微細超聲加工中恒力控制問題的研究

秦少明,馬春獅,王 聰,余祖元,李劍中

(大連理工大學(xué)機械工程學(xué)院,遼寧 大連 116024)

晶體硅、工程陶瓷、光學(xué)玻璃等硬脆性材料在微機械領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,目前適用于硬脆性材料的高精度微細加工方法主要有光刻加工、電火花加工、電解加工、激光加工、超聲加工等特種加工方法。其中超聲加工既不依賴于加工材料的導(dǎo)電性,也不產(chǎn)生熱物理作用,還能加工出大深寬比的微細結(jié)構(gòu),因此在硬脆材料微細加工方面有較大優(yōu)勢[1-3]。然而,微細超聲波加工中的加工力很小,其恒定控制非常困難,導(dǎo)致加工過程極不穩(wěn)定,加工性能、重復(fù)性較差,嚴重影響了加工效率和加工質(zhì)量,制約了微細超聲加工技術(shù)的廣泛應(yīng)用[4-5]。

為了提高微細超聲波加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性,獲得較好的加工性能,本文在加工力簡單兩位控制方法的基礎(chǔ)上[6],采用積分分離PID算法,設(shè)計了一種新的微細超聲加工力恒定控制系統(tǒng),并通過實際加工驗證其有效性,獲得了滿意的效果。

1 微細超聲加工的實驗裝置

實驗裝置由微細超聲加工系統(tǒng)、精密伺服進給系統(tǒng)、微細工具電火花制備系統(tǒng)及實時觀測系統(tǒng)等組成,圖1是該實驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

微細超聲加工系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)生器、超聲波換能器、加工力狀態(tài)檢測系統(tǒng)及磨粒懸浮液組成。超聲波發(fā)生器的振動頻率約為35 kHz,振幅可調(diào)節(jié)范圍為0.3～3μm;加工力狀態(tài)檢測系統(tǒng)采用日本某公司生產(chǎn)的具有較快響應(yīng)速度和較高測量精度、稱重范圍1100 g、感量0.001 g的GF-1000型精密電子天平對加工力進行測量;磨粒懸浮液采用金剛石粉末與純水按一定質(zhì)量比配制而成。

精密伺服進給系統(tǒng)采用德國某公司的M-521型高精度運動平臺,其重復(fù)進給精度達1μm,最小分辨率為0.1μm;精密旋轉(zhuǎn)主軸的徑向跳動小于1μm,最高轉(zhuǎn)速達 40000 r/min 。

微細工具電火花制備系統(tǒng)由RC脈沖電源、放電狀態(tài)檢測和WEDG走絲機構(gòu)組成,主要用于微細工具的在線制備[7]。

圖1 微細超聲加工裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 微細超聲加工力恒定控制系統(tǒng)

2.1 原微細超聲加工力恒定控制系統(tǒng)

微細超聲加工的工具直徑一般為微米量級,加工力較大時易折彎或折斷,從而導(dǎo)致加工過程中斷。為避免這一現(xiàn)象發(fā)生,先前研究中一直采用較簡單的兩位控制方法,即:當實際加工力大于F1時(F1為設(shè)定加工力的上限),工具以固定速度 v1后退一定距離;當實際加工力小于F2時(F2為設(shè)定加工力的下限),工具以固定速度v2前進一定距離;當實際加工力在F1和 F2之間時,工具保持原位不動。其中,F1、F2和 v1、v2均為根據(jù)大量加工實驗所確定的經(jīng)驗值。

在這種簡單兩位控制方式下,工具的進給和后退量都是固定的,實際加工力的波動范圍較大,加工效率也較低,實際控制效果不夠理想。

2.2 積分分離PID微細超聲加工力恒定控制系統(tǒng)

在新控制系統(tǒng)中,采用積分分離PID算法實現(xiàn)加工力恒定控制。積分分離控制算法的核心思想是:當被控制量與系統(tǒng)設(shè)定值偏差較大時,取消PID算法中的積分作用,避免由于積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降,超調(diào)量增加;當被控制量接近設(shè)定值時,引入積分控制,以消除系統(tǒng)靜差,提高系統(tǒng)控制精度[8-9]。

若設(shè) r為加工力設(shè)定值,y(t)為加工力實際值,ε(k)=r-y(t),Δ ε為控制閾值 ,則其實現(xiàn)形式如下:

(1)當｜ε(k)︱＞Δ ε時,即偏差較大時,采用PD控制可避免較大超調(diào),使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)。PD控制算法為:

(2)當｜ε(k)︱≤Δ ε時,即偏差較小時 ,采用PID控制可保證系統(tǒng)的控制精度。PID控制算法采用如下增量式PID控制算法:

式中:T為采樣周期。

根據(jù)式(1)、式(2)設(shè)計微細超聲加工裝置的積分分離式PID恒力控制系統(tǒng),其程序框圖見圖2。實際加工過程中,電子天平把采集到的實時加工力信號反饋到積分分離式PID算法中,根據(jù)實際加工力和設(shè)定力的偏差情況,由控制系統(tǒng)計算出實時控制量,把該控制量作用到工具上,對工具的進給速度進行實時調(diào)節(jié)。

圖2 積分分離PID控制算法程序框圖

2.3 PID控制參數(shù)的在線整定

研究表明動態(tài)的微細超聲加工過程非常復(fù)雜,難以建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型[10],很難根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型整定PID參數(shù),因此采用工程上常用的實驗法在線整定PID參數(shù)。根據(jù)不同加工條件進行的大量實際加工實驗在線整定的積分分離式PID控制系統(tǒng)的P、I、D 參數(shù)見表1。

表1 新控制系統(tǒng)P、I、D參數(shù)

3 實際加工實驗的結(jié)果與分析

為了驗證控制效果,進行了不同設(shè)定力、磨粒、工具直徑下的加工實驗和不同設(shè)定力下新舊控制系統(tǒng)的對比加工實驗,實驗加工條件見表2。

表2 實驗加工條件

3.1 控制效果對比分析

對比實驗的加工參數(shù)和結(jié)果統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表3。其中,a1、b1、c1為原控制系統(tǒng)下的控制效果,a2、b2、c2為新控制系統(tǒng)下的控制效果。新舊控制系統(tǒng)的實際加工力波動范圍和加工同一對象所需時間的對比分別見圖3、圖4。

表3 加工參數(shù)和結(jié)果統(tǒng)計數(shù)據(jù)

由圖3和表3可知,由于原控制系統(tǒng)下的工具后退和前進量固定不變,同時受進給速度的限制,使整體的實際加工力在小于設(shè)定值的較大范圍內(nèi)波動。而新控制系統(tǒng)下,實際加工力在設(shè)定值上下很小的范圍內(nèi)波動,波動范圍比原控制系統(tǒng)減小了30%以上。

圖4 新舊控制系統(tǒng)的加工時間比較

由圖4和表3可知,采用新控制系統(tǒng)可使加工時間減少40%以上,大幅提高了加工效率。

3.2 不同磨粒大小下新控制系統(tǒng)的控制效果

采用新控制系統(tǒng)加工不同大小磨粒的實際加工力控制效果見圖5,加工參數(shù)見表4。

表4 加工參數(shù)

圖5 加工不同大小磨粒的實際加工力控制效果對比

由圖5可知,實際加工力的波動范圍隨著磨粒的增大而增大,但采用新控制系統(tǒng)都能控制實際加工力在較小的范圍內(nèi)波動。

3.3 不同工具直徑下新控制系統(tǒng)的控制效果

采用新控制系統(tǒng),不同工具直徑下的實際加工力控制效果見圖6,加工參數(shù)見表5。

表5 加工參數(shù)

圖6 不同工具直徑下實際加工力控制效果對比

由圖6可知,對于不同工具直徑,采用新控制系統(tǒng)具有較好的控制效果,且隨著工具直徑變小,實際加工力的波動范圍基本不變。

4 結(jié)論

采用積分分離式PID算法設(shè)計了微細超聲加工恒力控制系統(tǒng)。從加工實驗結(jié)果可見,新控制系統(tǒng)具有較好的控制能力和效果。

(1)積分分離式PID算法是實現(xiàn)微細超聲加工力恒定控制的有效方法。相比于原有的簡單兩位控制系統(tǒng),實際加工力波動范圍減小30%以上,加工效率提高40%以上。

(2)新控制系統(tǒng)對于不同的設(shè)定力、磨粒大小、工具直徑都具有較好的適應(yīng)性。但隨著磨粒增大,實際加工力的波動范圍有所增大;隨著工具直徑變小,實際加工力的波動范圍基本不變。

(3)從實際加工實驗可看出,新控制系統(tǒng)下的加工力仍存在一定的超調(diào),需對微細超聲的恒力控制問題進行更深入的研究。

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