CN109940171A - 基于转角的椭圆振动切削装置的实时同步控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于转角的椭圆振动切削装置的实时同步控制方法，属于椭圆振动辅助切削加工领域。该方法通过建立主轴转角和装置控制信号的关系实现椭圆振动切削装置的同步控制。首先依据微织构形貌要求和装置参数，建立机床主轴转角和装置激励电压幅值的关系；接着设定对位基准，记录奇偶圈信息，奇数圈时复位装置激励电压，偶数圈时输出激励电压，驱动刀具形成椭圆轨迹；然后设置计数器对主轴编码器脉冲进行边沿计数，查找对应计数值的激励电压幅值，输出不同振幅的椭圆轨迹，实现装置椭圆轨迹的调控。本发明可有效解决连续加工时织构排列偏差的问题，不需要完全满足装置工作频率与主轴转速的比例关系，就可以加工出设定数目的微织构。

Description

基于转角的椭圆振动切削装置的实时同步控制方法

技术领域

本发明属于椭圆振动辅助切削加工领域，特别涉及一种基于转角的椭圆振动切削装置的实时同步控制方法。

背景技术

微织构是特征尺寸小于微米级，表面精度小于亚微米级的表面结构，因其有助于产生各种功能的特殊性能而被应用于很多领域,椭圆振动辅助切削加工技术作为加工表面微织构的一种性能优越的技术，受到了广泛关注和研究。椭圆振动辅助切削是在切削运动中附加一个椭圆轨迹的运动，在一个椭圆切削的周期里，刀具一部分时间切削加工，另一部分刀具与切屑分离，在这个过程中，椭圆振动速度大于切削速度，将导致刀具前刀面与切屑的摩擦力反向，从而达到减小摩擦力和切削热的效果，同时延缓了刀具磨损，提高刀具寿命，加工质量也得到了提升。对于高精度表面微织构的加工，不仅要在不同位置处形成尺寸不同或形状不同的表面形貌，而且需保证微织构按照某种方式一致排列，因此建立椭圆振动切削装置位移和主轴转角的关系至关重要，在控制器中以此关系为依据，可实现两者之间可控的相对运动。

现有的同步方法包括基于时间的同步和基于转角的同步，基于时间的同步是两者的运动都以同一时间为基准达到预期位置。“An Optimization Approach for Tool PathGeneration of Micro-structured Surfaces in FTS-based Diamond Turning”(出自“Asian Symposium for Precision Engineering and Nanotechnology”)一文中给出了基于同一控制器的时间同步方法，在定制的带有压电陶瓷驱动快速刀具伺服的微型精密车床上，采用PMAC控制器同时控制机床主轴以及振动装置。该方法在同一个控制器中完成，为了提高椭圆振动切削装置的适用性，多数情况下会使用单独的控制器，无法实现同一时间基准下的同步控制，因此基于时间的同步方法有很大的局限性。而基于转角的同步是一种随动的工作方式，椭圆振动切削装置以主轴转角为基准，根据反馈的转角信号实现装置振动信号的输出，易于在不同的控制器中应用。“UMAC时基控制原理及其在非轴对称微结构表面切削中的应用”(出自“机床与液压”)中将数控系统中的振动装置作为一个加工轴，利用PMAC的时基触发控制方法实现了振动装置进给与主轴转角和X轴进给的精确同步。但由于主轴转速不可能是理想的恒定转速，转速的不均匀会造成微织构尺寸或排列的误差，所以通过建立椭圆振动切削装置的振幅和主轴转速的关系来加工微织构的方法往往不适用，需要提出有效的椭圆振动切削装置与机床主轴的同步控制方法。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种基于转角的椭圆振动切削装置的实时同步控制方法，解决由于主轴转速漂移带来的制造回转体表面变切深微织构的不同步问题。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种基于转角的椭圆振动切削装置的同步控制方法，该方法可用于加工回转体表面上呈矩形阵列排列的微织构，回转体轴向方向的微织构形貌相同，周向方向的微织构深度可以不同也可以相同，其特征在于：

步骤1.1确定椭圆振动切削装置工作相位差以及该相位差下正弦激励电压幅值与椭圆运动轨迹的关系

利用编写好的标定程序，在装置的特定工作频率下，通过改变输入到装置压电陶瓷片的正弦激励电压幅值和相位差，测量装置刀尖处X、Y、Z三个方向的振动输出位移，将三个方向的位移绘制在同一空间坐标系内，即可得到装置刀具的空间运动轨迹。标定过程如下：首先在同一正弦激励电压幅值下，改变输入压电陶瓷片的正弦激励电压的相位差，找到使得空间椭圆轨迹在Z方向轴长最大的相位差，将其作为椭圆振动切削加工微织构时的相位差；然后在该相位差下，调节三个方向的正弦激励电压幅值，得到正弦激励电压幅值与装置刀具各方向输出位移关系曲线，进而得到正弦激励电压幅值与椭圆运动轨迹的关系；

步骤1.2确定机床主轴转角与正弦激励电压幅值的关系

依据待加工的回转体表面微织构形貌要求和步骤1.1中建立的正弦激励电压幅值与椭圆运动轨迹的关系，分析回转体不同角度处微织构的深度，确定主轴转角与正弦激励电压幅值的关系；

步骤1.3设立对位基准

机床主轴编码器A、B两通道输出的脉冲相位差1/4周期，该方法中将这两路脉冲设为A、B脉冲，另外还有一个通道输出零位脉冲，设为Z脉冲，将该脉冲作为对位基准，也是加工的复位信号。设置奇偶寄存器记录奇数圈或者偶数圈的状态，寄存器中高电平代表奇数圈，低电平代表偶数圈。持续检测编码器Z脉冲信号，当Z脉冲上升沿到来时，奇偶寄存器数值取反，表示主轴转过一圈。寄存器中为高电平时复位施加到椭圆振动切削装置的正弦激励，此时的正弦激励幅值为0，即奇数圈实现复位；寄存器中为低电平时输出正弦激励电压信号，激励幅值从查找表中读出，驱动刀具形成椭圆运动轨迹，即偶数圈输出激励进行进行微织构加工。其中，查找表中保存了步骤1.1中建立的正弦激励电压幅值与椭圆运动轨迹的关系，查找表的索引号为计数值，输出为正弦激励电压幅值；

步骤1.4通过边沿计数确定主轴转角，实现不同转角处的椭圆振动切削装置对应幅值的激励电压输出

该方法通过设置计数器以对机床主轴编码器的A脉冲和B脉冲进行边沿计数，根据不同的加工精度要求，选择不同的计数方式。在单脉冲上升沿或下降沿计数为一倍频计数方式，在双脉冲的上升沿或下降沿计数为二倍频计数方式，在双脉冲的上升沿和下降沿同时计数为四倍频计数方式。计数方式的倍数越高，转角的划分越细，加工精度也会越高。将计数器中的边沿计数值转化为准确的主轴角度，通过计数值这一索引号在步骤1.3中建立好的查找表中找到对应转角处的正弦激励电压幅值，进而输出该幅值的正弦激励电压信号，实现回转体表面不同转角处刀具输出椭圆轨迹的调控。

该椭圆振动切削装置的同步控制方法关键之处在于对位基准的设定，刀具振动会从对位基准开始，回转体工件每跟随机床主轴旋转一圈便完成一次位置误差修正，并且通过奇数圈复位的方法给复位以充裕的时间，有效解决连续加工时由于主轴转速漂移造成的微织构排列偏差问题。其次，该方法不需要完全满足装置工作频率与主轴转速的比例关系，就可以加工出设定数目的微织构。最后，通过实时检测主轴转角并转化为相应幅值的正弦激励电压输出，进而实现了在同一回转体表面沿着周向方向的变切深微织构的加工。

根据权利要求1所述的基于转角的同步控制方法，其特征在于：

采用三个并行线程实现同步控制方法，具体方式如下：

三个线程分别为对位和边沿计数线程、正弦波形写入线程、激励电压输出线程，系统根据设定的循环时间在每个线程之间分配处理时间。FIFO存储器实现三个线程间的数据传递，FIFO_1和FIFO_2在对位和边沿计数线程和正弦波形写入线程间传递奇偶寄存器值和计数器值，FIFO_3在正弦波形写入线程和激励电压输出线程之间传输正弦激励电压离散值；

对位和边沿计数线程中的边沿计数子模块采集机床主轴编码器A、B、Z脉冲信号，记录当前转角以及是否达到对位基准点，查找幅值子模块根据设定好的主轴转角和正弦激励电压幅值的对应关系找到当前位置的电压幅值，并将该幅值写入到FIFO_2中，同时将奇偶寄存器中的值写入FIFO_1中；

正弦波形写入线程通过读取FIFO_1中的值判断奇偶圈，在偶数圈时根据当前FIFO_2中的电压幅值生成正弦波形离散值，在奇数圈时复位波形相位且设置正弦波形幅值为零，将该线程中的波形离散值写入到FIFO_3中；

激励电压输出线程首先读取FIFO_3中的波形离散值，然后采用流水线技术逐点输出这些正弦激励电压值给椭圆振动切削装置的压电陶瓷片。流水线技术可以达到最高的读写速度保证波形离散值以高速率输出。

该方法的实施需要选择具有并行优势的实时控制器来执行程序，实时控制器上运行的实时操作系统能够保证控制算法的高确定性。

采用并行机制实现同步控制方法能够满足椭圆振动切削装置与机床主轴的实时同步要求，流水线技术可以实现高频率甚至超高频率的正弦激励电压信号的输出。

附图说明

图1是基于转角的椭圆振动切削装置的同步控制方法示意图；

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种基于转角的椭圆振动切削装置的同步控制方法，该方法可用于加工回转体表面上呈矩形阵列排列的微织构，回转体轴向方向的微织构形貌相同，周向方向的微织构深度可以不同也可以相同，其特征在于：

步骤1.1确定椭圆振动切削装置工作相位差以及该相位差下正弦激励电压幅值与椭圆运动轨迹的关系

利用编写好的标定程序，在装置的特定工作频率下，通过改变输入到装置压电陶瓷片的正弦激励电压幅值和相位差，测量装置刀尖处X、Y、Z三个方向的振动输出位移，将三个方向的位移绘制在同一空间坐标系内，即可得到装置刀具的空间运动轨迹。标定过程如下：首先在同一正弦激励电压幅值下，改变输入压电陶瓷片的正弦激励电压的相位差，找到使得空间椭圆轨迹在Z方向轴长最大的相位差，将其作为椭圆振动切削加工微织构时的相位差；然后在该相位差下，调节三个方向的正弦激励电压幅值，得到正弦激励电压幅值与装置刀具各方向输出位移关系曲线，进而得到正弦激励电压幅值与椭圆运动轨迹的关系；

步骤1.2确定机床主轴转角与正弦激励电压幅值的关系

依据待加工的回转体表面微织构形貌要求和步骤1.1中建立的正弦激励电压幅值与椭圆运动轨迹的关系，分析回转体不同角度处微织构的深度，确定主轴转角与正弦激励电压幅值的关系；

步骤1.3设立对位基准

机床主轴编码器A、B两通道输出的脉冲相位差1/4周期，该方法中将这两路脉冲设为A、B脉冲，另外还有一个通道输出零位脉冲，设为Z脉冲，将该脉冲作为对位基准，也是加工的复位信号。设置奇偶寄存器记录奇数圈或者偶数圈的状态，寄存器中高电平代表奇数圈，低电平代表偶数圈。持续检测编码器Z脉冲信号，当Z脉冲上升沿到来时，奇偶寄存器数值取反，表示主轴转过一圈。寄存器中为高电平时复位施加到椭圆振动切削装置的正弦激励，此时的正弦激励幅值为0，即奇数圈实现复位；寄存器中为低电平时输出正弦激励电压信号，激励幅值从查找表中读出，驱动刀具形成椭圆运动轨迹，即偶数圈输出激励进行进行微织构加工。其中，查找表中保存了步骤1.1中建立的正弦激励电压幅值与椭圆运动轨迹的关系，查找表的索引号为计数值，输出为正弦激励电压幅值；

步骤1.4通过边沿计数确定主轴转角，实现不同转角处的椭圆振动切削装置对应幅值的激励电压输出

该方法通过设置计数器以对机床主轴编码器的A脉冲和B脉冲进行边沿计数，根据不同的加工精度要求，选择不同的计数方式。在单脉冲上升沿或下降沿计数为一倍频计数方式，在双脉冲的上升沿或下降沿计数为二倍频计数方式，在双脉冲的上升沿和下降沿同时计数为四倍频计数方式。计数方式的倍数越高，转角的划分越细，加工精度也会越高。将计数器中的边沿计数值转化为准确的主轴角度，通过计数值这一索引号在步骤1.3中建立好的查找表中找到对应转角处的正弦激励电压幅值，进而输出该幅值的正弦激励电压信号，实现回转体表面不同转角处刀具输出椭圆轨迹的调控，达到椭圆振动切削装置和主轴转角同步的目的。

所述的基于转角的同步控制方法，其特征在于：

采用三个并行线程实现同步控制方法，具体方式如下：

三个线程分别为对位和边沿计数线程、正弦波形写入线程、激励电压输出线程，系统根据设定的循环时间在每个线程之间分配处理时间。FIFO存储器实现三个线程间的数据传递，FIFO_1和FIFO_2在对位和边沿计数线程和正弦波形写入线程间传递奇偶寄存器值和计数器值，FIFO_3在正弦波形写入线程和激励电压输出线程之间传输正弦激励电压离散值；

对位和边沿计数线程中的边沿计数子模块采集机床主轴编码器A、B、Z脉冲信号，记录当前转角以及是否达到对位基准点，查找幅值子模块根据设定好的主轴转角和正弦激励电压幅值的对应关系找到当前位置的电压幅值，并将该幅值写入到FIFO_2中，同时将奇偶寄存器中的值写入FIFO_1中；

正弦波形写入线程通过读取FIFO_1中的值判断奇偶圈，在偶数圈时根据当前FIFO_2中的电压幅值生成正弦波形离散值，在奇数圈时复位波形相位且设置正弦波形幅值为零，将该线程中的波形离散值写入到FIFO_3中；

激励电压输出线程首先读取FIFO_3中的波形离散值，然后采用流水线技术逐点输出这些正弦激励电压值给椭圆振动切削装置的压电陶瓷片。流水线技术可以达到最高的读写速度保证波形离散值以高速率输出。

该方法的实施需要选择具有并行优势的实时控制器来执行程序，实时控制器上运行的实时操作系统能够保证控制算法的高确定性。

以上实例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于转角的椭圆振动切削装置的同步控制方法，该方法可用于加工回转体表面上呈矩形阵列排列的微织构，回转体轴向方向的微织构形貌相同，周向方向的微织构深度可以不同也可以相同，其特征在于：

步骤1.1确定椭圆振动切削装置工作相位差以及该相位差下正弦激励电压幅值与椭圆运动轨迹的关系

利用编写好的标定程序，在装置的特定工作频率下，通过改变输入到装置压电陶瓷片的正弦激励电压幅值和相位差，测量装置刀尖处X、Y、Z三个方向的振动输出位移，将三个方向的位移绘制在同一空间坐标系内，即可得到装置刀具的空间运动轨迹；标定过程如下：首先在同一正弦激励电压幅值下，改变输入压电陶瓷片的正弦激励电压的相位差，找到使得空间椭圆轨迹在Z方向轴长最大的相位差，将其作为椭圆振动切削加工微织构时的相位差；然后在该相位差下，调节三个方向的正弦激励电压幅值，得到正弦激励电压幅值与装置刀具各方向输出位移关系曲线，进而得到正弦激励电压幅值与椭圆运动轨迹的关系；

步骤1.2确定机床主轴转角与正弦激励电压幅值的关系

依据待加工的回转体表面微织构形貌要求和步骤1.1中建立的正弦激励电压幅值与椭圆运动轨迹的关系，分析回转体不同角度处微织构的深度，确定主轴转角与正弦激励电压幅值的关系；

步骤1.3设立对位基准

机床主轴编码器A、B两通道输出的脉冲相位差1/4周期，该方法中将这两路脉冲设为A、B脉冲，另外还有一个通道输出零位脉冲，设为Z脉冲，将该脉冲作为对位基准，也是加工的复位信号；设置奇偶寄存器记录奇数圈或者偶数圈的状态，寄存器中高电平代表奇数圈，低电平代表偶数圈；持续检测编码器Z脉冲信号，当Z脉冲上升沿到来时，奇偶寄存器数值取反，表示主轴转过一圈；寄存器中为高电平时复位施加到椭圆振动切削装置的正弦激励，此时的正弦激励幅值为0，即奇数圈实现复位；寄存器中为低电平时输出正弦激励电压信号，激励幅值从查找表中读出，驱动刀具形成椭圆运动轨迹，即偶数圈输出激励进行进行微织构加工；其中，查找表中保存了步骤1.1中建立的正弦激励电压幅值与椭圆运动轨迹的关系，查找表的索引号为计数值，输出为正弦激励电压幅值；

步骤1.4通过边沿计数确定主轴转角，实现不同转角处的椭圆振动切削装置对应幅值的激励电压输出

该方法通过设置计数器以对机床主轴编码器的A脉冲和B脉冲进行边沿计数，根据不同的加工精度要求，选择不同的计数方式；在单脉冲上升沿或下降沿计数为一倍频计数方式，在双脉冲的上升沿或下降沿计数为二倍频计数方式，在双脉冲的上升沿和下降沿同时计数为四倍频计数方式；计数方式的倍数越高，转角的划分越细，加工精度也会越高；将计数器中的边沿计数值转化为准确的主轴角度，通过计数值这一索引号在步骤1.3中建立好的查找表中找到对应转角处的正弦激励电压幅值，进而输出该幅值的正弦激励电压信号，实现回转体表面不同转角处刀具输出椭圆轨迹的调控。

2.根据权利要求1所述的基于转角的同步控制方法，其特征在于：

采用三个并行线程实现同步控制方法，具体方式如下：

三个线程分别为对位和边沿计数线程、正弦波形写入线程、激励电压输出线程，系统根据设定的循环时间在每个线程之间分配处理时间；FIFO存储器实现三个线程间的数据传递，FIFO_1和FIFO_2在对位和边沿计数线程和正弦波形写入线程间传递奇偶寄存器值和计数器值，FIFO_3在正弦波形写入线程和激励电压输出线程之间传输正弦激励电压离散值；

对位和边沿计数线程中的边沿计数子模块采集机床主轴编码器A、B、Z脉冲信号，记录当前转角以及是否达到对位基准点，查找幅值子模块根据设定好的主轴转角和正弦激励电压幅值的对应关系找到当前位置的电压幅值，并将该幅值写入到FIFO_2中，同时将奇偶寄存器中的值写入FIFO_1中；

正弦波形写入线程通过读取FIFO_1中的值判断奇偶圈，在偶数圈时根据当前FIFO_2中的电压幅值生成正弦波形离散值，在奇数圈时复位波形相位且设置正弦波形幅值为零，将该线程中的波形离散值写入到FIFO_3中；

激励电压输出线程首先读取FIFO_3中的波形离散值，然后采用流水线技术逐点输出这些正弦激励电压值给椭圆振动切削装置的压电陶瓷片；流水线技术可以达到最高的读写速度保证波形离散值以高速率输出；

该方法的实施需要选择具有并行优势的实时控制器来执行程序，实时控制器上运行的实时操作系统能够保证控制算法的高确定性。