三維橢圓振動切削系統模糊自適應滑?？刂品治?/h1>
2020-11-30 09:01:26顧鈺涵彭亦茹孫佳怡陳語婷
科技風 2020年30期
顧鈺涵 彭亦茹 孫佳怡 陳語婷
摘 要：現階段社會上的專家和學者普遍認為三維橢圓振動切屑是最具有發展潛力的一種切割技術，但是在進行機械加工的過程中，仍然有著控制問題還沒有得到良好的解決，尤其是在加工環節會受到嚴重的外界干擾。為此本文為了有效的解決在使用三維橢圓振動切削過程中的問題，從而實現出良好控制效果，進行系統的自適應滑?？刂品治?，以此提升切割的高質量性。
關鍵詞：三維橢圓;震動切削;模糊自適應;滑膜控制
現今社會隨著發展和變革，使人們在生產制造過程中對一些精密的零件有著越來越高的需求，利用傳統的機械加工手段已經無法滿足人們多余精度的需求，需要利用更加先進的切削技術來進行機械加工制造。為此，三維橢圓振動切屑技術應運而生，幫助人們進行高效率的機械加工制造。
1 三維橢圓振動切屑技術
現階段由于人們對于產品制造的要求更高，需要進行更加精密的制造，才能滿足其需求，而三維橢圓振動切屑因擁有的諸多方面優勢得到了廣泛的使用，其技術類型可以在進行加工過程中有效的降低切削力，同時延長刀具的使用壽命，還能夠進一步的提升加工的精度。但是在擁有諸多優勢的時候，當在進行復雜曲面進行加工的過程中，其橢圓振動切削也有著明顯的缺陷，例如其切削技術只能夠存在在二維的平面之上，并不適用于加工的曲面，并且之后生成的橢圓能夠進行參數調整的參數很少等諸多問題。
對于進行橢圓振動切削控制方法來說，僅僅有著少數的研究方向和學術報告，其中shamoto所提出的橢圓振動切削超聲橢圓控制器，其主要的試驗目的就是為了可以盡可能的進行運動軸串擾的消除，以此提升切削的精密度。
2 三維橢圓振動切屑理論基礎
在shamoto所提出的理論基礎之上，有了三維橢圓振動切削理論的產生，在日本著名的大學中研究出了一種新的共振型設備，是一種三維橢圓振動切削設備。其設備在使用過程中是利用刀桿的橫向和縱向振動，從而推動刀具進行三維橢圓運動，并形成清晰的運動軌跡，在面對較為復雜的曲面切削過程中，仍然具有較強的操作性，擁有極高的適應性，但是在該設備的控制方面還沒有詳細的報道，為此本文針對這種技術基礎，來進行非共振三維橢圓振動切削裝置進行分析。
3 滑?？刂?/p>
本文所分析的設備擁有著四個壓電，并利用疊堆平行放置的方式作為主要的驅動裝置，以此進行柔性鉸鏈的生成，采用金剛石材質的刀尖運動，形成三維橢圓運動的軌跡。在試驗的過程中，需要利用PID的控制方式來應對外界環境產生的干擾因素?，F階段社會上對于三維橢圓振動切削控制方式的實際研究并不多，有著較多的不確定性和未知性，同時也有著諸多方面沒有得到良好的解決，同時在加工過程中，外界的影響會對加工的精度產生較為明顯的干擾，為此需要進行相關領域的研究，研究出一種有效的方法來消除外界的干擾，形成有效的控制方法。在進行滑?？刂茣r，可以利用其對不確定性以及對干擾的魯棒性來解決外界的干擾。
現階段在三維橢圓振動切削系統中，進行滑?？刂撇]有多少研究成果，并且應用滑膜控制有著較為明顯的缺陷，控制當中有著明顯的抖振問題，為此需要針對這種問題采取有效的解決措施來消除控制過程中的抖振，例如進行自適應滑模控制、高階滑模控制、模糊滑?？刂频确绞健?/p>
而本文主要是從三維橢圓振動切削系統的模糊自適應滑膜控制的方面進行分析，首先針對不同的驅動之間的串擾情況進行分析，同時針對三維橢圓振動切削系統的特征來對柔性鉸鏈來進行簡化分析，以此建構出三維橢圓振動切削系統的動力學模型，設計出具有合理性的滑模函數和控制率。
4 建立三維橢圓振動切削系統的模型
首先對研發出的三維橢圓振動切削裝置來進行切削系統模型的構建。其具體的裝置為圖1所示，這樣的三維橢圓振動切削裝置在結構上，主要由這四個驅動設置，都是壓電疊堆驅動，并通過平行放置來進行信息的控制，以此推動設備中的柔性鉸鏈進行運動，而在刀具的選擇上采用金剛石材料，經過柔性鉸鏈的驅動作用于金剛石的刀尖，使其進行高頻的運動，形成三維橢圓軌跡，并且還可以依據裝置安裝在機床中的具體坐標系進行合理的劃分，使四個不同的壓電疊堆驅動都可以分布到坐標系當中，由其中的一個回拉鉸鏈來避免整體平面在Z向的平面上進行運動。在進行驅動的壓電疊堆過程中，需要將螺栓應用到壓電疊堆槽當中，并且利用較高精度的電容傳感器進行位移的測定。
在進行壓電疊堆驅動的設置過程中，由于驅動之間會有著一定的相位差控制信號，同時在二者之間有著較小的串擾值，在X+的方向上來看，其壓電疊堆上，會出現一個振幅為4μm的正弦信號值，并且在X-方向，對其柔性鉸鏈進行位移量的檢測過程中，其串擾值都在2%以下，因此可以將研發出的三維橢圓振動切削裝置當作是四種單輸入和輸出的控制系統。
設備中的四個不同的壓電疊堆，可呈現出每兩個對稱的空間類型，為此，也同樣可以利用相同的方式進行建模計算，在本文中，主要是對X-方向來進行系統模型的搭建。
同時在對三維橢圓振動切削裝置的X-方向上的動力模型的建立可以得知，其F為壓電疊堆驅動的實際驅動力，而Z則表示為四個驅動中柔性鉸鏈所發生的實際位移距離，公式中的m為柔性鉸鏈的等效質量，其中壓電疊堆驅動的等效阻尼則用c進行表示，以此形成三維橢圓振動切削裝置的動力學模型。
5 仿真分析
在進行三維橢圓振動切削的動力學建模以及控制器的相關設計之后，還需要進行控制系統的驗證工作。為此需要對實驗中的相關設備進行合理性驗證，同時也需要對模擬控制器進行選擇，并且保障能夠與模擬控制器進行有效的連接。對于控制器的仿真程序需要進行合理的編輯，從而將其轉化成可以快速被模擬控制器進行識別的程序系統。并且之后還需要進行數據的選取和數據信息的出入工作，從而經過嚴謹的科學實驗，驗證出三維橢圓振動切削系統模糊自適應滑?？刂频男阅?。
5.1 模糊自適應設計
有關人員需要進行模糊自適應滑?？刂频南嚓P設計，其具體的步驟為以下過程：
（1）設計滑模函數值;
（2）進行模糊滑模的控制律相關設計。
5.2 模擬控制器
在之后還需要進行模擬控制器的選擇，本文在實驗中選擇由美國制造的NI實時模擬控制器，這種設備具有良好的檢測效能，可以提供多種先進的功能。以便試驗人員進行控制器的檢測。
5.3 實驗臺的搭建
有關人員需要進行實驗臺的搭建，其試驗臺主要由位移傳感器、功率放大器、NI控制器以及三維橢圓振動切削裝置組成。
5.4 試驗分析
在經過嚴謹的試驗之后，通過試驗的結果可以發現，利用模糊自適應滑模控制可以有效的解決抑制抖振的相關問題，從而保障控制的相關對象能夠利用位移信號進行相對平穩的位移，保障系統中的控制律相對穩定。在仿真試驗過程中，充分表面利用模糊自適應滑?？刂七^程中可以起到積極作用。圖2為三維橢圓振動切削系統模糊自適應滑?？刂频奈灰聘櫋?/p>
通過上圖可以發現，在利用該模糊自適應下，其滑膜控制可以有效的改善出現的抖振現象，使其可以讓對象在相對平穩的方式來按照位移信號進行移動，同時需要注意的是，在逼近的起始階段中，其存在著一定的誤差，但是很快這個誤差便會消失，為此需要對其仿真試驗過程中進行相關數值的優化，從而讓設計出來的控制律可以保障系統的穩定性。
而在對三維橢圓的振動切削系統進行分析的過程中，建立起來的X軸正方向方向的柔性鉸鏈模型，能夠在極短的時間內變得平穩，這樣的現象也出現在了模糊自適應滑摸控制當中，因此不會受到外界環境的影響，具有明顯的魯棒性。
6 結語
綜上所述，三維橢圓振動切削技術是一種具有良好發展前景的機械加工方法，但是現階段對于該技術的研究還不夠充足，需要受到社會各界人士的廣泛重視，這樣才可以在未來不斷能促進該項技術的發展和創新，有效解決其中存在的各種問題。
參考文獻：
[1]張毫杰，盧明明，韓金國，等.三維橢圓振動切削系統RBF自適應滑模控制器的設計[J].機械制造，2016，54（06）：74-76.
[2]張毫杰.三維橢圓振動切削系統建模及其控制的研究[D].長春工業大學，2016.
顧鈺涵 彭亦茹 孫佳怡 陳語婷
摘 要：現階段社會上的專家和學者普遍認為三維橢圓振動切屑是最具有發展潛力的一種切割技術，但是在進行機械加工的過程中，仍然有著控制問題還沒有得到良好的解決，尤其是在加工環節會受到嚴重的外界干擾。為此本文為了有效的解決在使用三維橢圓振動切削過程中的問題，從而實現出良好控制效果，進行系統的自適應滑?？刂品治?，以此提升切割的高質量性。
關鍵詞：三維橢圓;震動切削;模糊自適應;滑膜控制
現今社會隨著發展和變革，使人們在生產制造過程中對一些精密的零件有著越來越高的需求，利用傳統的機械加工手段已經無法滿足人們多余精度的需求，需要利用更加先進的切削技術來進行機械加工制造。為此，三維橢圓振動切屑技術應運而生，幫助人們進行高效率的機械加工制造。
1 三維橢圓振動切屑技術
現階段由于人們對于產品制造的要求更高，需要進行更加精密的制造，才能滿足其需求，而三維橢圓振動切屑因擁有的諸多方面優勢得到了廣泛的使用，其技術類型可以在進行加工過程中有效的降低切削力，同時延長刀具的使用壽命，還能夠進一步的提升加工的精度。但是在擁有諸多優勢的時候，當在進行復雜曲面進行加工的過程中，其橢圓振動切削也有著明顯的缺陷，例如其切削技術只能夠存在在二維的平面之上，并不適用于加工的曲面，并且之后生成的橢圓能夠進行參數調整的參數很少等諸多問題。
對于進行橢圓振動切削控制方法來說，僅僅有著少數的研究方向和學術報告，其中shamoto所提出的橢圓振動切削超聲橢圓控制器，其主要的試驗目的就是為了可以盡可能的進行運動軸串擾的消除，以此提升切削的精密度。
2 三維橢圓振動切屑理論基礎
在shamoto所提出的理論基礎之上，有了三維橢圓振動切削理論的產生，在日本著名的大學中研究出了一種新的共振型設備，是一種三維橢圓振動切削設備。其設備在使用過程中是利用刀桿的橫向和縱向振動，從而推動刀具進行三維橢圓運動，并形成清晰的運動軌跡，在面對較為復雜的曲面切削過程中，仍然具有較強的操作性，擁有極高的適應性，但是在該設備的控制方面還沒有詳細的報道，為此本文針對這種技術基礎，來進行非共振三維橢圓振動切削裝置進行分析。
3 滑?？刂?/p>
本文所分析的設備擁有著四個壓電，并利用疊堆平行放置的方式作為主要的驅動裝置，以此進行柔性鉸鏈的生成，采用金剛石材質的刀尖運動，形成三維橢圓運動的軌跡。在試驗的過程中，需要利用PID的控制方式來應對外界環境產生的干擾因素?，F階段社會上對于三維橢圓振動切削控制方式的實際研究并不多，有著較多的不確定性和未知性，同時也有著諸多方面沒有得到良好的解決，同時在加工過程中，外界的影響會對加工的精度產生較為明顯的干擾，為此需要進行相關領域的研究，研究出一種有效的方法來消除外界的干擾，形成有效的控制方法。在進行滑?？刂茣r，可以利用其對不確定性以及對干擾的魯棒性來解決外界的干擾。
現階段在三維橢圓振動切削系統中，進行滑?？刂撇]有多少研究成果，并且應用滑膜控制有著較為明顯的缺陷，控制當中有著明顯的抖振問題，為此需要針對這種問題采取有效的解決措施來消除控制過程中的抖振，例如進行自適應滑模控制、高階滑模控制、模糊滑?？刂频确绞健?/p>
而本文主要是從三維橢圓振動切削系統的模糊自適應滑膜控制的方面進行分析，首先針對不同的驅動之間的串擾情況進行分析，同時針對三維橢圓振動切削系統的特征來對柔性鉸鏈來進行簡化分析，以此建構出三維橢圓振動切削系統的動力學模型，設計出具有合理性的滑模函數和控制率。
4 建立三維橢圓振動切削系統的模型
首先對研發出的三維橢圓振動切削裝置來進行切削系統模型的構建。其具體的裝置為圖1所示，這樣的三維橢圓振動切削裝置在結構上，主要由這四個驅動設置，都是壓電疊堆驅動，并通過平行放置來進行信息的控制，以此推動設備中的柔性鉸鏈進行運動，而在刀具的選擇上采用金剛石材料，經過柔性鉸鏈的驅動作用于金剛石的刀尖，使其進行高頻的運動，形成三維橢圓軌跡，并且還可以依據裝置安裝在機床中的具體坐標系進行合理的劃分，使四個不同的壓電疊堆驅動都可以分布到坐標系當中，由其中的一個回拉鉸鏈來避免整體平面在Z向的平面上進行運動。在進行驅動的壓電疊堆過程中，需要將螺栓應用到壓電疊堆槽當中，并且利用較高精度的電容傳感器進行位移的測定。
在進行壓電疊堆驅動的設置過程中，由于驅動之間會有著一定的相位差控制信號，同時在二者之間有著較小的串擾值，在X+的方向上來看，其壓電疊堆上，會出現一個振幅為4μm的正弦信號值，并且在X-方向，對其柔性鉸鏈進行位移量的檢測過程中，其串擾值都在2%以下，因此可以將研發出的三維橢圓振動切削裝置當作是四種單輸入和輸出的控制系統。
設備中的四個不同的壓電疊堆，可呈現出每兩個對稱的空間類型，為此，也同樣可以利用相同的方式進行建模計算，在本文中，主要是對X-方向來進行系統模型的搭建。
同時在對三維橢圓振動切削裝置的X-方向上的動力模型的建立可以得知，其F為壓電疊堆驅動的實際驅動力，而Z則表示為四個驅動中柔性鉸鏈所發生的實際位移距離，公式中的m為柔性鉸鏈的等效質量，其中壓電疊堆驅動的等效阻尼則用c進行表示，以此形成三維橢圓振動切削裝置的動力學模型。
5 仿真分析
在進行三維橢圓振動切削的動力學建模以及控制器的相關設計之后，還需要進行控制系統的驗證工作。為此需要對實驗中的相關設備進行合理性驗證，同時也需要對模擬控制器進行選擇，并且保障能夠與模擬控制器進行有效的連接。對于控制器的仿真程序需要進行合理的編輯，從而將其轉化成可以快速被模擬控制器進行識別的程序系統。并且之后還需要進行數據的選取和數據信息的出入工作，從而經過嚴謹的科學實驗，驗證出三維橢圓振動切削系統模糊自適應滑?？刂频男阅?。
5.1 模糊自適應設計
有關人員需要進行模糊自適應滑?？刂频南嚓P設計，其具體的步驟為以下過程：
（1）設計滑模函數值;
（2）進行模糊滑模的控制律相關設計。
5.2 模擬控制器
在之后還需要進行模擬控制器的選擇，本文在實驗中選擇由美國制造的NI實時模擬控制器，這種設備具有良好的檢測效能，可以提供多種先進的功能。以便試驗人員進行控制器的檢測。
5.3 實驗臺的搭建
有關人員需要進行實驗臺的搭建，其試驗臺主要由位移傳感器、功率放大器、NI控制器以及三維橢圓振動切削裝置組成。
5.4 試驗分析
在經過嚴謹的試驗之后，通過試驗的結果可以發現，利用模糊自適應滑模控制可以有效的解決抑制抖振的相關問題，從而保障控制的相關對象能夠利用位移信號進行相對平穩的位移，保障系統中的控制律相對穩定。在仿真試驗過程中，充分表面利用模糊自適應滑?？刂七^程中可以起到積極作用。圖2為三維橢圓振動切削系統模糊自適應滑?？刂频奈灰聘櫋?/p>
通過上圖可以發現，在利用該模糊自適應下，其滑膜控制可以有效的改善出現的抖振現象，使其可以讓對象在相對平穩的方式來按照位移信號進行移動，同時需要注意的是，在逼近的起始階段中，其存在著一定的誤差，但是很快這個誤差便會消失，為此需要對其仿真試驗過程中進行相關數值的優化，從而讓設計出來的控制律可以保障系統的穩定性。
而在對三維橢圓的振動切削系統進行分析的過程中，建立起來的X軸正方向方向的柔性鉸鏈模型，能夠在極短的時間內變得平穩，這樣的現象也出現在了模糊自適應滑摸控制當中，因此不會受到外界環境的影響，具有明顯的魯棒性。
6 結語
綜上所述，三維橢圓振動切削技術是一種具有良好發展前景的機械加工方法，但是現階段對于該技術的研究還不夠充足，需要受到社會各界人士的廣泛重視，這樣才可以在未來不斷能促進該項技術的發展和創新，有效解決其中存在的各種問題。
參考文獻：
[1]張毫杰，盧明明，韓金國，等.三維橢圓振動切削系統RBF自適應滑模控制器的設計[J].機械制造，2016，54（06）：74-76.
[2]張毫杰.三維橢圓振動切削系統建模及其控制的研究[D].長春工業大學，2016.
