微细电化学加工的自适应进给控制系统技术方案

本发明专利技术公开了微细电化学加工的自适应进给控制系统，包括上位控制单元、加工控制单元、宏运动机构、微运动机构、纳秒脉冲电源和纳秒脉冲在线检测电路；加工控制单元接收、执行用户指令，执行必要的采集、计算、驱动操作，实现预定算法；由加工控制单元得到监测加工电流和实际间隙；纳秒脉冲在线检测电路包括信号拾取与转换电路和采集与控制电路，用于加工电流的脉冲参数检测与加工间隙的断/短路状况判别，表征加工间隙，形成进给反馈，实现加工进给的闭环控制；利用宏运动机构和微运动机构分别实现大行程运动和细微进给；由此实现微细电化学加工间隙的精确控制，达到稳定间隙乃至恒间隙加工，满足微细加工工艺要求。满足微细加工工艺要求。满足微细加工工艺要求。

【技术实现步骤摘要】
微细电化学加工的自适应进给控制系统


[0001]本专利技术属于微细电化学加工
，尤其是微细电化学加工的自适应进给控制系统。

技术介绍

[0002]微细电化学加工是一种重要的微细加工工艺，具有非接触、无热影响、无切削力等特点，尤其适于轻质、薄壁以及超硬、脆性材料上微小、精密结构的加工与成型。加工进给及控制一直是微细电化学加工的重要研究内容，致力于细小、稳定加工间隙乃至恒值加工间隙的形成，国内外相关机构与研究人员展开了广泛而深入的研究。
[0003]进给控制系统的迟滞、蠕变、非线性等环节，加工过程的物质迁移、电解液浓度分布、流场分布等因素，均给微细电化学加工的间隙建模、进给控制等带来了极大的困难；同时，纳秒脉冲加工电流、浸没于电解液中的加工方式使加工间隙的测量与检测成为微细电化学加工的一个瓶颈，更加剧了上述困难。针对上述问题，现有研究通过霍尔器件检测加工电流，并将其作为反馈量实现微细进给控制。通过上述方法，能够实现微细进给的闭环控制，极大缓解加工间隙的激剧变化，改善加工中的断短路状况，得到较好的控制效果；该方法的局限在于霍尔器件限于平均电流检测，并不反映加工电流的实时变化状况，无法完全避免加工短路、断路等不良状况，难以形成稳定间隙乃至恒间隙加工。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中存在的不足，本申请提出了微细电化学加工的自适应进给控制系统，通过设计纳秒加工脉冲在线检测电路及其控制集成电路，实时获取极间加工电流，将其作为反馈信号评价加工间隙，在此基础上设计并实现面向微细电化学加工的模型参考自适应进给控制系统，以期获得更好的间隙控制效果，实现稳定间隙乃至恒间隙加工。
[0005]本专利技术所采用的技术方案如下：
[0006]微细电化学加工的自适应进给控制系统，包括上位控制单元、加工控制单元、宏运动机构、微运动机构、纳秒脉冲电源和纳秒脉冲在线检测电路；
[0007]宏运动机构驱动交流伺服电机实现XYZ向的大行程运动，微运动机构驱动压电致动器实现Z向微量的加工进给与微纳量级的细小间隙调整；
[0008]所述上位控制单元通过高速串口与加工控制单元之间实现系统控制及状态数据的交换；
[0009]所述加工控制单元由大规模可编程逻辑器件和嵌入式处理器组成，接收、执行用户指令，执行必要的采集、计算、驱动操作，实现预定算法生成控制指令送入宏微运动机构的驱动器，分别驱动XYZ交流伺服电机或压电致动器，产生所需的宏运动或微纳量级的微运动，实现微细加工；
[0010]所述纳秒脉冲在线检测电路包括信号拾取与转换电路和采集与控制电路，用于加工电流的脉冲参数检测与加工间隙的断/短路状况判别，表征加工间隙，形成进给反馈，实
现加工进给的闭环控制；
[0011]所述宏运动机构接收来自上位控制单元传输的位移和速度指令并获取指令中相关的运动参数并将其存储在速度寄存器和位移寄存器中，在专用集成电路中形成XYZ三轴电机控制逻辑并产生控制脉冲，驱动交流伺服电机实现大行程运动；
[0012]所述微运动机构包括驱动电路和检测电路；实现微运动驱动时，加工控制单元接收来自上位控制单元传输的微运动位移量，利用DA转换控制逻辑产生0
‑
10V驱动电压，驱动压电致动器实现细微进给，实现微运动检测时，利用微位移检测电路采集压电致动器的输出位移，通过转换公式将输出位移转换成0
‑
10V的电压，并通过放大电路放大将电压转换至0
‑
5V的反馈电压，通过AD转换控制逻辑产生压电致动器的反馈量并将其送至上位控制单元，从而形成微位移的闭环检测。
[0013]所述上位控制单元通过高速串口与加工控制单元之间实现系统控制及状态数据的交换；
[0014]所述加工控制单元接收、执行用户指令，执行必要的采集、计算、驱动操作，实现预定算法；由加工控制单元得到加工电流和实际间隙；
[0015]所述纳秒脉冲在线检测电路包括信号拾取与转换电路和采集与控制电路，用于加工电流的脉冲参数检测与加工间隙的断/短路状况判别，表征加工间隙，形成进给反馈，实现加工进给的闭环控制；
[0016]进一步，以加工间隙作为被控对象，对进给速度及压电致动器进行控制，其中对进给速度的控制由模型参考自适应完成，包括间隙理论控制模型G
T
(S)、自适应机构G
A
(S)、PID控制G
C
(S)与间隙实际模型G
M
(S)，期望间隙δ
d
作为输入，实际间隙δ
f
作为输出；对压电致动器的控制由复合控制完成，包括PID控制和前馈控制，驱动电压Uc作为输入，压电位移S
L
作为输出；
[0017]其中对于进给速度控制的过程：所述间隙理论控制模型G
T
(S)根据输入的期望间隙δ
d
计算理论间隙δ
T
，
[0018]所述自适应机构G
A
(S)获取并比较理论间隙δ
T
与实际间隙δ
f
，自适应机构G
A
(S)根据间隙偏差E计算调整参数；
[0019]所述PID控制G
C
(S)根据调整参数和期望间隙δ
d
输出进给量f至间隙实际模型G
M
(S)；
[0020]所述间隙实际模型G
M
(S)根据输入的期望间隙δ
d
得到实际加工间隙δ
f
。
[0021]其中对于压电致动器控制过程：
[0022]微运动量经过前馈控制后得到前馈控制量；
[0023]微运动量和压电位移的差值为e以及变化Δe；经过PID控制后得到PID控制输出量；
[0024]前馈控制量和PID控制输出量之和为压电致动器的驱动电压UC，压电致动器根据给定的驱动电压完成相应运动，最终得到压电位移S
L
。
[0025]进一步，间隙理论控制模型G
T
(S)包括进给控制器G1(S)、微位移计算器G6(S)、微位移控制器G2(S)、压电致动器、宏运动控制器和材料去除速度模型G7(S)；所述进给控制器G1(S)采用PI控制器，由进给控制器G1(S)调整期望间隙δ
d
和理论间隙δ
T
间的偏差计算进给量f；微位移计算器G6(S)根据进给量f计算微位移分量，送至微位移控制器G2(S)产生驱动电压
U
C
驱动压电致动器，实现微进给；所述宏运动控制器根据进给量f计算宏位移分量，并驱动交流伺服系统实现宏运动；进给系统根据宏微运动实现的总位移S求取进给速度v
e
，与材料去除速度模型G7(S)获得的去除速度v
w
比较、积分得到理论的加工间隙δ
T
，从而实现理论间隙的计算。
[0026]进一步，进给控制器G本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.微细电化学加工的自适应进给控制系统，其特征在于，包括上位控制单元、加工控制单元、宏运动机构、微运动机构、纳秒脉冲电源和纳秒脉冲在线检测电路；宏运动机构驱动交流伺服电机实现XYZ向的大行程运动，微运动机构驱动压电致动器实现Z向微量的加工进给与微纳量级的细小间隙调整；所述上位控制单元通过高速串口与加工控制单元之间实现系统控制及状态数据的交换；所述加工控制单元由大规模可编程逻辑器件和嵌入式处理器组成，接收、执行用户指令，执行必要的采集、计算、驱动操作，实现预定算法生成控制指令送入宏微运动机构的驱动器，分别驱动XYZ交流伺服电机或压电致动器，产生所需的宏运动或微纳量级的微运动，实现微细加工；所述纳秒脉冲在线检测电路包括信号拾取与转换电路和采集与控制电路，用于加工电流的脉冲参数检测与加工间隙的断/短路状况判别，表征加工间隙，形成进给反馈，实现加工进给的闭环控制；所述宏运动机构接收来自上位控制单元传输的位移和速度指令并获取指令中相关的运动参数并将其存储在速度寄存器和位移寄存器中，在专用集成电路中形成XYZ三轴电机控制逻辑并产生控制脉冲，驱动交流伺服电机实现大行程运动；所述微运动机构包括驱动电路和检测电路；实现微运动驱动时，加工控制单元接收来自上位控制单元传输的微运动位移量，利用DA转换控制逻辑产生0
‑
10V驱动电压，驱动压电致动器实现细微进给，实现微运动检测时，利用微位移检测电路采集压电致动器的输出位移，通过转换公式将输出位移转换成0
‑
10V的电压，并通过放大电路放大将电压转换至0
‑
5V的反馈电压，通过AD转换控制逻辑产生压电致动器的反馈量并将其送至上位控制单元，从而形成微位移的闭环检测。2.根据权利要求1所述的微细电化学加工的自适应进给控制系统，其特征在于，以加工间隙作为被控对象，对进给速度及压电致动器进行控制，其中对进给速度的控制由模型参考自适应完成，包括间隙理论控制模型G
T
(S)、自适应机构G
A
(S)、PID控制G
C
(S)与间隙实际模型G
M
(S)，期望间隙δ
d
作为输入，实际间隙δ
f
作为输出；对压电致动器的控制由复合控制完成，包括PID控制和前馈控制，驱动电压Uc作为输入，压电位移S
L
作为输出；其中对于进给速度控制的过程：所述间隙理论控制模型G
T
(S)根据输入的期望间隙δ
d
计算理论间隙δ
T
，所述自适应机构G
A
(S)获取并比较理论间隙δ
T
与实际间隙δ
f
，自适应机构G
A
(S)根据间隙偏差E计算调整参数；所述PID控制G
C
(S)根据调整参数和期望间隙δ
d
输出进给量f至间隙实际模型G
M
(S)；所述间隙实际模型G
M
(S)根据输入的期望间隙δ
d
得到实际间隙δ
f
；其中对于压电致动器控制过程：微运动量经过前馈控制后得到前馈控制量；微运动量和压电位移的差值为e以及变化Δe；经过PID控制后得到PID控制输出量；前馈控制量和PID控制输出量之和为压电致动器的驱动电压U
C
，压电致动器根据给定的驱动电压完成相应运动，最终得到压电位移S
L
。3.根据权利要求2所述的微细电化学加工的自适应进给控制系统，其特征在于，间隙理
论控制模型G
T
(S)包括进给控制器G1(S)、微位移计算器G6(S)、微位移控制器G2(S)、压电致动器、宏运动控制器和材料去除速度模型G7(S)；所述进给控制器G1(S)采用PI控制器，由进给控制器G1(S)调整期望间隙δ
d
和理论间隙δ
T
间的偏差计算进给量f；微位移计算器G6(S)根据进给量f计算微位移分量，送至微位移控制器G2(S)产生驱动电压U
C
驱动压电致动器，实现微进给；所述宏运动控制器根据进给量f计算宏位移分量，并驱动交流伺服系统实现宏运动；进给系统根据宏微运动实现的总位移S求取进给速度v
e
，与材料去除速度模型G7(S)获得的去除速度v
w
比较、积分得到理论的加工间隙δ
T
，从而实现理论间隙的计算。4.根据权利要求3所述的微细电化学加工的自适应进给控制系统，其特征在于，进给控制器G1(S)所采用的PI控制器中的积分系数和微分系数K4、K5均取值0.01时，间隙调节时间<6ms，稳态误差<0.4μm。5.根据权利要求2所述的微细电化学加工的自适应进给控制系统，其特征在于，自适应机构采用模糊控制，根据间隙偏差E和偏差变化ΔE设计模糊规则，设置E和ΔE的论域为[
‑
6,6]单位um，量化因子取1/3；则输入的论域重新设定为[
‑
2,2]，根据隶属度函数，将输出量的模糊论域也设定在区间[
‑
2,2]，G
c
(S)中的比例系数初值和积分系数初值分别取20和0.01，根据理论间隙δ
T
与实际加工间隙δ
f
的差异，动态调整控制器G
C
(s)的控制参数K
P
、K
I
。6.根据权利要求5所述的微细电化学加工的自适应进给控制系统，其特征在于，若E为0，PI控制G
f
(s)参数K
P
、K
I
保持不变，返回管理调度程序；偏差E非0，根据间隙偏差E、偏差变化率ΔE和输出量ΔK
P
和ΔK
I
的隶属度函数，求取E及ΔE的隶属度，执行模糊处理；之后，调用控制规则，执行模糊推理，得到参数变化ΔK
P
、ΔK
I
的结果模糊数；最后，系统利用模糊规则，执行精确化处理得到ΔK
P
、ΔK
I
的精确量，重算参数K
P
、K
I
，从而实现对PI控制器G
C
(s)的参数调整。7.根据权利要求1
‑
6中任意一项权利要求所述的微细电化学加工的自适应进给控制系统，其特征在于，信号拾取与转换电路包括工件
‑
工具、快恢复保险丝F1、精密检测电阻R5、R6与R7，其中，R5与F1构成的检测支路实现信号V
R
的拾取，R6与R7构成的支路实现转换电路信号V
F
的拾取；高速比较电路分别比较V
F
与接近于“0”的正电压、V
R
与V
F
，得到标准信号S0、S1；正常加工时，F1阻抗为零，V
R
、V
F
>0，且V
R
>V
F
，S0输出与V
R
同频脉冲、S1持续输出“1”；加工短路，F1阻抗剧增，V
R
、V
F
>0，且V
R

【专利技术属性】
技术研发人员：张建华，高洪，杜欣如，康伟健，杨志远，高世平，李鲁，葛红宇，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：