一种超声椭圆振动切削控制方法及系统

本发明涉及精密制造，具体涉及一种超声椭圆振动切削控制方法及系统。

背景技术：

1、超声椭圆振动切削是利用机床进给的同时，刀具周期性地进行超声椭圆振动切削的一种辅助微观结构切削加工方法。使用传统超声椭圆振动轨迹方程加工时，工件表面不平整时易出现过切或欠切的现象，非常影响加工表面微观结构的质量。

2、为解决上述问题，现有的技术都是对工件表面进行切平处理后，再进行椭圆轨迹振动加工。但该方法不能完全保证工件安装平整，且机床导轨的直线度误差也会使切削过程中的椭圆振动中心跳动。切削过程中的工件表面与机床进给方向的不平整和倾斜现象会使椭圆振动切削过程中切削深度发生改变，并影响切削力的变化。切削力过大易使脆性材料在切削过程中出现裂纹，且切削力过大也会影响刀具的使用寿命。因此，需要提出一种可以避免切削力过大或过小、可以控制切削过程且切削形貌更加精确的切削控制方法，以实现对未调整或未平整的工件表面进行超声椭圆振动切削加工。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种超声椭圆振动切削控制方法，能够避免切削力过大或过小、可以控制切削过程且切削形貌更加精确的切削控制方法，以实现对未调整或未平整的工件表面进行超声椭圆振动切削加工。

2、为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：一种超声椭圆振动切削轨迹的控制方法，包括如下步骤：

3、s1：根据给定的切削形貌及刀具参数计算初始的椭圆振动轨迹方程；

4、s2：根据被切削材料参数、椭圆振动轨迹方程、刀具参数和切削层厚度计算参考切削力序列

5、s3：采集当前周期ti内与参考切削序列等间距的实际切削力序列

6、s4：计算当前周期ti内的实际切削力序列与参考切削力序列的差值ei；

7、s5：通过闭环控制算法，根据差值ei计算周期振动切削斜率的变化率δk；

8、s6：根据变化率δk对椭圆振动轨迹方程进行修正，并根据修正后的椭圆振动轨迹方程控制刀具进行下一周期的切削。

9、相比现有技术，本发明的有益效果在于：由于切削过程中的刀具的切削力变换能够反映实际切削厚度的变化，因此，可以通过采集刀具实际的切削力序列作为反馈，并计算其与理想的切削力序列的差值，该差值即可反映实际切削轨迹与理想的切削轨迹的偏差。本方法通过计算该偏差并利用闭环控制算法对振动轨迹方程进行修正，即可对实际的切削轨迹进行修正，能够提高对未调整或未平整的工件的切削精度，同时可避免切削力过大造成工件出现裂纹，还能提高刀具寿命，可不对工件表面进行繁琐的调平或者切削平整，直接进行超声椭圆振动切削，简化了切削前的处理步骤。

10、上述的超声椭圆振动切削轨迹的控制方法，所述步骤s1中，初始的椭圆振动轨迹方程如下式所示：

11、

12、式中，fv为刀具的x轴的进给速率，a0为初始的椭圆振动轨迹方程在进给方向的振幅，b0为初始的椭圆振动轨迹方程在切深方向的振幅，f为初始的椭圆振动轨迹方程的振动频率，t为切削时间。

13、上述的超声椭圆振动切削轨迹的控制方法，所述步骤s4中，差值其中wi，j为第i个周期的第j点的差值权重系数。

14、上述的超声椭圆振动切削轨迹的控制方法，所述步骤s5中的闭环控制算法为pid算法。

15、上述的超声椭圆振动切削轨迹的控制方法，所述步骤s6中，修正后的椭圆振动轨迹方程如下式所示：

16、

17、其中

18、，ki＝ki-1+δk，ki为第i周期的周期振动切削斜率，aci为第i周期的椭圆振动轨迹方程在进给方向的振幅，bci为第i周期的椭圆振动轨迹方程在切深方向的振幅。

19、上述的超声椭圆振动切削轨迹的控制方法，所述步骤s6中，修正后的椭圆振动轨迹方程如下式所示：

20、

21、其中，

22、，ki＝ki-1+δk，aci为第i周期的椭圆振动轨迹方程在进给方向的振幅，bci为第i周期的椭圆振动轨迹方程在切深方向的振幅。

23、上述的超声椭圆振动切削轨迹的控制方法，所述步骤s2中的椭圆振动轨迹方程为初始的椭圆振动轨迹方程或者上一周期的椭圆振动轨迹方程。

24、一种超声椭圆振动切削系统，包括机床、刀具、位移执行器、位移传感器、切削力传感器及控制器，所述刀具用于切削工件，所述机床用于进给工件，所述位移执行器用于驱动所述刀具运动，所述位移传感器用于检测所述刀具的位移距离，所述切削力传感器用于检测所述刀具的实际切削力，所述机床、所述位移执行器、所述位移传感器及所述切削力传感器均与所述控制器电性连接且受所述控制器控制。

25、上述的超声椭圆振动切削系统，所述控制器包括：理想计算模块，用于根据给定的切削形貌及刀具参数计算初始的椭圆振动轨迹方程，以及根据被切削材料参数、初始椭圆振动轨迹方程、刀具参数和切削层厚度计算参考切削力序列采集模块，用于控制所述位移传感器获取所述刀具的实时位置，以及控制所述切削力传感器获取与参考切削序列等间距的实际切削力序列闭环控制模块，用于计算当前周期的实际切削力序列与参考切削力序列的差值ei，并通过闭环控制算法，根据差值ei计算周期振动切削斜率的变化率δk；修正模块，用于根据变化率δk对椭圆振动轨迹方程进行修正，获得修正后的椭圆振动轨迹方程；轨迹跟踪模块，用于控制所述位移执行器按照修正后的椭圆振动轨迹方程进行修正。

26、上述的超声椭圆振动切削系统，还包括放大器，所述位移执行器通过所述放大器与所述控制器电性连接。

27、下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

技术特征：

1.一种超声椭圆振动切削轨迹的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的超声椭圆振动切削轨迹的控制方法，其特征在于，所述步骤s1中，初始的椭圆振动轨迹方程如下式所示：

3.根据权利要求1所述的超声椭圆振动切削轨迹的控制方法，其特征在于，所述步骤s4中，差值其中wi,j为第i个周期的第j点的差值权重系数。

4.根据权利要求1所述的超声椭圆振动切削轨迹的控制方法，其特征在于，所述步骤s5中的闭环控制算法为pid算法。

5.根据权利要求2所述的超声椭圆振动切削轨迹的控制方法，其特征在于，所述步骤s6中，修正后的椭圆振动轨迹方程如下式所示：

6.根据权利要求1所述的超声椭圆振动切削轨迹的控制方法，其特征在于，所述步骤s6中，修正后的椭圆振动轨迹方程如下式所示：

7.根据权利要求1所述的超声椭圆振动切削轨迹的控制方法，其特征在于，所述步骤s2中的椭圆振动轨迹方程为初始的椭圆振动轨迹方程或者上一周期的椭圆振动轨迹方程。

8.一种超声椭圆振动切削系统，其特征在于，包括机床、刀具、位移执行器、位移传感器、切削力传感器及控制器，所述刀具用于切削工件，所述机床用于夹持并进给工件，所述位移执行器用于驱动所述刀具运动，所述位移传感器用于检测所述刀具的位移，所述切削力传感器用于检测所述刀具的实际切削力，所述机床、所述位移执行器、所述位移传感器及所述切削力传感器均与所述控制器电性连接且受所述控制器控制。

9.根据权利要求8所述的超声椭圆振动切削系统，其特征在于，所述控制器包括：

10.根据权利要求9所述的超声椭圆振动切削系统，其特征在于，还包括放大器，所述位移执行器通过所述放大器与所述控制器电性连接。

技术总结
本发明涉及精密制造技术领域，公开了一种超声椭圆振动切削轨迹的控制方法及系统，其中方法包括如下步骤：S1：根据给定的切削形貌及刀具参数计算初始的椭圆振动轨迹方程；S2：根据被切削材料参数、椭圆振动轨迹方程、刀具参数和切削层厚度计算参考切削力序列[f<subgt;1</subgt;,f<subgt;2</subgt;,f<subgt;3</subgt;,…,f<subgt;Nf</subgt;]<subgt;i</subgt;；S3：采集当前周期T内与参考切削序列等间距的实际切削力序列[F<subgt;1</subgt;,F<subgt;2</subgt;,F<subgt;3</subgt;,…,F<subgt;Nf</subgt;]<subgt;i</subgt;；S4：计算当前周期的实际切削力序列与参考切削力序列的差值E<subgt;i</subgt;；S5：通过闭环控制算法，根据差值E<subgt;i</subgt;计算周期振动切削斜率的变化率Δk；S6：根据变化率Δk对椭圆振动轨迹方程进行修正，根据修正后的椭圆振动轨迹方程控制刀具进行下一周期的切削。上述方法，可不对工件表面进行繁琐的调平或者切削平整，直接进行超声椭圆振动切削。

技术研发人员：杨洋,潘涵
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（深圳）（哈尔滨工业大学深圳科技创新研究院）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16