光柵刻劃刀具刃磨振動控制

馬海濤, 王珊珊, 吉日嘎蘭圖,張赫鳴, 倪留強(qiáng)

(1.長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長春 130012;2.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所, 吉林 長春 130033)

光柵刻劃刀具刃磨振動控制

馬海濤1, 王珊珊1, 吉日嘎蘭圖2*,張赫鳴1, 倪留強(qiáng)1

(1.長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長春 130012;2.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所, 吉林 長春 130033)

將刀具振動信號作為表征刃磨過程故障特征信號，采用串級控制方法，通過在線調(diào)整刀具向磨盤施加的研磨載荷大小來減小刃磨過程刀具的振動。仿真結(jié)果表明,刀具振動可以實(shí)時(shí)控制，減小了刃磨過程刀具的振動。

光柵刻劃刀； 刃磨； 振動； 串級控制

0 引 言

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鋒銳度、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，但天然金剛石具有質(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(yàn)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鋒銳度和表面光潔度。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[1]。

1 影響光柵刻劃刀具刃磨質(zhì)量的相關(guān)工藝參數(shù)

由于金剛石晶體的獨(dú)特性質(zhì)，使得金剛石刀具刃磨工藝與其他一般刀具刃磨工藝有很大的區(qū)別，在金剛石刀具刃磨過程中，造成刀具刃口直徑變大的工藝參數(shù)有：力的大小、晶面角度、線速度、金剛石顆粒大小等[2]，對刀具刃磨影響分析如下：

1)在金剛石刀具研磨進(jìn)行時(shí)，刀具與磨盤之間的刃磨壓力對刀具質(zhì)量有很大影響，提高刃磨壓力，將使刃磨質(zhì)量變好，刃磨時(shí)間也短，可是一般條件下，壓力也不能太大，壓力太大，會形成很高的磨削熱，使刀具的刀面上產(chǎn)生裂紋、崩口等。反之，若壓力太小，磨盤與刀具刃磨面中間可能相互嵌入不夠嚴(yán)實(shí)，因而形成振顫，影響刃磨精度。經(jīng)驗(yàn)表明：磨盤與刀具之間的作用力刃磨時(shí)大概是9～12 N，細(xì)化研磨相互之間的作用力大概是5～7 N；而且當(dāng)金剛石刀具細(xì)磨進(jìn)行時(shí)，需觀察刀具進(jìn)給的大小。

2)刃磨方向定為金剛石晶體容易研磨的角度。不在易磨角度的晶面研磨，會讓脆塑變化中間研磨長度變小，使金剛石表層材料被直接磨削，會直接影響刃磨質(zhì)量，并產(chǎn)生如崩口等缺陷，浪費(fèi)資源[3]。

3)想要磨出上好質(zhì)量的金剛石刀具，同時(shí)又花費(fèi)時(shí)間短，就得不斷加大線刃磨速率，通常主要是拓寬研磨盤或加大砂輪的直徑，加快磨盤速率也能加大線刃磨速率。假設(shè)沒有節(jié)制的拓展磨盤直徑就會讓刃磨裝置重量變得很重，使刃磨裝置拆卸困難，除此之外，在刃磨開始或結(jié)束時(shí)，磨擦阻力會變得超大；若加大磨盤速度，就會產(chǎn)生振動，導(dǎo)致振動不平衡可讓刀具損壞，進(jìn)而損壞裝置；假設(shè)同時(shí)加大磨盤半徑、加快磨盤速率，那么磨盤的離心力自然很大，這樣研磨盤或砂輪就容易分解掉。因?yàn)椴豢筛淖兊囊蛩刂萍s，線速度的加大不是任意的，參數(shù)選定需有依據(jù)。

4)雖然金剛石顆粒大的細(xì)小粉能使研磨質(zhì)量變好，研磨速率變快，可是會讓刀具直徑和刀具的粗糙度值變粗糙，因而在粗磨時(shí)用顆粒大的金剛石細(xì)粉，在細(xì)化研磨時(shí)用小顆粒的金剛石細(xì)末。

2 影響刀具刃磨振動的相關(guān)擾動

2.1 研磨盤端面跳動對刀具振動影響

研磨盤端跳會讓金剛石刀具刀面受到一定周期的力的沖擊作用，端跳抖動的越厲害，說明周期沖擊力的作用越大，使刀具的振動幅度也變大。大的沖擊力會讓磨盤磨粒與刀具研磨面之間的相互接觸受到影響，從而影響刀具的研磨質(zhì)量，最嚴(yán)重的后果是使金剛石晶體的表面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生解體，出現(xiàn)刀具刃口斷裂等損害刀具的情況；同樣，因?yàn)槟ケP端面跳動的存在，磨盤表面的研磨顆粒和刃磨刀具的相互之間的摩擦力也會隨著端跳而變化，導(dǎo)致磨盤不同部位的磨粒磨損程度以及與刀具的接觸機(jī)會都不一樣，這樣帶來的后果是研磨盤表面磨粒不能被完全使用，造成資源的浪費(fèi)。

2.2 磨盤與刀具之間相互作用力的大小對刀具振動影響

磨盤與刀具之間相互作用力的大小對刀具的振動影響也非常大，隨著施載端重塊質(zhì)量的變大，刀具振動有變小的趨勢，可是卻不能無限制的加大重塊質(zhì)量，因?yàn)榧哟笾貕K的質(zhì)量，會使磨盤的壽命退化很嚴(yán)重。刀具施載力的大小變化除了讓刀具研磨效率降低，還造成系統(tǒng)振動的不穩(wěn)定，進(jìn)而使刀具與磨盤表面的研磨顆粒接觸不良，使刀具研磨質(zhì)量降低[4]。

2.3 磨盤表面顆粒涂抹的不均勻?qū)Φ毒哒駝佑绊?/p>

刀具在研磨進(jìn)行中，因磨盤表面顆粒涂抹的不均勻,致使它與刀具刃磨面的表面接觸是不斷變化的，造成的影響是磨盤與刀具表面之間的摩擦力波動幅度變大，進(jìn)而影響磨盤表面振動，使刀具刃磨質(zhì)量變差[5]。

3 刃磨振動控制方法

以上分析可知，光柵刻劃刀具刃磨過程受諸多工藝參數(shù)及干擾因素的影響，是一個(gè)較復(fù)雜的控制過程，而刀具刃磨過程對參數(shù)的控制要求較高，不允許存在較大的超調(diào)量及調(diào)節(jié)時(shí)間等問題，因此提出采用串級控制方法，串級控制即雙回路控制，通過兩個(gè)調(diào)節(jié)器相互配合，主調(diào)節(jié)器的功能是消除內(nèi)環(huán)以外的干擾，且保持控制量的值一定，副調(diào)節(jié)器可迅速抵消落在內(nèi)環(huán)的干擾，除了抵消內(nèi)環(huán)的干擾外，還提高了整個(gè)控制對象的工作頻率，縮短了中間過程，針對砂輪對研磨面的作用力這一干擾，內(nèi)環(huán)采用PID控制算法控制刀具向磨盤施加的研磨載荷大小，提前消除干擾對刀具振動信號的影響；針對研磨盤不平衡產(chǎn)生的機(jī)床振動、磨盤磨粒不均勻及進(jìn)給裝置在進(jìn)給時(shí)對刀具振動信號的影響等干擾，外環(huán)采用自動搜索尋優(yōu)算法以減少刀具在刃磨過程中的振動，串級控制系統(tǒng)組成框圖如圖1所示[6]。

圖1 串級控制系統(tǒng)組成框圖

3.1 PID控制

PID控制，也就是比例積分微分控制已完全融入到工業(yè)控制中，在自動化技術(shù)迅速發(fā)展的今天，工控過程中，97%以上的控制系統(tǒng)都具有比例積分微分結(jié)構(gòu)，而且許多高端控制都離不開比例積分微分控制。比例積分微分控制器由比例單元、積分單元和微分單元組成，它的基本理論很容易理解，最基本的PID原理見下式：

PID控制使用范圍廣且靈活，應(yīng)用已經(jīng)很成熟，控制簡單，只要對KP、KI、KD三個(gè)參數(shù)控制。比例積分微分相比其它控制方法，優(yōu)點(diǎn)很明顯：

1)原理易懂且易上手。根據(jù)實(shí)際控制中的情況，3個(gè)參數(shù)可實(shí)時(shí)整定。

2)應(yīng)用廣泛且靈活。PID控制器很早就面向社會，當(dāng)今最先進(jìn)的過程控制PC機(jī)仍在使用PID控制。PID應(yīng)用范圍廣，非線性或時(shí)變的工控過程經(jīng)過適當(dāng)簡化后，也可以進(jìn)行比例積分微分控制。

3)可控性強(qiáng)?？刂茖ο笮再|(zhì)改變對其控制效果影響甚微。但不可否認(rèn)PID也有其固有的缺點(diǎn)。它在控制非線性、時(shí)變、耦合等復(fù)雜過程領(lǐng)域的控制效果一般。最主要的是PID控制器控制不了復(fù)雜過程，不管怎么調(diào)節(jié)參數(shù)，收效甚微。

3.2 自動搜索尋優(yōu)控制

自動搜索尋優(yōu)的一種典型模型如圖2所示。

圖2 自動搜索尋優(yōu)控制系統(tǒng)

控制對象為線性和非線性環(huán)節(jié)[7]，其中非線性環(huán)節(jié)具有極值特性。假設(shè)z(t)可測量，u(t)可控，尋優(yōu)指標(biāo)定為z(t)取最大值。調(diào)節(jié)器可通過z(t)來控制u(t)，使z(t)輸出結(jié)果取最大值。

自動搜索尋優(yōu)理論基礎(chǔ)是運(yùn)用控制對象的極值特征或其它非線性相對于動態(tài)的特征，用變化信號輸入不斷嘗試和自動搜索它對整個(gè)控制系統(tǒng)反響，定位系統(tǒng)所需的參數(shù)，最終達(dá)到所要求的目標(biāo)[8]。

自動搜索尋優(yōu)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是：

1)不需要系統(tǒng)的精確模型，只要知道系統(tǒng)中存在非線性的控制對象。

2)不需要系統(tǒng)給定值，而是通過自身的自動搜索尋找使系統(tǒng)運(yùn)行的最優(yōu)工作點(diǎn)，所以它不同于普通的反饋控制。

3)自動搜索尋優(yōu)系統(tǒng)所尋找的被控量最優(yōu)值不固定，是依據(jù)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的情況，由自動搜索尋優(yōu)控制器在追求使系統(tǒng)穩(wěn)定過程中不斷測量、計(jì)算、定位得到的。

4)自動搜索尋優(yōu)對于對象性能變化具有自動適應(yīng)的能力[9]。

4 控制系統(tǒng)仿真分析

由于內(nèi)環(huán)負(fù)責(zé)對控制對象進(jìn)行初步調(diào)節(jié)，外環(huán)用來對控制對象進(jìn)行進(jìn)一步的精細(xì)調(diào)節(jié)。根據(jù)控制器的選型原理，內(nèi)環(huán)選擇了比例積分微分調(diào)節(jié)器。在主環(huán)中采用自動搜索尋優(yōu)調(diào)節(jié)器。先對內(nèi)環(huán)PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，再對外環(huán)主控制器進(jìn)行自動搜索尋優(yōu)的微調(diào)，一直調(diào)節(jié)進(jìn)行到將刃磨振動控制在一個(gè)比較低的水準(zhǔn)。全部調(diào)節(jié)過程通過SIMULINK環(huán)境仿真實(shí)現(xiàn)。

內(nèi)環(huán)控制器的傳遞函數(shù):

(1)

K=2.079 2×105,

Tw=9.111,

TZ=-0.018 082

PID的調(diào)節(jié)參數(shù)P為0.001，I為0.15，D為200，通過Matlab中SIMULINK環(huán)境中的仿真軟件搭建的串級控制系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖3 串級控制系統(tǒng)SIMULINK模型圖

在串級控制系統(tǒng)的輸入端輸入單位階躍信號，在副回路增加單位階躍擾動，主回路也增加單位階躍干擾。

仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 串級控制系統(tǒng)仿真圖

很明顯，采用串級控制方法控制光柵刻劃刀具刃磨過程的振動。仿真結(jié)果表明，過渡過程非常平穩(wěn)，超調(diào)量為零，曲線的波動不大，穩(wěn)定性較好，可以滿足光柵刻化刀具刃磨的要求。

5 結(jié) 語

結(jié)合刀具刃磨振動具體工藝，給出了一種刀具刃磨振動串級控制方法，通過在線實(shí)時(shí)調(diào)整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，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)算法控制刀具的振動，最后完成了刀具刃磨振動串級控制方法的仿真分析，證明了該控制方法的可行性。

[1] 吉日嘎蘭圖.光柵刻刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與刃口取向方法研究[D].長春:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,2011.

[2] 李增強(qiáng).圓弧刃金剛石刀具刀尖圓弧的機(jī)械研磨及其檢測技術(shù)[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2008.

[3] 宗文俊.高精度金剛石刀具的機(jī)械刃磨技術(shù)及其切削性能優(yōu)化研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2008.

[4] 金志樑.圓弧刀研磨力變化模型分析與控制技術(shù)研究[D].長春:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,2013.

[5] 張建民,徐小力,許寶杰,等.面向機(jī)電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的現(xiàn)代技術(shù)[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2004,24(9):751-756.

[6] 倪留強(qiáng).光柵刻劃刀具刃磨振動在線監(jiān)測及控制技術(shù)研究[D].長春:長春工業(yè)大學(xué)，2016.

[7] Wang Qian, Stenge R F. Robust control of nonlinear system with parametric uncertainty[J]. A Utomatica,2002,38(9):1591-1599.

[8] 馬海濤，尤文，賈文超,等.一種基于重塊平衡原理的砂輪動平衡系統(tǒng)建模方法[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006,27(1):21-23.

[9] 顏認(rèn)，馬玫，陳小丹，等.單晶金剛石刀具機(jī)械刃磨技術(shù)進(jìn)展[J].工具技術(shù)，2016,50(9):8-11.

Grating ruling tool cutter grinding vibration control

MA Haitao1, WANG Shanshan1, Jirigalantu2*,ZHANG Heming1, NI Liuqiang1

(1.School of Electrical & Electronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China;2.Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033， China)

Cutting tool vibration is taken as the fault characteristic signal of the grinding process. With cascade control, the milling load output to the mill by the cutting tool is adjusted in real time in the grinding process. Simulation results show that the tool vibration can be checked and cutting precision is improved.

grating ruling tool； cutter grinding； vibration； cascade control.

2016-05-25

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(20140204075GX)

馬海濤(1977-)，女，漢族，吉林德惠人，長春工業(yè)大學(xué)副教授，博士，主要從事智能儀器與智能控制方向研究,E-mail:850917145@qq.com. *通訊作者：吉日嘎蘭圖(1977-)，男，蒙古族，內(nèi)蒙古白旗人，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所副研究員，博士，主要從事光柵刻劃刀具和微細(xì)加工技術(shù)及設(shè)備研究,E-mail:59984425@qq.com.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.6.07

TP 273

A

1674-1374(2016)06-0550-05