基于超声振动装置等效电压的自适应制孔方法

1.本发明属于超声振动辅助钻削领域，特别涉及一种基于超声振动装置等效电压的自适应制孔方法。


背景技术：

2.随着航空航天领域装备的不断发展，对于材料高强度、高刚度与轻质化的要求不断提高。新型材料如cfrp、钛合金在航空航天领域有着广泛的应用。为了保证结构间良好的抗疲劳性、导电性、监测与拆装维护的便利性，常采用机械连接的方式进行复合材料结构件连接，而装配孔加工是装配连接中必不可少的一环，为了保证螺栓连接或铆接的可靠性。应确保制孔工艺可以得到无损伤与高精度化。而新型材料多为难加工材料，传统钻削工艺难以满足精度与效率需求。
3.超声振动辅助加工作为一种新型的复合加工工艺，指在传统加工过程刀具运动的基础上附加一定的超声振动，针对不同的工艺要求，振动的方向可分为纵振、扭振等单向振动与弯振、纵扭等复合振动。超声振动辅助工艺已通过大量研究证明了其在难加工材料上的优越性，并且超声振动辅助加工的实现仅依靠相应装置，理论上可以在普通机床上实现精密切削，降低了生产成本。
4.目前，超声振动辅助钻削工艺由于压电的迟滞非线性、钻削过程刀具磨损、机床振动、工件变形等因素影响，在没有主动控制的情况下，会出现轴向力波动大、超声装置振幅输出不稳定等问题，使得制孔质量受到严重影响。而在控制方面，钻削过程控制自身并不处于加工过程控制的研究热点，目前的控制主要是基于进给速度等加工参数，进行恒定轴向力或力矩控制，由于控制系统与加工机床独立的两部分，这种方法要求对于伺服系统的额外开发，且控制精度也会受到机床响应速度的影响；而基于振动参数的超声振动辅助钻削的控制方法与分阶段控制策略较为缺乏。研究一种不依靠外界传感器、可以根据预定的加工策略进行装置超声振幅自适应的钻削过程控制方法成为了亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.发明目的：在于提供一种基于超声振动装置等效电压的自适应制孔方法，能够在无传感器的情况下感知加工过程中的轴向力，并通过控制装置振幅，实现加工过程轴向力变化趋近于参考趋势，从而提高钻削过程的稳定性，提高制孔质量。
6.技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
7.一种基于超声振动装置等效电压的自适应制孔方法，其特征在于包括以下过程：
8.制孔系统包括超声振动辅助钻削装置、超声波发生器、信号采集电路、数据采集卡、上位机、数控机床；其中超声振动辅助钻削装置包括压电换能器与变幅杆，安装在数控机床的电主轴上，实现基本的旋转与进给功能；通过对压电换能器施加交流电压，在普通钻削的基础上施加超声振动，实现超声振动辅助钻削，在一定激励电压幅值范围内，激发振幅与电压呈正相关；超声波发生器根据收到的数字激励信号，将其进行d/a转换，并通过电压
放大器将信号幅值放大，从而激励超声装置产生振动；其信号采集过程在加工时通过信号采集电路，实时采集超声装置的电压、电流信号，通过数据采集卡进行a/d转换，将转换后的数字信号传递至上位机；
9.在上位机中，数字信号首先通过中值滤波去除过程噪声，其次通过傅里叶变换提取出其中的幅值、频率、相位频域特征，计算出等效电压；参考输入由事先确定的最优钻削策略制订，其值反映的是钻入-钻中-钻出三个钻削阶段内轴向力的期望变化趋势，作为控制系统的控制目标，自适应控制率根据离线辨识得到的超声振动辅助钻削过程传递函数设计，基于此输入实时的等效电压信号，计算得到更新后的激励信号，实现反馈控制，具体步骤如下：
10.步骤1、信号采集电路提取超声振动辅助钻削过程中装置内部的由于外界负载变化产生的额外电压与电流，通过数据采集卡进行a/d转换，将转换后的数字信号传至上位机后，经过中值滤波与快速傅里叶变换，得到电流i、电压v；
11.信号采集电路由三个电阻r
m1
、r
m2
、r
m3
组成，其中r
m3
与超声振动装置内部的压电换能器串联，r
m1
与r
m2
两者串联构成另一条支路，并与r
m3
与压电换能器串联构成的支路并联；压电换能器两端的电压与电流信号通常超出数据采集卡的量程，为了实现采集，由于流经压电换能器的电流信号与r
m3
电流信号相等，通过采集r
m3
两端电压计算电流；r
m1
与r
m2
的阻值比值为k，通过r
m2
分压，测量r
m1
两端的电压信号，结合基尔霍夫电压定律，根据阻值比值计算得到压电换能器两端的电压信号，从而实现电流、电压信号的采集；
12.步骤2、根据电流与电压信号，计算得到等效电压u
eq
，模型表达式为：
[0013][0014][0015][0016]ueq
＝u
′
0-u
′
(4)
[0017]
其中，r
m1
、r
m2
为信号采集电路电阻阻值，分别为电阻r
m1
、r
m3
两端电压信号，为压电换能器两端电压，为信号采集电路支路整体电压，为信号采集电路支路整体电压，均为相量的形式，u
′
为激励解耦后的换能器电压，u
′0为静态换能器电压值，经过(1)-(4)计算后得到的等效电压用于表征钻削过程中轴向力数值的变化趋势；
[0018]
步骤3、将等效电压u
eq
输入模型参考自适应控制器中，并将其与参考模型输出的参考等效电压比较，得到实时的误差e0，计算方法为：
[0019]
e0(t)＝y
p
(t)-ym(t)(5)
[0020]
ym(s)＝gm(s)r
p
(s)(6)
[0021]
其中y
p
(t)为加工过程中t时刻实测电信号计算得到的等效电压u
eq
，ym(t)为t时刻参考模型根据参考输入计算得到的参考等效电压，r
p
(s)为参考输入，gm(s)为设计的参考模型传递函数；
[0022]
步骤4、基于等效电压的误差e0，设计模型参考自适应控制率；由于信号类型为数字信号，设计控制率时需要采用离散的形式，对于第k个序列的激励信号值u(k)，计算方法
为：
[0023][0024][0025]
其中γ为自适应率调节参数，k1为控制器调节参数，两者的值根据数值仿真模拟的结果确定；ω(k)分别为k序列下控制系统内部的自适应率与系统输入输出向量，ω(k)构成如下式所示：
[0026]
ω
t
(k)＝[r(k),v
1t
(k),y
p
(k),v
2t
(k)](9)
[0027]
其中r(k)、y
p
(k)分别为k序列下的参考输入与实测等效电压u
eq
，v1(k)、v2(k)为k序列下模型参考自适应控制器中的两个状态变量，其计算公式如下：
[0028]
v1(k)＝λv1(k-1)+bu(k-1)(10)
[0029]
v2(k)＝λv2(k-1)+by
p
(k-1)(11)
[0030]
其中λ、b为系统辨识得到的模型参数。
[0031]
步骤5、超声波发生将上位机控制系统给出的激励信号u(k)放大，并施加在超声装置上，使得振幅作出自适应调整。
[0032]
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0033]
1.基于机电模型建立了等效电压模型，在不依靠外界传感器的条件下基于超声装置内部电信号实现了对于钻削过程轴向力的实时表征；
[0034]
2.建立的控制系统可以针对任意制订的加工策略进行自适应控制；
[0035]
3.建立的数字控制方法可扩展性强，重新标定之后即可适用于不同的装置与工况。
附图说明
[0036]
图1是本发明整体控制系统示意图；
[0037]
图2是信号采集电路示意图；
[0038]
图3是系统过程模型示意图；
[0039]
图4是超声振动辅助钻削装置结构图；
[0040]
图5是控制方法示意图。
具体实施方式
[0041]
以下结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。应当指出，以下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。
[0042]
如图1所示，一种基于超声振动装置等效电压的自适应制孔控制系统，包括：超声振动辅助钻削装置、超声波发生器、信号采集电路、数据采集卡、上位机控制系统。其中，超声振动辅助钻削装置包括压电换能器、变幅杆等，信号采集电路结构如图2所示；首先，信号采集电路提取超声振动辅助钻削过程中装置内部的原始电信号，数据采集卡进行a/d转换，传至上位机控制系统后，经过中值滤波与快速傅里叶变换，得到电流i、电压v；其次，根据电流与电压信号，计算得到等效电压u
eq
；将等效电压u
eq
输入模型参考自适应控制器中，并将
其与参考模型输出的参考等效电压比较，得到实时的误差e0；随后基于等效电压的误差e0，根据模型参考自适应控制率计算得到该时刻的激励信号值u(k)；最后超声波发生将上位机控制系统给出的激励信号u(k)放大，并施加在超声装置上，使得振幅作出自适应调整。
[0043]
如图1所示，一种基于超声振动装置等效电压的自适应制孔方法，包括以下
[0044]
步骤：
[0045]
(1)信号采集电路提取超声振动辅助钻削过程中装置内部的原始电信号，数据采集卡进行a/d转换，传至上位机控制系统后，经过中值滤波与快速傅里叶变换，得到电信号参数v1、v2的幅值与相位，采集电路如图2所示，将超声振动装置内部的压电换能器接入采集电路中，通过电阻rm1与电阻rm3电阻分别采集压电换能器的电压和电流，计算公式如下：
[0046][0047]vt
＝v-v2(13)
[0048]
(2)根据电流与电压信号，计算得到等效电压u
eq
，基于压电换能器的机电转换特性，换能器的感应电压可以反映出整个加工过程中力变化的趋势，但其作为驱动与传感的双重功能使得电压对力的表征受到压电效应的耦合影响，一方面根据上述分析外力变化会使得电压变化；另一方面仅改变激励电压的幅值，在一定范围内激励电压也会成正比例地影响换能器的感应电压。而激励电压在控制系统中作为控制量是需要根据控制策略实时调整的，在这种情况下，单从换能器电压无法表征外力的变化，需要换算为等效电压进行解耦，使得等效电压的幅值不受激励电压影响，仅表征外力的变化：
[0049][0050]
同时，为了方便后续控制系统的构建，构建与外力呈正相关的等效电压形式：
[0051]ueq
＝u
′
0-u
′
(15)
[0052]
(3)将等效电压u
eq
输入模型参考自适应控制器中，并将其与参考模型输出的参考等效电压比较，得到实时的误差e0，计算方法为：
[0053]
e0(t)＝y
p
(t)-ym(t)(16)
[0054][0055]
其中y
p
为加工过程中实测电信号计算得到的等效电压u
eq
，ym为参考模型根据参考输入计算得到的参考等效电压，r为参考输入，a
p
、b
p
、h
t
均为参考模型中辨识得到的模型参数。
[0056]
整体过程包括压电换能器受激励电压产生振动位移，经过装置变幅杆放大后作用于刀具，在加工过程中影响轴向力，并反馈为等效电压信号，辨识得到的模型结构如图3所示。
[0057]
(4)基于等效电压的误差e0，根据模型参考自适应控制率计算得到该时刻的激励信号值u(k)，超声波发生将上位机控制系统给出的激励信号u(k)放大，并施加在超声装置上，使得振幅作出自适应调整。
[0058]
u(k)计算方法如下：
[0059]
[0060][0061]
其中，ω(k)分别为k时刻控制系统内部的自适应率向量与系统输入输出向量，γ、k1为控制器参数，其值根据数值仿真模拟确定。
[0062]
一种基于超声振动装置等效电压的自适应制孔控制方法，实现超声振动辅助钻削过程中振幅按照目标轴向力趋势的自适应变化，从而弥补了加工过程中刀具磨损、机床振动、工件变形、工件刚度减小等加工外载荷波动因素导致的轴向力波动。通过建立表征钻削轴向力的等效电压模型，在加工过程中实时采集电信号计算等效电压，模型参考自适应控制器根据实际等效电压与理想模型等效电压的差值更新此时的激励信号，从而使得超声振幅自适应变化，本方法增强了超声振动辅助钻削加工的稳定性，从而提高了制孔质量。同时控制系统的执行器与传感器均为超声装置，简化了控制系统，有效降低了成本，提高了可实行性。

技术特征：
1.一种基于超声振动装置等效电压的自适应制孔方法，其特征在于包括以下过程：制孔系统包括超声振动辅助钻削装置、超声波发生器、信号采集电路、数据采集卡、上位机、数控机床；其中超声振动辅助钻削装置包括压电换能器与变幅杆，安装在数控机床的电主轴上，实现基本的旋转与进给功能；通过对压电换能器施加交流电压，在普通钻削的基础上施加超声振动，实现超声振动辅助钻削，在一定激励电压幅值范围内，激发振幅与电压呈正相关；超声波发生器根据收到的数字激励信号，将其进行d/a转换，并通过电压放大器将信号幅值放大，从而激励超声装置产生振动；其信号采集过程在加工时通过信号采集电路，实时采集超声装置的电压、电流信号，通过数据采集卡进行a/d转换，将转换后的数字信号传递至上位机；在上位机中，数字信号首先通过中值滤波去除过程噪声，其次通过傅里叶变换提取出其中的幅值、频率、相位频域特征，计算出等效电压；参考输入由事先确定的最优钻削策略制订，其值反映的是钻入-钻中-钻出三个钻削阶段内轴向力的期望变化趋势，作为控制系统的控制目标，自适应控制率根据离线辨识得到的超声振动辅助钻削过程传递函数设计，基于此输入实时的等效电压信号，计算得到更新后的激励信号，实现反馈控制，具体步骤如下：步骤1、信号采集电路提取超声振动辅助钻削过程中装置内部的由于外界负载变化产生的额外电压与电流，通过数据采集卡进行a/d转换，将转换后的数字信号传至上位机后，经过中值滤波与快速傅里叶变换，得到电流i、电压v；信号采集电路由三个电阻r
m1
、r
m2
、r
m3
组成，其中r
m3
与超声振动装置内部的压电换能器串联，r
m1
与r
m2
两者串联构成另一条支路，并与r
m3
与压电换能器串联构成的支路并联；压电换能器两端的电压与电流信号通常超出数据采集卡的量程，为了实现采集，由于流经压电换能器的电流信号与r
m3
电流信号相等，通过采集r
m3
两端电压计算电流；r
m1
与r
m2
的阻值比值为k，通过r
m2
分压，测量r
m1
两端的电压信号，结合基尔霍夫电压定律，根据阻值比值计算得到压电换能器两端的电压信号，从而实现电流、电压信号的采集；步骤2、根据电流与电压信号，计算得到等效电压u
eq
，模型表达式为：模型表达式为：模型表达式为：模型表达式为：其中，r
m1
、r
m2
为信号采集电路电阻阻值，分别为电阻r
m1
、r
m3
两端电压信号，为压电换能器两端电压，为信号采集电路支路整体电压，为信号采集电路支路整体电压，均为相量的形式，u
′
为激励解耦后的换能器电压，u
′0为静态换能器电压值，经过(1)-(4)计算后得到的等效电压用于表征钻削过程中轴向力数值的变化趋势；步骤3、将等效电压u
eq
输入模型参考自适应控制器中，并将其与参考模型输出的参考等效电压比较，得到实时的误差e0，计算方法为：e0(t)＝y
p
(t)-y
m
(t)(5)
y
m
(s)＝g
m
(s)r
p
(s)(6)其中y
p
(t)为加工过程中t时刻实测电信号计算得到的等效电压u
eq
，y
m
(t)为t时刻参考模型根据参考输入计算得到的参考等效电压，r
p
(s)为参考输入，g
m
(s)为设计的参考模型传递函数；步骤4、基于等效电压的误差e0，设计模型参考自适应控制率；由于信号类型为数字信号，设计控制率时需要采用离散的形式，对于第k个序列的激励信号值u(k)，计算方法为：计算方法为：其中γ为自适应率调节参数，k1为控制器调节参数，两者的值根据数值仿真模拟的结果确定；ω(k)分别为k序列下控制系统内部的自适应率与系统输入输出向量，ω(k)构成如下式所示：ω
t
(k)＝[r(k),v
1t
(k),y
p
(k),v
2t
(k)](9)其中r(k)、y
p
(k)分别为k序列下的参考输入与实测等效电压u
eq
，v1(k)、v2(k)为k序列下模型参考自适应控制器中的两个状态变量，其计算公式如下：v1(k)＝λv1(k-1)+bu(k-1)(10)v2(k)＝λv2(k-1)+by
p
(k-1)(11)其中λ、b为系统辨识得到的模型参数。步骤5、超声波发生将上位机控制系统给出的激励信号u(k)放大，并施加在超声装置上，使得振幅作出自适应调整。

技术总结
本发明公开了基于超声振动装置等效电压的自适应制孔方法，属超声振动辅助切削加工领域。本发明上位机对于原始信号进行滤波及傅里叶变换处理，得到信号的频率、相位、幅值特征；并建立机电映射模型，以此为理论依据结合提取的信号特征计算得到等效电压，用于表征加工过程中的实时轴向力，作为自适应控制器的输入信号；自适应控制器依据离线辨识的系统过程模型与反映加工策略的参考信号，基于Lyapunov稳定性理论推导得到模型参考自适应控制率，实时计算出激励电压的调整量，并将更新后的激励信号经过超声波发生器施加在超声装置上，实现闭环控制。提升了超声振动辅助钻削过程的稳定性，达到了抑制制孔缺陷、改善加工质量的效果。改善加工质量的效果。改善加工质量的效果。


技术研发人员：张臣 胡鑫 刘丞让 史亦卿
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.05.04
技术公布日：2023/8/24