[發明專利]一種柔性打磨末端執行器力控制方法

有效

• 申請號: 202011372131.4
• 申請日: 2020-11-30
• 公開（公告）號: CN112462598B
• 公開（公告）日: 2022-07-22
• 發明（設計）人: 戴士杰;李世寧;季文彬;孫振林;李慨
• 申請（專利權）人: 河北工業大學
• 主分類號: G05B11/42
• 分類號: G05B11/42
• 代理公司: 天津翰林知識產權代理事務所(普通合伙) 12210
• 代理人: 付長杰

本發明為一種柔性打磨末端執行器力控制方法，該末端執行器由氣缸控制打磨力，氣缸內部具有氣缸有桿腔和氣缸無桿腔，兩個腔室內的氣體分別由兩個電氣比例閥控制，包括以下內容：對每個電氣比例閥建立末端執行器打磨系統的數學模型，運用反步法控制器找到期望打磨力與實際打磨力之間的誤差e和氣缸無桿腔的氣壓期望變化率與實際變化率之間的誤差δ，且每個電氣比例閥的誤差e和誤差δ均滿足李雅普諾夫直接方法，且能通過穩定性校核；采用兩個PID控制器對誤差e和誤差δ進行控制，獲得每個電氣比例閥的控制電壓U，進而得到相應電氣比例閥的通過閥孔的質量流量通過控制兩個腔室內氣壓值的大小來控制末端執行器的打磨力的大小。該方法控制精度高，不失真。

技術領域

本發明涉及汽車輪轂自動化打磨、拋光技術領域，具體是一種氣動柔性打磨末端執行器力控制方法。

背景技術

目前全球汽車輪轂年產量超過1.5億套，我國占全球總產量的三分之二，汽車鋁合金輪轂的鑄造、機加、產品追溯、銑削、識別、質檢、噴涂等工藝環節已經實現了智能化與無人化。打磨和拋光作為汽車輪轂生產的重要環節，目前仍以人工作業為主。勞動強度大、工作環境惡劣，人力成本的增加和招工難正嚴重制約本領域企業的生產和發展。開發自動化、智能化的汽車輪轂磨拋機器人系統，滿足汽車輪轂生產降本增效的需求，已成為提高我國輪轂乃至汽車制造業核心競爭力迫在眉睫的問題。

將機器人應用于材料的打磨、拋光加工已經有了大量的研究和應用案例。為了保證汽車輪轂磨拋后表面效果的一致性和均勻性，機器人打磨輪轂過程中需要實時控制接觸力大小為恒力，方向沿接觸面法向。僅靠對機器人進行位置控制難以實現，需要加裝末端執行器，對末端執行器進行控制，實現恒力打磨。因此研發一種打磨末端執行器力控制算法對打磨力進行控制勢在必行。

例如申請號201610816268.1公開一種非線性系統的準逆系統控制方法，其通過構建新的可逆系統，將原系統近似成一個線性化的系統，非線性系統近似為線性系統必然會存在非線性參數的近似或忽略，導致系統模型失真。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明擬解決的技術問題是，提出了一種柔性打磨末端執行器力控制方法，該控制方法將反步法和PID控制法有機結合在一起用于輪轂打磨機器人末端執行器的力跟蹤控制，控制精度高，不失真，有助于提高汽車輪轂磨拋系統的自動化和智能化水平，為研發高水平的汽車輪轂磨拋技術奠定基礎。

本發明解決所述技術問題的技術方案是：一種柔性打磨末端執行器力控制方法，該末端執行器由氣缸控制打磨力，氣缸內部具有氣缸有桿腔和氣缸無桿腔，兩個腔室內的氣體分別有兩個電氣比例閥控制，采用壓力傳感器、傾角傳感器和加速度傳感器分別采集實際打磨力F_n，氣動主軸軸向和重力方向的夾角θ和打磨刀具加速度a的值，在氣缸活塞桿負載上安裝有壓力傳感器、傾角傳感器和加速度傳感器；具體控制方法包括以下內容：

在忽略摩擦力情況下，對活塞、活塞桿以及外部載荷重力補償的情況下，對末端執行器建立力平衡方程，同時建立氣缸腔內氣體壓力動態方程；分別獲得每個電氣比例閥的閥孔的質量流量的表達式；

對每個電氣比例閥建立末端執行器打磨系統的數學模型，運用反步法控制器找到期望打磨力與實際打磨力之間的誤差e和氣缸無桿腔的氣壓期望變化率與實際變化率之間的誤差δ，且每個電氣比例閥的誤差e和誤差δ均滿足李雅普諾夫直接方法，且能通過穩定性校核；

將誤差e和誤差δ分別輸入各自的PID控制器中，采用兩個PID控制器對誤差e和誤差δ進行控制，獲得每個電氣比例閥的控制電壓U；

控制電壓U控制對應電氣比例閥的質量流量，得到通過閥孔的質量流量由調節氣缸腔內氣壓大小，通過控制兩個腔室內氣壓值的大小來控制末端執行器的打磨力的大小。

利用matlab/simulink對打磨力的階躍響應進行仿真，設定期望打磨力，包括力平衡模塊、控制律U模塊、閥口質量流量模塊、壓力動態方程模塊、終止仿真模塊、兩個輸入和一個輸出；