩(wěn)定性的核心難題。

國內(nèi)外學(xué)者針對力/位控制問題進(jìn)行了大量研究。2018年北京郵電大學(xué)丁宇堃、宋荊洲等在發(fā)明專利CN107748496A中公開了一種基于參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)的阻抗控制器算法，在從端柔順控制的研究中，通過同時傳遞主端的力和位置，構(gòu)造控制器的兩路輸入，實現(xiàn)在模型準(zhǔn)確的穩(wěn)定狀態(tài)下從端對主端的位置跟蹤。2015年南京理工大學(xué)姚建勇、劉龍等在發(fā)明專利CN105068426B中公開了“一種基于干擾補(bǔ)償?shù)碾娨何恢盟欧到y(tǒng)連續(xù)滑模控制方法”，消除滑模控制策略中的不連續(xù)項的同時保證了該方法的強(qiáng)魯棒性，獲得了漸近跟蹤的穩(wěn)態(tài)性能，保證了電液位置伺服系統(tǒng)良好的控制性能。

上述發(fā)明主要側(cè)重于動力學(xué)模型研究或末端執(zhí)行器的力/力矩控制算法研究，并未對超聲測厚接觸狀態(tài)控制進(jìn)行深入研究。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有方法的不足，面向接觸式超聲在機(jī)測厚檢測要求，針對檢測過程中超聲探頭與待測表面接觸狀態(tài)難以保持穩(wěn)定的問題，發(fā)明了一種超聲在機(jī)測厚接觸狀態(tài)控制方法。該方法建立了探頭與工件之間的法向接觸力計算模型，根據(jù)超聲在機(jī)連續(xù)測厚過程中力傳感器輸出的三維力信號，實時、準(zhǔn)確地計算出探頭與工件表面之間的法向接觸力；建立了基于離散化阻抗控制器的力-位轉(zhuǎn)化模型，將力/位控制系統(tǒng)等效為“彈簧-質(zhì)量-阻尼”物理控制模型，通過調(diào)節(jié)慣性、阻尼、剛度參數(shù)，實現(xiàn)探頭與工件表面之間的法向接觸力向位移校正量的實時轉(zhuǎn)化；慮及超聲在機(jī)測厚中的摩擦與外力干擾、機(jī)械驅(qū)動系統(tǒng)建模誤差等因素，設(shè)計了基于滑模變結(jié)構(gòu)的接觸狀態(tài)控制器，超聲探頭可以實時、準(zhǔn)確調(diào)整到校正后的目標(biāo)位置；串聯(lián)阻抗控制器和接觸狀態(tài)控制器組成的接觸力實時反饋閉環(huán)控制策略，與傳統(tǒng)方法相比具有較強(qiáng)的魯棒性，可以實現(xiàn)接觸狀態(tài)實時自適應(yīng)調(diào)整的精確控制，保證超聲在機(jī)測厚精度與穩(wěn)定性。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種超聲在機(jī)測厚接觸狀態(tài)控制方法，該方法首先將測量系統(tǒng)安裝至機(jī)床主軸上，數(shù)控機(jī)床驅(qū)動超聲探頭按照預(yù)先規(guī)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(jī)測控系統(tǒng)根據(jù)力信號計算探頭與工件之間的法向接觸力；然后，根據(jù)阻抗控制模型，將法向接觸力與理想法向接觸力差值轉(zhuǎn)化為機(jī)床位置校正量；最后，基于滑模變結(jié)構(gòu)的接觸狀態(tài)控制器，超聲探頭可以實時、準(zhǔn)確調(diào)整到校正后的目標(biāo)位置，實現(xiàn)探頭與被測件的穩(wěn)定接觸狀態(tài)保持。方法具體步驟如下：

第一步，測量系統(tǒng)的安裝

先將三維力傳感器2安裝至機(jī)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