本發(fā)明屬于超聲加工領(lǐng)域，具體涉及一種用于超聲電源調(diào)控穩(wěn)定性振幅的方法。
背景技術(shù)：
1、隨著精密制造領(lǐng)域向微型化、復(fù)雜化方向快速發(fā)展，微機(jī)電系統(tǒng)、醫(yī)療植入器件、航空航天組件等高端裝備對(duì)零件加工精度提出了極高要求。超聲加工技術(shù)作為一種先進(jìn)的加工手段，憑借其高頻振動(dòng)所產(chǎn)生的獨(dú)特加工機(jī)理，能夠在減小切削力、降低熱影響的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)材料局部脆化、微裂紋誘導(dǎo)擴(kuò)展等效應(yīng)，從而在加工硬脆、復(fù)合材料等特殊材料時(shí)展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。超聲加工不僅有助于改善加工表面的質(zhì)量，還能在細(xì)微結(jié)構(gòu)加工中實(shí)現(xiàn)高幾何精度，使其在超精密制造領(lǐng)域備受關(guān)注。
2、然而，超聲加工的核心在于穩(wěn)定的工具頭振動(dòng)幅度，而這一振動(dòng)穩(wěn)定性直接依賴于超聲電源的功率輸出穩(wěn)定性。目前，傳統(tǒng)超聲電源系統(tǒng)普遍采用固定頻率諧振與開環(huán)功率控制策略，面對(duì)材料硬度不均、刀具磨損、熱積累等動(dòng)態(tài)工況時(shí)，容易出現(xiàn)輸出功率與負(fù)載阻抗不匹配的問(wèn)題。長(zhǎng)期以來(lái)，這種不匹配狀態(tài)導(dǎo)致工具振幅逐漸衰減，從而引發(fā)加工表面粗糙度增加、微結(jié)構(gòu)尺寸超差等一系列問(wèn)題，制約了超聲加工技術(shù)在長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)加工和高負(fù)荷加工中的穩(wěn)定性和一致性。
3、為了解決這一瓶頸，當(dāng)前的技術(shù)改進(jìn)嘗試主要集中在提升系統(tǒng)的響應(yīng)速度與能效上，如引入數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)和寬禁帶半導(dǎo)體器件，以期在一定程度上改善功率輸出與負(fù)載匹配的狀況。然而，這些改進(jìn)措施仍面臨一個(gè)共同的挑戰(zhàn)：對(duì)電源與負(fù)載之間復(fù)雜動(dòng)態(tài)耦合特性的建模與控制不足。缺乏實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的能量輸出調(diào)控手段，致使在復(fù)雜工況下，工具頭的振動(dòng)幅度難以維持在理想狀態(tài)，從而影響整體加工質(zhì)量。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為解決上述技術(shù)難題，發(fā)明了一種用于調(diào)控超聲電源以獲得穩(wěn)定性振幅輸出的新方法。該方法通過(guò)建立電源與其工作機(jī)制的等效模型，根據(jù)實(shí)際情況中出現(xiàn)的問(wèn)題引入控制律，使得電源能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定輸出所需功率超聲波。同時(shí)，通過(guò)引入pid算法避免出現(xiàn)模型輸入累加過(guò)大的問(wèn)題。該方法能夠大大提升超聲加工過(guò)程中的穩(wěn)定性，大大提升加工效率以及零件精度，有效保證了在日常生產(chǎn)中零件的穩(wěn)定性和可靠性。
2、本發(fā)明通過(guò)智能控制與反饋機(jī)制，動(dòng)態(tài)調(diào)整超聲波電源輸出，確保振幅穩(wěn)定，從而在不同負(fù)載條件下，為電源仍能保持穩(wěn)定輸出，提供了一種全新的超聲波電源調(diào)控穩(wěn)定性振幅的方法，使超聲波處理質(zhì)量和效率得到提高。本發(fā)明通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理和自適應(yīng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了振幅的穩(wěn)定性與電源功率的合理控制。
3、其實(shí)現(xiàn)步驟如下：
4、步驟一：基于超聲電源的輸出特性與動(dòng)態(tài)響應(yīng)建立等效模型
5、步驟二：部署高精度電流、電壓、應(yīng)變片傳感器實(shí)現(xiàn)電源輸出參數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)字化表征
6、步驟三：利用濾波降噪算法對(duì)采集數(shù)據(jù)預(yù)處理并提取特征
7、步驟四：構(gòu)建前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型智能預(yù)測(cè)超聲電源的期望輸出功率
8、步驟五：計(jì)算實(shí)際的電源輸出功率和期望的功率之間的偏差
9、步驟六：使用pid控制算法動(dòng)態(tài)調(diào)控超聲電源的輸出功率
10、步驟七：實(shí)時(shí)修正超聲電源輸出功率以達(dá)到預(yù)期振幅
11、進(jìn)一步地，本發(fā)明基于超聲電源的輸出特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，建立了超聲電源與換能器之間的等效電路模型。通過(guò)分析換能器的負(fù)載特性和電聲轉(zhuǎn)換過(guò)程，采用串聯(lián)-并聯(lián)諧振電路模型來(lái)表征電源與換能器之間的關(guān)系。該模型反映了換能器如何將輸入電能高效轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)能量，并通過(guò)諧振效應(yīng)優(yōu)化能量傳遞效率。此步驟為后續(xù)智能控制和動(dòng)態(tài)調(diào)整振幅提供了理論基礎(chǔ)和模型支撐。
12、進(jìn)一步地，為了確保換能器的振幅穩(wěn)定，本發(fā)明在系統(tǒng)中部署了多種傳感器，包括電壓傳感器、電流傳感器和激光位移傳感器。通過(guò)上述傳感器實(shí)時(shí)采集超聲電源的輸出電壓、輸出電流以及換能器產(chǎn)生振動(dòng)的振幅狀態(tài)。電壓和電流傳感器具備高頻響應(yīng)能力，能夠準(zhǔn)確捕捉超聲頻率下的瞬時(shí)變化。激光位移傳感器采用非接觸式高精度測(cè)量技術(shù)，精準(zhǔn)捕捉換能器的振動(dòng)位移信息，獲取換能器的精確振幅數(shù)據(jù)。
13、進(jìn)一步地，將上述電流、電壓、振幅傳感器采集的數(shù)據(jù)在傳輸至中央控制系統(tǒng)前進(jìn)行預(yù)處理。本發(fā)明通過(guò)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（daq）對(duì)振幅、電壓和電流數(shù)據(jù)進(jìn)行同步采集，采樣頻率高于超聲工作頻率的10倍。為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，利用信號(hào)處理算法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和降噪，去除高頻干擾和異常數(shù)據(jù)。處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（adc）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳輸至中央控制單元，為后續(xù)控制系統(tǒng)提供可靠的輸入數(shù)據(jù)。
14、進(jìn)一步地，通過(guò)多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（mlp），本發(fā)明根據(jù)實(shí)時(shí)采集的電壓、電流和振幅等數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)系統(tǒng)的期望功率。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型通過(guò)輸入層、隱藏層和輸出層的非線性映射處理復(fù)雜的輸入數(shù)據(jù)關(guān)系。模型通過(guò)大量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，使用均方誤差作為損失函數(shù)，并采用反向傳播算法優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)權(quán)重和偏置項(xiàng)，最終生成系統(tǒng)當(dāng)前負(fù)載條件下的期望功率輸出，為后續(xù)電源調(diào)節(jié)提供依據(jù)。
15、進(jìn)一步地，系統(tǒng)通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量電源的實(shí)際輸出功率，并與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的期望功率進(jìn)行比較，計(jì)算功率誤差。功率誤差反映了超聲電源當(dāng)前實(shí)際輸出功率與期望輸出功率的差距，計(jì)算公式為誤差值。該誤差值被反饋至控制系統(tǒng)，作為后續(xù)調(diào)整電源輸出的重要參考。通過(guò)計(jì)算功率誤差，系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)地了解當(dāng)前功率偏差，并及時(shí)作出調(diào)整。
16、進(jìn)一步地，以計(jì)算出的功率誤差為基礎(chǔ)，本發(fā)明將電源輸出電壓通過(guò)pid控制算法進(jìn)行調(diào)節(jié)。pid控制器結(jié)合比例（p）、積分（i）和微分（d）項(xiàng)，針對(duì)誤差大小和變化趨勢(shì)產(chǎn)生不同控制信號(hào)，實(shí)時(shí)調(diào)整電源輸出，使其功率逐步趨向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的期望值。pid控制系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)功率偏差并動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，確保超聲換能器的振幅在不同工況下始終保持穩(wěn)定。
17、進(jìn)一步地，本發(fā)明通過(guò)持續(xù)監(jiān)測(cè)振幅和功率，并結(jié)合pid控制反饋，實(shí)時(shí)修正電源功率輸出，確保換能器維持合理的振幅。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到振幅偏離設(shè)定范圍時(shí)，自動(dòng)調(diào)整電源功率。通過(guò)反饋機(jī)制和快速響應(yīng)能力，系統(tǒng)能夠在負(fù)載變化和工況波動(dòng)時(shí)，實(shí)時(shí)修正輸出，確保超聲換能器始終處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。
18、圖1為超聲電源調(diào)控穩(wěn)定性振幅的實(shí)現(xiàn)步驟；
19、圖2為超聲電源調(diào)控穩(wěn)定性振幅實(shí)現(xiàn)流程圖；
20、圖3為電源實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定振幅輸出的功率預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。
21、下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
1.一種用于調(diào)控超聲電源以獲得穩(wěn)定性振幅輸出的方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求?1?所述的方法，其特征在于，所述基于超聲電源的輸出特性與動(dòng)態(tài)響應(yīng)建立等效模型的步驟中，采用串聯(lián)?-?并聯(lián)諧振電路模型來(lái)表征電源與換能器之間的關(guān)系，該模型反映了換能器將輸入電能高效轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)能量，并通過(guò)諧振效應(yīng)優(yōu)化能量傳遞效率。
3.根據(jù)權(quán)利要求?1?所述的方法，其特征在于，所述部署高精度電流、電壓、應(yīng)變片傳感器實(shí)現(xiàn)電源輸出參數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)字化表征的步驟中，選用的電壓傳感器安裝在超聲電源輸出端，用于實(shí)時(shí)測(cè)量電源的輸出電壓；電流傳感器串聯(lián)安裝在超聲電源輸出電路中，用于監(jiān)測(cè)超聲電源的輸出電流；采用激光位移傳感器通過(guò)非接觸方式測(cè)量換能器振動(dòng)的位移量，進(jìn)而計(jì)算出振幅。
4.根據(jù)權(quán)利要求?1?所述的方法，其特征在于，所述構(gòu)建前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型智能預(yù)測(cè)超聲電源的期望輸出功率的步驟中，采用多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（mlp）進(jìn)行期望功率的預(yù)測(cè)，輸入層接收由傳感器采集并預(yù)處理后的電壓、電流、振幅等電氣參數(shù)；隱藏層包含若干神經(jīng)元，采用非線性激活函數(shù)來(lái)提高模型的表達(dá)能力；輸出層用來(lái)輸出當(dāng)前系統(tǒng)下的期望功率，用于后續(xù)控制調(diào)節(jié)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型通過(guò)監(jiān)督學(xué)習(xí)方法進(jìn)行訓(xùn)練，使用均方誤差作為損失函數(shù)，并采用反向傳播算法優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)權(quán)重和偏置項(xiàng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求?1?所述的方法，其特征在于，所述使用?pid?控制算法動(dòng)態(tài)調(diào)控超聲電源的輸出功率的步驟中，pid?控制器結(jié)合比例（p）、積分（i）和微分（d）項(xiàng)，針對(duì)誤差大小和變化趨勢(shì)產(chǎn)生不同控制信號(hào)，實(shí)時(shí)調(diào)整電源輸出，使其功率逐步趨向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的期望值，確保超聲換能器的振幅在不同工況下始終保持穩(wěn)定。
6.根據(jù)權(quán)利要求?1?所述的方法，其特征在于，所述實(shí)時(shí)修正超聲電源輸出功率以達(dá)到預(yù)期振幅的步驟中，通過(guò)持續(xù)監(jiān)測(cè)振幅和功率，并結(jié)合?pid?控制反饋，實(shí)時(shí)修正電源功率輸出，確保換能器維持合理的振幅，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到振幅偏離設(shè)定范圍時(shí)，自動(dòng)調(diào)整電源功率，通過(guò)反饋機(jī)制和快速響應(yīng)能力，系統(tǒng)能夠在負(fù)載變化和工況波動(dòng)時(shí)，實(shí)時(shí)修正輸出，確保超聲換能器始終處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。