一種光柵刻劃刀具刃磨振動控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種光柵刻劃刀具刃磨振動控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]天然金剛石具有硬度高、耐磨性好、摩擦因子低等優(yōu)良特征，可刃磨出極高的刃口峰銳度、刃口圓輪廓度，因此，現(xiàn)行的光柵刻劃刀具采用的材質(zhì)是天然金剛石，但天然金剛石所具有的質(zhì)脆、易崩裂、高溫下易產(chǎn)生熱化學(xué)磨損和擴(kuò)散磨損等特殊的物理化學(xué)特性給金剛石刀具的精密研磨帶來一定困難。機(jī)械刃磨機(jī)理可以看出，不合理的工藝參數(shù)可能導(dǎo)致刀具在刃磨過程中主要以微小裂紋的脆性斷裂方式去除材料，從而影響刀具刃磨質(zhì)量。刀具研磨的工藝經(jīng)驗表明，在光柵刻劃刀具刃磨過程中，刃磨設(shè)備和刀具都會產(chǎn)生一些重要信號，如力、振動、聲音、溫度等，它們在一定程度上反映了刀具刃磨過程的特征，尤其是刃磨過程中刀具的振動，會使刃磨的刀具和磨盤之間產(chǎn)生多余的相對運(yùn)動，這種相對運(yùn)動會直接影響刀具的峰銳度和表面光潔度，因此，監(jiān)測刃磨過程中刀具的振動并將這種振動控制在一定范圍內(nèi)，對提高刀具刃磨質(zhì)量意義重大。中國工程物理研究院為了提高系統(tǒng)的低頻隔振性能，主動隔振器采用了預(yù)測函數(shù)控制的自適應(yīng)控制算法，以適應(yīng)控制過程的實(shí)時性和魯棒性要求，并針對金剛石刀具研磨過程中外部擾動的周期性特點(diǎn)，利用迭代學(xué)習(xí)控制算法對主動控制的位移量進(jìn)行了修正。論文對控制算法的穩(wěn)定性和魯棒性進(jìn)行了數(shù)學(xué)證明，并通過Matlab仿真和建立綜合控制實(shí)驗系統(tǒng)驗證了系統(tǒng)的實(shí)際控制能力。實(shí)驗結(jié)果表明，系統(tǒng)對于20?160Hz頻率范圍內(nèi)不同頻率的外部力擾動都具有明顯的衰減作用，衰減幅度都超過了30%。但是在實(shí)驗裝置中，運(yùn)動平臺的響應(yīng)速度較低，控制系統(tǒng)采樣周期較長，受這些因素影響，系統(tǒng)的控制性能難以有效提高。實(shí)際應(yīng)用時，需要改進(jìn)和完善實(shí)驗裝置相關(guān)元器件配置，以更好地滿足金剛石刀具研磨加工的工藝需求。由于高精度金剛石刀具的刃磨技術(shù)涉及到航空、航天等領(lǐng)域超緊密零件的關(guān)鍵加工技術(shù)，世界各國都對該項技術(shù)封鎖保密，有關(guān)這方面的文獻(xiàn)敘述也相對較少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種光柵刻劃刀具刃磨振動控制方法。
[0004]本發(fā)明針對光柵刻劃刀具刃磨過程中刀具振動對刃磨質(zhì)量有重大影響這一問題，在深入分析刃磨過程刀具產(chǎn)生振動機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過在線實(shí)時調(diào)整刀具進(jìn)給量與刀具向磨盤施加的研磨載荷大小，進(jìn)而調(diào)整刀具的振動，刀具振動采用串級控制方法，內(nèi)環(huán)采用PID算法控制刀具向磨盤施加的研磨載荷大小，外環(huán)采用自動搜索尋優(yōu)算法控制刀具的進(jìn)給量，雙環(huán)共同作用控制刃磨過程中刀具的振動，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)刀具振動在線實(shí)時控制，大大減小刃磨過程刀具的振動，提高刀具刃口表面光潔度和刃口質(zhì)量及刃磨效率。
[0005]本發(fā)明之方法包括以下步驟:
[0006]1、通過調(diào)整刀具進(jìn)給量和刀具向磨盤施加的研磨載荷大小進(jìn)而控制刀具振動，刀具的進(jìn)給量調(diào)整由進(jìn)給機(jī)構(gòu)完成，進(jìn)給機(jī)構(gòu)由直線電機(jī)、氣浮導(dǎo)軌、連接機(jī)構(gòu)和刀架組成，矩形氣浮導(dǎo)軌因其摩擦系數(shù)極小，所以為刀具進(jìn)給提供了精確導(dǎo)向，直線電機(jī)具有微米級進(jìn)給量，滿足刀具微進(jìn)給要求;刀具載荷大小調(diào)整由刀具施載機(jī)構(gòu)完成，施載機(jī)構(gòu)由固定自重端和可調(diào)配重端構(gòu)成，固定自重端包括刀具擺軸、調(diào)角機(jī)構(gòu)及氣浮導(dǎo)軌;可調(diào)配重端包括配重塊、絲杠、導(dǎo)軌及步進(jìn)電機(jī)；刀具向磨盤施加的研磨載荷是由配重機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，配重機(jī)構(gòu)是利用杠桿原理設(shè)計的，杠桿一端為固定自重端，杠桿另一端為可調(diào)配重端，杠桿固定自重端的力臂是固定長度，刀具向磨盤上施加載荷大小的調(diào)整是由步進(jìn)電機(jī)通過絲杠及導(dǎo)軌移動配重，調(diào)節(jié)力臂的長度實(shí)現(xiàn)的，在刃磨過程中，進(jìn)給機(jī)構(gòu)和施載機(jī)構(gòu)根據(jù)機(jī)算機(jī)發(fā)出的控制命令相互協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)刀具振動的控制。
[0007]2、針對刃磨過程刀具振動進(jìn)行控制:首先對刀具振動信號進(jìn)行精確測量與提取，測量刀具振動信號采用加速度傳感器，安裝在刀具架上，采用小波包方法對采集到的振動ig號進(jìn)行精確提取。
[0008]3、通過調(diào)整刀具進(jìn)給量及刀具向磨盤施加的研磨載荷大小進(jìn)而控制刀具振動，因此需要檢測刀具與磨盤之間的相互作用力即載荷大小，采用壓力傳感器間接測量載荷大小，壓力傳感器安裝在直線電機(jī)支撐端，在刀具研磨過程中，載荷大小可以根據(jù)杠桿原理及壓力傳感器測量值通過計算得出。
[0009]4、整個系統(tǒng)由計算機(jī)自動控制，刃磨過程刀具振動控制采用串級控制方法，內(nèi)環(huán)采用PID控制算法，外環(huán)采用自動搜索尋優(yōu)算法。內(nèi)環(huán)采用PID控制算法的具體工作過程如下:壓力傳感器按固定的采樣周期實(shí)時測量直線電機(jī)支撐端的壓力值，根據(jù)壓力傳感器實(shí)時測量值計算得出實(shí)際載荷值，實(shí)際載荷值與給定值進(jìn)行做差比較，將偏差值送至PID控制器，經(jīng)PID計算后控制器將結(jié)果送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)根據(jù)控制命令帶動配重向左或向右移動，從而調(diào)整刀具向磨盤施加的研磨載荷大?。煌猸h(huán)采用自動搜索尋優(yōu)算法調(diào)整配置位置的工作過程如下:外環(huán)給定值是理想刀具振動值，振動傳感器按照采樣周期采集振動信號，采集的信號經(jīng)過硬件濾波及軟件濾波精確提取后，提取出實(shí)際刀具振動值，實(shí)際刀具振動值與給定值進(jìn)行做差比較，如果偏差絕對值超出振動閥值，直接發(fā)出控制命令給刀架機(jī)構(gòu)進(jìn)行退刀操作；如果偏差絕對值小于振動閥值但大于正常值，將偏差值送給自動搜索尋優(yōu)控制器，控制器發(fā)出控制命令給直線電機(jī)，先使其正轉(zhuǎn)，即刀具向上移動，如果此時刀具振動在減小，繼續(xù)上移，直到振動減小到誤差允許范圍內(nèi)為止，使其正轉(zhuǎn)，如果刀具振動在增加，立刻使其反轉(zhuǎn)，即刀具向下移動，如果此時刀具振動在減小，繼續(xù)下移，直到振動減小到誤差允許范圍內(nèi)為止，通過自動搜索尋優(yōu)方法調(diào)整刀具進(jìn)給量，從而調(diào)整刀具振動的大?。坏毒哒駝拥恼{(diào)整一直進(jìn)行到刀具刃磨結(jié)束，通過這樣的方案保持刀具研磨過程的穩(wěn)定性。
[0010]因此，針對光柵刻劃刀具刃磨過程的振動控制，采用串級控制方法，內(nèi)環(huán)采用PID控制算法控制步進(jìn)電機(jī)移動配重向左或向右運(yùn)動，控制刀具向磨盤施加的研磨載荷大小；外環(huán)采用自動搜索尋優(yōu)算法控制直線電機(jī)向上或向下移動，控制刀具進(jìn)給量，進(jìn)而控制刃磨過程中刀具的振動，該方法實(shí)現(xiàn)了刀具振動在線實(shí)時控制，提高了刀具刃口表面光潔度和刃口質(zhì)量及刃磨效率。
[0011]本發(fā)明的有益效果是:
[0012]1、本發(fā)明針對光柵刻劃刀具刃磨過程中刀具振動的問題，采用串級控制方法、PID控制算法、自動搜索尋優(yōu)算法相結(jié)合的控制方法精確控制刃磨過程中刀具的進(jìn)給量和刀具向磨盤施加的研磨載荷大小，進(jìn)而控制刃磨過程中刀具的振動，該方法實(shí)現(xiàn)了刀具振動在線實(shí)時控制，提高了刀具刃口表面光潔度和刃口質(zhì)量及刃磨效率。
[0013]2、本發(fā)明針對光柵刻劃刀具刃磨過程中刀具振動的問題，通過調(diào)整刃磨過程中刀具的進(jìn)給量和刀具向磨盤施加的研磨載荷大小，進(jìn)而控制刀具振動，刀具的進(jìn)給量調(diào)整由進(jìn)給機(jī)構(gòu)完成，刀具載荷大小調(diào)整由刀具施載機(jī)構(gòu)完成，進(jìn)給機(jī)構(gòu)和施載機(jī)構(gòu)在計算機(jī)控制下協(xié)調(diào)工作，較大程度提高了刀具振動控制精度。
【附圖說明】
[0014]圖1本發(fā)明串級控制系統(tǒng)的組成框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]請參閱圖1所示，本發(fā)明之方法包括以下步驟:
[0016]1、通過調(diào)整刀具進(jìn)給量和刀具向磨盤施加的研磨載荷大小進(jìn)而控