[发明专利]一种超精密飞切加工机床面形误差补偿及控制方法

权利要求书

1.一种超精密飞切加工机床面形误差补偿及控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.构建刀具-工件相对振动对飞切加工表面波纹度误差的形成规律；

S2.基于刀具-工件相对振动对飞切加工表面波纹度误差的形成规律，结合飞切机床主轴角度编码器实时测得的角度信号；

S3.将实时测得的振动信号反相输入，通过调控压电驱动纳米进给补偿平台位置和姿态，实现对加工面形波纹度误差实时补偿；

所述S1步骤中，具体操作包括以下步骤：建立刀具-工件相对振动及其对飞切加工表面波纹度的映射关系，通过仿真分析，获得面形仿真模型；通过面形仿真模型获得飞切仿真面形的全频段面形信息；对全频段面形信息根据高频、中频以及低频频段进行有效分解，选取中频面形信息，获得中频面形信息和形成规律；

通过以下方法获得面形仿真模型：

S11.利用单点金刚石飞切机床整体动力学模型，仿真分析断续切削力不同幅值和频域分布导致的工件-刀具相对振动规律，同时开展工艺切削试验并检测刀具和工件处的振动信号，对仿真结果进行验证；

S12.结合主轴转速、进给速度和刀具-工件相对振动，根据飞切机床的结构特点，分析刀具的空间运动轨迹；

S13.考虑金刚石刀具的几何形状，设定金刚石刀具将其切削刃轮廓通过刀具与工件之间的相对运动复映到工件表面形成工件面形，利用三维形貌仿真技术，建立刀具-工件相对振动轨迹到面形的仿真映射模型。

2.根据权利要求1所述的一种超精密飞切加工机床面形误差补偿及控制方法，其特征在于，还包括对压电驱动纳米进给补偿平台进行模型识别和优化控制操作，包括以下步骤中至少一项或几项的组合：

A.对于迟滞非线性，采用遗传算法对基于Bouc-Wen模型的非线性模型进行辨识以获得迟滞逆模型参数；

B.利用频域辨识方法获得系统线性环节模型参数；

C.采用改进型零相位前馈消除相位误差，提高压电驱动纳米进给补偿平台的跟踪性能；

D.引入一种延迟位置反馈控制器来增加平台的阻尼，减小压电驱动纳米进给补偿平台实际运行中产生的振荡，并提高系统带宽。

3.根据权利要求2所述的一种超精密飞切加工机床面形误差补偿及控制方法，其特征在于，步骤A中，具体操作包括以下步骤：

SA1.构建系统模型：采用Hammerstein模型表示含有线性环节和非线性环节的纳米进给补偿平台的动态系统，由迟滞环节H(·)和线性环节G(·)级联组成；如式(1)所示：

其中，u、x分别为压电陶瓷的电压输入和平台的位移输出，m、k、b为线性环节参数，分别代表质量、阻尼系数和刚度；

SA2.建立迟滞环节和线性环节之间的耦合关系：采用Bouc-Wen模型描述压电“电压－位移”迟滞现象；对于压电陶瓷中的迟滞环节，根据式(1)，设计模型系统的动力学模型如式(2)所示：

其中，d为压电陶瓷的介电常数，c₁和c₂为整理和代换减少的辨识参数；

SA3.迟滞环节和线性环节之间的耦合关系解耦操作：式(2)所示的模型中有8个待辨识未知参数构成参数集{m,b,k,α,β,γ,c₁,c₂}；所述参数集合分为2组：线性环节参数K_l＝{m,b,k}以及非线性Bouc-Wen模型参数K_bw＝{α,β,γ,c₁,c₂}；分别辨识非线性Bouc-Wen模型参数K_bw,再辨识线性环节参数K_l。

4.根据权利要求3所述的一种超精密飞切加工机床面形误差补偿及控制方法，其特征在于，所述迟滞环节和线性环节之间的耦合关系解耦操作：

选用频率为1Hz的低频正弦信号激励系统，测得平台的实际位移；采用Bouc-Wen模型对迟滞环节进行建模，对迟滞环节H(·)进行辨识，获得迟滞环节参数K_bw；

选用小幅值正弦扫频信号作为输入对系统进行激励，对线性环节G(·)进行辨识，获得线性环节参数K_l。