[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

权利要求书

1.一种振动辅助切削装置的振幅无传感检测与控制系统，其特征在于：

包括控制器、DA转换模块、电压放大器、振动辅助切削装置、电压感应电阻、电流感应电阻以及AD转换模块；

上述控制器输出端依次经过DA转换模块、电压放大器后与振动辅助切削装置相连；一组电压感应电阻与振动辅助切削装置并联，其中电势最低处的电压感应电阻与AD转换模块第一输入端相连；电流感应电阻与振动辅助切削装置串联，电流感应电阻与AD转换模块第二输入端相连；AD转换模块与控制器相连；

上述控制器包括积分模块、迟滞补偿模块、位移估计模块、振幅检测模块、偏差控制模块、第一电压计算器、第二电压计算器；

上述积分模块的输入端与经过换算和AD转换的电流信号相连，积分模块包含第一输出端和第二输出端；积分模块的第一输出端与迟滞补偿模块的输入端相连，迟滞补偿模块的输出端与第一电压计算器的第一输入端相连，第一电压计算器的第二输入端与经过换算和AD转换的电压信号相连，第一电压计算器与位移估计模块的第一输入端相连，位移估计模块的第二输入端与积分模块的第二输出端相连，位移估计模块的输出端与振幅检测模块输入端相连，振幅检测模块输出端与偏差控制模块输入端相连；偏差控制模块输出端与第二电压计算器的第一输入端相连，第二电压计算器第二输入端与初始电压相连，第二电压计算器输出端与信号发生器相连。

2.权利要求1所述的振动辅助切削装置的振幅无传感检测与控制系统的方法，其特征在于包括以下过程：

步骤1、利用电势最低处的电压感应电阻和电流感应电阻对超声振动切削装置的激励电压V(t)和总电流I(t)进行提取及采集后，输入到控制器中；

步骤2、对总电流I(t)进行积分后得到外加电荷Q(t)；

步骤3、根据迟滞模型，通过外加电荷Q(t)计算出压电换能器的迟滞电压V_H；

步骤4、将步骤1中采集得到的激励电压V(t)和步骤3中得到的迟滞电压V_H相减，计算结果传输到位移估计模块；

步骤5、利用步骤2得到的外加电荷Q(t)与步骤4得到的计算结果，计算出振动辅助切削装置的估计位移x，相关公式如下；

x＝ψ[Q(t)-C_d(V(t)-V_H)] (1)；

其中C_d为测量得到的静态电容值；

步骤6、周期性地对一组估计位移x进行计算，得到这组数据的当前振幅A；当前振幅A与当前期望的设定振幅A_r作差后得到装置当前振幅偏差e_A(k)；

步骤7、然后将计算得到的振幅偏差e_A(k)为输入量，利用偏差控制模块计算得到偏差电压ΔV(k)；

步骤8、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，该输出电压V经过电压放大器放大后施加到振动辅助切削装置上。

3.根据权利要求2所述的振动辅助切削装置的振幅无传感检测与控制系统的方法，其特征在于：步骤3所述的迟滞电压V_H通过以下方式求得，以下表达式称为迟滞逆模型：

其中，ω′_i为迟滞逆模型的权值，r′_i为迟滞逆模型的阈值，这两项参数通过参数辨识获得。

4.根据权利要求3所述的振动辅助切削装置的振幅无传感检测与控制系统的方法，其特征在于：迟滞逆模型由迟滞正模型求逆得到，采用的迟滞正模型如下：

其中，Q(t)是利用PI模型输出的在t时刻的外加电荷，U(t)是PI模型在t时刻的输入电压，ω_i是PI模型的权值，r_i是PI模型的阈值，且r_i＝[r₀，...，r_n]^T，n是Play算子的个数，T是相邻两个时刻的时间间隔；通过采集工作状态下振动辅助切削装置的输入电压U(t)并计算出对应的外加电荷Q(t)，根据这些数据求解得出上述PI模型所需的各项参数。