旋转超声加工无线能量传输补偿优化与控制系统研究

论文摘要

随着先进材料和高新技术的不断发展,特种加工制造技术逐渐成为发展国家工业、航空航天和军用产品的关键技术。旋转超声加工是特种加工制造技术的重要组成部分,旋转超声加工技术应用于数控机床加工硬脆材料和先进复合材料等,具有加工效率高和加工切削力小等优点。松耦合变压器是旋转超声加工技术实现非接触式无线能量传输的关键部件。然而,在研究中发现采用松耦合变压器的方法存在超声刀柄建模困难、等效参数受环境影响大、控制复杂度高的问题,为相关的研究工作带来了较大的挑战。本文主要研究了超声驱动系统设计、超声换能器等效负载模型、松耦合变压器补偿优化和机械振幅控制算法等关键性的理论与技术问题,其主要工作如下:针对超声加工中超声换能器工作功率较大的特性,设计了面向旋转超声加工领域的变频式超声波驱动器,其可以在多频带内驱动不同的超声加工刀柄,智能搜索驱动部件的最佳工作频率并且实现动态锁相。开发的硬件电路包括控制最小系统、信号发生电路、有效值采集电路和相位采集电路等。旋转超声加工刀柄由松耦合变压器和超声换能器组成,基于开发的超声驱动系统,研究了超声换能器在不同电压驱动下其频率阻抗特性变化趋势。通过实验分析了超声换能器的输入电流和输出振幅在不同频率驱动时动态对应关系,证明了超声换能器的输入电流和输出振幅呈正相关关系。研究了超声刀柄和超声换能器两者的谐振频率与阻抗偏差的问题。这种偏差问题会导致超声刀柄在谐振频率驱动时,输出电压、电流在初始时振荡以及稳态时衰减现象。为了分析超声换能器的负载特性,构建了超声换能器的机电等效阻抗模型,其对超声换能器的谐振频率和阻抗特性具有指导设计的作用。本文分析了超声换能器中夹紧螺母的预紧扭矩和加工工具伸出长度对于其频率阻抗特性的影响趋势。基于超声换能器的等效动力学模型和电学等效模型,建立了超声换能器等效传递函数模型。通过电机运动平台、力传感器和阻抗分析仪等测试设备搭建了切削力测试平台,获得了超声换能器在不同切削力下超声换能器的电学等效特性。发现随着切削力的增大,超声换能器的谐振频率和阻抗在一定范围内随之增大,超声换能器的等效传递函数模型也发生改变。基于线性参数拟合方法,建立了换能器的动态传递函数模型,该动态阻抗模型较好的解释了超声换能器在负载下电流响应特性。为了解决旋转超声加工系统中超声刀柄与超声换能器的谐振频率和阻抗的偏差问题,提出了利用两种补偿结构实现无线能量传输补偿:双边补偿和单边补偿。在双边补偿结构中,构建了基于T型等效电路的松耦合变压器的漏感等效模型。基于零相位等高线法,直观地发现四种补偿结构下,双边补偿存在多个解的问题。为了消除谐振频率和阻抗的偏差,建立了多目标优化数学模型。基于Pareto边界方法,获得了超声刀柄相位、超声刀柄与超声换能器之间阻抗差的最优分布。基于多目标遗传优化算法,优化双边补偿的电容值,发现串联-串联补偿的优化电容值消除了超声刀柄与超声换能器之间谐振频率和阻抗的偏差。构建了四种补偿结构的状态空间方程获得了超声刀柄振动系统的动态响应特性,分析了不同拓扑的输出电压和输出电流响应趋势。构建了超声刀柄振动系统的MATLAB仿真平台,其全方位的分析了超声刀柄输入输出电压、电流和相位差的瞬态响应曲线。通过实验证明了串联-串联补偿结构使得松耦合变压器电压增益从无补偿的0.333提高到0.920。与没有补偿时相比,输出有功功率提高了7.634倍。超声刀柄阻抗监控切削力的灵敏度提高,监控切削力的阻抗上升速率从1.151提升至1.823。在单边补偿结构中,提出一种原边补偿的方法,实现超声刀柄和超声换能器的谐振频率和阻抗同时匹配。基于松耦合变压器T型网络漏感等效模型,松耦合变压器在一定的空气间隙范围内,随着空气间隙距离增大,其线圈自感和等效串联电阻呈指数下降、漏感呈直线上升的趋势,在用原边串联补偿结构时,松耦合变压器的输出电压增益增大。基于以上松耦合变压器的物理特性,对超声刀柄在扫描频率和谐振频率驱动的电压、电流响应进行理论计算和实验验证。通过实验表明,相比于无补偿时,采用原边串联补偿方法,电压增益从0.267增加到0.90,输出有功功率提高了11.3倍,监控阻抗的灵敏度提高了1.54倍。在原边串联补偿的基础上,通过实验发现超声刀柄和超声换能器的谐振频率与阻抗的偏差会随着外部切削力增大而增大。本文提出了模糊PID神经网络自校正算法,使得超声刀柄振动系统在不同切削力下,可以追踪超声换能器的谐振频率,通过实验验证了该算法的可行性。为了解决超声振动系统在切削力作用下衰减的问题,基于自抗扰控制器实现超声刀柄振幅恒定输出。建立了MATLAB仿真平台,研究了在无负载和噪声干扰下的电流响应曲线变化趋势。通过实验分析了自抗扰控制器跟踪微分器、状态扩张观测器和状态误差反馈控制器不同参数在无负载下对于电流响应曲线的影响,验证了在不同切削力下,自抗扰控制器对于电流响应的影响。保证超声刀柄振动系统振幅实现恒定无衰减输出。搭建了加工实验平台,验证了本文建立的超声加工系统的有效性。

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摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.1.1 课题背景

1.1.2 课题研究目的和意义

1.2 超声压电式换能器研究现状

1.3 超声驱动系统研究现状

1.4 无线能量传输研究现状

1.5 超声振幅控制研究现状

1.6 本文主要研究内容和章节安排

第2章超声驱动系统设计及超声刀柄电负载特性分析

2.1 引言

2.2 传统驱动电源方案

2.3 超声驱动系统构成

2.4 超声硬件驱动平台

2.5 超声刀柄电负载特性

2.5.1 换能器的导纳圆

2.5.2 换能器不同电压下的阻抗特性

2.5.3 换能器振幅与输入电流的关系

2.5.4 松耦合变压器的影响

2.6 本章小结

第3章超声换能器等效电路与动态负载建模

3.1 引言

3.2 换能器结构

3.3 变幅杆等效负载模型

3.4 装配工艺的影响

3.5 换能器的动态负载建模

3.6 本章小结

第4章松耦合变压器双边补偿优化

4.1 引言

4.2 超声刀柄

4.2.1 超声刀柄等效电路

4.2.2 松耦合变压器的等效参数

4.2.3 谐振频率与阻抗的偏差

4.3 双边补偿

4.3.1 双边补偿多解问题

4.3.2 多目标优化算法

4.4 仿真计算

4.4.1 状态空间方程

4.4.2 MATLAB仿真

4.5 实验结果

4.6 本章小结

第5章松耦合变压器原边补偿优化

5.1 引言

5.2 原边补偿

5.3 补偿结果

5.4 状态空间方程

5.5 实验结果

5.6 本章小结

第6章超声刀柄振动系统控制算法设计

6.1 引言

6.2 控制算法设计

6.3 基于模糊PID神经网络自校正的谐振频率跟踪算法

6.3.1 模糊PID算法

6.3.2 ELM神经网络自校正控制器

6.3.3 谐振频率跟踪控制效果

6.4 基于自抗扰控制器的振幅控制算法

6.4.1 跟踪微分器

6.4.2 扩张状态观测器

6.4.3 状态误差反馈控制器

6.4.4 MATLAB仿真

6.4.5 实验分析

6.5 加工实验

6.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

致谢

个人简历

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张建国

导师: 李杨民,隆志力

关键词: 动态阻抗建模,无线能量传输,多目标遗传优化,自抗扰控制器,旋转超声加工

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,工业通用技术及设备

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: TB559

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.005041

总页数: 148

文件大小: 9261k

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