超聲磨削模糊自適應加工系統設計

柳揚，謝鷗，黃開明

（蘇州科技大學機械工程學院，江蘇蘇州215009）

設計技術

超聲磨削模糊自適應加工系統設計

柳揚，謝鷗，黃開明

（蘇州科技大學機械工程學院，江蘇蘇州215009）

為了實現恒負載超聲磨削加工，以超聲磨削系統的加載功率為約束條件，采用模糊智能控制方法實現磨削進給速率的在線調整。建立了超聲磨削系統等效電路模型，分析了磨削負載與加載功率的關系；并設計模糊控制系統，包括隸屬度函數、控制規則等；實驗驗證表明所設計的智能控制系統具有較好的穩定性和魯棒性，能有效提高磨削加工質量和效率。

超聲磨削；負載；自適應；模糊控制

工程陶瓷、硅、石英玻璃等材料因其優良的物理和化學性能，被廣泛應用于航空航天、精密機械、發動機等領域，對其加工表面質量的要求也越來越高。但由于這些材料硬、脆的材料特性，很難用傳統的加工方法進行加工[1]。超聲磨削是由超聲加工和普通磨削加工復合而成的新型加工方法，具有切削力小、工具磨損少、切削發熱低以及加工材料適應性廣等優點，能顯著提高加工質量和效率，逐漸成為硬脆材料精密加工的研究熱點[2-4]。超聲磨削過程中，負載不確定性變化，一方面降低了磨削精度和表面質量，另一方面，將引起超聲磨削系統工作失諧，輸出振幅減小、換能器發熱以及磨具磨損，嚴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，負載變化對加載功率的影響特性，建立基于功率反饋的超聲磨削負載自適應控制系統，實現了恒功率超聲磨削，提高了加工效率，延長了磨具壽命。

1 超聲磨削系統等效電路模型

對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態電感（類比彈性系數）、動態電容（類比質量）和動態電阻（類比機械損耗）；ZL為負載等效阻抗；Co為超聲換能器的靜態電容。當電源頻率時，等效電路中LL，RL，CL支路產生串聯諧振，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

超聲磨削時負載越大，其等效阻抗ZL越大。當超聲激勵電源為恒流源時，電路上流過的電流保持不變，加載到負載阻抗上的功率P=I2Z，負載阻抗與加載功率成正增長關系，即磨削負載越大，加載功率越大；磨削負載越小，加載功率越小。

2 控制原理

控制系統的工作原理如圖2所示，安裝在超聲磨削系統上的電壓互感器、霍爾電流互感器分別檢測加載到超聲磨削換能系統上的負載電壓和電流，經超聲磨削系統實時功率采集系統進行濾波和變換后，計算得到加載到超聲磨削系統的負載功率，送入智能控制器后與設定的參考功率進行比較得出偏差值，智能控制器依據此偏差值，通過模糊邏輯推理計算，輸出進給倍率控制變量，該進給倍率控制量輸入到數控系統，對機床控制面板上的進給倍率修調參數進行調整，從而改變磨削進給速度。

圖2 控制系統工作原理圖

3 控制系統設計

超聲磨削加工是一個具有高度非線性、不確定性的復雜動態過程，很難建立精確的數學控制模型。模糊控制在非線性控制系統中具有較好的控制效果，且不需要控制對象的精確數學模型。本文采用二維模糊控制器實現超聲磨削的自適應控制。如圖3所示為模糊控制系統結構圖，首先設定目標加載功率Pref，將實際測量到的加載功率P與目標加載功率Pref進行比較，比較結果一方面經量化因子Ke處理后獲得誤差輸入Ep，另一方面通過微分作用同樣經量化因子Kec處理后獲得誤差變化率輸入Cp.將負載功率的誤差Ep和誤差變化率Cp輸入到模糊邏輯控制器進行模糊化處理，依據模糊控制規則的模糊推理和反模糊化處理后得到進給倍率的調整量△U，經比例因子Kp縮放后獲得實際的進給倍率調整量△u，與前一時刻的倍率值進行累加即得到下一時刻的進給倍率，從而調整磨削進給速度，保證磨削過程中負載功率穩定在一個恒定值。如圖3所示。

圖3 模糊控制器結構圖

將模糊論域從（-6，6）共分為13檔，對應的模糊子集為{PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB}，相應的語言變量為{正大，正中，正小，零，負小，負中，負大}。輸入和輸出都采用三角形隸屬度函數，如圖4所示，在NS， PS相交處，零點附件的微小波動將觸發對應的NS，PS規則，容易引起系統震蕩，因此將NS，PS在零點處稍微錯開，能有效抑制穩態附近的波動，提高控制魯棒性。根據操作經驗和專家知識總結，可建立如表1所示的模糊控制規則表。

圖4 輸入、輸出隸屬度函數

表1 模糊控制規則表

輸入變量進行模糊化處理后，依據模糊控制規則和隸屬度函數，按模糊推理合成規則進行計算可獲得模糊控制量輸出。模糊控制量經重心法進行反模糊化處理后，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整量輸入到數控機床，控制進給伺服電機的進給運動。

4 實驗驗證

實驗在配備有SIEMENS系統的數控磨床上進行。實驗條件為：加工材料為SiC陶瓷，空載超聲振動頻率為24.3 kHz，金剛石砂輪直徑為30 mm，主軸轉速為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，超聲磨削系統的功率恒定在50 N左右，消耗的功率主要轉換為超聲磨削系統的超聲頻振動；加載磨削時，設定目標功率為180 W，實際功率基本收斂到180 W左右，并且改變磨削深度時，系統功率會出現一個明顯的波動，且很快消失，表明本系統響應時間短、收斂快、魯棒性好。如圖5所示。

圖5 自適應磨削功率曲線

5 結束語

本文建立了超聲磨削系統等效電路模型，分析了負載變化對加載功率的影響關系；設計了基于功率反饋的智能負載自適應超聲磨削控制系統，并在實際加工控制中進行了驗證。結果表明，所設計系統響應速度快、魯棒性好，能有效提高磨削質量和效率。

[1]張坤領．硬脆材料加工技術發展現狀[J]．組合機床與自動化加工技術，2008，5：1-6.

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

[3]謝志萍，劉國孝，劉國忠，等．超聲振動切削加工技術的研究進展[J]．兵器材料科學與工程，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，揚衛平，李曉忠，等．超聲磨削加工磨頭的設計[J]．航空精密制造技術，2007，43（5）：60-62.

[6]袁秋玲，汪煒，周翟和，等．固結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研究面上項目資助（15KJB460015）；2015年國家級大學生創新實踐訓練計劃項目資助（611311401）

柳揚（1995-），男，江蘇徐州人，學士，研究方向：超聲振動加工技術；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、數控技術。