压电陶瓷执行器在车削振动控制中的应用研究

论文摘要

本文结合宁波市教育局资助项目(编号Jd060440)、浙江省自然科学基金资助项目(Y107792)设计开发了一种基于压电陶瓷执行器的车削振动控制系统,旨在提高车床切削的加工精度。该系统由压电陶瓷执行器、专用刀架、主控计算机、测量电路以及高精度测振传感器组成。本文设计了基于模糊自适应的PID控制器并应用于车削振动控制系统。系统的仿真与实验结果证明该系统能够有效地减小振动幅度,具有一定理论与应用价值。全文内容简述如下:第一章首先介绍了课题的研究背景,接着对车削振动控制的实现方法做了分析,然后着重论述了当前国内外车削振动控制的研究现状。第二章简要介绍了压电陶瓷执行器工作机理和特点,然后对其进行了静态与动态特性的测试与分析,同时也分析了执行器测试结果对后面设计的影响。第三章首先阐述了车削振动控制系统的总体方案,然后主要对柔性铰链和专用刀架的理论和三维设计进行了详实的研究,并对设计结果用有限元软件加以优化。第四章对系统的硬件部分作了详细的设计分析。硬件电路的内容主要有电源设计、测量电路搭建、I/O接口设计、测量元器件的选择等。对各电路的设计步骤进行了详细的推导与论述。第五章是车削振动控制系统的Simulink仿真。本章首先建立了控制系统各个组成部分的传递函数,然后设计了PID控制器和模糊自适应PID控制器的Simulink仿真模型,并且通过对比PID控制器和模糊自适应PID仿真结果说明了模糊自适应PID控制器的优越性。第六章是车削振动控制系统的人机界面设计和现场实验。本章首先阐述了控制系统人机界面的总体设计界面,然后具体给出了控制算法程序图,最后在不同转速和切削厚度条件下进行车削振动控制实验,实验结果表明本文设计的车削振动控制系统能够有效地减少车刀的振动量。最后本文对课题研究作了总结,并对未来的研究工作进行了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 车削振动控制的实现方法
• 1.3 国内外研究现状与发展趋势
• 1.3.1 切削振动控制系统中的执行器
• 1.3.2 切削振动控制律
• 1.4 课题研究主要内容
• 1.5 本章小结
• 2 压电陶瓷执行器输出特性测试与非线性建模
• 2.1 压电陶瓷执行器致动机理与特点
• 2.1.1 压电效应与逆压电效应
• 2.1.2 压电陶瓷执行器特点
• 2.2 压电陶瓷执行器特性测试
• 2.2.1 电涡流传感器位移特性标定
• 2.2.2 执行器输出位移特性滞回测试
• 2.2.3 执行器输出位移重复性测试
• 2.2.4 执行器输出位移与输出力的关系
• 2.3 压电陶瓷执行器的非线性建模
• 2.3.1 支持向量机模型
• 2.3.2 支持向量机模型的实验验证
• 2.4 本章小结
• 3 车削振动控制系统的构型设计与分析
• 3.1 车削振动控制系统总体方案设计
• 3.2 柔性铰链设计
• 3.2.1 柔性铰链类型与优点
• 3.2.2 柔性铰链机构理论设计
• 3.2.3 柔性铰链机构有限元设计与分析
• 3.3 柔性铰链刀架机构设计与分析
• 3.3.1 刀架位移放大原理设计
• 3.3.2 刀架的静态刚度
• 3.4 刀架机械结构设计
• 3.4.1 刀架主体结构应力应变分析
• 3.4.2 刀架主体结构模态分析
• 3.5 本章小结
• 4 车削振动控制系统硬件电路设计
• 4.1 硬件电路总体设计
• 4.2 压电陶瓷执行器驱动电源选型
• 4.3 传感器选型
• 4.4 电涡流传感器驱动电源设计
• 4.4.1 整流电路设计
• 4.4.2 滤波电路设计
• 4.4.3 稳压电路设计
• 4.4.4 电源总体电路设计
• 4.5 数据采集电路分析与选型
• 4.6 计算机控制压电陶瓷驱动电路分析
• 4.7 本章小结
• 5 车削振动控制策略研究
• 5.1 车削振动控制系统传递函数建立
• 5.1.1 压电陶瓷执行器传递函数建立
• 5.1.2 专用刀架传递函数建立
• 5.1.3 压电陶瓷驱动电源传递函数建立
• 5.1.4 车削振动控制系统开环传递函数建立
• 5.2 增量式PID 控制器设计
• 5.2.1 增量式PID 控制原理
• 5.2.2 增量式PID 控制器设计
• 5.2.3 增量式PID 控制器参数整定
• 5.2.4 增量式PID 控制器的Simulink 模型建立
• 5.3 模糊自适应PID 控制器设计
• 5.3.1 模糊自适应PID（FAPID）控制原理
• 5.3.2 模糊自适应PID（FAPID）控制器设计
• 5.3.3 模糊自适应PID（FAPID）控制器Simulink 模型建立
• 5.4 增量式PID 与模糊自适应PID 仿真比较
• 5.4.1 阶跃响应比较
• 5.4.2 抗干扰性能比较
• 5.5 本章小结
• 6 车削振动控制系统软件设计和现场试验
• 6.1 控制系统软件设计
• 6.1.1 模糊自适应PID 算法设计
• 6.1.2 控制系统动态采集的实现
• 6.1.3 测控软件人机界面设计
• 6.2 现场试验
• 6.3 本章小结
• 7 总结与展望
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢