[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

本發明公開了振動輔助切削裝置的振幅無傳感檢測與控制系統及方法，屬振動輔助切削加工領域。本發明采集得到振動輔助切削裝置上的電壓V(t)和電流I(t)，經過DA轉換后傳輸到控制器中；根據非線性機電模型中建立的轉換關系，對電壓V(t)和電流I(t)進行計算，得到當前時刻的外加電荷Q(t)和遲滯電壓V_H，計算得到當前的壓電驅動器輸出位移x；對位移x進行計算得到其振幅A后與期望振幅A_r進行比較并作差，將差值e_A(k)輸入到PID控制器中，得到估計的偏差電壓ΔV(k)；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，最后將生成的新激勵信號經過AD轉換后，經由電壓放大器放大后施加到振動輔助切削裝置上。本發明提升了振動輔助切削狀態的穩定性，改善加工質量，降低系統復雜性。

技術領域

本發明屬于振動輔助切削加工領域，特別涉及一種振動輔助切削裝置的振幅無傳感檢測與控制系統及方法。

背景技術

隨著航空航天、國防工業、航海造船以及集成電路和半導體行業的發展，許多關鍵零部件需要極高的精度和質量，因此對精密加工也提出了更高的要求。超聲橢圓振動切削作為一種精密加工方法，具有多種常規切削方法不具備的優點，不僅可以有效降低切削切削力和切削熱，提升加工的表面質量，減少毛刺，還可以實現在工件表面加工微米尺度的微凹坑、微凹槽等結構。

超聲橢圓振動輔助切削加工技術是在傳統加工技術基礎上的一種改進型，目的是為了降低切削力，改善已加工表面的加工質量以及延長刀具壽命。超聲橢圓振動加工主要是利用高頻的振動使刀具快速切入被加工件，并快速切出，加工用的刀具刀尖以很高的振動頻率，在一次切削加工中分多次對工件進行切削，切削軌跡呈現橢圓軌跡形式，這樣可以通過減少摩擦時間降低刀具磨損。

超聲橢圓振動是由超聲橢圓振動輔助切削裝置在固有頻率下振動而產生的，但是在切削過程中超聲橢圓振動輔助切削裝置會受到一定的切削載荷，使得切削裝置的工作頻率偏離其固有頻率，切削裝置的工作狀態也會偏離共振狀態，此外，切削載荷的影響也會造成裝置的刀尖位移產生波動，導致超聲橢圓振動輔助切削的振幅下降。當加工參數發生變化時，刀尖受到的切削載荷也不相同，裝置的頻率偏移程度和振幅下降幅度也存在差異，這就導致了加工質量的不均勻。此外，在超聲橢圓振動切削過程中，還會存在一些未知擾動，比如振動輔助切削裝置的遲滯非線性、機床的振動、外界的噪聲等，在這些因素的影響下，超聲橢圓輔助切削加工狀態的穩定性也會產生波動，最終影響加工質量。因此，要想提高超聲橢圓振動切削加工狀態的穩定性，需要避免或減少消除切削載荷等未知擾動對超聲橢圓振動切削的加工過程的影響。

通常采用使用機械反饋作為超聲橢圓振動切削的加工過程振動波動控制方式，該方式使用專用傳感器測量超聲橢圓振動切削裝置的輸出軌跡，通過將該傳感器的信號作為控制系統的調整指標，可以有效地提高振動的穩定性。但是這種方式存在以下問題：(1)高分辨率位移傳感器，通常都是昂貴、沉重和龐大的，這種專用傳感器的使用必然會造成整個加工系統的龐大和復雜，提高了加工成本；(2)直接測量執行器的位移往往對機械設計有嚴格的約束，末端執行器的實際位置和方向必須用正運動學來計算，由于機械結構的加工精度,正運動學具有不確定的精度；(3)這種布置在工業條件下使用很不方便，在嚴格的加工條件下，由于長時間的高頻振動，傳感器的探頭和接觸到的測量面經過長時間的碰撞后，很難保證傳感器探頭的位置永遠處于固定位置；(4)為了直接反映超聲振動切削加工系統的振動狀態，傳感器被安裝在靠近切削區域的振動執行器的末端或者切削刀具的刀尖處，由于傳感器位于切削區域，不論是傳感器本身還是控制系統的接線，都會占用切削刀具和加工工件安裝的空間，對加工帶來不便。因此為了提高超聲橢圓振動切削的加工精度，擴大超聲橢圓振動切削在精密加工中的優勢,如何消除上述因素對超聲橢圓振動切削的影響，研制一種不涉及位置或位移傳感器的壓電驅動工作臺驅動裝置,成了精密制造等行業亟待解決的問題。

發明內容