微细电化学加工的模型参考自适应进给控制方法技术

本发明专利技术公开微细电化学加工的模型参考自适应进给控制方法，包括相关的间隙理论控制模型、实际控制模型与自适应机构的构建与实现方法；其中，间隙的理论/实际控制模型均包含进给控制、宏/微运动控制和去除速度等环节；间隙实际控制模型附加有扰动信号，修改扰动信号可模拟不同加工条件下间隙的实际输出；间隙理论/实际控制模型获取期望间隙，计算理论、实际间隙；自适应机构计算二者偏差E1及变化δ

【技术实现步骤摘要】
微细电化学加工的模型参考自适应进给控制方法


[0001]本专利技术属于微细电化学加工及其控制，尤其是微细电化学加工的模型参考自适应进给控制方法。

技术介绍

[0002]微细电化学加工借助电化学反应去除材料，实现微米、亚微米乃至纳米量级的微小尺寸与微细结构。相较于其它微细加工方法，它具有非接触、无切削力与热影响等特点，尤其适于超硬、热敏等材料与轻质薄壁细微结构的成型。微细电化学加工的上述特点使其在减磨润滑、超硬材料加工以及微细织构等的成型中具有优势。
[0003]进给控制实现并保持微米、亚微米乃至纳米量级的加工间隙，保证电化学反应在细小的加工间隙范围内持续、稳定进行，实现材料的微量去除与精确控制。受到工况条件限制，加工的微细电化学反应要求在工作液中进行，传感器设置存在较大困难。同时，受到现有传感器件与检测技术的限制，加工间隙精确检测方法与装置以及在此基础之上的微细电化学间隙控制方法即进给控制方法成为该方面的一个瓶颈问题。
[0004]现有研究中针对进给控制主要通过加工电流表征加工间隙，利用加工电流作为反馈信号，实现微小加工间隙的精确控制。例如利用霍尔等传感器获取平均电流，或者利用短路状况实现反馈控制。但是平均电流、短路状况与加工电流瞬时值存在较大的偏差，以此作为反馈信号降低了控制系统品质，容易加大加工间隙的波动，不利于稳定加工间隙乃至恒加工间隙的形成。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的不足，本专利技术提出了微细电化学加工的模型参考自适应进给控制方法，结合现有传感器件功能与采集速度等方面的应用，本文设计专用纳秒脉宽信号拾取电路与专用控制集成电路，实现纳秒脉宽加工电流的及时检测，利用加工电流作为反馈信号，提出一种面向纳秒脉宽微细电化学加工进给的模型参考自适应控制方法。本方法所提出的自适应控制不依赖于系统精确模型、鲁棒性强等特点，解决由于加工系统中存在的迟滞、大滞后、非线性、物质迁移等引起的建模难题，实现纳秒脉宽微细电化学加工的加工间隙精确控制。
[0006]本专利技术所采用的技术方案如下：
[0007]微细电化学加工的模型参考自适应进给控制方法，分别构建间隙理论控制模型、间隙实际控制模型和自适应机构，将期望间隙δ
d
分别作为间隙理论控制模型、间隙实际控制模型的输入，经过间隙理论控制模型、间隙实际控制模型计算，分别获得理论间隙δ
T
和实际间隙δ
f
；
[0008]所述间隙理论控制模型和间隙实际控制模型均包括进给控制环节、宏运动控制环节、微运动控制环节和去除速度环节，所述进给控制环节采用PI控制器2，所述宏运动控制环节和微运动控制环节分别实现微运动控制与宏运动控制；所述去除速度环节输出去除速
度；所述间隙实际控制模型的输出环节还设有附加扰动信号N(s)；控制方法为：
[0009]设：期望间隙设定值为δ
d
，间隙理论控制模型的输出为δ
T
，间隙实际控制模型的输出为δ
f
，δ
T
‑
δ
d
的间隙偏差e、偏差变化Δe，δ
d
‑
δ
f
的反馈间隙偏差E、偏差变化ΔE，理论间隙δ
T
和实际间隙δ
f
的间隙偏差E1，间隙偏差变化量ΔE1，微位移设定值为f
L
，微位移实际输出值为S
L
，微位移偏差E1，微位移偏差变化ΔE1；
[0010]a、期望间隙控制过程：
[0011]将δ
d
和δ
T
作差得到e以及Δe，将其作为PI控制器1的输入；
[0012]PI控制器1输出位移调节量；位移调节量与初始进给量之和即为进给量f，进给量f经微位移计算器得到微位移设定值f
L
；f
L
作为微位移控制环节的输入；
[0013]微位移控制环节输出压电位移量S
L
，微位移实际输出S
L
与宏位移输出X
M
的和值为总位移S；总位移S积分得到进给速度V
e
；进给速度和蚀除速度的和值经积分再与初始间隙之和，作为极间理论间隙δ
T
；
[0014]b、自适应控制机构：
[0015]期望间隙与实际间隙之差为间隙偏差E；
[0016]δ
T
和δ
f
的偏差E1和偏差变化量ΔE1，E1和ΔE1作为自适应机构的输入，自适应机构的输出为模糊控制器的参数修正量ΔK
P
和ΔK
I
，E输入PI控制器1得到调节量f
′
；
[0017]c、实际间隙控制过程：
[0018]将δ
d
和δ
f
作差得到E以及ΔE，将其作为PI控制器1的输入；
[0019]PI控制器1输出位移调节量f
′
；位移调节量与初始进给量之和即为进给量S
r
′
，进给量S
r
′
经微位移计算器得到微位移设定值f
L
′
；f
L
′
作为微位移控制环节的输入；
[0020]微位移控制环节输出压电位移量S
L
′
，微位移实际输出S
L
′
与宏位移输出S
M
′
的和值为总位移S
′
；总位移S
′
积分得到进给速度V
e
′
；进给速度和蚀除速度的和值经积分得到间隙变化量，间隙变化量以此与初始间隙和扰动N(s)作和得到实际间隙量δ
f
；
[0021]进一步，加工间隙通过蚀除速度与进给速度间的关系求得的，将进给速度与蚀除速度进行比较，两者间差值进行一次积分得到加工间隙的变化量，结合初始间隙即可得到加工间隙值；
[0022]根据工具进给速度和工件的蚀除速度得到加工间隙的过程是由加工间隙模型实现；
[0023]加工间隙模型根据法拉第定律和欧姆定律得到，其中加工间隙与进给速度、蚀除速度间的关系满足：
[0024][0025]式中，为电流效率，
[0026]U
R
为加工电压，
[0027]σ为电解液电导率，
[0028]w为体积电化学当量，
[0029]δ(t)为t时刻加工间隙，
[0030]S
L
(t)为t时刻压电致动器即时位移量；
[0031]上式中，当加工间隙保持不变时当前的进给速度为最优的进给速度。
[0032]进一步，所述间隙理论控制模型G
T
(S)的工作原理为：获取并比较当前理论间隙δ
T
与期望间隙δ
d
，由当前理论间隙δ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.微细电化学加工的模型参考自适应进给控制方法，其特征在于，分别构建间隙理论控制模型、间隙实际控制模型和自适应机构，将期望间隙δ
d
分别作为间隙理论控制模型、间隙实际控制模型的输入，经过间隙理论控制模型、间隙实际控制模型计算，分别获得理论间隙δ
T
和实际间隙δ
f
；所述间隙理论控制模型包括进给控制环节、宏运动控制环节、微运动控制环节和去除速度环节；间隙实际控制模型包括进给控制环节、宏运动控制环节、微运动控制环节、去除速度环节和扰动环节，所述进给控制环节采用PI控制器1，所述宏运动控制环节和微运动控制环节分别实现宏运动控制与微运动控制；所述去除速度环节输出去除速度；所述间隙实际控制模型的输出环节还设有附加扰动信号N(s)用以模拟实际模型与理论模型的偏差；控制方法为：设：期望间隙设定值为δ
d
，间隙理论控制模型的输出为δ
T
，间隙实际控制模型的输出为δ
f
，δ
T
‑
δ
d
的间隙偏差e、偏差变化Δe，δ
d
‑
δ
f
的反馈间隙偏差E、偏差变化ΔE，理论间隙δ
T
和实际间隙δ
f
的间隙偏差E1，间隙偏差变化量ΔE1，微位移设定值为f
L
，微位移实际输出值为S
L
，微位移偏差E1，微位移偏差变化ΔE1；a、期望间隙控制过程：将δ
d
和δ
T
作差得到e以及Δe，将其作为PI控制器1的输入；PI控制器1输出位移调节量；位移调节量与初始进给量之和即为进给量f，进给量f经微位移计算器得到微位移设定值f
L
；f
L
作为微位移控制环节的输入；微位移控制环节输出压电位移量S
L
，微位移实际输出S
L
与宏位移输出X
M
的和值为总位移S；总位移S积分得到进给速度V
e
；进给速度和蚀除速度的和值经积分再与初始间隙之和，作为极间理论间隙δ
T
；b、自适应控制机构：期望间隙与实际间隙之差为间隙偏差E；δ
T
和δ
f
的偏差E1和偏差变化量ΔE1，E1和ΔE1作为自适应机构的输入，自适应机构的输出为模糊控制器的参数修正量ΔK
P
和ΔK
I
，E输入PI控制器1得到调节量f
′
；c、实际间隙控制过程：将δ
d
和δ
f
做差得到E以及ΔE，将其作为PI控制器1的输入；PI控制器1输出位移调节量f
′
；位移调节量与初始进给量之和即为进给量S
r
′
，进给量S
r
′
经微位移计算器得到微位移设定值f
L
′
；f
L
′
作为微位移控制环节的输入；微位移控制环节输出压电位移量S
L
′
，微位移实际输出S
L
′
与宏位移输出S
M
′
的和值为总位移S
′
；总位移S
′
积分得到进给速度V
e
′
；进给速度和蚀除速度的和值经积分得到间隙变化量，间隙变化量以此与初始间隙和扰动N(s)作和得到实际间隙量δ
f
。2.根据权利要求1所述的微细电化学加工的模型参考自适应进给控制方法，其特征在于，加工间隙通过蚀除速度与进给速度间的关系求得的，将进给速度与蚀除速度进行比较，两者间差值进行一次积分得到加工间隙的变化量，结合初始间隙即可得到加工间隙值；根据工具进给速度和工件的蚀除速度得到加工间隙的过程是由加工间隙模型实现；加工间隙模型根据法拉第定律和欧姆定律得到，其中加工间隙与进给速度、蚀除速度间的关系满足：
式中，η为电流效率，U
R
为加工电压，σ为电解液电导率，w为体积电化学当量，δ(t)为t时刻加工间隙，S
L
(t)为t时刻压电致动器即时位移量；上式中，当加工间隙保持不变时当前的进给速度为最优的进给速度。3.根据权利要求1所述的微细电化学加工的模型参考自适应进给控制方法，其特征在于，所述间隙理论控制模型G
T
(S)的工作原理为：获取并比较当前理论间隙δ
T
与期望间隙δ
d
，由当前理论间隙δ
T
与期望间隙δ
d
得到间隙偏差e；将间隙偏差e送至PI控制器1中，输出调节量f；由调节量f和初始位移量得到进给量S
r
；通过进给微位移计算器将S
r
分成宏位移与微位移；将微位移送至微运动控制环节并驱动压电致动器，输出压电位移S
L
；剩余位移量送至宏运动控制环节，驱动伺服控制系统运动，输出伺服电机位移S
M
；压电位移S
L
与伺服电机位移S
M
构成总位移S输出；去除速度环节由去速度模型输出去除速度v
w...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛红宇，金震，陈宁，李鲁，张建华，高世平，王佳琪，戴迪航，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：