[发明专利]一种振动辅助切削装置的迟滞误差补偿控制系统及控制方法

说明书

本发明公开了一种振动辅助切削装置的迟滞误差补偿控制系统及控制方法，系统包括前馈控制模块、反馈控制模块和压电陶瓷驱动器，在前馈控制中将设定好的切削装置输出轨迹离散为K_m个期望位移数据点X(k)输入迟滞逆模型，得到迟滞电压U(X(k))；通过位移传感器实时地将压电陶瓷驱动器的实际位移反馈回来，与期望位移进行比较，当实际位移与期望位移的差值e(k)大于设定值时，将差值e(k)输入到PID控制器中，得到估计的偏差电压U_e(k)；最后将前馈控制中的迟滞电压与反馈控制中的偏差电压U_e(k)相加得到输入电压U(k)。本发明降低了控制方法对模型精度的要求，在补偿迟滞非线性的基础上，对工作过程中未知扰动造成的误差进行补偿，提高了系统的鲁棒性。

技术领域

本发明属于振动辅助切削加工领域，特别涉及一种振动辅助切削装置的迟滞误差补偿控制系统及控制方法。

背景技术

随着航空航天、集成电路和半导体等高精尖行业的发展，硬脆性材料，比如工程陶瓷、高强度合金钢等材料的应用愈发广泛，而且对这些材料的加工精度要求也越来越高。振动辅助加工技术(VAM)应运而生，它可以有效减小切削力、提高刀具使用寿命、减少毛刺、改善已加工表面的表面质量、减少切削热等等。

椭圆振动辅助加工技术是在普通振动辅助加工技术中的一种改进型，加工用的刀具刀尖通过几个方向的高频振动合成为椭圆轨迹形式的振动,进行非连续性切削。要想实现理想的椭圆振动辅助加工，使刀尖产生精度较高的椭圆运动轨迹，必须提高压电驱动器的控制精度，其中对压电驱动器的迟滞非线性效应进行补偿是很重要的一个手段。

压电材料的迟滞非线性是复杂而多变的，它的系统输出不仅受当前输入激励电压值影响，还和历史电压输入情况以及极值有关。针对这一效应，国内外研究学者提出了许多解决方法，传统上常采用对迟滞效应进行建模的方法对其进行补偿，即通过数学的方法建立迟滞非线性的拟合模型，然后对迟滞逆模型进行求解，得出压电材料激励电压和位移输出之间的关系，从而实现对迟滞非线性的前馈控制。

良好实施的前馈补偿方法确实可以减少压电驱动器的非线性影响，提高压电驱动器的跟踪性能，但是前提是模型的构建必须十分准确。一般来说，结构复杂，待定参数多的模型对迟滞非线性的拟合更加准确，结构简单的模型拟合效果会比较差，但是模型越复杂，需要越多的实验数据来辨识模型中的种种参数，而且求解迟滞逆模型会更加困难。

PI模型由于结构比较简单，而且能够求解出解析的迟滞逆模型表达式，便于应用在实时控制器上，从而逐渐在压电材料的迟滞建模和补偿控制中得到广泛的应用。但是传统的PI模型属于一种静态模型，即对工作频率在1Hz以下的压电驱动器的迟滞补偿效果最好，当压电驱动器被应用在振动辅助加工领域中时，面对几十上百赫兹的振动频率时，补偿效果要大打折扣。

除了基于迟滞模型的前馈控制以外，研究人员还设计出了反馈控制，即根据压电驱动器反馈回来的实际位移等信息对激励电压进行调整。比如滑模控制，系统结构具有随时间变化的开关特性，能够让系统在一定的特性下沿着预先设定的状态轨迹作高频率、小幅度的上下运动；其次还有PID控制，将偏差作为过程变量输入到控制系统中，通过计算不断地调整控制系统输出，直到偏差降低到零。单纯的前馈补偿依赖于精确的建模，而单纯的迟滞模型不可能完全准确地描述压电材料的迟滞特性，尤其是不同频率时材料的迟滞非线性影响还不一样，因此单纯的前馈控制也无法完全消除掉压电材料的迟滞非线性造成的影响，而且对于工作过程中可能出现的未知扰动缺乏足够的抵抗能力，而单纯的反馈补偿控制也需要足够的响应时间来跟踪上期望的输出轨迹。于是由研究人员在前馈补偿控制的基础上同时应用反馈补偿控制，其中将前馈与反馈相结合的补偿控制方案能够将两者的优点结合起来，并且弥补各自的缺陷，实现更高的控制精度，但是同样也容易造成了整个控制系统的复杂、庞大，控制的实时性不足。

发明内容