柳揚(yáng)，謝鷗，黃開明

（蘇州科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇蘇州215009）

設(shè)計(jì)技術(shù)

超聲磨削模糊自適應(yīng)加工系統(tǒng)設(shè)計(jì)

柳揚(yáng)，謝鷗，黃開明

（蘇州科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇蘇州215009）

為了實(shí)現(xiàn)恒負(fù)載超聲磨削加工，以超聲磨削系統(tǒng)的加載功率為約束條件，采用模糊智能控制方法實(shí)現(xiàn)磨削進(jìn)給速率的在線調(diào)整。建立了超聲磨削系統(tǒng)等效電路模型，分析了磨削負(fù)載與加載功率的關(guān)系；并設(shè)計(jì)模糊控制系統(tǒng)，包括隸屬度函數(shù)、控制規(guī)則等；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明所設(shè)計(jì)的智能控制系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和魯棒性，能有效提高磨削加工質(zhì)量和效率。

超聲磨削；負(fù)載；自適應(yīng)；模糊控制

工程陶瓷、硅、石英玻璃等材料因其優(yōu)良的物理和化學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、精密機(jī)械、發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域，對(duì)其加工表面質(zhì)量的要求也越來越高。但由于這些材料硬、脆的材料特性，很難用傳統(tǒng)的加工方法進(jìn)行加工[1]。超聲磨削是由超聲加工和普通磨削加工復(fù)合而成的新型加工方法，具有切削力小、工具磨損少、切削發(fā)熱低以及加工材料適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)，能顯著提高加工質(zhì)量和效率，逐漸成為硬脆材料精密加工的研究熱點(diǎn)[2-4]。超聲磨削過程中，負(fù)載不確定性變化，一方面降低了磨削精度和表面質(zhì)量，另一方面，將引起超聲磨削系統(tǒng)工作失諧，輸出振幅減小、換能器發(fā)熱以及磨具磨損，嚴(yán)重影響超聲磨削加工效率[5]。本文通過分析超聲磨削加工過程中，負(fù)載變化對(duì)加載功率的影響特性，建立基于功率反饋的超聲磨削負(fù)載自適應(yīng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了恒功率超聲磨削，提高了加工效率，延長了磨具壽命。

1 超聲磨削系統(tǒng)等效電路模型

對(duì)于單一縱振模式的壓電換能器，在諧振頻率附近的等效電路可表示為如圖1（a）所示的形式，其中LL，CL，RL分別為超聲換能器的動(dòng)態(tài)電感（類比彈性系數(shù)）、動(dòng)態(tài)電容（類比質(zhì)量）和動(dòng)態(tài)電阻（類比機(jī)械損耗）；ZL為負(fù)載等效阻抗；Co為超聲換能器的靜態(tài)電容。當(dāng)電源頻率時(shí)，等效電路中LL，RL，CL支路產(chǎn)生串聯(lián)諧振，該支路呈純阻性，諧振頻率下的等效電路可簡化為如圖1（b）所示形式[6]。

圖1 壓電換能器共振頻率附近的等效電路

超聲磨削時(shí)負(fù)載越大，其等效阻抗ZL越大。當(dāng)超聲激勵(lì)電源為恒流源時(shí)，電路上流過的電流保持不變，加載到負(fù)載阻抗上的功率P=I2Z，負(fù)載阻抗與加載功率成正增長關(guān)系，即磨削負(fù)載越大，加載功率越大；磨削負(fù)載越小，加載功率越小。

2 控制原理

控制系統(tǒng)的工作原理如圖2所示，安裝在超聲磨削系統(tǒng)上的電壓互感器、霍爾電流互感器分別檢測加載到超聲磨削換能系統(tǒng)上的負(fù)載電壓和電流，經(jīng)超聲磨削系統(tǒng)實(shí)時(shí)功率采集系統(tǒng)進(jìn)行濾波和變換后，計(jì)算得到加載到超聲磨削系統(tǒng)的負(fù)載功率，送入智能控制器后與設(shè)定的參考功率進(jìn)行比較得出偏差值，智能控制器依據(jù)此偏差值，通過模糊邏輯推理計(jì)算，輸出進(jìn)給倍率控制變量，該進(jìn)給倍率控制量輸入到數(shù)控系統(tǒng)，對(duì)機(jī)床控制面板上的進(jìn)給倍率修調(diào)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而改變磨削進(jìn)給速度。

圖2 控制系統(tǒng)工作原理圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

超聲磨削加工是一個(gè)具有高度非線性、不確定性的復(fù)雜動(dòng)態(tài)過程，很難建立精確的數(shù)學(xué)控制模型。模糊控制在非線性控制系統(tǒng)中具有較好的控制效果，且不需要控制對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型。本文采用二維模糊控制器實(shí)現(xiàn)超聲磨削的自適應(yīng)控制。如圖3所示為模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，首先設(shè)定目標(biāo)加載功率Pref，將實(shí)際測量到的加載功率P與目標(biāo)加載功率Pref進(jìn)行比較，比較結(jié)果一方面經(jīng)量化因子Ke處理后獲得誤差輸入Ep，另一方面通過微分作用同樣經(jīng)量化因子Kec處理后獲得誤差變化率輸入Cp.將負(fù)載功率的誤差Ep和誤差變化率Cp輸入到模糊邏輯控制器進(jìn)行模糊化處理，依據(jù)模糊控制規(guī)則的模糊推理和反模糊化處理后得到進(jìn)給倍率的調(diào)整量△U，經(jīng)比例因子Kp縮放后獲得實(shí)際的進(jìn)給倍率調(diào)整量△u，與前一時(shí)刻的倍率值進(jìn)行累加即得到下一時(shí)刻的進(jìn)給倍率，從而調(diào)整磨削進(jìn)給速度，保證磨削過程中負(fù)載功率穩(wěn)定在一個(gè)恒定值。如圖3所示。

圖3 模糊控制器結(jié)構(gòu)圖

將模糊論域從（-6，6）共分為13檔，對(duì)應(yīng)的模糊子集為{PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB}，相應(yīng)的語言變量為{正大，正中，正小，零，負(fù)小，負(fù)中，負(fù)大}。輸入和輸出都采用三角形隸屬度函數(shù)，如圖4所示，在NS， PS相交處，零點(diǎn)附件的微小波動(dòng)將觸發(fā)對(duì)應(yīng)的NS，PS規(guī)則，容易引起系統(tǒng)震蕩，因此將NS，PS在零點(diǎn)處稍微錯(cuò)開，能有效抑制穩(wěn)態(tài)附近的波動(dòng)，提高控制魯棒性。根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)和專家知識(shí)總結(jié)，可建立如表1所示的模糊控制規(guī)則表。

圖4 輸入、輸出隸屬度函數(shù)

表1 模糊控制規(guī)則表

輸入變量進(jìn)行模糊化處理后，依據(jù)模糊控制規(guī)則和隸屬度函數(shù)，按模糊推理合成規(guī)則進(jìn)行計(jì)算可獲得模糊控制量輸出。模糊控制量經(jīng)重心法進(jìn)行反模糊化處理后，獲得精確控制量。最后，通過比例縮放從而得到合理的倍率調(diào)整量輸入到數(shù)控機(jī)床，控制進(jìn)給伺服電機(jī)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)在配備有SIEMENS系統(tǒng)的數(shù)控磨床上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)條件為：加工材料為SiC陶瓷，空載超聲振動(dòng)頻率為24.3 kHz，金剛石砂輪直徑為30 mm，主軸轉(zhuǎn)速為3 500 r·min-1.改變磨削深度按0.02 mm>0.04 mm>0.08 mm變化，可獲得如圖5所示的功率變化曲線。空載時(shí)，超聲磨削系統(tǒng)的功率恒定在50 N左右，消耗的功率主要轉(zhuǎn)換為超聲磨削系統(tǒng)的超聲頻振動(dòng)；加載磨削時(shí)，設(shè)定目標(biāo)功率為180 W，實(shí)際功率基本收斂到180 W左右，并且改變磨削深度時(shí)，系統(tǒng)功率會(huì)出現(xiàn)一個(gè)明顯的波動(dòng)，且很快消失，表明本系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間短、收斂快、魯棒性好。如圖5所示。

圖5 自適應(yīng)磨削功率曲線

5 結(jié)束語

本文建立了超聲磨削系統(tǒng)等效電路模型，分析了負(fù)載變化對(duì)加載功率的影響關(guān)系；設(shè)計(jì)了基于功率反饋的智能負(fù)載自適應(yīng)超聲磨削控制系統(tǒng)，并在實(shí)際加工控制中進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)響應(yīng)速度快、魯棒性好，能有效提高磨削質(zhì)量和效率。

[1]張坤領(lǐng)．硬脆材料加工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J]．組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2008，5：1-6.

[2]姚建國，寧欣，王占奎．工程陶瓷超聲振動(dòng)磨削殘余應(yīng)力特性研究[J]．航空制造技術(shù)，2014，（9）：83-85.

[3]謝志萍，劉國孝，劉國忠，等．超聲振動(dòng)切削加工技術(shù)的研究進(jìn)展[J]．兵器材料科學(xué)與工程，2015，38（2）：133-136.

[4]李章東，和平安，趙波．超聲研磨AL203陶瓷材料的表面粗糙度特性研究[J]．金剛石與磨料模具工程，2004，（8）：46-49.

[5]肖永軍，揚(yáng)衛(wèi)平，李曉忠，等．超聲磨削加工磨頭的設(shè)計(jì)[J]．航空精密制造技術(shù)，2007，43（5）：60-62.

[6]袁秋玲，汪煒，周翟和，等．固結(jié)磨料超聲磨削用壓電換能器等效阻抗分析[J]．壓與聲光，37（5）：802-805.

Design of Fuzzy Adaptive Machining System for Ultrasonic Grinding

LIU Yang，XIE Ou，HUANG Kai-ming
（School of Mechanical Engineering，Suzhou University of Science and Technology，Suzhou Jiangsu 215009，China）

In order to realize constant load ultrasonic grinding，he fuzzy intelligent control method is adopted to realize the online adjustment of grinding feed rate with the loading power of ultrasonic grinding system as the constrain condition. The equivalent circuit model of ultrasonic grinding system is established and the relationship between grinding load and load power is analyzed. The fuzzy control system is designed which including membership function，control rules，etc. Experimental verification shows that the designed intelligent control system has good stability and robustness，and can effectively improve the quality and efficiency of the grinding process.

ltrasonic grinding；load；adaptive；fuzzy control

T G580.235

A

1672-545X（2016）09-0006-03

2016-06-27

江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目資助（15KJB460015）；2015年國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助（611311401）

柳揚(yáng)（1995-），男，江蘇徐州人，學(xué)士，研究方向：超聲振動(dòng)加工技術(shù)；謝鷗（1983-），男，湖南醴陵人，講師，博士，研究方向：精密與超精密加工技術(shù)、數(shù)控技術(shù)。