[发明专利]一种基于力反馈控制的大型薄壁零件镜像加工方法

权利要求书

1.一种基于力反馈控制的大型薄壁零件镜像加工方法，其特征在于，在支撑装置末端安装有压电式传感器和电涡流传感器，对支撑力数据和局部法矢进行实时测量；在加工之前，支撑端对工件施加一定的支撑力，并按照根据工件廓形生成的预加工-支撑轨迹进行试加工，并采集力信号；根据支撑力信号对加工稳定性进行诊断，并根据诊断结果调整目标支撑力；根据目标支撑力调整支撑侧位置，获得薄壁工件在目标支撑力作用下的实际廓形，结合工件壁厚信息对加工轨迹进行再规划；正式加工过程中，支撑端维持恒定的支撑力并随着加工侧的移动而移动，二者时刻保持镜像对称关系；

具体步骤如下：

第一步，将大型薄壁件安装在镜像加工装备上

所述的镜像加工装备包括支撑侧(I)、夹持装置(II)和加工侧(III)；

所述的支撑侧(I)中，支撑装置(1)通过螺纹安装在左回转工作台(2)上，左回转工作台(2)带动支撑装置(1)实现左右摆动；左回转工作台(2)通过螺栓安装在左主轴箱(3)上，左主轴箱(3)在伺服电机的带动下实现上下运动；左主轴箱(3)通过滑块安装在左立柱(4)上，左立柱(4)在伺服电机的带动下实现水平运动；

所述的支撑装置(1)中，压电传感器(1.1)内置在支撑装置(1)中心，并通过后端连接螺钉与连接板(1.6)固定，用于测量支撑力的大小；涡流传感器(1.2)在连接板(1.6)圆周方向上均匀分布，并通过螺钉安装；支撑头(1.3)通过螺纹连接在压电传感器(1.1)的顶端；支撑头(1.3)内置弹簧(1.5)，用以保护压电传感器(1.1)；圆球(1.4)位于弹簧(1.5)顶端，用以在工件表面滚动；

所述的加工侧(III)中，刀具(5)通过弹簧夹套安装在电主轴(6)上，电主轴(6)安装在右回转工作台(7)上；右回转工作台(7)通过螺栓安装在右主轴箱(8)上，右主轴箱(8)在伺服电机的带动下实现上下运动；右主轴箱(8)通过滑块安装在右立柱(9)上，右立柱(9)在伺服电机的带动下实现水平运动；

将夹持装置(II)安装于镜像加工装备工作台，根据工件实际尺寸调整加持装置的大小与位置，利用工作台T形槽对工件周边进行立式装夹；

第二步，利用自抗扰算法控制支撑侧移动，对工件施加恒力支撑；并按照根据工件廓形生成的预加工-支撑轨迹进行试加工，并采集力信号与支撑端位置信息；

采用非线性微分跟踪器对目标支撑力信号F_d及其微分信号进行信号跟踪：

其中，v₁为输入信号F_d的跟踪值，v₂为输入信号F_d的微分跟踪值，h为采样周期，v为输入信号F_d，δ为决定跟踪快慢的参数；fst函数为最速控制综合函数，表示为：

其中：d＝δh；d₀＝hd；y＝x₁+hx₂；

利用非线性扩张状态观测器，从被控输出中提炼出系统的扰动作用，表示为：

其中，输出信号y为实测支撑力信号F_a，z₁和z₂分别为输出信号y及其微分信号的跟踪函数，z₃为作用于系统的所有不确定扰动的综合；β₀₁，β₀₂，β₀₃，α₀₁，α₀₂，δ₀为需要整定的参数，其中β₀₁，β₀₂，β₀₃是影响ESO观测性能的主要参数；增大β₀₁和β₀₂可有效抑制振动，但值过大会导致控制系统发散，β₀₃则控制扰动估计的滞后性，其值越大，滞后性越小；b₀为补偿因子，与被控对象模型有关的变量；

利用非线性状态误差反馈将误差信号及其微分信号进行非线性组合：

u₀＝β₁fal(e₁,α₁,δ₁)+β₂fal(e₂,α₂,δ₁) (5)

其中，β₁为比例系数，β₂为微分系数；α₁，α₂，δ₁为需要整定的参数，且0＜α₁＜1＜α₂；

对所求控制量进行扰动补偿得实际力控制量为：

将力控制量u_f采用阻抗控制策略转换为位置调节量Δz，实现恒力支撑；

利用LABVIEW编写支撑力反馈控制程序；支撑力反馈控制程序包括UMAC运动控制器/数据采集卡通讯模块、支撑力信号采集模块、ADRC控制算法和运动控制器驱动模块；以LABVIEW软件为上位机，通过调用UMAC运动控制器底层函数和数据采集卡底层函数，建立支撑力反馈控制程序与下位机UMAC运动控制器和数据采集卡的通讯，采集支撑侧机床坐标{x_si,y_si,z_si,i＝1,2,…,n}和支撑力信号{s_i,i＝1,2,…,n}，n为采集数据量；并向UMAC运动控制器发送指令u_f，驱动支撑侧Z轴电机运动，保证恒力支撑；

根据支撑侧机床坐标{x_si,y_si,z_si,i＝1,2,…,n}对支撑侧试加工轨迹进行规划，并计算起始支撑点位置，生成试加工程序代码；将支撑侧运动至起始支撑点，在UMAC执行软件Pewin32pro2中运行试加工程序；运动过程中若发现支撑侧支撑力有大幅度波动，需暂停运动程序与力控制程序，重新调节力位混合控制程序参数直至支撑侧在运动过程中能够维持力的稳定；

第三步，根据支撑力信号对加工稳定性进行诊断，并根据诊断结果调整目标支撑力；

将支撑力信号{s_i,i＝1,2,…,n}划分为m个数据段{s_rp,r＝1,2,…,m；p＝1,2,…,n/m}，计算每个数据段{s_rp,r＝1,2,…,m；p＝1,2,…,n/m}的最大值s_{r_max}＝{max{s_rp},r＝1,2,…,m}与最小值s_{r_min}＝{min{s_rp},r＝1,2,…,m}；计算每个数据段最大值与最小值的差值s_{r_d}＝{s_{r_max}-s_{r_min},r＝1,2,…,m}；当s_{r_d}≥σ时，认定加工不稳定；如果s_{r_d}＜σ，则认定加工稳定；其中σ的值根据加工表面粗糙度决定；如果认定加工不稳定，则增大目标支撑力F_d，并重复第二步与第三步；如果认定加工稳定，则保持目标支撑力F_d不变；

第四步，根据目标支撑力调整支撑侧位置，获得薄壁工件在目标支撑力作用下的实际廓形，结合工件壁厚信息对加工轨迹进行再规划；

利用编写的LABVIEW控制程序，根据目标支撑力控制电机运动，对工件施加恒力支撑，并采集支撑侧机床坐标{x_si,y_si,z_si,i＝1,2,…,n}，n为采集数据量；根据目标支撑力下的支撑侧机床坐标{x_si,y_si,z_si,i＝1,2,…,n}、工件毛坯壁厚D、剩余壁厚D_R和支撑侧-加工侧各轴位置偏差{Δx,Δy,Δz}，规划加工侧轨迹{x_mi,y_mi,z_mi,i＝1,2,…,n}；

由于数据点采样时的采样周期很短，故相邻两点间的距离很短，最长线段不超过0.5mm，对于大型薄壁构件而言，其相邻采样点之间的目标圆弧线被近似认为是直线段；此时运动程序为由点阵生成的两侧对应位置的点组成的运动代码；

第五步，根据生成的加工代码，将生成的支撑侧轨迹{x_si,y_si,z_si,i＝1,2,…,n}和加工侧轨迹{x_mi,y_mi,z_mi,i＝1,2,…,n}传输给控制系统，控制支撑侧和加工侧机床运动，进行镜像加工。