[发明专利]振动辅助切削装置的振幅无传感检测与控制系统及方法

说明书

本发明公开了振动辅助切削装置的振幅无传感检测与控制系统及方法，属振动辅助切削加工领域。本发明采集得到振动辅助切削装置上的电压V(t)和电流I(t)，经过DA转换后传输到控制器中；根据非线性机电模型中建立的转换关系，对电压V(t)和电流I(t)进行计算，得到当前时刻的外加电荷Q(t)和迟滞电压V_H，计算得到当前的压电驱动器输出位移x；对位移x进行计算得到其振幅A后与期望振幅A_r进行比较并作差，将差值e_A(k)输入到PID控制器中，得到估计的偏差电压ΔV(k)；最后将初始电压V₀与偏差控制模块的偏差电压ΔV(k)相加得到输出电压V，最后将生成的新激励信号经过AD转换后，经由电压放大器放大后施加到振动辅助切削装置上。本发明提升了振动辅助切削状态的稳定性，改善加工质量，降低系统复杂性。

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振幅无传感检测与控制系统及方法。

背景技术

随着航空航天、国防工业、航海造船以及集成电路和半导体行业的发展，许多关键零部件需要极高的精度和质量，因此对精密加工也提出了更高的要求。超声椭圆振动切削作为一种精密加工方法，具有多种常规切削方法不具备的优点，不仅可以有效降低切削切削力和切削热，提升加工的表面质量，减少毛刺，还可以实现在工件表面加工微米尺度的微凹坑、微凹槽等结构。

超声椭圆振动辅助切削加工技术是在传统加工技术基础上的一种改进型，目的是为了降低切削力，改善已加工表面的加工质量以及延长刀具寿命。超声椭圆振动加工主要是利用高频的振动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动频率，在一次切削加工中分多次对工件进行切削，切削轨迹呈现椭圆轨迹形式，这样可以通过减少摩擦时间降低刀具磨损。

超声椭圆振动是由超声椭圆振动辅助切削装置在固有频率下振动而产生的，但是在切削过程中超声椭圆振动辅助切削装置会受到一定的切削载荷，使得切削装置的工作频率偏离其固有频率，切削装置的工作状态也会偏离共振状态，此外，切削载荷的影响也会造成装置的刀尖位移产生波动，导致超声椭圆振动辅助切削的振幅下降。当加工参数发生变化时，刀尖受到的切削载荷也不相同，装置的频率偏移程度和振幅下降幅度也存在差异，这就导致了加工质量的不均匀。此外，在超声椭圆振动切削过程中，还会存在一些未知扰动，比如振动辅助切削装置的迟滞非线性、机床的振动、外界的噪声等，在这些因素的影响下，超声椭圆辅助切削加工状态的稳定性也会产生波动，最终影响加工质量。因此，要想提高超声椭圆振动切削加工状态的稳定性，需要避免或减少消除切削载荷等未知扰动对超声椭圆振动切削的加工过程的影响。

通常采用使用机械反馈作为超声椭圆振动切削的加工过程振动波动控制方式，该方式使用专用传感器测量超声椭圆振动切削装置的输出轨迹，通过将该传感器的信号作为控制系统的调整指标，可以有效地提高振动的稳定性。但是这种方式存在以下问题：(1)高分辨率位移传感器，通常都是昂贵、沉重和庞大的，这种专用传感器的使用必然会造成整个加工系统的庞大和复杂，提高了加工成本；(2)直接测量执行器的位移往往对机械设计有严格的约束，末端执行器的实际位置和方向必须用正运动学来计算，由于机械结构的加工精度,正运动学具有不确定的精度；(3)这种布置在工业条件下使用很不方便，在严格的加工条件下，由于长时间的高频振动，传感器的探头和接触到的测量面经过长时间的碰撞后，很难保证传感器探头的位置永远处于固定位置；(4)为了直接反映超声振动切削加工系统的振动状态，传感器被安装在靠近切削区域的振动执行器的末端或者切削刀具的刀尖处，由于传感器位于切削区域，不论是传感器本身还是控制系统的接线，都会占用切削刀具和加工工件安装的空间，对加工带来不便。因此为了提高超声椭圆振动切削的加工精度，扩大超声椭圆振动切削在精密加工中的优势,如何消除上述因素对超声椭圆振动切削的影响，研制一种不涉及位置或位移传感器的压电驱动工作台驱动装置,成了精密制造等行业亟待解决的问题。

发明内容