CN109857062A - 双驱动电液控制式精密加工系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双驱动电液控制式精密加工系统，包括缸体、刀具和保持架，刀具通过安装器装配于保持架，保持架的另一端贯穿缸体的尾端。缸体由头端至尾端划分为圆柱段、放大段和驱动段，放大段的横截面半径由圆柱段至驱动段逐渐增大，驱动段设有连接于缸体的主驱动装置和副驱动装置。主驱动装置包括主压电陶瓷驱动器、主活塞和主柔性铰链，主活塞在缸体的驱动段一侧形成密封的腔体，主活塞通过主柔性铰链连接于缸体。副驱动装置包括副压电陶瓷驱动器、副活塞和副柔性铰链，副活塞在缸体的驱动段另一侧形成密封的腔体，副活塞通过副柔性铰链连接于缸体。该系统通过双驱动模式来实现精确进给刀具的位移量及其力值。还提供了该系统相应的控制方法。

Description

双驱动电液控制式精密加工系统及其控制方法

技术领域

本发明属于精密加工领域，具体涉及一种双驱动电液控制式精密加工系统及其控制方法。

背景技术

目前，比较成熟的快速刀具伺服系统一般采用压电陶瓷(PZT)作为驱动元件，采用柔性铰链和刀架作为刀具位移的输出装置，这种配置结构具有分辨率高、驱动力较大、传动准确等优点，能够实现复杂面形零件的切削加工。但是，这种快速刀具伺服系统普遍存在刚度不高、共振模态较低的缺陷，甚至在回程中会出现刀架跟不上压电陶瓷输出位移的现象，从而导致无法保证加工精度。

通过柔性铰链配合杠杆这种位移放大方式，只能按照确定倍数的位移输出，很难进一步实现位移放大的实时控制，而且放大倍数有限，在运动中很难做到精确控制进给位移量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种双驱动电液控制式精密加工系统，通过双驱动模式来实现精确进给刀具的位移量及其力值。还提供了该系统相应的控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

根据本发明的一方面，提供了一种双驱动电液控制式精密加工系统，所述双驱动电液控制式精密加工系统包括缸体、刀具和保持架，所述刀具通过安装器装配在所述保持架的一端，所述保持架的另一端贯穿所述缸体的尾端；

所述缸体由头端至尾端划分为圆柱段、放大段和驱动段，所述圆柱段的一端为开放端，所述放大段的横截面半径由所述圆柱段的另一端至所述驱动段逐渐增大，所述驱动段为封闭设置且其相对的两侧内部设有连接于所述缸体的主驱动装置和副驱动装置；所述安装器与所述缸体的所述圆柱段滑动密封配合；

所述主驱动装置包括主压电陶瓷驱动器、主活塞和主柔性铰链，所述主压电陶瓷驱动器与所述主活塞为一体式设置；所述主活塞在所述缸体的驱动段一侧形成密封的腔体，所述主活塞通过所述主柔性铰链连接于所述缸体；

所述副驱动装置包括副压电陶瓷驱动器、副活塞和副柔性铰链，所述副压电陶瓷驱动器与所述副活塞为一体式设置；所述副活塞在所述缸体的驱动段另一侧形成密封的腔体，所述副活塞通过所述副柔性铰链连接于所述缸体；

所述缸体内的腔体充满液压油。

一优选实施例中，所述主驱动装置还包括主开关阀，所述主开关阀用于连通/关闭所述主活塞端面所在的腔室与所述放大段围成的腔室；

所述副驱动装置还包括副开关阀，所述副开关阀用于连通/关闭所述副活塞端面所在的腔室与所述放大段围成的腔室。

一优选实施例中，所述主活塞的直径大于所述副活塞的直径。

一优选实施例中，所述安装器上设有力传感器。

一优选实施例中，靠近所述保持架的尾端端面处设有总位移传感器。

一优选实施例中，所述主驱动装置上设有主位移传感器，所述副驱动装置上设有副位移传感器。

一优选实施例中，双驱动电液控制式精密加工系统还包括控制器，所述控制器分别电连接于所述主压电陶瓷驱动器、所述副压电陶瓷驱动器、所述力传感器、所述总位移传感器、所述主位移传感器和所述副位移传感器。

一优选实施例中，所述保持架延伸出所述缸体的一端与所述缸体滑动密封配合。

根据本发明的另一方面，还提供了一种双驱动电液控制式精密加工控制方法，所述双驱动电液控制式精密加工控制方法应用于前述的双驱动电液控制式精密加工系统，所述双驱动电液控制式精密加工控制方法包括：

所述控制器预设所述刀具的运动轨迹以及总位移偏差额定值，根据所述总位移传感器的反馈值计算总位移偏差值；其中，

当总位移偏差值大于或等于总位移偏差额定值时，控制所述主压电陶瓷驱动器动作以使所述刀具跟踪预设的运动轨迹；当总位移偏差值小于总位移偏差额定值时，控制所述副压电陶瓷驱动器动作以使所述刀具跟踪预设的运动轨迹；以及，

所述主位移传感器和所述副位移传感器分别向所述控制器反馈位移值以分别修正所述主压电陶瓷驱动器和所述副压电陶瓷驱动器动作。

一优选实施例中，所述双驱动电液控制式精密加工控制方法还包括：

所述控制器预先设置所述刀具在其运动轨迹上的每一个位置点所需施加的设定力值，根据所述力传感器反馈的力值计算力值偏差，以对所述位移控制信号叠加力补偿控制信号。

采用本发明具有如下的有益效果：

1、本发明采用双驱动放大模式和全柔性结构，保证液体在静压下进行位移放大，高效切削。

2、本发明采用主/副位移双驱动控制方式来实现刀具的精确定位。

3、本发明采用位移闭环跟踪控制以及力补偿控制，在加工过程中，可实时跟踪刀具预设运动轨迹且实施反馈刀具力值，以不断地纠正控制误差，满足在刀具跟踪切割的条件下实现大位移的高效率切削。

附图说明

图1为本发明实施例一种双驱动电液控制式精密加工系统的剖视示意图；

图2为双驱动电液控制式精密加工系统的控制原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，本发明公开了一种双驱动电液控制式精密加工系统，该系统包括缸体1、刀具2和保持架3，刀具2通过安装器4装配在保持架3的一端，保持架3的另一端贯穿缸体1的尾端(保持架3延伸出缸体1的一端与缸体1滑动密封配合)，缸体1内的腔体充满液压油。

从缸体1整体来看，近似呈火山状，缸体1由头端至尾端划分为圆柱段、放大段和驱动段，圆柱段用于引导刀具2做轴向运动(安装器4与缸体1的圆柱段滑动密封配合)，放大段用于对主/副压电陶瓷驱动器的位移控制进行放大，驱动段用于设置主驱动装置和副驱动装置。

在具体实施例中，圆柱段的一端为开放端，放大段的横截面半径由圆柱段的另一端至驱动段逐渐增大(放大段横截面半径的逐渐增大实现了位移控制的放大)，驱动段为封闭设置且其相对的两侧内部设有连接于缸体1的主驱动装置和副驱动装置。

主驱动装置包括主压电陶瓷驱动器51、主活塞52和主柔性铰链53，主压电陶瓷驱动器51与主活塞52为一体式设置，主活塞52在缸体1的驱动段一侧形成密封的腔体，主活塞52通过主柔性铰链53连接于缸体1。以及，副驱动装置包括副压电陶瓷驱动器61、副活塞62和副柔性铰链63，副压电陶瓷驱动器61与副活塞62为一体式设置，副活塞62在缸体1的驱动段另一侧形成密封的腔体，副活塞62通过副柔性铰链63连接于缸体1。在驱动停止时，主活塞52和副活塞62分别在主柔性铰链53和副柔性铰链63的作用下回复至原始状态。

分别设置主驱动装置和副驱动装置的目的在于，主驱动装置用于大位移范围的刀具2快速跟踪控制，副驱动装置用于小位移范围的刀具2高精度跟踪控制，然而，在精密加工系统中，大位移范围和小位移范围仅仅是一个相对的概念。为了实现上述目的，需要将主活塞52的直径设置为大于副活塞62的直径。

一具体实施例中，为了解决主驱动装置和副驱动装置之间的位移控制干涉问题，主驱动装置还包括主开关阀54，主开关阀54用于连通/关闭主活塞52端面所在的腔室与放大段围成的腔室；以及，副驱动装置还包括副开关阀64，副开关阀64用于连通/关闭副活塞62端面所在的腔室与放大段围成的腔室。例如，主压电陶瓷驱动器51工作时，主开关阀54打开，副开关阀64关闭；副压电陶瓷驱动器61工作时，主开关阀54关闭，副开关阀64打开。

进一步地，为了实现双驱动电液控制式精密加工系统的位移跟踪控制以及力补偿控制，在靠近保持架3的尾端端面处设有总位移传感器71(例如，电容式位移传感器)，在安装器4上设有力传感器72。以及，在主驱动装置上设有主位移传感器73，在副驱动装置上设有副位移传感器74。

本发明所述的双驱动电液控制式精密加工系统是通过控制器来实现其相应的控制操作，控制器分别电连接于主压电陶瓷驱动器51、副压电陶瓷驱动器61、力传感器72、总位移传感器71、主位移传感器73和副位移传感器74。控制器可采用PID控制器等，例如PID控制器输出控制信号至PZT驱动控制电路具体实施驱动控制操作。

参照图2，相应的，应用于上述的双驱动电液控制式精密加工系统的控制方法，如下所述，包括：

1)位移跟踪控制

控制器预设刀具2的运动轨迹以及总位移偏差额定值，根据总位移传感器71的反馈值计算总位移偏差值。

其中，当总位移偏差值大于或等于总位移偏差额定值时，控制主压电陶瓷驱动器51(即主驱动器)动作以使刀具2跟踪预设的运动轨迹；当总位移偏差值小于总位移偏差额定值时，控制副压电陶瓷驱动器61(即副驱动器)动作以使刀具2跟踪预设的运动轨迹。

主位移传感器73和副位移传感器74分别向控制器反馈位移值以分别修正主压电陶瓷驱动器51和副压电陶瓷驱动器61动作。

2)力补偿控制

控制器预先设置刀具2在其运动轨迹上的每一个位置点所需施加的设定力值，根据力传感器72反馈的力值计算力值偏差，以对位移控制信号叠加力补偿控制信号。

在一具体实施例中，启动双驱动电液控制式精密加工系统，使刀具2在某一特定频率下以一极小的幅度振动，力传感器72实时将监测到的压力信号经电荷放大器传递至锁相放大器，以实现在锁定某一相位的条件下实施控制操作。使用信号发生器输出参考频率，使得锁相放大器的参考频率与刀具2的振动频率一致，从而去除其它频率噪声的影响，从而只放大刀具2振动频率下的力值信号，进而进一步实现力补偿控制。

应当理解，本文所述的示例性实施例是说明性的而非限制性的。尽管结合附图描述了本发明的一个或多个实施例，本领域普通技术人员应当理解，在不脱离通过所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种形式和细节的改变。

Claims (10)

1.一种双驱动电液控制式精密加工系统，其特征在于，所述双驱动电液控制式精密加工系统包括缸体、刀具和保持架，所述刀具通过安装器装配在所述保持架的一端，所述保持架的另一端贯穿所述缸体的尾端；

所述缸体由头端至尾端划分为圆柱段、放大段和驱动段，所述圆柱段的一端为开放端，所述放大段的横截面半径由所述圆柱段的另一端至所述驱动段逐渐增大，所述驱动段为封闭设置且其相对的两侧内部设有连接于所述缸体的主驱动装置和副驱动装置；所述安装器与所述缸体的所述圆柱段滑动密封配合；

所述主驱动装置包括主压电陶瓷驱动器、主活塞和主柔性铰链，所述主压电陶瓷驱动器与所述主活塞为一体式设置；所述主活塞在所述缸体的驱动段一侧形成密封的腔体，所述主活塞通过所述主柔性铰链连接于所述缸体；

所述副驱动装置包括副压电陶瓷驱动器、副活塞和副柔性铰链，所述副压电陶瓷驱动器与所述副活塞为一体式设置；所述副活塞在所述缸体的驱动段另一侧形成密封的腔体，所述副活塞通过所述副柔性铰链连接于所述缸体；

所述缸体内的腔体充满液压油。

2.如权利要求1所述的双驱动电液控制式精密加工系统，其特征在于，所述主驱动装置还包括主开关阀，所述主开关阀用于连通/关闭所述主活塞端面所在的腔室与所述放大段围成的腔室；

所述副驱动装置还包括副开关阀，所述副开关阀用于连通/关闭所述副活塞端面所在的腔室与所述放大段围成的腔室。

3.如权利要求2所述的双驱动电液控制式精密加工系统，其特征在于，所述主活塞的直径大于所述副活塞的直径。

4.如权利要求3所述的双驱动电液控制式精密加工系统，其特征在于，所述安装器上设有力传感器。

5.如权利要求4所述的双驱动电液控制式精密加工系统，其特征在于，靠近所述保持架的尾端端面处设有总位移传感器。

6.如权利要求5所述的双驱动电液控制式精密加工系统，其特征在于，所述主驱动装置上设有主位移传感器，所述副驱动装置上设有副位移传感器。

7.如权利要求6所述的双驱动电液控制式精密加工系统，其特征在于，双驱动电液控制式精密加工系统还包括控制器，所述控制器分别电连接于所述主压电陶瓷驱动器、所述副压电陶瓷驱动器、所述力传感器、所述总位移传感器、所述主位移传感器和所述副位移传感器。

8.如权利要求7所述的双驱动电液控制式精密加工系统，其特征在于，所述保持架延伸出所述缸体的一端与所述缸体滑动密封配合。

9.一种双驱动电液控制式精密加工控制方法，其特征在于，所述双驱动电液控制式精密加工控制方法应用于权利要求8所述的双驱动电液控制式精密加工系统，所述双驱动电液控制式精密加工控制方法包括：

所述控制器预设所述刀具的运动轨迹以及总位移偏差额定值，根据所述总位移传感器的反馈值计算总位移偏差值；其中，

当总位移偏差值大于或等于总位移偏差额定值时，控制所述主压电陶瓷驱动器动作以使所述刀具跟踪预设的运动轨迹；当总位移偏差值小于总位移偏差额定值时，控制所述副压电陶瓷驱动器动作以使所述刀具跟踪预设的运动轨迹；以及，

所述主位移传感器和所述副位移传感器分别向所述控制器反馈位移值以分别修正所述主压电陶瓷驱动器和所述副压电陶瓷驱动器动作。

10.如权利要求9所述的双驱动电液控制式精密加工控制方法，其特征在于，所述双驱动电液控制式精密加工控制方法还包括：

所述控制器预先设置所述刀具在其运动轨迹上的每一个位置点所需施加的设定力值，根据所述力传感器反馈的力值计算力值偏差，以对所述位移控制信号叠加力补偿控制信号。