[发明专利]一种基于力控制的椭圆振动切削加工方法

说明书

本发明公开了一种基于力控制的椭圆振动切削加工方法，该方法以力控策略为核心，结合数据同步采集技术，实现椭圆振动自适应跟踪切削。力控策略是基于外环阻抗控制器和内环位置控制器的双闭环控制策略，外环阻抗控制器根据力信号和位移信号给出椭圆振动切削装置刀尖的理想输出位移，内环位置控制器则在每个椭圆振动周期内进行多点采样，补偿刀尖输出位移误差。本发明可根据切削力信息判别切削位置，实现工件表面轮廓的跟踪切削加工，同时补偿由于装夹或对刀带来的加工误差，提高加工精度。

技术领域

本发明涉及椭圆振动切削加工方法，特别涉及一种基于力控制的椭圆振动切削加工方法。

背景技术

椭圆振动切削加工技术作为加工难加工材料和表面微织构的一种性能优越的加工技术，受到了广泛关注和研究。椭圆振动切削是在切削运动中附加一个椭圆轨迹的运动，在一个椭圆切削的周期里，刀具一部分时间切削加工，另一部分刀具与切屑分离，能够达到减小摩擦力和切削热的效果，同时延缓了刀具磨损，提高刀具寿命，加工质量也得到了提升。为了有效地改善椭圆振动切削装置的加工性能，研制一种适用于装置的控制系统至关重要。椭圆振动切削控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统，开环控制系统工作频率高，响应快，不存在基于传感器检测的反馈回路，因此运动精度不是很高。闭环控制下的椭圆振动切削装置运动精确，综合性能良好，但需要安装高精度的传感器。

现有的椭圆振动控制方法是位置控制方法，利用电容式位移传感器采集的椭圆振动切削装置刀尖的位置信息，结合不同的控制算法，实现闭环控制。“三维椭圆振动切削运动控制的研究”一文针对自行研制的三维椭圆振动切削装置设计了三维椭圆振动切削控制系统硬件平台，建立了控制系统模型，从多种控制方法中选取最佳的PID控制算法进行切削加工实验。“三维椭圆振动辅助切削装置及控制的研究”一文探究了模糊自适应滑模控制方法，基于wiener算法和改进的memetic算法建立三维椭圆振动切削系统的动力学模型，并有针对性的设计滑模函数和滑模控制律，搭建三维椭圆振动辅助切削加工实验平台，从工件的切削痕迹、表面粗糙度及刀具磨损这三个方面验证了装置和控制系统的性能。“三维椭圆振动切削系统RBF自适应滑模控制器的设计”结合径向基神经网络自适应控制与滑模控制这两种方法的优点，提出了用于三维椭圆振动辅助切削系统的径向基神经网络自适应滑模控制器，仿真结果表明该控制器可以在很短时间内趋于稳定，具有很强的鲁棒性。

发明内容

发明目的：本发明目的是提供一种可实现工件表面轮廓的跟踪切削加工，补偿由于装夹或对刀带来的加工误差，提高加工精度的基于力控制的椭圆振动切削加工方法。

技术方案：本发明提供一种基于力控制的椭圆振动切削加工方法，包括如下步骤：

(1)将压电式动态力传感器检测到的实际切削力和电容式位移传感器检测到的椭圆振动切削装置刀尖实际输出位置输入到环境参数估计器中，由环境参数估计器估算出当前的环境刚度系数和未变形环境位置；

(2)根据上述估算得到的两个环境参数，利用期望位置生成模型得到椭圆振动切削装置刀尖的理想输出位置；

(3)将实际切削力和期望切削力的差值以及(2)中得到的理想输出位置输入改进的阻抗模型中，根据改进的阻抗模型计算需要补偿的位置偏差，该位置偏差对理想输出位置进行干扰，从而形成新的当前应输入内环位置控制器的期望输出位置，所述改进的阻抗模型是在传统阻抗模型中加入PI补偿环节，以快速修正外环回路的响应和干扰，减小力跟踪稳态误差；

(4)这一新的期望输出位置与实际输出位置的差值输入到内环位置控制器中进行位置闭环控制，内环位置控制器输出正弦电压值以驱动椭圆振动切削装置进行振动切削。

进一步地，所述环境参数估计器采用遗忘因子递推最小二乘法，公式如下：

γ(k)＝1/[1+x^T(k)P(k-1)x(k)]