CN110000611A - 具备切削力在线感知能力的快刀伺服装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具备切削力在线感知功能的快刀伺服装置，包括：音圈电机，其外壳连接Z高度伺服平台；气浮导轨，其底座连接XY方向伺服平台，滑轴的第一端通过第一连接件连接音圈电机的线圈，第二端通过第二连接件连接刀具；驱动回路，其包括串接于回路中的电源和IGBT开关管，回路两端分别耦接所述线圈的两端；以及控制模块，其包括耦接所述驱动回路的采样单元和设于所述滑轴上的位置反馈单元，以及耦接所述采样单元和位置反馈单元的控制器。本发明针对超精密加工产品在线检测和金刚石刀具磨损情况在线检测的需求，实现了超精密加工过程中的在线加工测量一体化。

Description

具备切削力在线感知能力的快刀伺服装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种快刀伺服装置，具体涉及一种具备切削力在线感知能力的快刀伺服装置及其控制方法。
背景技术
超精密切削技术是信息电子、光学、航空航天等领域关键部件表面微结构的重要加工手段之一。其借助金刚石刀具具有锋利切削刃、硬度高、耐磨性好、能实现超薄切削厚度等特点，具有可以加工超光滑(表面粗糙度Ra优于10nm)、高精度(表面面形精度优于100nm)复杂表面/曲面的优势。快速刀具伺服(Fast Tool Servo,FTS)是最具有代表性的超精密加工手段。
快刀伺服技术具有高刚度、高频响和高定位精度的特点，特别适用于结构特征周期小、曲面面形复杂的三维微结构表面。同时，相比于光刻技术、飞秒激光加工技术、特种能场加工技术等，快刀伺服技术加工面形精度高、具有自由曲面制造能力和批量复制能力，在三维微结构自由曲面的加工方面具有明显的优势。
然而，随着加工材料的多样化和加工过程的复杂化，金刚石刀具难以在切削过程中保持恒定的良好切削状态，所加工的大面积微结构表面很容易出现局部区域的微结构缺陷。同时，由于金刚石刀具的寿命限制，磨损的金刚石刀具更加剧了微结构表面缺陷的产生。在线检测和避免这些微结构缺陷已经成为了不可避免的问题，而依靠单一金刚石刀具的位置反馈并不能解决这些问题。
因此，有必要开发出一款带有切削力在线检测的快刀伺服装置。但受限于目前的快刀伺服装置的结构，快刀伺服装置只能借助附加的力传感器模块来实现切削力的检测。这不仅增加了装置的复杂性，提升了加工过程中的不确定度；也损失了快刀伺服装置的诸如频响、最大加速度等性能，不能简单有效地实现快刀伺服装置的在线加工测量一体化。因此，利用快刀伺服装置的内在模型，简单、有效地检测快刀伺服装置的切削力，是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的是针对超精密加工产品在线检测和金刚石刀具磨损情况在线检测的需求，设计一种能够简单有效检测切削力的快刀伺服装置及其控制方法，实现超精密加工过程中的在线加工测量一体化。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明的第一个方面提供了一种具备切削力在线感知功能的快刀伺服装置，包括：
音圈电机，其外壳连接Z高度伺服平台；
气浮导轨，其底座连接XY方向伺服平台，滑轴的第一端通过第一连接件连接音圈电机的线圈，第二端通过第二连接件连接刀具；
驱动回路，其包括串接于回路中的电源和IGBT开关管，回路两端分别耦接所述线圈的两端；
以及控制模块，其包括耦接所述驱动回路的采样单元和设于所述滑轴上的位置反馈单元，以及耦接所述采样单元和位置反馈单元的控制器；所述控制器用于根据所述采样单元采集的驱动回路电流大小和流向，以及位置反馈单元反馈的位置信息，输出PWM波控制所述IGBT开关管的开闭，进而控制音圈电机的正反向运动与加减速。
进一步的，所述音圈电机包括外壳，以及设于外壳内的永磁铁和线圈；所述外壳采用电工纯铁制成，所述永磁铁采用钕铁硼材料制成，呈圆柱环结构，并沿径向方向充磁。
进一步的，所述采样单元包括耦接于所述驱动回路中的采样电阻，耦接采样电阻两端的电压放大电路，耦接电压放大电路输出端的电压偏置电路，以及耦接电压偏置电路的ADC转换电路，所述控制器耦接ADC转换电路的输出端。
进一步的，所述采样电阻阻值低于5mΩ，采用开尔文四线检测法采样。
进一步的，所述位置反馈单元为设于所述滑轴靠近刀具一端的光栅尺，所述光栅尺采用模拟信号输出，细分后的分辨率大于等于10nm。
进一步的，所述电压偏置电路的偏置电压等于电压放大电路最大电压的一半，且波动值小于等于1％；所述ADC转换电路采用具有18位分辨率的外部IC，且采样频率大于5kHz，数据传输频率大于2Mb/s。
本发明的第二个方面提供了如上所述的具备切削力在线感知功能的快刀伺服装置的控制方法，包括如下步骤：
S1、控制器根据ADC转换电路输出的采样值，经过反向解算，得到采样电阻两端的电压，再根据欧姆定律，得到流过采样电阻的电流，即为驱动音圈电机的线圈电流I；
S2、根据位置反馈单元反馈的位置信息x，按照电磁场理论的安培力公式，计算出音圈电机的驱动力Fcoil＝I*(B0-b*x)*(L-x)，其中，I是线圈电流、B0是基准位置的磁感应强度，b是磁感应强度随位移x变化率，L是线圈总长度；
S3、基于音圈电机的驱动力Fcoil、运动部分的惯性力Fa及气浮导轨的阻力f，计算刀具受到的切削力：
Fcutting＝Fcoil-(Fa+f)
其中Fa＝m*a，f＝f0+k1*v+k2*x，f0是气浮导轨阻力中的常量，k1是气浮导轨阻力对运动速度v的变化率，k2是气浮导轨阻力对位移x的变化率；
S4、实时计算当前时刻的切削力与上一时刻切削力的差值△F，当差值大于设置的阈值△Fc，即△F>△Fc时，则认为切削力发生变化，输出切削力图谱，进行后续控制过程；否则认为切削力没有发生变化，继续检测音圈电机电流与刀具受到的切削力。
进一步的，步骤S1还包括：
采集音圈电机两端的电压U＝I*R+LH*dI/dt+B*L*v；
其中，I是音圈电机的线圈电流，R是线圈电阻，LH是线圈电感大小，dI/dt是电流对时间的变化率，B是当前位置的磁感应强度，L是当前位置处于磁场中的线圈长度，v是线圈移动的速度；
对位置反馈单元反馈的位置信息x进行差分得到线圈移动的速度v，从而计算出电压中的感应项，得到U-B*L*v＝I*R+LH*dI/dt，结合测得的电流数据，利用卡尔曼滤波算法，对电流数据进行滤波处理，提高电流检测的准确度。
进一步的，步骤S2还包括：通过软件仿真结合实验测试磁场强度的方法得到音圈电机内部的磁场分布，再调节永磁铁位置和尺寸，使得磁感应强度在一定范围内大致沿轴向成线性分布，即B＝B0-b*x。
本发明相对于现有技术的有益效果为：
第一，本发明可以在不借助附加力传感器模块的条件下，简单有效地实现切削力的在线测量功能；
第二，该快刀伺服装置的行程提升到了mm级别，其切削力检测范围在0.01N–50N之间；
第三，位置反馈和切削力反馈共同调节加工过程，并实现加工质量的实时检测。
附图说明
图1是本发明实施例的具备切削力在线感知功能的快刀伺服装置的结构和控制电路示意图；
图2是本发明实施例的电流解算与切削力计算流程图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明的实施例涉及一种具备切削力在线感知功能的快刀伺服装置及其控制方法，适用于信息电子、航空航天、新能源、生物医疗等以超精密加工与测量产品作为关键部件的领域。
如附图1所示，本实施例中的具备切削力在线感知功能的快刀伺服装置，包括：
音圈电机，其外壳105连接Z高度伺服平台101；
气浮导轨，其底座108连接XY方向伺服平台102，滑轴107的第一端通过第一连接件106连接音圈电机的线圈104，第二端通过第二连接件110连接刀具111；
驱动回路，其包括串接于回路中的电源115和IGBT开关管118，回路两端分别耦接线圈104的两端；
以及控制模块，其包括耦接驱动回路的采样单元和设于滑轴107上的位置反馈单元109，以及耦接采样单元和位置反馈单元的控制器121。
其中，采样单元包括耦接于驱动回路中的采样电阻116，耦接采样电阻116两端的电压放大电路117，耦接电压放大电路117输出端的电压偏置电路119，以及耦接电压偏置电路119的ADC转换电路120，控制器121耦接ADC转换电路120的输出端。
位置反馈单元109为设于滑轴107靠近刀具一端的光栅尺。
本实施例中，所述Z高度伺服平台101、XY方向伺服平台102、旋转装置113用于调节快刀伺服装置位置和待加工原件位置，扩大加工范围。
本实施例中，所述音圈电机永磁铁103采用钕铁硼材料制成，是一个圆柱环结构，沿径向方向充磁。音圈电机外壳105采用电工纯铁制成，减少漏磁损失。
本实施例中，所述音圈电机和气浮导轨的连接件106采用铝合金制成，其厚度为13mm，分别通过四个沉头螺钉与音圈电机线圈104和气浮导轨滑轴107紧密贴合，减少运动方向上的变形与回程差。
本实施例中，所述气浮导轨是传动装置，通过微调节螺钉保证其与音圈电机同轴度误差小于0.1mm，通过底部四个螺钉保证气浮导轨底座108和XY运动平台102紧密贴合，其工作气压在6Bar到8Bar之间，气浮导轨侧向刚度不小于200N/mm。
本实施例中，所述光栅尺是位置反馈模块，栅距为20μm，通过细分后的分辨率为10nm。所述光栅尺需与气浮导轨滑轴107紧密贴合，水平放置，其水平误差需小于0.4°。
本实施例中，刀具111为金刚石刀具，通过连接件110与气浮导轨滑轴107固定连接，通过微调连接件的位置保证刀具111的水平。
本实施例中，音圈电机线圈104、采样电阻116、电源115与IGBT管118形成回路，控制器121输出的PWM波控制该回路的通断，从而驱动音圈电机的正反向运动与加减速，其最小Pluse精度为10ns。采样电阻116的电流即为驱动音圈电机线圈104的电流。采样电阻116两端的电压经过放大器117和电压偏置电路119，再经过ADC转换120，输入到控制器121中。
本实施例中，所述电流检测和切削力计算流程图如图2所示。控制器根据ADC采样值，经过反向解算，得到采样电阻两端的电压，再根据欧姆定律，得到流过采样电阻的电流，即为驱动音圈电机的电流I。
进一步的优选实施方案，还可以先采集音圈电机两端的电压U＝I*R+LH*dI/dt+B*L*v；其中，I是音圈电机的线圈电流，R是线圈电阻，LH是线圈电感大小，dI/dt是电流对时间的变化率，B是当前位置的磁感应强度，L是当前位置处于磁场中的线圈长度，v是线圈移动的速度；
然后对位置反馈单元反馈的位置信息x进行差分得到线圈移动的速度v，从而计算出电压中的感应项，得到U-B*L*v＝I*R+LH*dI/dt，结合测得的电流数据，利用卡尔曼滤波算法，对电流数据进行滤波处理，提高电流检测的准确度。
在实施例中，通过软件仿真结合实验测试磁场强度的方法得到音圈电机内部的磁场分布，再调节永磁铁103位置和尺寸，使得磁感应强度在一定范围内大致沿轴向成线性分布，即B＝B0-b*x。再根据光栅尺109反馈的位置信息x，按照电磁场理论的安培力公式，即可计算出音圈电机的驱动力Fcoil＝I*(B0-b*x)*(L-x)，其中I是线圈电流、B0是基准位置的磁感应强度，b是磁感应强度随位移x变化率，L是线圈总长度。
在实施例中，系统的动力学模型包含音圈电机的驱动力Fcoil＝I*(B0-b*x)*(L-x)、金刚石刀具受到的切削力Fcutting、运动部分的惯性力Fa＝m*a和气浮导轨等的阻力f＝f0+k1*v+k2*x，f0是气浮导轨阻力中的常量，k1是气浮导轨阻力对运动速度v的变化率，k2是气浮导轨阻力对位移x的变化率；根据牛顿第三定律，即可计算出金刚石刀具受到的切削力Fcutting＝Fcoil-(Fa+f)。
在实施例中，实时计算当前时刻的切削力与上一时刻切削力的差值△F，当差值大于设置的阈值△Fc，即△F>△Fc时，则认为切削力发生变化，输出切削力图谱，进行后续控制过程；否则认为切削力没有发生变化，继续检测音圈电机电流与金刚石刀具受到的切削力。
综上，本实施例的方法中，位置反馈和切削力反馈共同调节加工过程，并实现加工质量的实时检测。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.具备切削力在线感知功能的快刀伺服装置，其特征在于，包括：
音圈电机，其外壳(105)连接Z高度伺服平台(101)；
气浮导轨，其底座(108)连接XY方向伺服平台(102)，滑轴(107)的第一端通过第一连接件(106)连接音圈电机的线圈(104)，第二端通过第二连接件(110)连接刀具(111)；
驱动回路，其包括串接于回路中的电源(115)和IGBT开关管(118)，回路两端分别耦接所述线圈(104)的两端；
以及控制模块，其包括耦接所述驱动回路的采样单元和设于所述滑轴(107)上的位置反馈单元(109)，以及耦接所述采样单元和位置反馈单元的控制器(121)；所述控制器(121)用于根据所述采样单元采集的驱动回路电流大小和流向，以及位置反馈单元反馈的位置信息，输出PWM波控制所述IGBT开关管(118)的开闭，进而控制音圈电机的正反向运动与加减速。
2.如权利要求1所述的具备切削力在线感知功能的快刀伺服装置，其特征在于，所述音圈电机包括外壳(105)，以及设于外壳(105)内的永磁铁(103)和线圈(104)；所述外壳(105)采用电工纯铁制成，所述永磁铁(103)采用钕铁硼材料制成，呈圆柱环结构，并沿径向方向充磁。
3.如权利要求1所述的具备切削力在线感知功能的快刀伺服装置，其特征在于，所述采样单元包括耦接于所述驱动回路中的采样电阻(116)，耦接采样电阻(116)两端的电压放大电路(117)，耦接电压放大电路(117)输出端的电压偏置电路(119)，以及耦接电压偏置电路(119)的ADC转换电路(120)，所述控制器(121)耦接ADC转换电路(120)的输出端。
4.如权利要求3所述的具备切削力在线感知功能的快刀伺服装置，其特征在于，所述采样电阻阻值低于5mΩ，采用开尔文四线检测法采样。
5.如权利要求1所述的具备切削力在线感知功能的快刀伺服装置，其特征在于，所述位置反馈单元(109)为设于所述滑轴(107)靠近刀具一端的光栅尺，所述光栅尺采用模拟信号输出，细分后的分辨率大于等于10nm。
6.如权利要求1所述的具备切削力在线感知功能的快刀伺服装置，其特征在于，所述电压偏置电路(119)的偏置电压等于电压放大电路(117)最大电压的一半，且波动值小于等于1％；所述ADC转换电路(120)采用具有18位分辨率的外部IC，且采样频率大于5kHz，数据传输频率大于2Mb/s。
7.如权利要求1-6任一项所述的具备切削力在线感知功能的快刀伺服装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、控制器根据ADC转换电路输出的采样值，经过反向解算，得到采样电阻两端的电压，再根据欧姆定律，得到流过采样电阻的电流，即为驱动音圈电机的线圈电流I；
S2、根据位置反馈单元反馈的位置信息x，按照电磁场理论的安培力公式，计算出音圈电机的驱动力Fcoil＝I*(B0-b*x)*(L-x)，其中，I是线圈电流、B0是基准位置的磁感应强度，b是磁感应强度随位移x变化率，L是线圈总长度；
S3、基于音圈电机的驱动力Fcoil、运动部分的惯性力Fa及气浮导轨的阻力f，计算刀具受到的切削力：
Fcutting＝Fcoil-(Fa+f)
其中Fa＝m*a，f＝f0+k1*v+k2*x，f0是气浮导轨阻力中的常量，k1是气浮导轨阻力对运动速度v的变化率，k2是气浮导轨阻力对位移x的变化率；
S4、实时计算当前时刻的切削力与上一时刻切削力的差值△F，当差值大于设置的阈值△Fc，即△F>△Fc时，则认为切削力发生变化，输出切削力图谱，进行后续控制过程；否则认为切削力没有发生变化，继续检测音圈电机电流与刀具受到的切削力。
8.如权利要求7所述的快刀伺服装置的控制方法，其特征在于，步骤S1还包括：
采集音圈电机两端的电压U＝I*R+LH*dI/dt+B*L*v；
其中，I是音圈电机的线圈电流，R是线圈电阻，LH是线圈电感大小，dI/dt是电流对时间的变化率，B是当前位置的磁感应强度，L是当前位置处于磁场中的线圈长度，v是线圈移动的速度；
对位置反馈单元反馈的位置信息x进行差分得到线圈移动的速度v，从而计算出电压中的感应项，得到U-B*L*v＝I*R+LH*dI/dt，结合测得的电流数据，利用卡尔曼滤波算法，对电流数据进行滤波处理，提高电流检测的准确度。
9.如权利要求7所述的快刀伺服装置的控制方法，其特征在于，步骤S2还包括：通过软件仿真结合实验测试磁场强度的方法得到音圈电机内部的磁场分布，再调节永磁铁位置和尺寸，使得磁感应强度在一定范围内大致沿轴向成线性分布，即B＝B0-b*x。
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