基于负载补偿的非接触旋转超声供电系统的功率自适应控制机理研究

Ultrasonic amplitude is one of the key factors to determine the results of ultrasonic machining. The traditional contactless power supply ultrasonic machining device have not considered the effects of processing load on the performance of contactless power transmission and the resulting ultrasonic amplitude instability. During my studies towards the doctoral degree, my research found that the changes of processing load affect the power transmission performance of the system, thereby affecting the stability of ultrasonic amplitude. For different compensation circuit topology and the compensating element values, the processing force effects are significantly different. Aimed at the problem of ultrasonic amplitude instability caused by the changes of load in the contactless power supply rotating ultrasonic machining process, this project will study the effect mechanism of compensation topologies and parameters of compensation elements on the energy transfer characteristics of the contactless power supply ultrasonic system, the influence mechanism of the dynamic loads on the electrical characteristics of the ultrasonic transducer, the quantitative correlation between the output power and the amplitude of the ultrasonic transducer through theoretical analysis, numerical simulation and scientific experiments. Based on this, the nonlinear global mapping relation between compensation topologies, parameters of compensation elements, load forces, and contactless ultrasonic energy transfer performance (efficiency, output power), tool amplitude will be revealed. The adaptive power control mechanism of contactless power supply rotating ultrasonic system will be revealed and the adaptive control of ultrasonic amplitude is realized.

超声振幅是决定超声加工效果的关键因素之一，传统的非接触供电旋转超声加工设备，没有考虑加工负载力对非接触能量传输性能的影响，及由此产生的振幅不稳定问题。基于申请人博士课题的研究发现，负载力的变化严重影响系统能量传输特性，进而影响超声振幅稳定，且对于不同的电路补偿拓扑结构及补偿元件电参数取值，负载力的作用效果明显不同。本项目针对非接触供电旋转超声加工过程中的负载力不恒定引起的超声振幅不稳定问题，采用理论研究、数值仿真和科学实验相结合的方法，通过研究电路补偿网络对非接触旋转超声供电系统能量传输特性的作用机理、三个方向动态负载力对超声振子电学特性的作用机理、超声振子获得的功率与工具振幅的定量关联作用机制，建立补偿电路结构、补偿元件参数、加工力与超声能量传输特性（效率、功率）、工具振幅之间的非线性全局映射关系，揭示基于负载补偿的非接触旋转超声供电系统的功率自适应控制机理，实现超声振幅的自适应控制。

旋转超声波加工是一种精密、高效的硬脆材料及复合材料加工方法，基于电磁感应的非接触能量传输方式能够替代传统碳刷滑环为超声振子提供电能，这种非接触能量传输方式安全、稳定，且对转速没有限制。传统的非接触供电旋转超声加工设备在加工过程中会出现振幅衰减和振幅不稳定的现象，严重影响了超声波加工效果。超声振幅不稳定主要来源于加工过程中加工负载力的变化引起的系统能量传输特性的改变。本项目针对超声振幅不稳定问题，通过分析超声振子的振动特性，提取了表征超声振子恒定振幅输出的电学控制量，基于诺顿定理和戴维南定理设计了四种电路补偿网络拓扑结构；建立了这四种电路补偿网络的电磁耦合互感模型，通过建立负载力作用下的超声振子等效电路模型及等效电学参数的数学模型，建立了包含加工负载力作用机制的表征传输功率及传输效率的数学模型，进而建立了实现功率随负载力变化自适应输出的电路补偿参数的数学模型；实验研究加工负载力对超声振子电学特性的作用规律，结合上述已经建立的负载力作用下的超声振子等效电路模型及等效电学参数的数学模型，揭示了加工力对超声振子电学特性的作用机理；基于已提取的表征超声振子恒定振幅输出的电学控制量，建立超声振子维持振幅稳定所需功率的数学模型，理论与实验研究加工负载力与非接触供电旋转超声波加工过程中传输功率、传输效率、工具振幅特征电学量之间的定量关联作用机制，最终揭示基于负载补偿的非接触旋转超声供电系统的功率自适应控制机理。本项目针对非接触供电的旋转超声加工系统，研制了专用超声电源，通过实验验证了所研制的超声电源能够满足非接触供电系统的功率自适应控制要求，实现了超声功率随加工负载力的自适应输出，进而有效抑制了超声加工过程中的振幅衰减现象。本项目的研究成果可以应用到硬脆材料和复合材料的高效高精密加工领域，对提高加工质量、加工效率具有重要的理论意义和工程实用价值。