超声磨削模糊自适应加工系统设计

柳扬，谢鸥，黄开明

（苏州科技大学机械工程学院，江苏苏州215009）

设计技术

超声磨削模糊自适应加工系统设计

柳扬，谢鸥，黄开明

（苏州科技大学机械工程学院，江苏苏州215009）

为了实现恒负载超声磨削加工，以超声磨削系统的加载功率为约束条件，采用模糊智能控制方法实现磨削进给速率的在线调整。建立了超声磨削系统等效电路模型，分析了磨削负载与加载功率的关系；并设计模糊控制系统，包括隶属度函数、控制规则等；实验验证表明所设计的智能控制系统具有较好的稳定性和鲁棒性，能有效提高磨削加工质量和效率。

超声磨削；负载；自适应；模糊控制

工程陶瓷、硅、石英玻璃等材料因其优良的物理和化学性能，被广泛应用于航空航天、精密机械、发动机等领域，对其加工表面质量的要求也越来越高。但由于这些材料硬、脆的材料特性，很难用传统的加工方法进行加工[1]。超声磨削是由超声加工和普通磨削加工复合而成的新型加工方法，具有切削力小、工具磨损少、切削发热低以及加工材料适应性广等优点，能显著提高加工质量和效率，逐渐成为硬脆材料精密加工的研究热点[2-4]。超声磨削过程中，负载不确定性变化，一方面降低了磨削精度和表面质量，另一方面，将引起超声磨削系统工作失谐，输出振幅减小、换能器发热以及磨具磨损，严重影响超声磨削加工效率[5]。本文通过分析超声磨削加工过程中，负载变化对加载功率的影响特性，建立基于功率反馈的超声磨削负载自适应控制系统，实现了恒功率超声磨削，提高了加工效率，延长了磨具寿命。

1 超声磨削系统等效电路模型

对于单一纵振模式的压电换能器，在谐振频率附近的等效电路可表示为如图1（a）所示的形式，其中LL，CL，RL分别为超声换能器的动态电感（类比弹性系数）、动态电容（类比质量）和动态电阻（类比机械损耗）；ZL为负载等效阻抗；Co为超声换能器的静态电容。当电源频率时，等效电路中LL，RL，CL支路产生串联谐振，该支路呈纯阻性，谐振频率下的等效电路可简化为如图1（b）所示形式[6]。

图1 压电换能器共振频率附近的等效电路

超声磨削时负载越大，其等效阻抗ZL越大。当超声激励电源为恒流源时，电路上流过的电流保持不变，加载到负载阻抗上的功率P=I2Z，负载阻抗与加载功率成正增长关系，即磨削负载越大，加载功率越大；磨削负载越小，加载功率越小。

2 控制原理

控制系统的工作原理如图2所示，安装在超声磨削系统上的电压互感器、霍尔电流互感器分别检测加载到超声磨削换能系统上的负载电压和电流，经超声磨削系统实时功率采集系统进行滤波和变换后，计算得到加载到超声磨削系统的负载功率，送入智能控制器后与设定的参考功率进行比较得出偏差值，智能控制器依据此偏差值，通过模糊逻辑推理计算，输出进给倍率控制变量，该进给倍率控制量输入到数控系统，对机床控制面板上的进给倍率修调参数进行调整，从而改变磨削进给速度。

图2 控制系统工作原理图

3 控制系统设计

超声磨削加工是一个具有高度非线性、不确定性的复杂动态过程，很难建立精确的数学控制模型。模糊控制在非线性控制系统中具有较好的控制效果，且不需要控制对象的精确数学模型。本文采用二维模糊控制器实现超声磨削的自适应控制。如图3所示为模糊控制系统结构图，首先设定目标加载功率Pref，将实际测量到的加载功率P与目标加载功率Pref进行比较，比较结果一方面经量化因子Ke处理后获得误差输入Ep，另一方面通过微分作用同样经量化因子Kec处理后获得误差变化率输入Cp.将负载功率的误差Ep和误差变化率Cp输入到模糊逻辑控制器进行模糊化处理，依据模糊控制规则的模糊推理和反模糊化处理后得到进给倍率的调整量△U，经比例因子Kp缩放后获得实际的进给倍率调整量△u，与前一时刻的倍率值进行累加即得到下一时刻的进给倍率，从而调整磨削进给速度，保证磨削过程中负载功率稳定在一个恒定值。如图3所示。

图3 模糊控制器结构图

将模糊论域从（-6，6）共分为13档，对应的模糊子集为{PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB}，相应的语言变量为{正大，正中，正小，零，负小，负中，负大}。输入和输出都采用三角形隶属度函数，如图4所示，在NS， PS相交处，零点附件的微小波动将触发对应的NS，PS规则，容易引起系统震荡，因此将NS，PS在零点处稍微错开，能有效抑制稳态附近的波动，提高控制鲁棒性。根据操作经验和专家知识总结，可建立如表1所示的模糊控制规则表。

图4 输入、输出隶属度函数

表1 模糊控制规则表

输入变量进行模糊化处理后，依据模糊控制规则和隶属度函数，按模糊推理合成规则进行计算可获得模糊控制量输出。模糊控制量经重心法进行反模糊化处理后，获得精确控制量。最后，通过比例缩放从而得到合理的倍率调整量输入到数控机床，控制进给伺服电机的进给运动。

4 实验验证

实验在配备有SIEMENS系统的数控磨床上进行。实验条件为：加工材料为SiC陶瓷，空载超声振动频率为24.3 kHz，金刚石砂轮直径为30 mm，主轴转速为3 500 r·min-1.改变磨削深度按0.02 mm>0.04 mm>0.08 mm变化，可获得如图5所示的功率变化曲线。空载时，超声磨削系统的功率恒定在50 N左右，消耗的功率主要转换为超声磨削系统的超声频振动；加载磨削时，设定目标功率为180 W，实际功率基本收敛到180 W左右，并且改变磨削深度时，系统功率会出现一个明显的波动，且很快消失，表明本系统响应时间短、收敛快、鲁棒性好。如图5所示。

图5 自适应磨削功率曲线

5 结束语

本文建立了超声磨削系统等效电路模型，分析了负载变化对加载功率的影响关系；设计了基于功率反馈的智能负载自适应超声磨削控制系统，并在实际加工控制中进行了验证。结果表明，所设计系统响应速度快、鲁棒性好，能有效提高磨削质量和效率。

[1]张坤领．硬脆材料加工技术发展现状[J]．组合机床与自动化加工技术，2008，5：1-6.

[2]姚建国，宁欣，王占奎．工程陶瓷超声振动磨削残余应力特性研究[J]．航空制造技术，2014，（9）：83-85.

[3]谢志萍，刘国孝，刘国忠，等．超声振动切削加工技术的研究进展[J]．兵器材料科学与工程，2015，38（2）：133-136.

[4]李章东，和平安，赵波．超声研磨AL203陶瓷材料的表面粗糙度特性研究[J]．金刚石与磨料模具工程，2004，（8）：46-49.

[5]肖永军，扬卫平，李晓忠，等．超声磨削加工磨头的设计[J]．航空精密制造技术，2007，43（5）：60-62.

[6]袁秋玲，汪炜，周翟和，等．固结磨料超声磨削用压电换能器等效阻抗分析[J]．压与声光，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

江苏省高校自然科学研究面上项目资助（15KJB460015）；2015年国家级大学生创新实践训练计划项目资助（611311401）

柳扬（1995-），男，江苏徐州人，学士，研究方向：超声振动加工技术；谢鸥（1983-），男，湖南醴陵人，讲师，博士，研究方向：精密与超精密加工技术、数控技术。