[發明專利]振動輔助切削裝置的振幅無傳感檢測與控制系統及方法

有效

• 申請號: 202110361346.4
• 申請日: 2021-04-02
• 公開（公告）號: CN113146274B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發明（設計）人: 張臣;甘曉明
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B23P25/00
• 分類號: B23P25/00
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 韓天宇

1.一種振動輔助切削裝置的振幅無傳感檢測與控制系統，其特征在于：

包括控制器、DA轉換模塊、電壓放大器、振動輔助切削裝置、電壓感應電阻、電流感應電阻以及AD轉換模塊；

上述控制器輸出端依次經過DA轉換模塊、電壓放大器后與振動輔助切削裝置相連；一組電壓感應電阻與振動輔助切削裝置并聯，其中電勢最低處的電壓感應電阻與AD轉換模塊第一輸入端相連；電流感應電阻與振動輔助切削裝置串聯，電流感應電阻與AD轉換模塊第二輸入端相連；AD轉換模塊與控制器相連；

上述控制器包括積分模塊、遲滯補償模塊、位移估計模塊、振幅檢測模塊、偏差控制模塊、第一電壓計算器、第二電壓計算器；

上述積分模塊的輸入端與經過換算和AD轉換的電流信號相連，積分模塊包含第一輸出端和第二輸出端；積分模塊的第一輸出端與遲滯補償模塊的輸入端相連，遲滯補償模塊的輸出端與第一電壓計算器的第一輸入端相連，第一電壓計算器的第二輸入端與經過換算和AD轉換的電壓信號相連，第一電壓計算器與位移估計模塊的第一輸入端相連，位移估計模塊的第二輸入端與積分模塊的第二輸出端相連，位移估計模塊的輸出端與振幅檢測模塊輸入端相連，振幅檢測模塊輸出端與偏差控制模塊輸入端相連；偏差控制模塊輸出端與第二電壓計算器的第一輸入端相連，第二電壓計算器第二輸入端與初始電壓相連，第二電壓計算器輸出端與信號發生器相連。

2.權利要求1所述的振動輔助切削裝置的振幅無傳感檢測與控制系統的方法，其特征在于包括以下過程：

步驟1、利用電勢最低處的電壓感應電阻和電流感應電阻對超聲振動切削裝置的激勵電壓V(t)和總電流I(t)進行提取及采集后，輸入到控制器中；

步驟2、對總電流I(t)進行積分后得到外加電荷Q(t)；

步驟3、根據遲滯模型，通過外加電荷Q(t)計算出壓電換能器的遲滯電壓V_H；

步驟4、將步驟1中采集得到的激勵電壓V(t)和步驟3中得到的遲滯電壓V_H相減，計算結果傳輸到位移估計模塊；

步驟5、利用步驟2得到的外加電荷Q(t)與步驟4得到的計算結果，計算出振動輔助切削裝置的估計位移x，相關公式如下；

x＝ψ[Q(t)-C_d(V(t)-V_H)] (1)；

其中C_d為測量得到的靜態電容值；

步驟6、周期性地對一組估計位移x進行計算，得到這組數據的當前振幅A；當前振幅A與當前期望的設定振幅A_r作差后得到裝置當前振幅偏差e_A(k)；

步驟7、然后將計算得到的振幅偏差e_A(k)為輸入量，利用偏差控制模塊計算得到偏差電壓ΔV(k)；

步驟8、最后將初始電壓V₀與偏差控制模塊的偏差電壓ΔV(k)相加得到輸出電壓V，該輸出電壓V經過電壓放大器放大后施加到振動輔助切削裝置上。

3.根據權利要求2所述的振動輔助切削裝置的振幅無傳感檢測與控制系統的方法，其特征在于：步驟3所述的遲滯電壓V_H通過以下方式求得，以下表達式稱為遲滯逆模型：

其中，ω′_i為遲滯逆模型的權值，r′_i為遲滯逆模型的閾值，這兩項參數通過參數辨識獲得。

4.根據權利要求3所述的振動輔助切削裝置的振幅無傳感檢測與控制系統的方法，其特征在于：遲滯逆模型由遲滯正模型求逆得到，采用的遲滯正模型如下：

其中，Q(t)是利用PI模型輸出的在t時刻的外加電荷，U(t)是PI模型在t時刻的輸入電壓，ω_i是PI模型的權值，r_i是PI模型的閾值，且r_i＝[r₀，...，r_n]^T，n是Play算子的個數，T是相鄰兩個時刻的時間間隔；通過采集工作狀態下振動輔助切削裝置的輸入電壓U(t)并計算出對應的外加電荷Q(t)，根據這些數據求解得出上述PI模型所需的各項參數。