繆興華,高長水,張熠飛,夏華鳳,3
(1.泰州學院 船舶與機電工程學院,泰州 225300;2.南京航空航天大學 江蘇省精密與微細制造技術重點實驗室,南京 210016;3.泰州學院 泰州市電能變換與控制工程技術研究中心,泰州 225300)
隨著我國工業(yè)制造技術的不斷進步,高端制造業(yè)領域對微細零件、微細產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝要求越來越高。超聲切割技術的問世,使微細機械產(chǎn)品加工技術被廣泛應用于電子、機械、通訊等高端制造領域[1]。
微細超聲加工系統(tǒng)作為超聲切割的重要載體,是微細切割中最常見的切割工具,其相關性能一度成為設計者們討論的重要話題之一。對于微細超聲加工系統(tǒng)來說,很多因素會影響切割刀的切割精度,從而降低生產(chǎn)效率。因此,需對系統(tǒng)割刀實施必要的精度控制,以此來縮減生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)質量。針對割刀切割精度控制方法中的精度失效問題,相關學者提出更加高效的精度控制方法,相關研究成為機械制造企業(yè)亟待解決的熱門問題之一。
例如:文獻[2]中針對切割的絕對尺寸展開控制,其分析了割刀的修整量、伺服進給速度、零件厚度對切割尺寸的影響,根據(jù)影響規(guī)律優(yōu)化切割尺寸,并在修整量不變的情況下,對伺服進給速度的補償量進行調整。文獻[3]中將EtherCAT網(wǎng)絡模型與計算機視覺技術相結合,對切割設備的位置和速度實施控制,降低了接線復雜度和調整不靈活的問題,并電控模塊實現(xiàn)對待切割目標位置的調整。
然而在實際應用中發(fā)現(xiàn),幾乎當前所有的方法未對系統(tǒng)切割機器開展詳細的動力學分析,且針對切割機加速度向量的分析也不夠明確,導致其存在切割速度和精度低的不足。主要是因為相關動力學屬性會使得控制條件復雜化,為解決上述精度控制過程中存在的問題,本研究提出了基于自校正模糊控制的微細超聲加工系統(tǒng)切割精度控制方法。
在研究微細超聲加工系統(tǒng)切割精度控制過程前,本文需要對微細超聲加工系統(tǒng)開展動力學分析,獲取微細超聲加工系統(tǒng)的加速度向量,從而依據(jù)向量分析結果,建立微細超聲加工系統(tǒng)切割誤差模型。
微細超聲加工系統(tǒng)的割刀分為前后端塊i1、壓電陶瓷i2、變幅桿i3、電極片i4以及夾持件i5幾部分。不同結構的位移向量用wli表述,即表示割刀i部分在l時刻的橫坐標位置。獲取割刀各個位置的振動動力學屬性微分方程,過程如式(1)所示:
式(1)中,α表示割刀材質密度,E表示割刀材質彈性模量,c表示等效阻尼系數(shù)[4],D表示壓電常數(shù)矩陣,β矩陣權重。
基于系統(tǒng)初始條件以及建立的振動微分方程,獲取系統(tǒng)的割刀截面位移應力邊界動力學屬性約束條件,如式(2)所示:
假設微細超聲加工系統(tǒng)的割刀瞬時角速度為α,加速度為ω,依據(jù)系統(tǒng)結構分析結果獲取系統(tǒng)結構坐標矢量投影,過程如式(3)所示:
式(3)中,r1表示系統(tǒng)結構橫向坐標向量矢量,r2表示結構偏置距離坐標矢量,ra表示割刀曲柄角速度,rω表示連桿加速度,φ3、φ4表示夾角矢量,cos表示余弦夾角,sin表示正弦夾角。
由于割刀的套筒滑動桿的滑動距離較小[5],若割刀連桿與待切割目標夾角一致,可依據(jù)獲取的運動學方程,獲取割刀運動夾角,過程如式(4)所示:
式(4)中,割刀連桿與待切割目標夾角標記φ,安裝角為,近似向量標記λ。
最后,依據(jù)上述計算結果,獲取割刀連桿曲柄結構參數(shù)以及相關關系,并將其映射至η軸上,取得割刀得到加速度動力學屬性向量,過程如式(5)所示:
式(5)中,sin2φ表示割刀與目標的正弦夾角,cosφ表示割刀與目標的余弦夾角,ri表示獲取的割刀加速度矢量,v表示割刀移動速度,ε表示映射因子。
基于割刀加速度矢量,通過相關計算分析獲取微細超聲加工系統(tǒng)切割的理想運動變換,建立系統(tǒng)的切割誤差運動誤差模型,再使用模糊自校正控制算法修正系統(tǒng)切割誤差,提升系統(tǒng)切割精度,完成系統(tǒng)切割精度控制。
在上文分析的微細超聲加工系統(tǒng)中,目標與割刀之間存在運動屬性變換,基于上述計算出的割刀移動加速度向量,獲取系統(tǒng)的理想運動變換。
假設微細超聲加工系統(tǒng)割刀有若干部分,在坐標系Oi與Oj之間沿(X,Y,Z)方向移動。依據(jù)相關變換矩陣,獲取系統(tǒng)各個方向的齊次矩陣Q(x)、Q(y)、Q(z),割刀平移方向標記x、y、z。將上述獲取的各項齊次矩陣整合,取得最終的割刀理想變換模型,過程如式(6)所示:
式(6)中,Qw表示獲取的最終理想平移變換矩陣。
由于割刀移動時,不僅存在平面移動,還存在旋轉移動。因此,設定割刀旋轉坐標為Oj(xj,yj,zj),軸轉動系數(shù)標記θ、?、ρ。在割刀旋轉移動過程中,各個旋轉方向的齊次矩陣分別為Qθ、Q?、Qρ形式。在經(jīng)過參數(shù)整合后,得到理想的旋轉變換模型如式(7)所示:
式(7)中,Q表示最終的割刀旋轉最佳理想旋轉模型。
依據(jù)獲取的割刀變換關系,獲取割刀刀頭的理想末端空間位置誤差以及實際空間位置誤差,設定理想刀頭位置為d0,實際位置為d,則誤差向量如式(8)所示:
式(8)中,空間位置誤差系數(shù)在X方向的系數(shù)值標記Δx,空間位置誤差系數(shù)在Y方向的系數(shù)值標記Δy,空間位置誤差系數(shù)在Z方向的系數(shù)值標記Δz,空間位置誤差系數(shù)標記Δσ。
在此基礎上,設定割刀刀頭的坐標系位置為p=(0,0,c),齊次坐標位置用p`=(0,0,c,1),以此建立微細超聲加工系統(tǒng)的切割誤差模型,過程如式(9)所示:
式(9)中,R表示建立的切割誤差模型,T0表示末端理想位置變換矩陣,[Os]p`表示實際位置變換矩陣。
根據(jù)上述建立的系統(tǒng)切割誤差模型,計算系統(tǒng)割刀的末端切割誤差,過程如式(10)所示:
式(10)中,e表示刀頭末端切割誤差,Ps表示刀頭實際位置,Pl表示刀頭理想位置,f表示逼近函數(shù)。
以前兩個章節(jié)的計算結果為基礎,設定微細超聲加工系統(tǒng)的待控制對象為d(u),獲取過程以及選定的控制算法如式(11)所示:
式(11)中,r表示待切割對象得到輸入數(shù)據(jù)值,d表示輸出數(shù)據(jù),γ表示系統(tǒng)控制輸入值。
依據(jù)上述確定的控制算法獲取微細超聲加工系統(tǒng)的模糊自校正約束規(guī)則,結果如式(12)所示:
式(12)中,δ表示模糊自校正規(guī)則,Ei表示輸入動力學向量,E`i表示中心向量,r表示輸入?yún)^(qū)域半徑,y表示校正規(guī)則的模糊輸出,c表示自校正規(guī)則數(shù)量,κ表示模糊校正系數(shù),c表示常數(shù)系數(shù)。
為將精度控制問題簡化,使用非零函數(shù)以及獲取的校正規(guī)則,完成系統(tǒng)割刀的誤差校正,實現(xiàn)微細超聲加工系統(tǒng)的切割精度控制。具體的微細超聲加工系統(tǒng)的切割精度控制流程如下:
步驟1:基于系統(tǒng)的動力學分析結果,獲取系統(tǒng)的加速度向量。
步驟2:依據(jù)系統(tǒng)的理想運動變換,建立系統(tǒng)切割空間誤差數(shù)學模型,完成切割誤差的獲取。
步驟3:最后通過迷糊自校正規(guī)則校正割刀位置誤差,提高切割精度,完成系統(tǒng)的切割精度控制。
為了驗證上述設計的微細超聲加工系統(tǒng)切割精度控制方法的整體有效性,設計如下測試過程。實驗場景如圖1所示。
圖1 實驗場景圖
實驗中應用的是全自動雙面微細超聲切割設備,設備參數(shù)如下:切割寬度:4mm~1580mm;可切直徑:250mm~500mm;安裝割刀:Φ250~500mm;額定電壓:220V/380V;機身尺寸:2800×1500×1500mm。控制算法以單片機拷入形式實現(xiàn)。
為避免實驗結果的單一性,分別采用本文的微細超聲加工系統(tǒng)切割精度控制方法(本文方法)、文獻[2]方法、文獻[3]方法開展對比測試。
在實驗驗證中,微細超聲加工系統(tǒng)控制速度的高低、能耗的大小以及控制精準度的優(yōu)劣,都是檢測控制方法控制性能的重要檢測指標。為此,采用本文方法、文獻[3]方法以及文獻[4]方法實施精度控制時,依據(jù)上述指標測試控制方法的控制性能。
實驗1:檢測應用不同方法控制后的切割速度
在控制系統(tǒng)切割精度時,切割速度的高低會影響切割效果。設定不同的待切割目標材料厚度,采用本文方法、文獻[2]方法實施精度控制時,對兩種方法的切割速度展開測試。切割速度越快,證明切割效率越高。測試結果如圖2所示。
圖2 不同方法的切割速度測試結果
分析圖2所示的測試數(shù)據(jù)可知,待切割板材厚度不同能夠影響系統(tǒng)的切割速度,待切割板材厚度越大,測試出的切割速度越低。應用本文方法控制后,微細超聲加工系統(tǒng)的切割速度高于應用文獻[2]方法控制后的切割速度測試結果。這主要是因為本文方法實施切割精度控制前,對切割系統(tǒng)開展了詳細的動力學分析,所以本文方法在完成切割任務時的切割速度高。
實驗2:檢測應用不同方法控制后的切割能耗
在開展系統(tǒng)精度控制時,系統(tǒng)工具的能耗同樣能夠影響系統(tǒng)的控制精度。選取控制目標尺寸、振幅為控制能耗測試指標,以此測試不同控制方法的控制能耗。測試結果如圖3、圖4所示。
圖4 不同工件尺寸下控制方法的控制能耗測試結果
依據(jù)圖3所示結果可知,待控制目標的工件振幅越高,所測試出的控制能耗就越大。本文方法在工件振幅為40·10-5/min前,測試出的能耗未發(fā)生變化,直至工件振幅大于40·10-5/min后,測試結果逐漸增大。從整體來看,文獻[2]方法與文獻[3]方法的切割能耗測試結果遠高于本文方法。
依據(jù)圖4所示結果可知,隨著控制工件尺寸的不斷增大,所耗費的功耗隨之增多。本文方法雖然會隨著工件尺寸的增加而提高控制能耗,但是測試結果依舊低于其他兩種方法的控制能耗測試結果。
由此可知,本文方法在實施系統(tǒng)精度控制時,能夠有效降低系統(tǒng)的控制能耗,證明該方法存在有效性。
實驗3:檢測應用不同方法控制后的控制精度測試
設置理想的控制誤差區(qū)域為[-0.5,0.5]mm,分別采用本文方法、文獻[2]方法以及文獻[3]方法實施精度控制后,測試三種控制方法的控制精度,結果如表1所示。
表1 不同控制方法的控制精度測試結果
分析表1所示的測試數(shù)據(jù)可知,隨著測試次數(shù)的增加,三種控制方法誤差測試結果均呈現(xiàn)不同程度的上升趨勢。本文方法測試結果低于文獻[2]方法以及文獻[3]方法的控制誤差測試結果,可由此證明本文方法的控制精度更高。
綜上所述,本文方法在開展切割精度控制時,切割速度快、控制能耗低、控制精度高,證明本文方法控制效果更好。
隨著我國工業(yè)的高速發(fā)展,微細零件生產(chǎn)產(chǎn)量逐年增加。微細超聲加工系統(tǒng)的出現(xiàn)更是提升了零件的切割效率。因此,針對傳統(tǒng)系統(tǒng)切割精度控制方法中存在的問題,本研究提出了一種考慮動力學屬性和自校正模糊控制的,微細超聲加工系統(tǒng)切割精度控制方法。
該方法依據(jù)獲取的系統(tǒng)割刀加速度向量建立割刀位置誤差檢測模型;并使用模糊自校正控制方法對檢測出的誤差實施校正修復;最后基于校正結果完成微細超聲加工系統(tǒng)的切割精度控制。該方法由于在建立誤差模型時存在些許缺陷,今后會針對該項問題,繼續(xù)對該控制方法實施優(yōu)化處理,直至方法完善。