CN102189272B - 高频响非圆切削装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高频响非圆切削装置，包括刀架、伺服控制系统和刀具安装台，特点是刀架上设置有内腔，刀具安装台位于内腔中，刀具安装台的左、右两端对应设置有第一执行器和第二执行器，第一执行器的左端与刀架固定，第一执行器的右端顶在刀具安装台上，第二执行器的左端顶在刀具安装台上，第二执行器的右端与刀架固定，刀具安装台的前、后两侧分别固定设置有与刀架固定连接的柔性铰链；优点是通过控制第一执行器和第二执行器的输出位移来驱动刀具安装台在X方向上的前移和后退（或复位），其精度和位移分辨率高、可控性强且频响高，可实现刀具在X轴方向的高频往复运动，并提高车削加工的精度；而且整个装置结构紧凑简单。

Description

高频响非圆切削装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种数控机床的切削装置，尤其涉及一种高频响非圆切削装置及其控制方法。

背景技术

按照主轴的转动周期来同步控制刀具在工件径向（横向）上的位移，则可加工出非圆截面形状的工件，这种加工方法称为非圆截面车削。目前加工非圆截面轮廓的方法主要有：仿形加工、特种加工和数控非圆车削。仿形加工法利用靠模控制刀具和工件的相对运动轨迹，形成所需的表面形状，这种方法加工范围广，可加工复杂截面形状的工件，但是效率低、调整复杂而且加工精度较差；特种加工可用于非圆零件的精加工，但是加工成本较高、效率低，而且对于横截面与轴截面形状都很复杂的工件则难以加工；数控非圆车削的加工原理是：在非圆截面工件的加工过程中，刀具在X方向（横向）上跟踪主轴旋转角度，实时调整刀具位置，实现刀具在X轴方向的往复运动，从而加工出所需的非圆型线，但是目前数控系统X轴的响应频率不能满足高速往复运动的要求，车削加工的精度不够理想。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可实现刀具在X轴方向的高频往复运动的高频响非圆切削装置及其控制方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：高频响非圆切削装置，包括刀架、伺服控制系统和用于安装刀具的刀具安装台，所述的刀架上设置有内腔，所述的刀具安装台位于所述的内腔中，所述的刀具安装台的左、右两端对应设置有第一执行器和第二执行器，所述的第一执行器和所述的第二执行器沿所述的刀具安装台的Y向中心线对称，所述的第一执行器的左端与所述的刀架固定，所述的第一执行器的右端顶在所述的刀具安装台上，所述的第二执行器的左端顶在所述的刀具安装台上，所述的第二执行器的右端与所述的刀架固定，所述的刀具安装台的前、后两侧分别固定设置有与所述的刀架固定连接且沿所述的刀具安装台的X向中心线对称的柔性铰链。

所述的伺服控制系统包括主轴编码器、振动传感器和控制器，所述的主轴编码器安装在车床主轴上，所述的振动传感器安装在所述的刀具安装台上，所述的主轴编码器、振动传感器、第一执行器和第二执行器分别与所述的控制器电连接。

所述的第一执行器和第二执行器均为压电执行器，即为第一压电执行器和第二压电执行器。

所述的刀架的上表面轴接有两个用于靠在刀具两侧的滚轮，以防止刀具在切削过程中产生Y方向上的振动，保证车削加工的精度。

一种利用所述的非圆切削装置进行非圆加工的控制方法，它的具体步骤为：

（1）、测试第一压电执行器和第二压电执行器在工作范围内的输入电压与输出位移的对应关系曲线，并按照测得的数据，采用Duhem模型（杜恩模型）建立第一压电执行器和第二压电执行器的滞回模型，即输入电压与输出位移之间的对应函数表达式：

      （1）

其中：U(t)为压电执行器的输入电压信号，S(t)为压电执行器的输出位移信号，权重系数α＞0，S为压电执行器的输出位移，f(U)和g(U)分别为表达迟滞非线性的辅助函数；

假设

为迟滞环的上升曲线，

为迟滞环的下降曲线，则式(1)写为：

当＞0时，      （2）

当

＜0时，

  （3）

（2）式和（3）式中，

为迟滞环的上升曲线中点的位移，

为迟滞环的下降曲线中点的位移；

由（2）式和（3）式得到辅助函数f(U)和g(U)为：

  

                                       

f(U)近似看成上升曲线和下降曲线的平均函数，g(U)近似看成上升曲线和下降曲线斜率的平均函数，用多阶曲线拟合的方式对迟滞环的上升曲线

和下降曲线

进行辨识，得到辅助函数f(U)和g(U)的表达式；

（2）、主轴编码器检测工件的当前加工相位，并反馈信号给控制器，控制器读取工件的下一时刻理论的非圆值后计算出刀具的下一时刻位置；

（3）、振动传感器测得刀具的当前位置并反馈信号给控制器，控制器计算刀具从当前位置移动到下一时刻位置的位移ΔS微米；

（4）、根据步骤（1）中的关系式，控制器分别计算第一压电执行器、第二压电执行器与ΔS微米对应的驱动电压变化量ΔU1 和ΔU2；

（5）、按照刀具的运动方向，控制器分别给第一压电执行器和第二压电执行器输入对应的驱动电压变化量ΔU1 和ΔU2，并控制第一压电执行器和第二压电执行器的输出位移相等且方向相反，即同步伸长和缩短ΔS微米；

（6）、振动传感器实时检测刀具的位置变化量ΔS'，并反馈信号给控制器；

（7）、控制器判断ΔS与ΔS'的差值，如果差值小于0.1微米，则进行下一步，如果差值大于等于0.1微米，则返回步骤（3）；

（8）、按步骤（2）至（7）对工件同截面上的下一角度进行非圆加工，直到该截面的360°范围都完成非圆加工；

（9）、按步骤（2）至（8）对工件的下一截面进行非圆加工，直到整个工件都完成非圆加工。

与现有技术相比，本发明的优点是由于刀具安装台的左、右两端对应设置有第一执行器和第二执行器，通过控制第一执行器和第二执行器的输出位移来驱动刀具安装台在X方向上的前移和后退（或复位），其精度和位移分辨率高、可控性强且频响高，可实现刀具在X轴方向的高频往复运动，并提高车削加工的精度；而且整个装置结构紧凑简单。

附图说明

图1为本发明的非圆切削装置的俯视图；

图2为本发明的控制方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图所示，高频响非圆切削装置，包括刀架1、主轴编码器2、振动传感器3、控制器（图中未显示）和用于安装刀具4的刀具安装台5，刀架1上设置有内腔11，刀具安装台5位于内腔11中，刀具安装台5的左、右两端对应设置有第一压电执行器6和第二压电执行器7，第一压电执行器6和第二压电执行器7沿刀具安装台5的Y向中心线对称，第一压电执行器6的左端与刀架1固定，第一压电执行器6的右端顶在刀具安装台5上，第二压电执行器7的左端顶在刀具安装台5上，第二压电执行器7的右端与刀架1固定，刀具安装台5的前、后两侧分别一体设置有与刀架1一体连接且沿刀具安装台5的X向中心线对称的柔性铰链8，刀架1的上表面轴接有两个用于靠在刀具4两侧的滚轮9，主轴编码器2安装在车床主轴上，振动传感器3安装在刀具安装台5上，主轴编码器2、振动传感器3、第一压电执行器6和第二压电执行器7分别与控制器（图中未显示）电连接。

利用上述的非圆切削装置进行非圆加工的控制方法，它的具体步骤为：

（1）、测试第一压电执行器6和第二压电执行器7在工作范围内的输入电压与输出位移的对应关系曲线，并按照测得的数据，采用Duhem模型建立第一压电执行器6和第二压电执行器7的滞回模型，即输入电压与输出位移之间的对应函数表达式：

      （1）

其中：U(t)为压电执行器的输入电压信号，S(t)为压电执行器的输出位移信号，权重系数α＞0，S为压电执行器的输出位移，f(U)和g(U)分别为表达迟滞非线性的辅助函数；

假设

为迟滞环的上升曲线，

为迟滞环的下降曲线，则式(1)写为：

当

＞0时， 

     （2）

当

＜0时，

  （3）

（2）式和（3）式中，

为迟滞环的上升曲线中点的位移，

为迟滞环的下降曲线中点的位移；

由（2）式和（3）式得到辅助函数f(U)和g(U)为：

  

                                       

f(U)近似看成上升曲线和下降曲线的平均函数，g(U)近似看成上升曲线和下降曲线斜率的平均函数，用多阶曲线拟合的方式对迟滞环的上升曲线

和下降曲线

进行辨识，得到辅助函数f(U)和g(U)的表达式；

（2）、主轴编码器2检测工件的当前加工相位，并反馈信号给控制器，控制器读取工件的下一时刻理论的非圆值后计算出刀具4的下一时刻位置；

（3）、振动传感器3测得刀具4的当前位置并反馈信号给控制器，控制器计算刀具4从当前位置移动到下一时刻位置的位移ΔS微米；

（4）、根据步骤（1）中的关系式，控制器分别计算第一压电执行器6、第二压电执行器7与ΔS微米对应的驱动电压变化量ΔU1 和ΔU2；

（5）、按照刀具4的运动方向，控制器分别给第一压电执行器6和第二压电执行器7输入对应的驱动电压变化量ΔU1 和ΔU2，并控制第一压电执行器6和第二压电执行器7的输出位移相等且方向相反，即同步伸长和缩短ΔS微米；

（6）、振动传感器3实时检测刀具4的位置变化量ΔS'，并反馈信号给控制器；

（7）、控制器判断ΔS与ΔS'的差值，如果差值小于0.1微米，则进行下一步，如果差值大于等于0.1微米，则返回步骤（3）；

（8）、按步骤（2）至（7）对工件同截面上的下一角度进行非圆加工，直到该截面的360°范围都完成非圆加工；

（9）、按步骤（2）至（8）对工件的下一截面进行非圆加工，直到整个工件都完成非圆加工。

Claims (4)

1.高频响非圆切削装置，包括刀架、伺服控制系统和用于安装刀具的刀具安装台，其特征在于所述的刀架上设置有内腔，所述的刀具安装台位于所述的内腔中，所述的刀具安装台的左、右两端对应设置有第一执行器和第二执行器，所述的第一执行器和所述的第二执行器沿所述的刀具安装台的Y向中心线对称，所述的第一执行器的左端与所述的刀架固定，所述的第一执行器的右端顶在所述的刀具安装台上，所述的第二执行器的左端顶在所述的刀具安装台上，所述的第二执行器的右端与所述的刀架固定，所述的刀具安装台的前、后两侧分别固定设置有与所述的刀架固定连接且沿所述的刀具安装台的X向中心线对称的柔性铰链，所述的伺服控制系统包括主轴编码器、振动传感器和控制器，所述的主轴编码器安装在车床主轴上，所述的振动传感器安装在所述的刀具安装台上，所述的主轴编码器、振动传感器、第一执行器和第二执行器分别与所述的控制器电连接。

2.如权利要求1所述的高频响非圆切削装置，其特征在于所述的第一执行器和第二执行器均为压电执行器，即为第一压电执行器和第二压电执行器。

3.如权利要求1所述的高频响非圆切削装置，其特征在于所述的刀架的上表面轴接有两个用于靠在刀具两侧的滚轮。

4.一种利用权利要求2所述的非圆切削装置进行非圆加工的控制方法，其特征在于它的具体步骤为：

（1）、测试第一压电执行器和第二压电执行器在工作范围内的输入电压与输出位移的对应关系曲线，并按照测得的数据，采用Duhem模型建立第一压电执行器和第二压电执行器的滞回模型，即输入电压与输出位移之间的对应函数表达式：

      （1）

其中：U(t)为压电执行器的输入电压信号，S(t)为压电执行器的输出位移信号，权重系数α＞0，S为压电执行器的输出位移，f(U)和g(U)分别为表达迟滞非线性的辅助函数；

假设

为迟滞环的上升曲线，

为迟滞环的下降曲线，则式(1)写为：

当

＞0时， 

     （2）

当

＜0时，

  （3）

（2）式和（3）式中，

为迟滞环的上升曲线中点的位移，为迟滞环的下降曲线中点的位移；

由（2）式和（3）式得到辅助函数f(U)和g(U)为：

  

                                       

f(U)近似看成上升曲线和下降曲线的平均函数，g(U)近似看成上升曲线和下降曲线斜率的平均函数，用多阶曲线拟合的方式对迟滞环的上升曲线

和下降曲线

进行辨识，得到辅助函数f(U)和g(U)的表达式；

（2）、主轴编码器检测工件的当前加工相位，并反馈信号给控制器，控制器读取工件的下一时刻理论的非圆值后计算出刀具的下一时刻位置；

（3）、振动传感器测得刀具的当前位置并反馈信号给控制器，控制器计算刀具从当前位置移动到下一时刻位置的位移ΔS微米；

（4）、根据步骤（1）中的关系式，控制器分别计算第一压电执行器、第二压电执行器与ΔS微米对应的驱动电压变化量ΔU1 和ΔU2；

（5）、按照刀具的运动方向，控制器分别给第一压电执行器和第二压电执行器输入对应的驱动电压变化量ΔU1 和ΔU2，并控制第一压电执行器和第二压电执行器的输出位移相等且方向相反，即同步伸长和缩短ΔS微米；

（6）、振动传感器实时检测刀具的位置变化量ΔS'，并反馈信号给控制器；

（7）、控制器判断ΔS与ΔS'的差值，如果差值小于0.1微米，则进行下一步，如果差值大于等于0.1微米，则返回步骤（3）；

（8）、按步骤（2）至（7）对工件同截面上的下一角度进行非圆加工，直到该截面的360°范围都完成非圆加工；

（9）、按步骤（2）至（8）对工件的下一截面进行非圆加工，直到整个工件都完成非圆加工。

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