带压电力传感器静态漂移自动补偿的切削力主从控制系统技术方案

本发明专利技术涉及一种带压电力传感器静态漂移自动补偿的切削力主从控制系统，包括主控制器和从控制器；所述主控制器包括第一压电元件，耦接第一压电元件的第一电荷放大器，第二压电元件，耦接第二压电元件的第二电荷放大器，耦接第一电荷放大器和第二电荷放大器的第一差分器，以及耦接第一差分器输出端的PC端；所述从控制器包括第三压电元件，耦接第三压电元件的第三电荷放大器，第四压电元件，耦接第四压电元件的第四电荷放大器，耦接第三电荷放大器和第四电荷放大器的第二差分器；以及PID控制器、PZT控制器和刀具快速伺服装置。本发明专利技术的系统可以使用压电陶瓷长时间测量静态力，能够实现对超稳定静态力测量、高刚度静态力反馈的超精密加工。

Cutting Force Master-Slave Control System with Piezoelectric Power Sensor Static Drift Automatic Compensation

【技术实现步骤摘要】
带压电力传感器静态漂移自动补偿的切削力主从控制系统
本专利技术涉及切削控制
，具体涉及一种带压电力传感器静态漂移自动补偿的切削力主从控制系统。
技术介绍
金刚石精密切割是生产复杂微结构表面的关键技术，可应用于半导体、精密光学、太阳能和生物设备等领域。随着微加工技术向大尺度和高精度的发展趋势，静态切屑力的测量和控制成为满足并优化加工生产率和质量的重要课题。传统用于精密加工的力反馈控制只能通过应变片或者带位移传感器的悬臂梁结构来实现。然而这些传感器刚度低，不利于保持实际加工中的刚度要求。传统压电力传感器具有高刚度和高灵敏度等特性，但是受限于电荷放大器中不存在无限阻值的电阻和没有漏电流的运算放大器，压电传感器不能测量长时间的静态力。目前最新的压电力传感器只能实现几分钟内的静态力的测量，压电力传感器测量长时间静态力是发展的先决条件。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种带压电力传感器静态漂移自动补偿的切削力主从控制系统，该方法通过自动补偿压电力传感器的静态漂移实现对微切屑力在极低的偏差范围内长时间稳定测量和控制，利用主从控制系统，实现在微切削过程中长期稳定的控制切削力输出。为达到上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种带压电力传感器静态漂移自动补偿的切削力主从控制系统，包括主控制器和从控制器；所述主控制器包括第一压电元件，耦接第一压电元件的第一电荷放大器，第二压电元件，耦接第二压电元件的第二电荷放大器，负极耦接第一电荷放大器、正极耦接第二电荷放大器的第一差分器，以及耦接第一差分器输出端的PC端；所述从控制器包括第三压电元件，耦接第三压电元件的第三电荷放大器，第四压电元件，耦接第四压电元件的第四电荷放大器，负极耦接第三电荷放大器、正极耦接第四电荷放大器的第二差分器；以及PID控制器、PZT控制器和刀具快速伺服装置；其中，所述第一压电元件用于接收设定控制力信号，第二压电元件用于接收乘以比例系数k的设定控制力信号；所述第三压电元件集成于所述刀具快速伺服装置中，用于测量刀具切削力，所述第四压电元件用于接收乘以比例系数n的刀具切削力信号；所述PID控制器的正端耦接所述PC端，负端耦接第二差分器的输出端，输出端耦接PZT控制器的输入端，PZT控制器的输出端耦接所述刀具快速伺服装置。进一步的，所述第一压电元件、第二压电元件、第三压电元件和第四压电元件的型号和参数均相同，所述第一电荷放大器、第二电荷放大器、第三电荷放大器和第四电荷放大器的型号和参数均相同。进一步的，所述第一电荷放大器包括运算放大器及耦接于运算放大器反相输入端与输出端之间的电容。进一步的，所述第一压电元件和第二压电元件处于相同温度状态下，第三压电元件和第四压电元件处于相同温度状态下。进一步的，所述第一差分器和第二差分器的型号和参数相同，包括运算放大器，耦接于运算放大器同相输入端的第一电阻，耦接于反相输入端的第二电阻，耦接于同相输入端和输出端间的第三电阻，以及耦接于反相输入端和接地点之间的第四电阻。进一步的，所述第一差分器用于计算第一电荷放大器和第二电荷放大器的差值，第二差分器用于计算第三电荷放大器和第四电荷放大器的差值，从而实现对温度和芯片漏电流导致的漂移自动补偿。可选的，所述压电元件为压电陶瓷制成的压电力传感器，包括钛酸钡压电力传感器、锆钛酸铅系压电力传感器、改性锆钛酸铅压电力传感器、偏铌酸铅压电力传感器、铌酸铅钡锂压电力传感器或改性钛酸铅压电力传感器。优选的，所述压电元件为锆钛酸铅系压电力传感器。进一步的，所述压电力传感器上表面覆着正电极，下表面覆着负电极。进一步的，所述压电力传感器通过带粘性的铜箔和导电银胶连接所述电荷放大器。本专利技术相对于现有技术的有益效果为：第一，本专利技术首次将主从控制策略用于超精密加工系统，实现力反馈的超精密微切削力切削，能够在保持必要的系统刚度条件下灵敏地检测到具有小振幅的微切削力，实现大范围高精度加工要求；第二，本专利技术通过取消电荷放大器中力检测单元的电阻，改善由电路电容漏电引起的输出漂移现象，通过对两个相同温度和电路连接状况下的压电力传感器进行差分计算，补偿由于温度变化和漏电流引起的输出漂移，实现利用压电传感器对静态力的长时间稳定测量。附图说明图1是本专利技术实施例的带压电力传感器静态漂移自动补偿的切削力主从控制系统单元组成及连接关系示意图。图2是本专利技术实施例的带压电力传感器静态漂移自动补偿的切削力主从控制系统的工作流程图。具体实施方式为了进一步理解本专利技术，下面结合实施例对本专利技术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专利技术的特征和优点，而不是对本专利技术权利要求的限制。如图1所示，本专利技术实施例提供了一种带压电力传感器静态漂移自动补偿的切削力主从控制系统，其包括压电元件、电荷放大器、差分器、PC端、PID控制器和刀具快速伺服(英文简称：FS-FTS)系统。其中，由控制端104、压电力传感器105、压电力传感器103、电荷放大器106、电荷放大器102、差分器109和PC端111组成主控制器107。由刀具125、被加工工件124、压电力传感器123、压电力传感器121、电荷放大器122、电荷放大器120、快速伺服系统101、PZT控制器113、差分器116和PID控制器114组成从控制器119。在本实施例例中压电力传感器103、压电力传感器105、压电力传感器123和压电力传感器121具有相同的结构和性能参数。工作时，压电力传感器105和压电力传感器103处于相同温度状态下，压电力传感器121和压电力传感器123相同温度状态下。使用带粘性的铜箔和导电银胶将压电力传感器105的正极与电荷放大器106的负极相连，将压电力传感器105的负极与电荷放大器106的正极相连。使用相同的方法，将压电力传感器103的正极与电荷放大器102的负极相连，将压电力传感器103的负极与电荷放大器102的正极相连。相同的方法，将压电力传感器123的正极与电荷放大器122的负极相连，将压电力传感器123的负极与电荷放大器122的正极相连。相同的方法，将压电力传感器121的正极与电荷放大器120的负极相连，将压电力传感器121的负极与电荷放大器120的正极相连。在本实施例例中，电荷放大器106、102、122和120均包括运算放大器及耦接于运算放大器反相输入端与输出端之间的电容。本实施例中的电荷放大器与传统压电陶瓷电荷放大器不同，传统电荷放大器电路将电容和电阻并联后接在远算放大器负端和输出端，而本实施例中的电荷放大器取消放大电路中的与电容并联的电阻，只将电容接在运算放大器负端和输出端，从而能够补偿电容漏电导致的输出漂移现象。在本实施例例中，差分器109和差分器116的型号和参数相同，包括运算放大器，耦接于运算放大器同相输入端的第一电阻，耦接于反相输入端的第二电阻，耦接于同相输入端和输出端间的第三电阻，以及耦接于反相输入端和接地点之间的第四电阻。作为优选实施方案，上述的压电力传感器可选包括钛酸钡压电力传感器(英文简称：BT)、锆钛酸铅系压电力传感器、改性锆钛酸铅压电力传感器、偏铌酸铅压电力传感器、铌酸铅钡锂(英文简称：PBLN)压电力传感器、改性钛酸铅(英文简称：PT)压电力传感器等。本实施例中优选的压电力传感器是锆钛酸铅系(英文简称：PZ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带压电力传感器静态漂移自动补偿的切削力主从控制系统，其特征在于，包括主控制器和从控制器；所述主控制器包括第一压电元件，耦接第一压电元件的第一电荷放大器，第二压电元件，耦接第二压电元件的第二电荷放大器，负极耦接第一电荷放大器、正极耦接第二电荷放大器的第一差分器，以及耦接第一差分器输出端的PC端；所述从控制器包括第三压电元件，耦接第三压电元件的第三电荷放大器，第四压电元件，耦接第四压电元件的第四电荷放大器，负极耦接第三电荷放大器、正极耦接第四电荷放大器的第二差分器；以及PID控制器、PZT控制器和刀具快速伺服装置；其中，所述第一压电元件用于接收设定控制力信号，第二压电元件用于接收乘以比例系数k的设定控制力信号；所述第三压电元件集成于所述刀具快速伺服装置中，用于测量刀具切削力，所述第四压电元件用于接收乘以比例系数n的刀具切削力信号；所述PID控制器的正端耦接所述PC端，负端耦接第二差分器的输出端，输出端耦接PZT控制器的输入端，PZT控制器的输出端耦接所述刀具快速伺服装置。

【技术特征摘要】
1.一种带压电力传感器静态漂移自动补偿的切削力主从控制系统，其特征在于，包括主控制器和从控制器；所述主控制器包括第一压电元件，耦接第一压电元件的第一电荷放大器，第二压电元件，耦接第二压电元件的第二电荷放大器，负极耦接第一电荷放大器、正极耦接第二电荷放大器的第一差分器，以及耦接第一差分器输出端的PC端；所述从控制器包括第三压电元件，耦接第三压电元件的第三电荷放大器，第四压电元件，耦接第四压电元件的第四电荷放大器，负极耦接第三电荷放大器、正极耦接第四电荷放大器的第二差分器；以及PID控制器、PZT控制器和刀具快速伺服装置；其中，所述第一压电元件用于接收设定控制力信号，第二压电元件用于接收乘以比例系数k的设定控制力信号；所述第三压电元件集成于所述刀具快速伺服装置中，用于测量刀具切削力，所述第四压电元件用于接收乘以比例系数n的刀具切削力信号；所述PID控制器的正端耦接所述PC端，负端耦接第二差分器的输出端，输出端耦接PZT控制器的输入端，PZT控制器的输出端耦接所述刀具快速伺服装置。2.如权利要求1所述的带压电力传感器静态漂移自动补偿的切削力主从控制系统，其特征在于，所述第一压电元件、第二压电元件、第三压电元件和第四压电元件的型号和参数均相同，所述第一电荷放大器、第二电荷放大器、第三电荷放大器和第四电荷放大器的型号和参数均相同。3.如权利要求2所述的带压电力传感器静态漂移自动补偿的切削力主从控制系统，其特征在于，所述第一电荷放大器包括运算放大器及耦接于运算放大器反相输入端与输出端之间的电容。4.如权利要求1所述的带压电力传感器静态漂移自动补偿的切...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈远流，陶冶，陈甫文，居冰峰，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33