大功率超磁致伸缩旋转超声加工系统的谐振频率自动跟踪方法与振幅稳定性控制策略

Rotary ultrasonic machining (RUM), explored in a large number of theoretical and experimental investigations, has been regarded as an effective method for efficient precision machining of hard-brittle materials. Compared with the traditional piezoelectric ultrasonic system, the giant magnetostrictive energy transfer method can effectively improve the output amplitude and stability of the ultrasonic system under the same scale, and effectively reduce the cutting force and machining damage. Previous studies have shown that under the influence of excitation signal fluctuation, temperature rise and mechanical load and other factors, the phenomenon of resonant frequency drift, energy efficiency reduction and amplitude stability deterioration of giant magnetostrictive ultrasonic system has seriously restricted the processing ability of ultrasonic system. In this study, the electric-magnetic-machine-thermal coupling characteristics for high-power giant magnetostrictive ultrasonic system and its effect on the vibration performance of the mechanism are studied, the calculation model for key performance indicators of the resonant frequency and ultrasonic amplitude and so on is built, the corresponding resonant frequency automatic tracking method and amplitude stability control strategy are put forward, effects of process variable (excitation voltage, frequency, compensation circuit, cooling condition etc.) on the vibration characteristics of ultrasonic machining system are discuss, and it reveals the influence of process variable on the characteristics of processing efficiency, surface integrity and sub surface damage for hard brittle materials, resulting in the formation of perfect vibration performance control strategy for giant magnetostrictive ultrasonic machining system.Then an integrated giant magnetostrictive ultrasonic machining system with resonant frequency automatic tracking - high-power giant magnetostrictive transduction - amplitude stability control is developed to further improve the advantages of rotary ultrasonic machining technology.

相比于传统的压电超声系统，超磁致伸缩换能方式可以有效地提升同等尺度下的超声系统输出振幅，进而降低切削力和加工损伤。前期研究表明，在激励信号波动、温升和机械载荷等因素影响下，超磁致伸缩超声系统出现谐振频率漂移、换能效率下降、振幅稳定性变差等现象，严重制约了超声系统的加工能力。本课题研究大功率超磁致伸缩超声系统中的电-磁-机-热耦合特性及其对系统振动性能的作用机理，建立谐振频率和超声振幅等关键性能指标的精确计算模型，提出相应的谐振频率自动跟踪方法和振幅稳定性控制策略，采用外场量（激励电压、激励频率、补偿电路、冷却条件等）介入调控超声加工系统振动特性，并揭示外场量对硬脆材料加工效率和加工表面完整性的影响规律，形成完善的超磁致伸缩超声加工系统振动性能评价体系，研制出具有谐振频率自动跟踪-大功率超磁致伸缩换能-振幅稳定控制等特点的集成式超磁致伸缩超声加工系统。

本项目将超磁致伸缩换能材料引入旋转超声加工系统，针对超磁致伸缩超声系统中的电-磁-机-热耦合特性及其对系统振动性能的作用机理，建立了系统谐振频率和超声振幅等关键性能指标的精确计算模型，提出了相应的谐振频率自动跟踪方法和振幅稳定性控制策略，开展理论和实验研究，研制出具有谐振频率自动跟踪-大功率超磁致伸缩换能-振幅稳定控制等特点的集成式超磁致伸缩超声加工系统。.结合理论建模、有限元仿真和振动实验等对Terfenol-D材料的预应力、温度影响、导磁回路、电补偿等关键内容开展研究并进行优化设计，提出了超磁致伸缩系统的最佳补偿电容理论，可以使系统实现完全谐振，输出最大振幅。最后基于超磁致伸缩超声系统中的电-磁-机-热耦合特性，获得了超磁致伸缩系统的理论振幅预测模型，提出了超磁致伸缩超声加工系统的振幅预测方法，并能够根据该方法优化调整设计方案。.根据超磁致伸缩系统的超声频电学特性，提出了超磁致伸缩系统的频率跟踪方法，并基于该方法设计搭建了超磁致伸缩系统的频率跟踪电源，并在加工实验中进行了频率跟踪电源的有效性验证，实验结果表明搭建的频率跟踪电源可以有效地对超磁致伸缩系统在外负载影响后的谐振频率进行追踪，提高系统的振幅稳定性，进一步提高超声加工的加工质量。.在此基础上，本项目进一步开展了超磁致伸缩系统的力稳定性与热稳定性研究。通过设计锥面形变幅杆提高了系统的抗负载能力，提高了系统在外力作用下下的系统稳定性。通过切片等方式对温升进行抑制，减小了系统在使用过程中的温升，提高了热稳定性，同时开展了最佳温控与最佳补偿的理论研究，分析了提高系统热稳定性的方法。提出了外负载下的系统振幅模型，并提出了超声系统的极限切削力的概念，可以对超声系统的承载能力进行评估。最后基于负载下的振幅模型，提出了闭环振幅稳定性控制方法，搭建了振幅稳定性控制装置，并实验验证了提出的振幅稳定性控制方法的准确性。