力位耦合微動精密拋光裝置及在線力檢測與控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于機械制造領域，尤其是指力位耦合微動精密拋光在線力檢測與控制方 法。
【背景技術】
[0002] 精密加工以及超精密加工技術是發展國防尖端技術的重要基礎保證，是具有戰略 意義的重要技術。但精密拋光平臺將不可避免地存在變形、機械運動不穩定等問題。常見拋 光機床主軸與刀具剛性連接，不僅難以適應自由曲面的變化，而且表面粗糙度難以控制。加 工時通常無法獲得加工過程中刀具與工件接觸力的動態變化，不能進行相應的反饋調節， 遇到軌跡規劃錯誤等突發情況導致刀具與工件間接觸力劇增，引起刀具或工件的損壞。現 有力控制拋光機床為了實現工具頭沿接觸點法向進給，需要至少4軸聯動機床，造價成本高 并且逆解復雜，不能兼顧位置精度和力控制精度。本發明簡化了運動結構，通過微動工具系 統法向進給很好地解決了力和位置的矛盾，提高了加工精度，降低了成本。

【發明內容】

[0003] 本發明提供一種力位耦合微動精密拋光裝置及在線力檢測與控制方法，目的是提 供一種具有在線檢測刀具與工件接觸力大小并可以實現接觸力可控的拋光加工平臺，主要 面向復雜曲面拋光，實現加工過程中保證位置精度的同時實現刀具與工件接觸力的精確控 制，從而提高精密加工過程中工件的精度和良品率。
[0004] 本發明采取的技術方案是:X軸導軌固定安裝在床身上，Y軸導軌安裝在X軸導軌上 溜板上，Y軸導軌上溜板與Y軸導軌滑動連接，微動拋光工具系統安裝在Y軸導軌上溜板上，Z 軸導軌固定安裝在床身上，Z軸導軌溜板與Z軸導軌滑動連接，工件夾具固定在Z軸導軌溜板 上。
[0005] 本發明所述微動拋光工具系統由連接板、主軸基座、軸向力位耦合單元、球籠聯軸 器、滾珠花鍵、固定支架、電主軸、三組徑向力位耦合單元組成，固定支架與連接板固定連 接，三組力位耦合單元通過兩端關節軸承一、關節軸承二分別連接在電主軸和固定支架上， 該三組力位耦合單元位于同一平面內、且互成120度夾角，軸向由電主軸與滾珠花鍵、力位 耦合單元、球籠聯軸器通過連接件串聯組成，所述滾珠花鍵花鍵軸左端與主軸后座固定連 接、右端與力傳感器左桿端固連，軸套與連接架固連，連接架與球籠聯軸器一端固連，球籠 聯軸器另一端與基座固連，所述連接板固定在Y軸導軌上溜板上。
[0006] 本發明所述的徑向力位耦合單元桿長方向由關節軸承、力傳感器一、氣缸一、關節 軸承通過連接件串聯組成，位移傳感器一的一端通過連接件與力傳感器左端桿相連，另一 端與氣缸固定座相連。
[0007] 本發明所述的軸向力位耦合單元桿長方向由力傳感器二、氣缸二通過連接件串聯 組成，氣缸二底座與連接架固定連接，位移傳感器二一端通過連接件與力傳感器左端桿相 連，另一端與氣缸固定座相連。
[0008] 本發明力位耦合微動精密拋光在線力檢測與控制方法，包括下列步驟：
[0009] -、根據機床結構和運動規律，建立笛卡爾直角坐標系，Z軸坐標系Z，坐標原點為 〇2;床身坐標系0，坐標原點〇4軸坐標系乂，坐標原點〇1;￥軸坐標系￥，坐標原點〇￥;工具系統 局部坐標系T，坐標原點0 T;P、、PS、PS為微動拋光工具系統初始位置時三組徑向力位移耦 合單元中關節軸承一幾何中心點，Pi、P2、P3為三組徑向力位移親合單元中關節軸承二幾何 中心點；〇T為1^ 1、？^、？^所在三角形平面所在中心點，(^為球籠聯軸器幾何中心點，(11為坐 標系〇Y與坐標系Ox豎直方向固定長度，d 2為坐標系0與坐標系Ox水平X方向固定長度，U為刀 具接觸點M與〇T的固定長度，L2為微動拋光工具系統初始狀態下坐標系〇T與坐標系〇Y初始狀 態下坐標原點距離，Xi、h、Zi對應加工時X、Y、Z導軌的運動量；
[0010] 得到工件坐標系Z與工具系統所在坐標系Y之間的坐標變換：
[0013] 二、將工件安裝在夾具上，待加工起始點為M，M在Z軸坐標系Z中坐標z{M} = (X1，yi， zi);貝ijM轉換到坐標系Y中坐標：
[0014] Y \M}=yzTZ {M}={xl +X,,y{-Yrd1,zl+Zx-d{)-,
[0015] 同時M在坐標系Y中直接坐標為Y{M} = (0，-U-L2，0);
[0016] 得到加工M點時對應的X、Y、Z導軌的運動量；
[0017] Xi = -xi
[0018] Yi = Li+L2+yi-d2
[0019] Zi = di
[0020] 此時微動拋光工具系統處于初始狀態下，微動拋光工具系統局部坐標系T與坐標 系y間變換為 (〇.，. - .jL2.，、〇_);
[0021]貝丨JP'在坐標系Y中坐標）卜;,T = 7km.s'（0，-，〇): ^ {/([
[0022] 得到一號徑向力位耦合單元桿長度4
[0023] 同理得到另外兩組徑向力位移耦合單元桿長4 =|@|,/3 =pPf|,軸向力位耦合單 元桿長4 ;
[0024] 力位移耦合單元桿長的控制通過位移傳感器提供電壓反饋，通過控制器的調節作 用使位移電壓輸入信號與氣缸位移反饋信號之差減小并趨于零，調節過程，當給定的輸入 信號大于反饋位移信號時，增大推進方向氣壓使氣缸前進直到電壓差趨于零;反之，減小推 進方向氣壓使氣缸后退直到電壓差趨于零，實現氣缸位移對輸入信號的跟蹤；
[0025] 三、根據步驟一、步驟二求得Xi、Yi、Zi、h、12、13、14輸入到機床中開始加工，工件起 始加工接觸點M工作狀態下根據各力傳感器反饋的數據進行工件與刀具接觸力的檢測，以 下是檢測接觸力大小的推導公式：
[0026]電主軸軸向0t0y方向合力測量計算：
[0027]根據微動拋光工具系統運動結構分析，當主軸姿態處于任意位置時，加工點M點接 觸力Fn的軸向分力與〇T點軸向力大小相等，〇T點軸向力為三組徑向力位移耦合單元力沿軸 向分力再、寫、寫及軸向力位移耦合單元3〇3測量力茗矢量和；
[0028]對一組徑向力位親合單元和軸向力位親合單元受力分析如下：
[0029] 1.=^ ;
，則g沿軸向分量
[0031]同理得到桿2,桿3,軸向力分量寫，寫； F0T=Fi+K+F3+^
[0032]所以0t點軸向合力
[0033] 、[為三組徑向力位親合單元桿長方向向量，i4為軸向力位親合單元桿長 方向向量，分別對應^、I；、[與【的夾角;？ 1七士{4分別對應三組徑向力位耦 合單元和軸向力位耦合單元力傳感器測量值；
[0034] M點法向力接觸力Fn推導，對桿M0T受力分析可知Fn沿軸向分力與^相平衡，已知M 對應單位法向量《及其在坐標系Z中坐標_n_= (a.，b c)，0為尸0;_與/>夾角；
，所以
，由此獲得加工時工件與刀具接觸力Fn;
[0036]四、根據實際接觸力Fn與期望接觸力Fr反饋到位置阻抗模型控制器中進行微動調 T，
[0037] 位置阻抗模型：
[0038] 在頻域內表示夕
[0039] 可將頻域阻抗模型看作是一個二階的低通濾波器對每個力誤差信號Ef進行濾波， 其濾波后的結果為位置修正量E;
[0040] Md目標慣性矩陣、Dd目標阻尼矩陣、Kd目標剛度矩陣、E位移修正量；
[0041]五、根據檢測到接觸力Fn與期望Fr差值Ef和位置阻抗控制模型計算出M點法向位移 修正量E,工具頭法向進給E后到達修正后加工點Mi;
[0042]貝ijMi 在坐標系 Z 中坐標 Miz{Mi} = (xi+Ea,yi+Eb,zi+Ec)
[0043] 在坐標系 Y 中坐標y{Mi} = (xi+Ea+X, yi+Eb-Y~d2, zi+Z+Ec-di)
[0044] 根據機床運動結構分析，在坐標系Y中向量與夾角余弦
4A〇yM運動到OyMx等效轉軸單位向量
，其在坐標系Y 中坐標/ = ( /;，/；,，.:/；);
[0045]初始狀態下坐標系0t到坐標系Y的變換為y{0t} = (0，-L2，0)，OyM繞/旋轉0到OyMx由 坐標系T到Y的齊次轉換矩陣為：
[0048] 當接觸點運動到Mi位置時，可看作工具頭軸線先繞./旋轉0，再沿0 W方向移動A 14來實現；
[0049]其中A/4=〇yM\- OyM'；
[0050] 設單位法向量在坐標系Y中坐標w = (?，v，w)，則調整后各點相對Y 參考系對應坐標為：
[0051 ] Y{07 t} = Trans( A Uu, A I4V, A l4w)Rot(f, 9)t{0t}；
[0052] Y{P//i} =Trans( A I4U, A I4V, A l4w)Rot(f, 0)T{P/1}；
[0053]同理可得則
[0054]/j ~ ,l2 = P2P2 , /3 =P2P^ ,/4 =0T0y ;
[0055] P〃 i、P〃 2、P〃 3、(/ T對應P' 1、P' 2、P' 3、〇T調整后位置；
[0056] 得到調整后的桿長V hi'hlS，V 4,實現了精確微動柔性調節，保證了拋光過程 中接觸力恒定。
[0057] 本發明通過機床提供三維移動，同時微動拋光工具系統可以進行軸向徑向微動調 節，可以滿足復雜工件表面的加工，加工過程中保持主軸初始位置不變，可以在線檢測出刀 具與工件接觸力大小，進而方便研究接觸力與工件加工質量之間的關系；同時微動拋光工 具系統可以實現拋光過程中刀具與工件接觸力控制，比如在精密磨削時需要磨頭與工件恒 定接觸力，應用該微動拋光工具系統可以很好的實現，提高加工精度。
[0058]本發明的優點在于：
[0059] (1)具備三維移動及兩個轉動自由度，可以適應復雜的工件加工表面；
[0060] (2)通過控制微動拋光工具系統四伸縮桿上力傳感器可以在線檢測工件與刀具接 觸力變化；
[0061] (3