考慮負載切換的超聲加工振動建模與控制

張建國，隆志力，李祚華，鄒建軍，楊宇輝

（1.哈爾濱工業(yè)大學（深圳）機電工程與自動化學院，廣東深圳 518055；2.東莞理工學院機械工程學院，廣東東莞523808）

考慮負載切換的超聲加工振動建模與控制

張建國1，隆志力1，李祚華1，鄒建軍2，楊宇輝2

（1.哈爾濱工業(yè)大學（深圳）機電工程與自動化學院，廣東深圳 518055；2.東莞理工學院機械工程學院，廣東東莞523808）

通過建立換能器和負載的等效M-C-K數學模型，分析了負載對超聲波換能器的動態(tài)影響，并在Matlab軟件中建立換能器的傳遞函數與仿真模型。提出了PID和H∞振動控制算法，其是建立在Matlab的Simulink仿真。通過對比分析發(fā)現，PID和H∞算法可實現準確、快速的控制效果。最后，對理論和仿真計算進行了實驗驗證。

超聲波換能器；負載切換；振動控制器；超聲輔助加工

近年來，隨著藍寶石、陶瓷、碳纖維等材料的應用，傳統加工方法已出現加工效率低、性能差等劣勢，而超聲加工技術在新材料特別是硬脆材料的加工方面具有廣泛的應用前景[1-3]。在超聲加工中，必須保證超聲波換能器具有較高的機電轉換效率，故需使超聲波換能器工作在諧振狀態(tài)。由于復雜的環(huán)境（如溫度變化）及不同材料的諧振頻率，會使超聲波換能器在加工過程中隨時間變化[4-5]，且不同的材料加工需要不同的振動功率，這就需要精確控制驅動超聲波功率。因此，超聲波系統及其控制是材料去除系統中的關鍵組成部分，直接決定了材料的去除效率、刀具壽命和可靠性。

雖然國內外學者對超聲振動切削加工技術給予了極大的關注，但傳統的研究大多在空載條件下進行，其結果只能片面地反映系統的性能，故在實際加工過程中，結合負載一起進行研究極具現實意義[6-7]。目前，推廣超聲加工的關鍵問題是超聲振動的自適應控制及發(fā)展。本文通過建立一個數學等效換能器M-C-K模型，論證了在有負載的情況下，對超聲波換能器動態(tài)特性的影響，并在Matlab軟件中進行換能器的傳遞函數分析、計算及建立仿真模型。同時，提出了PID振動控制算法，研究發(fā)現，PID算法可實現準確、快速的控制效果。最后，對理論和仿真計算進行了相關的實驗驗證。

1 超聲波換能器機械結構

如圖1所示，超聲輔助加工的超聲波換能器由鎖相環(huán)的超聲波發(fā)生器、壓電驅動器、前蓋板、錐形喇叭桿和加工工具組成。壓電驅動器產生的超聲波振動能量通過喇叭桿和刀具傳遞到工件上，能在工件上形成超聲波振動效應。超聲波換能器的參數為工作頻率60 kHz、超聲波功率500 W。超聲加工模型見圖2。

圖1 超聲輔助加工的換能器結構示意圖

圖2 超聲加工模型

2 換能器的M-C-K模型

根據超聲波換能器的結構，其機械部分由前蓋板、錐形喇叭桿和刀具組成，故可建立三者的質量-阻尼器-彈簧（M-C-K）模型（圖 3）。

圖3 換能器的M-C-K模型

振動M-C-K模型公式可表達為：

式中：m0為壓電陶瓷質量，kg；m1為預緊螺栓與前蓋板質量，kg；m2為喇叭桿與刀具質量，kg；c1為預緊螺栓與前蓋板阻尼系數；c2為喇叭桿與刀具阻尼系數；k1為預緊螺栓與前蓋板彈簧系數，N/m；k2為喇叭桿與刀具彈簧系數，N/m；x0為壓電陶瓷位移，m；x1為預緊螺栓與前蓋板位移，m；x2為喇叭桿與刀具位移，m；F0為壓電陶瓷處喇叭桿受力，N。

換能器的主要結構部件及其材料系數見表1?？芍?， 圖 3 所示模型中，m0=16.2376×10-3kg、m1=23.7542×10-3kg、m2=16.59184×10-3kg。 阻尼系數 c1與c2相等，其值均為0.005?？筛鶕=AE/L求得剛性系數 k1=288.9637×106N/m、k2=285.2375×106N/m。其中：A為喇叭桿橫截面面積；E為彈性模量；L為喇叭桿長度。

利用拉普拉斯等效變換式 （1）所示的M-C-K模型公式，所得結果見式（3）。因此，獲得的傳遞函數見式（4）。通過表1所示的材料和參數，可進一步確定超聲波換能器的傳遞函數，見式（5）。

表1 換能器的結構部件及其材料系數

3 有負載情況下換能器的M-C-K模型

3.1 非線性負載情況

在材料加工過程中，超聲波換能器的負載被視為切削力，其在加工過程中具有較強的非線性和不穩(wěn)定性。因此需要模擬其在模型中的加工過程影響，通過計算在負載下的控制系統性能變化，來分析其在加工過程中的影響。

對于非線性負載來說，刀具和工件之間的接觸力可用Kelvin-Voigt模型（圖4）。其中，負載響應模型示意圖作為一個并行工作的M-C-K模型，其描述了超聲波換能器動態(tài)加載的力學模型。

圖4 換能器M-C-K帶負載情況

負載的動態(tài)響應可描述為：

式中：k為接觸剛度系數；c為連接彈簧；x為加工刀具的位移。

由于換能器的振動表現為正弦信號，故刀具的位移可被假定為x=ωT，所以切削負荷可確定為：

因此，超聲加工在有負載情況下的方程可表示為：

通過拉普拉斯變換，可得有負載情況下的方程為：

因此，該系統在有負載情況下的傳遞函數為：

式中：num2=(c1s+k1)·(c2s+k2)；den2=m1m2s4+[m2·(c1+c2)+m1·(c2-c)]·s3+[m2·(k1+k2)+c1·(c2-c)+m1·(k2-k)]·s2+[c1·(k2-k)+(c2-c)·k1]·s+k1·(k2-k)。

3.2 負載切換仿真

在材料去除過程中，超聲波換能器的負載進行切換，由于不同的切削力，當負載被打開時，會導致振動不穩(wěn)定。在Matlab軟件的Simulink中建立負荷超聲換能器的動力學模型（圖 5），其中，G（S）是傳遞函數，選取采樣電阻0.01 Ω對換能器的電流響應性能進行分析。

圖5 負載切換仿真

換能器的電流響應仿真結果見圖6。其結論是：目前的響應為不穩(wěn)定的負載時，需要切換；且負載越大，響應越不穩(wěn)定。

圖6 系統無PID控制器的電流響應曲線

圖7、圖8是用PID控制器和H∞控制器時負載換能器的電流響應曲線?？砂l(fā)現，PID控制器和H∞控制器均可使換能器的電流響應保持不變甚至為負荷開關，且有較小的超調量和比H∞控制器更快的穩(wěn)態(tài)。對于該系統的控制器，其超調量為12.24%，穩(wěn)態(tài)誤差為0，調節(jié)時間為1.5 s；而H∞控制器系統的穩(wěn)態(tài)誤差為0，調節(jié)時間為0.74 s。具體計算過程如下：

圖7 系統有PID控制器的電流響應曲線

圖8 H∞控制器的電流響應曲線

4 實驗

基于上述分析，設計并制作了超聲輔助加工的換能器結構。為了驗證換能器的M-C-K模型，對超聲波換能器的實驗進行了詳細研究，包括：阻抗測量、驅動和響應信號及對振動振幅的影響。實驗中，非接觸式激光測振儀用于測量超聲波換能器的振動，阻抗分析儀用于測量換能器的阻抗。

4.1 換能器不同負載的響應

用阻抗分析儀測量換能器在不同負載下的頻率特性，結果見圖9。可發(fā)現，諧振頻率為空載65.175 kHz，而拒絕64.875 kHz負載。表明諧振頻率在不同負荷時會發(fā)生變化。

4.2 不同負載下的振動控制

在不同的控制模式（如：恒定電壓、恒定電流、恒定功率）下，對換能器進行振動測試，在3～7 s間進行負載變化測試，其電流和速度振動的輸出、輸入信號見圖10～圖12。從數據中發(fā)現，當負載變化時，換能器可通過驅動模塊的調整保持恒定的振幅，表明該控制方法可有效地抑制負載擾動。由表2顯示，在恒流控制模式下，系統振幅的變化率僅為3.9%，而在恒定電壓、恒定功率模式下，系統振幅的變化率分別為32%和27%。因此，基于電流反饋的模式是可行的。

圖9 有無負載時的頻率阻抗響應曲線

圖10 恒電壓時，有、無負載情況的對比

圖11 恒電流時，有、無負載情況的對比

圖12 恒功率時，有、無負載情況的對比

5 結束語

穩(wěn)定的振動控制是超聲加工的基本要求。本文詳細闡述了基于超聲波換能器參數的機電模型的系數計算及過程，通過實驗驗證了所建立的超聲振動系統模型的有效性。利用對施加負載的超聲波換能器的模型進行仿真，結果表明，超聲振動系統模型控制的有效性得到了證實。在恒電壓、恒電流和恒功率的條件下，控制器的設計滿足負載下的控制系統振幅的要求。

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簡訊

我國特種加工專家、原全國特種加工學會電解加工專業(yè)委員會主任、合肥工業(yè)大學教授朱樹敏先生，因病不幸于2017年8月10日在蘇州去世，享年82歲。

Numerical Modeling and Vibration Control of Transducer in Ultrasonic Assisted Machining

ZHANG Jianguo1，LONG Zhili1，LI Zuohua2， ZOU Jianjun2，YANG Yuhui2
（ 1.School of Mechanical Engineering and Automation，Harbin Institute of Technology(Shenzhen)，Shenzhen 518055，China；2.School of Mechanical Engineering，Dongguan University of Technology，Dongguan 523808，China ）

In this paper，a numerical vibration model is established by a mass-damper-elastic component.The loaded effect on the dynamics of the ultrasonic transducer is investigated.The transfer function of transducer is attained and the calculation simulation model is carried out in Matlab.The PID and H∞ algorithm for vibration control is established and simulated in the Matlab Simulink，and found that the PID and H∞ algorithm can achieve the accurate and fast control result.Finally，some experiments to verify the theory and simulation calculation is carried out.

ultrasonic transducer；loaded；vibration controller；ultrasonic assisted machining

TG663

A

1009－279X（2017）04－0043-05

2017-02-17

深圳市基礎研究項目（JCYJ20150403161923526）；深圳市南山區(qū)創(chuàng)新工業(yè)發(fā)展專項（KC2015ZDYF0009A）

張建國，男，1989年生，博士研究生。