振动切削工艺的切削力建模及感知控制研究.pdf

摘要

摘要

基于金刚石刀具的超精密椭圆振动切削（EllipticalVibrationCutting，EVC）

被广泛认为是最具发展前景的高性能精密制造工艺之一，具有经济高效且适用

于各种功能性微纳结构表面的精密加工。为获得超高精度的结构表面，EVC的

实际切削轨迹必须与预期完全一致。然而，受限于切削工艺系统中不可避免的

机床误差，切削过程中切削深度等关键切削参数在切削力的作用下将会与预设

值有所偏离。考虑到切削力的大小与切削深度等切削状态信息息息相关，通过

切削力的在线感知及控制来补偿加工环境误差有助于进一步提高切削加工精

度。但在EVC中，刀具高频振动的引入将带来切削关键过程参量的非线性动态

变化，这为EVC中动态切削力的高频高精预测及感知控制带来严峻的挑战。

针对以上问题，本文通过理论分析建立了EVC工艺的动态切削力模型，充

分考虑了后刀面对工件创成表面的犁压作用，以切削刃上的驻点作为分界点，

将模型分为前刀面剪切力和后刀面犁压力两部分，其中后刀面犁压力被建模为

与干涉体积成比例，设计了一系列实验对提出的预测模型进行了验证，并在时

域和频域上探讨了加工参数对切削力特征点的影响规律。

为了进一步实现振动切削的力在线感知，本文设计了能使刀具产生二维振

动并集成力感知功能的智能振动机构，利用对称桥式柔性铰链前后端位移变形

量的在线振动差异实现动态切削力的间接智能感知，而无需额外的力传感器，

同时建立了理论解析模型和有限元模型，验证了所设计的振动机构的有效性，

并利用差分进化算法对结构参数进行了优化设计。

对设计的振动机构进行了实验性能测试，实验结果表明，该振动机构具有

纳米级的定位精度，千赫级的工作带宽和毫牛顿级的力感知分辨率。以铝合金、

黄铜和不锈钢三种材料进行了切削实验，机构感知的切削力与高精度力传感器

具有很好的一致性，验证了机构力感知的准确性。最后在预先不了解工件表面

形状的情况下，在倾斜表面上切削出了不同深度的等深凹槽，证明了所设计的

控制策略的可行性。

关键词:振动切削；切削力；伺服机构；感知；控制；

-I-

Abstract

Abstract

EllipticalVibrationCutting(EVC)basedondiamondtoolsiswidelyregarded

asoneofthemostpromisinghigh-performanceprecisionmanufacturingprocesses.

EVCiseconomicalandefficient,andissuitableforprecisionmachiningofvarious

functionalmicro/nanostructures.Inordertoobtainultra-highprecisionstructural

surface,theactualcuttingpathofEVCmustbecompletelyconsistentwiththe

expectation.However,duetotheinevitablemachinetoolerrorinthecuttingprocess

system,thecuttingdepthandotherkeycuttingparameterswilldeviatefromthe

presetvaluesundertheactionofcuttingforce.Consideringthatthecuttingforceis

closelyrelatedtothecuttingstateinformationsuchascuttingdepth,itishelpfulto

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