光柵刻劃刀具刃磨振動控制

馬海濤, 王珊珊, 吉日嘎蘭圖,張赫鳴, 倪留強

(1.長春工業大學 電氣與電子工程學院， 吉林 長春 130012;2.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所, 吉林 長春 130033)

光柵刻劃刀具刃磨振動控制

馬海濤1, 王珊珊1, 吉日嘎蘭圖2*,張赫鳴1, 倪留強1

(1.長春工業大學 電氣與電子工程學院， 吉林 長春 130012;2.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所, 吉林 長春 130033)

將刀具振動信號作為表征刃磨過程故障特征信號，采用串級控制方法，通過在線調整刀具向磨盤施加的研磨載荷大小來減小刃磨過程刀具的振動。仿真結果表明,刀具振動可以實時控制，減小了刃磨過程刀具的振動。

光柵刻劃刀； 刃磨； 振動； 串級控制

0 引 言

天然金剛石具有硬度高、耐磨性好、摩擦因子低等優良特征，可刃磨出極高的刃口鋒銳度、刃口圓輪廓度，因此，現行的光柵刻劃刀具采用的材質是天然金剛石，但天然金剛石具有質脆、易崩裂、高溫下易產生熱化學磨損和擴散磨損等特殊的物理化學特性,給金剛石刀具的精密研磨帶來一定困難。機械刃磨機理可以看出，不合理的工藝參數可能導致刀具在刃磨過程中主要以微小裂紋的脆性斷裂方式去除材料，從而影響刀具刃磨質量。刀具研磨的工藝經驗表明，在光柵刻劃刀具刃磨過程中，刃磨設備和刀具都會產生一些重要信號，如力、振動、聲音、溫度等，它們在一定程度上反映了刀具刃磨過程的特征，尤其是刃磨過程中刀具的振動，會使刃磨的刀具和磨盤之間產生多余的相對運動，這種相對運動會直接影響刀具的鋒銳度和表面光潔度。因此，監測刃磨過程中刀具的振動并將這種振動控制在一定范圍內，對提高刀具刃磨質量意義重大[1]。

1 影響光柵刻劃刀具刃磨質量的相關工藝參數

由于金剛石晶體的獨特性質，使得金剛石刀具刃磨工藝與其他一般刀具刃磨工藝有很大的區別，在金剛石刀具刃磨過程中，造成刀具刃口直徑變大的工藝參數有：力的大小、晶面角度、線速度、金剛石顆粒大小等[2]，對刀具刃磨影響分析如下：

1)在金剛石刀具研磨進行時，刀具與磨盤之間的刃磨壓力對刀具質量有很大影響，提高刃磨壓力，將使刃磨質量變好，刃磨時間也短，可是一般條件下，壓力也不能太大，壓力太大，會形成很高的磨削熱，使刀具的刀面上產生裂紋、崩口等。反之，若壓力太小，磨盤與刀具刃磨面中間可能相互嵌入不夠嚴實，因而形成振顫，影響刃磨精度。經驗表明：磨盤與刀具之間的作用力刃磨時大概是9～12 N，細化研磨相互之間的作用力大概是5～7 N；而且當金剛石刀具細磨進行時，需觀察刀具進給的大小。

2)刃磨方向定為金剛石晶體容易研磨的角度。不在易磨角度的晶面研磨，會讓脆塑變化中間研磨長度變小，使金剛石表層材料被直接磨削，會直接影響刃磨質量，并產生如崩口等缺陷，浪費資源[3]。

3)想要磨出上好質量的金剛石刀具，同時又花費時間短，就得不斷加大線刃磨速率，通常主要是拓寬研磨盤或加大砂輪的直徑，加快磨盤速率也能加大線刃磨速率。假設沒有節制的拓展磨盤直徑就會讓刃磨裝置重量變得很重，使刃磨裝置拆卸困難，除此之外，在刃磨開始或結束時，磨擦阻力會變得超大；若加大磨盤速度，就會產生振動，導致振動不平衡可讓刀具損壞，進而損壞裝置；假設同時加大磨盤半徑、加快磨盤速率，那么磨盤的離心力自然很大，這樣研磨盤或砂輪就容易分解掉。因為不可改變的因素制約，線速度的加大不是任意的，參數選定需有依據。

4)雖然金剛石顆粒大的細小粉能使研磨質量變好，研磨速率變快，可是會讓刀具直徑和刀具的粗糙度值變粗糙，因而在粗磨時用顆粒大的金剛石細粉，在細化研磨時用小顆粒的金剛石細末。

2 影響刀具刃磨振動的相關擾動

2.1 研磨盤端面跳動對刀具振動影響

研磨盤端跳會讓金剛石刀具刀面受到一定周期的力的沖擊作用，端跳抖動的越厲害，說明周期沖擊力的作用越大，使刀具的振動幅度也變大。大的沖擊力會讓磨盤磨粒與刀具研磨面之間的相互接觸受到影響，從而影響刀具的研磨質量，最嚴重的后果是使金剛石晶體的表面結構產生解體，出現刀具刃口斷裂等損害刀具的情況；同樣，因為磨盤端面跳動的存在，磨盤表面的研磨顆粒和刃磨刀具的相互之間的摩擦力也會隨著端跳而變化，導致磨盤不同部位的磨粒磨損程度以及與刀具的接觸機會都不一樣，這樣帶來的后果是研磨盤表面磨粒不能被完全使用，造成資源的浪費。

2.2 磨盤與刀具之間相互作用力的大小對刀具振動影響

磨盤與刀具之間相互作用力的大小對刀具的振動影響也非常大，隨著施載端重塊質量的變大，刀具振動有變小的趨勢，可是卻不能無限制的加大重塊質量，因為加大重塊的質量，會使磨盤的壽命退化很嚴重。刀具施載力的大小變化除了讓刀具研磨效率降低，還造成系統振動的不穩定，進而使刀具與磨盤表面的研磨顆粒接觸不良，使刀具研磨質量降低[4]。

2.3 磨盤表面顆粒涂抹的不均勻對刀具振動影響

刀具在研磨進行中，因磨盤表面顆粒涂抹的不均勻,致使它與刀具刃磨面的表面接觸是不斷變化的，造成的影響是磨盤與刀具表面之間的摩擦力波動幅度變大，進而影響磨盤表面振動，使刀具刃磨質量變差[5]。

3 刃磨振動控制方法

以上分析可知，光柵刻劃刀具刃磨過程受諸多工藝參數及干擾因素的影響，是一個較復雜的控制過程，而刀具刃磨過程對參數的控制要求較高，不允許存在較大的超調量及調節時間等問題，因此提出采用串級控制方法，串級控制即雙回路控制，通過兩個調節器相互配合，主調節器的功能是消除內環以外的干擾，且保持控制量的值一定，副調節器可迅速抵消落在內環的干擾，除了抵消內環的干擾外，還提高了整個控制對象的工作頻率，縮短了中間過程，針對砂輪對研磨面的作用力這一干擾，內環采用PID控制算法控制刀具向磨盤施加的研磨載荷大小，提前消除干擾對刀具振動信號的影響；針對研磨盤不平衡產生的機床振動、磨盤磨粒不均勻及進給裝置在進給時對刀具振動信號的影響等干擾，外環采用自動搜索尋優算法以減少刀具在刃磨過程中的振動，串級控制系統組成框圖如圖1所示[6]。

圖1 串級控制系統組成框圖

3.1 PID控制

PID控制，也就是比例積分微分控制已完全融入到工業控制中，在自動化技術迅速發展的今天，工控過程中，97%以上的控制系統都具有比例積分微分結構，而且許多高端控制都離不開比例積分微分控制。比例積分微分控制器由比例單元、積分單元和微分單元組成，它的基本理論很容易理解，最基本的PID原理見下式：

PID控制使用范圍廣且靈活，應用已經很成熟，控制簡單，只要對KP、KI、KD三個參數控制。比例積分微分相比其它控制方法，優點很明顯：

1)原理易懂且易上手。根據實際控制中的情況，3個參數可實時整定。

2)應用廣泛且靈活。PID控制器很早就面向社會，當今最先進的過程控制PC機仍在使用PID控制。PID應用范圍廣，非線性或時變的工控過程經過適當簡化后，也可以進行比例積分微分控制。

3)可控性強。控制對象性質改變對其控制效果影響甚微。但不可否認PID也有其固有的缺點。它在控制非線性、時變、耦合等復雜過程領域的控制效果一般。最主要的是PID控制器控制不了復雜過程，不管怎么調節參數，收效甚微。

3.2 自動搜索尋優控制

自動搜索尋優的一種典型模型如圖2所示。

圖2 自動搜索尋優控制系統

控制對象為線性和非線性環節[7]，其中非線性環節具有極值特性。假設z(t)可測量，u(t)可控，尋優指標定為z(t)取最大值。調節器可通過z(t)來控制u(t)，使z(t)輸出結果取最大值。

自動搜索尋優理論基礎是運用控制對象的極值特征或其它非線性相對于動態的特征，用變化信號輸入不斷嘗試和自動搜索它對整個控制系統反響，定位系統所需的參數，最終達到所要求的目標[8]。

自動搜索尋優控制系統的特點是：

1)不需要系統的精確模型，只要知道系統中存在非線性的控制對象。

2)不需要系統給定值，而是通過自身的自動搜索尋找使系統運行的最優工作點，所以它不同于普通的反饋控制。

3)自動搜索尋優系統所尋找的被控量最優值不固定，是依據現實應用中的情況，由自動搜索尋優控制器在追求使系統穩定過程中不斷測量、計算、定位得到的。

4)自動搜索尋優對于對象性能變化具有自動適應的能力[9]。

4 控制系統仿真分析

由于內環負責對控制對象進行初步調節，外環用來對控制對象進行進一步的精細調節。根據控制器的選型原理，內環選擇了比例積分微分調節器。在主環中采用自動搜索尋優調節器。先對內環PID調節器進行調節，再對外環主控制器進行自動搜索尋優的微調，一直調節進行到將刃磨振動控制在一個比較低的水準。全部調節過程通過SIMULINK環境仿真實現。

內環控制器的傳遞函數:

(1)

K=2.079 2×105,

Tw=9.111,

TZ=-0.018 082

PID的調節參數P為0.001，I為0.15，D為200，通過Matlab中SIMULINK環境中的仿真軟件搭建的串級控制系統模型如圖3所示。

圖3 串級控制系統SIMULINK模型圖

在串級控制系統的輸入端輸入單位階躍信號，在副回路增加單位階躍擾動，主回路也增加單位階躍干擾。

仿真結果如圖4所示。

圖4 串級控制系統仿真圖

很明顯，采用串級控制方法控制光柵刻劃刀具刃磨過程的振動。仿真結果表明，過渡過程非常平穩，超調量為零，曲線的波動不大，穩定性較好，可以滿足光柵刻化刀具刃磨的要求。

5 結 語

結合刀具刃磨振動具體工藝，給出了一種刀具刃磨振動串級控制方法，通過在線實時調整刀具向磨盤施加的研磨載荷大小，進而調整刀具的振動，內環采用PID算法控制刀具向磨盤施加的研磨載荷大小，外環采用自動搜索尋優算法控制刀具的振動，最后完成了刀具刃磨振動串級控制方法的仿真分析，證明了該控制方法的可行性。

[1] 吉日嘎蘭圖.光柵刻刀結構設計與刃口取向方法研究[D].長春:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,2011.

[2] 李增強.圓弧刃金剛石刀具刀尖圓弧的機械研磨及其檢測技術[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2008.

[3] 宗文俊.高精度金剛石刀具的機械刃磨技術及其切削性能優化研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2008.

[4] 金志樑.圓弧刀研磨力變化模型分析與控制技術研究[D].長春:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,2013.

[5] 張建民,徐小力,許寶杰,等.面向機電系統狀態監測與故障診斷的現代技術[J].北京理工大學學報,2004,24(9):751-756.

[6] 倪留強.光柵刻劃刀具刃磨振動在線監測及控制技術研究[D].長春:長春工業大學，2016.

[7] Wang Qian, Stenge R F. Robust control of nonlinear system with parametric uncertainty[J]. A Utomatica,2002,38(9):1591-1599.

[8] 馬海濤，尤文，賈文超,等.一種基于重塊平衡原理的砂輪動平衡系統建模方法[J].長春工業大學學報:自然科學版，2006,27(1):21-23.

[9] 顏認，馬玫，陳小丹，等.單晶金剛石刀具機械刃磨技術進展[J].工具技術，2016,50(9):8-11.

Grating ruling tool cutter grinding vibration control

MA Haitao1, WANG Shanshan1, Jirigalantu2*,ZHANG Heming1, NI Liuqiang1

(1.School of Electrical & Electronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China;2.Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033， China)

Cutting tool vibration is taken as the fault characteristic signal of the grinding process. With cascade control, the milling load output to the mill by the cutting tool is adjusted in real time in the grinding process. Simulation results show that the tool vibration can be checked and cutting precision is improved.

grating ruling tool； cutter grinding； vibration； cascade control.

2016-05-25

吉林省科技發展計劃基金資助項目(20140204075GX)

馬海濤(1977-)，女，漢族，吉林德惠人，長春工業大學副教授，博士，主要從事智能儀器與智能控制方向研究,E-mail:850917145@qq.com. *通訊作者：吉日嘎蘭圖(1977-)，男，蒙古族，內蒙古白旗人，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所副研究員，博士，主要從事光柵刻劃刀具和微細加工技術及設備研究,E-mail:59984425@qq.com.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.6.07

TP 273

A

1674-1374(2016)06-0550-05