旋转超声加工无线能量传输补偿优化与控制系统研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liongliong480
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
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。
其他文献
近几十年来人们对钙钛矿型锰氧化物进行了广泛的研究,由于它具有许多新奇的物理性质,比如:庞磁电阻效应、巨磁电阻效应、电致电阻效应、多铁性、光电效应等等。磁阻效应以及电致电阻效应由于在存储器件、传感器以及神经形态计算等方面存在重要的应用价值成为了本文的关注点。本文的另外一个关注点是样品中的氧空位。氧空位在我们所研究的电致电阻效应的机制中经常扮演重要角色,另外氧空位还会对样品的其他物性,比如磁性,磁输运
学位
近年来,钙钛矿型锰氧化物(AMnO3)由于其丰富多彩的物性表现,诸如庞磁电阻性、热电性、多铁性等等,吸引了众多研究人员的广泛关注。作为典型的强关联体系材料,锰氧化物中存在着自旋、轨道、电子、晶格等多个自由度之间的强烈耦合,这种强烈的耦合导致了锰氧化物的物理性质非常容易受到多种外界的激励因素的调控。对于锰氧化物薄膜而言,研究人员通常专注于选用各种单晶衬底来对薄膜施加不同的外延应力,进而调控薄膜的晶格
学位
生物颗粒物质包括谷物和种子,被认为是有限且离散的材料,具有复杂的不规则尺寸和形状。尽管这些颗粒的流动有时会表现得像连续流体,但它们的不连续行为无法基于传统连续体的计算机模型(例如有限元或有限差分方法)进行模拟。离散元法(DEM)与计算流体动力学(CFD)相结合,被认为是一种很有前途的数值方法,可以通过跟踪流体流动中每个颗粒的运动,对离散颗粒进行建模。DEM已被广泛应用于岩石和工程力学领域,在谷物加
学位
以碳纤维增强树脂(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)为代表的各向异性复合材料具有高强度,高模量,性能可设计等优点,在航天器结构件的设计与制造中获得了广泛的使用。航天器在外太空工作时,可能受到核爆产生的高能X射线脉冲辐照,此时复合材料制成的表层蒙皮可能会产生汽化、烧蚀、层裂,材料内部则会产生热激波传播,上述现象会严重威胁到航天器的正常工作。因此,研究CFRP材
学位
随着复杂装备系统的飞速发展,对其试验鉴定的可靠性和高效性要求日益增强。复杂装备系统的性能评估通常涉及具有多维变量且计算代价较高的数学模型,并且在认知水平受限和系统设计复杂等的情况下,相关的性能指标呈现出较强的不确定性。如何获得稳健、可靠且高效的系统性能估计及预测是当前迫切需要解决的问题。不确定性量化为复杂系统的建模及优化的提供了完整的研究框架,了解并掌握相应方法对于提高装备系统试验鉴定水平具有重要
学位
近十多年发展起来的压缩感知技术将信号采集与压缩融为一体、对信号以压缩方式进行采样,是有别于传统奈奎斯特信号采集框架的一种全新采样策略。这种策略简化了数据获取过程,减少了数据采集和传输量,降低了数据采集硬件要求,在无线传感网络中具有潜在的应用前景。然而在结构健康监测领域,目前多数研究关注于采用常规变换基(如传统傅里叶基、小波基)对压缩振动信号进行重构,未深入挖掘压缩感知理论与结构振动模态分析理论之间
磁悬浮隔振平台是一种利用电磁力实现悬浮、运动和振动控制的电磁装置。与传统隔振装置相比,磁悬浮隔振平台具有无机械接触、无摩擦、无磨损、兼容真空环境等优点,在集成电路制造、航空航天、生物医学等现代精密、超精密装备领域具有广阔的应用前景,近年来受到了学术界和工业界的广泛关注。非接触式音圈电机和磁悬浮重力补偿器是磁悬浮隔振平台实现悬浮的关键装置。本文在总结国内外现有非接触式音圈电机和磁悬浮重力补偿器结构方
气固两相流动广泛存在于热能、能源和化工等工业生产实践中。因此,研究气固两相流动对理论模型和工程应用都有十分重要的意义。同时,气固两相流动在气体湍流以及气固相间作用的影响下,呈现出明显的非均匀结构特征,使得离散颗粒、颗粒聚团以及气泡的流动非常复杂。在复杂的气固两相过程中,曳力对气固两相流动的影响占主要地位。  本文基于双流体模型和颗粒动理学理论(kinetic theory of granular
本论文针对食品中有害分子痕量在线检测需求,以探索和制备新型高品质高灵敏度的柔性表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman scattering,SERS)薄膜为目标,开展了以石墨烯/Ag纳米颗粒(G/Ag NPs)为主要组成的柔性薄膜结构设计,基于电子束真空物理沉积Ag NPs工艺和湿法转移石墨烯方法,制备出三种石墨烯作为隔离层的柔性透明SERS薄膜,利用SEM、AFM和Ram
学位
镀锡板广泛地应用于食品及饮料的包装领域,钝化处理是镀锡板生产中的必要环节,虽然传统的六价铬工艺性能优异且成本低廉,但开发无铬钝化工艺是必然的发展趋势。本课题基于企业合作项目,针对镀锡板上的无铬钝化工艺开展研究。  首先采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱仪(EDS)测试表征了镀锡板(2.8g/m2)表面存在孔隙。以耐蚀性为评价标准,在脲基类、氨基类、氨基双爪类和环氧类硅烷偶联剂中筛选出可以在镀
学位