專利名稱：基于模糊控制的軟性磨粒流加工裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及軟性磨粒流精密加工領(lǐng)域，尤其是一種軟性磨粒流加工裝置。
背景技術(shù)：
在模具加工中，拋光作為產(chǎn)品加工的最后一道工序被廣泛應(yīng)用，但對于溝、槽、孔、棱柱、棱錐、窄縫等拋光工具達(dá)不到的結(jié)構(gòu)化表面仍無法加工。液-固兩相軟性磨粒流加工方法是利用軟性磨粒流在被加工工件的結(jié)構(gòu)化表面形成湍流流動，配以約束模塊，使被加工表面成為流道壁面的一部分，形成磨粒流道，磨粒流流過該通道時，對壁面的粗糙處進(jìn)行切削，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化表面的無工具化精密加工。固-液兩相軟性磨粒流加工是以磨粒流的湍流理論為依據(jù)，以磨粒間的相互碰撞及磨粒與壁面間的碰撞為基礎(chǔ)，對磨粒進(jìn)行動力學(xué)分析，利用湍流流場中磨粒對壁面的切削作用，對被加工工件壁面粗糙處進(jìn)行精密加工。該技術(shù)有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)光整加工方法對結(jié)構(gòu)化表面加工的劣勢，同時也能夠?qū)ζ渌麖?fù)雜工件的表面加工，并且能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制。在固-液兩相軟性磨粒流加工中，磨粒隨磨粒流做無規(guī)則的運(yùn)動。在近壁區(qū)，磨粒以一定的速度撞擊工件表面，沿工件表面的速度對工件表面產(chǎn)生切削作用，這就是磨粒流加工的材料去除機(jī)理。在磨粒流加工中，描述工件表面加工質(zhì)量好壞的主要有兩個指標(biāo)工件表面的材料去除率和工件表面的加工紋理。材料去除率越高，加工效率就越高；表面加工紋理越細(xì)密，越無序，加工精度就越高。在磨粒流加工中，影響工件表面材料去除率的主要因素是工件表面近壁區(qū)的動壓力，動壓力越大，材料去除率越大。影響工件表面加工紋理的主要因素是加工表面近壁區(qū)的湍動能，湍動能越大，說明磨粒流的湍流程度越高，磨粒無規(guī)則的無序運(yùn)動程度越激烈，那么工件表面的加工紋理就越好。在目前的軟性磨粒流加工過程中，評價工件的整體加工質(zhì)量除了表面的材料去除率和加工紋理外，工件表面整體的材料去除率和加工精度也應(yīng)該較為均勻。這就要求磨粒流加工中，工件表面近壁區(qū)的動壓力和湍動能分布比較均勻。但是事實(shí)上，目前的研究中，流道中的湍動能和動壓力分布并不均勻，這就需要對此進(jìn)行研究，怎樣才能達(dá)到較為理想的加工形態(tài)。在目前的軟性磨粒流加工過程中，磨粒流在泵的作用下獲得速度進(jìn)入流道，隨著時間加工時間的推移，由于泵的散熱作用以及磨粒流本身內(nèi)部由于顆粒碰撞和磨阻等產(chǎn)生的熱能，使得磨粒流的溫度逐漸提高，甚至高達(dá)70°C以上，在如此高溫下，磨粒流的粘度勢必會發(fā)生極大的變化。粘度的變化會對流道中工件表面近壁區(qū)的湍動能分布和動壓力分布造成不可預(yù)知的影響。這就需要需要進(jìn)行研究溫度對流道中的湍動能分布和動壓力分布所造成的影響，并且通過調(diào)節(jié)流速來補(bǔ)償不利影響。在目前的軟性磨粒流加工中，流體的動力源是泵，因?yàn)榱鞯赖臋M截面積是恒定的，調(diào)節(jié)流速就需要對泵的出口流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是泵的控制問題本身就是一個高度復(fù)雜的非線性控制問題，兼之軟性磨粒流流道中流速影響因素較多，以傳統(tǒng)的控制方式難以實(shí)現(xiàn)流速控制的目的。發(fā)明內(nèi)容為了克服已有軟性磨粒流加工的流速控制精度低、加工效率較低的不足，本實(shí)用新型提供一種流速控制精度高、提高加工效率的基于模糊控制的軟性磨粒流加工裝置。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種基于模糊控制的軟性磨粒流加工裝置，包括軟性磨粒流加工實(shí)驗(yàn)平臺，所述軟性磨粒流加工實(shí)驗(yàn)平臺包括儲液槽，所述儲液槽內(nèi)安裝泵和管道，所述泵與變頻器連接，所述變頻器與RS232/RS485轉(zhuǎn)換器連接，所述RS232/RS485轉(zhuǎn)換器與用以通過模糊控制方法來對磨粒流流加工中的流速進(jìn)行控制的加工控制器連接，所述管道內(nèi)安裝溫度傳感器和流量傳感器，所述溫度傳感器和流量傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器連接，所述A/D轉(zhuǎn)換器與加工控制器連接。本實(shí)用新型的有益效果為通過模糊控制方法來對磨粒流流加工中的流速進(jìn)行控制，解決了傳統(tǒng)的控制方式無法有效精確的對軟性磨粒流加工中流速進(jìn)行控制的問題。通過外部實(shí)時的調(diào)節(jié)泵流量控制流道的入口速度，確保每個溫度下的速度都是最優(yōu)化的，從而使得工件表面近壁區(qū)湍動能和動壓力分布更加均勻，從而很大程度上提高了工件表面加工效果的均勻度，提高加工質(zhì)量。通過模糊控制系統(tǒng)的建立，可以實(shí)現(xiàn)加工過程的自動化，極大的節(jié)省人力資源。

圖1是本實(shí)用新型基于模糊控制的軟性磨粒流加工方法的流程圖。圖2是本實(shí)用新型的模糊控制框圖。圖3是本實(shí)用新型的模糊控制器結(jié)構(gòu)圖。圖4是本實(shí)用新型的控制系統(tǒng)硬件圖。圖5是本實(shí)用新型的總體裝置圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。參照圖f圖5，一種基于模糊控制的軟性磨粒流加工裝置，包括軟性磨粒流加工實(shí)驗(yàn)平臺，所述軟性磨粒流加工實(shí)驗(yàn)平臺包括儲液槽，所述儲液槽內(nèi)安裝泵和管道，所述泵與變頻器連接，所述變頻器與RS232/RS485轉(zhuǎn)換器連接，所述RS232/RS485轉(zhuǎn)換器與加工控制器連接，所述管道內(nèi)安裝溫度傳感器和流量傳感器，所述溫度傳感器和流量傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器連接，所述A/D轉(zhuǎn)換器與加工控制器連接。系統(tǒng)框圖如附圖3所示，流程圖如圖1所示。所述系統(tǒng)中，溫度傳感器測量得到當(dāng)前溫度，并由系統(tǒng)內(nèi)部所設(shè)定數(shù)學(xué)模型計算出當(dāng)前溫度下最優(yōu)速度，輸入模糊控制模塊，作為模糊控制中的速度給定值。數(shù)學(xué)模型即前文所擬合的溫度一最優(yōu)速度公式。速度傳感器測量得到當(dāng)前流速，作為反饋量輸入。最優(yōu)速度與當(dāng)前速度之差即為所述系統(tǒng)輸入量。所述系統(tǒng)中，模糊控制器的輸出量為電壓頻率的變化量，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為變頻器。在一個控制周期內(nèi)，溫度傳感器測得當(dāng)前溫度，并通過溫度-最優(yōu)速度公式計算得到當(dāng)前溫度下的最優(yōu)速度，速度傳感器測得當(dāng)前流速，以最優(yōu)速度和當(dāng)前速度計算得速度變化量，作為模糊控制器的輸入量，在模糊控制器內(nèi)，輸入量經(jīng)過模糊化處理一模糊控制規(guī)則-模糊決策-精確化處理后，輸出精確的輸出量(電壓頻率的變化量)，通過變頻器改變泵的輸入電壓的頻率，進(jìn)而改變轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制流速的目的。進(jìn)一步，搭建實(shí)驗(yàn)平臺。所述實(shí)驗(yàn)平臺由控制系統(tǒng)和軟性磨粒流加工平臺構(gòu)成。所述控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖4所示。所述實(shí)驗(yàn)平臺如圖5所示。實(shí)驗(yàn)加工開始時，所述泵I將儲液槽3中的磨粒流2打入入口管道7，進(jìn)而磨粒流進(jìn)入約束流道5，對工件表面進(jìn)行加工，之后磨粒流由出口管道4進(jìn)入儲液槽3，實(shí)現(xiàn)磨粒流的循環(huán)利用。當(dāng)采樣時間到，所述溫度傳感器9和流量傳感器8測得當(dāng)前的溫度和流量信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器11兩路信號轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，輸入PC機(jī)10，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理程序，模糊控制程序，由PC機(jī)輸出控制信號，經(jīng)過RS232/RS485接口轉(zhuǎn)換器12，將控制信號傳輸給變頻器13，進(jìn)而改變泵I的輸入電壓的頻率，達(dá)到控制目的。圖5中所示6為光源，用于方便對約束流道的觀測。本實(shí)施例中，基于模糊控制的軟性磨粒流加工方法，所述加工方法具體過程如下(I)儲液槽內(nèi)的溫度傳感器測量得到軟性磨粒的當(dāng)前溫度，并由溫度一最優(yōu)速度公式計算出當(dāng)前溫度下的最優(yōu)速度；(2)輸入模糊控制器中，所述最優(yōu)速度作為模糊控制器的速度給定值，速度傳感器測量得到當(dāng)前流速，作為模糊控制器的反饋量輸入；最優(yōu)速度與當(dāng)前速度之差即為所述系統(tǒng)輸入量；在模糊控制器內(nèi)，輸入量經(jīng)過模糊化處理一模糊控制規(guī)則-模糊決策-精確化處理后，輸出精確的輸出量，所述輸出量為電壓頻率的變化量，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為變頻器；(3)通過變頻器改變泵的輸入電壓的頻率，進(jìn)而改變轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制軟性磨粒的流速，實(shí)現(xiàn)軟性磨粒流加工。進(jìn)一步，所述步驟(I)中，溫度-最優(yōu)速度公式的擬合過程如下對選定的磨粒流流體在不同溫度下測量其粘度，根據(jù)粘-溫計算公式// = MD，式中U Ci和tQ取40° C時的粘度和溫度，求出系數(shù)入，并求出其粘一溫公式；在相同溫度下，對不同速度下的湍動能和動壓力分布進(jìn)行FLUENT仿真，對仿真結(jié)果進(jìn)行對比；相同速度下，對不同溫度下的湍動能和動壓力分布進(jìn)行FLUENT仿真，對仿真結(jié)果進(jìn)行對比；對比同一溫度下不同速度下的仿真結(jié)果，找出該溫度下湍動能和動壓力分布最為理想的速度，即最優(yōu)速度；并結(jié)合前面所研究的湍動能和動壓力分布隨溫度速度的變化規(guī)律，找出多個溫度點(diǎn)下的最優(yōu)速度，畫出溫度一最優(yōu)速度曲線，并擬合出溫度一最優(yōu)速度公式。更進(jìn)一步，所述步驟(2)中，建立模糊控制器的過程為選擇二維的雙輸入單輸出結(jié)構(gòu)的模糊控制器，模糊控制器的設(shè)計以Av和Av‘為輸入量，Av即為當(dāng)前溫度下的最優(yōu)速度與當(dāng)前的實(shí)際速度之差，最優(yōu)速度由溫度傳感器采集的當(dāng)前溫度根據(jù)溫度一最優(yōu)速度公式計算所得，實(shí)際速度由流速傳感器測得；Av'為Av關(guān)于時間的變化率；以電壓頻率的變化量Af為輸出量；確定隸屬度函數(shù)，設(shè)計模糊控制規(guī)則，并選取量化因子和比例因子。再進(jìn)一步，所述建立模糊控制器的過程還包括利用MATLAB軟件中的模糊邏輯工具箱對模糊控制器進(jìn)行仿真，觀察輸入一輸出曲面，對不合理的模糊控制規(guī)則和推理方式進(jìn)行修改；利用MATLAB軟件中的Simulink模塊對模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果對量化因子和比例因子參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。本實(shí)施例的基于模糊控制的軟性磨粒流加工方法，具體過程如下I)求出溫度-最優(yōu)速度公式對選定的磨粒流流體一46號抗磨損液壓油在不同溫度下測量其粘度，根據(jù)粘一溫計算公式//= juQe~X{t~h)y ^和‘取40° c時的粘度 和溫度)求出系數(shù)入，并求出其粘一溫公式。研究溫度和速度對軟性磨粒流加工效果的影響。軟性磨粒流加工過程中，湍動能是描述磨粒無規(guī)則脈動運(yùn)動的一個物理量，其大小直接影響著工件表面的加工形貌，湍動能越大，工件表面加工紋理越好；動壓力是描述磨粒所具有的動能大小的一個物理量，動壓力越大，磨粒撞擊工件表面的動能就越大，切削效果就越高，材料去除率越大。通過對加工機(jī)理的研究認(rèn)為，溫度和速度的變化對加工表面近壁區(qū)的湍動能和動壓力大小和分布產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響加工表面的表面形貌和材料去除量。在相同溫度下，對不同速度下的湍動能和動壓力分布進(jìn)行FLUENT仿真，對仿真結(jié)果進(jìn)行對比，歸納和總結(jié)，以研究速度變化對加工效果的影響；在相同速度下，對不同溫度下的湍動能和動壓力分布進(jìn)行FLUENT仿真，對仿真結(jié)果進(jìn)行對比，歸納和總結(jié)，以研究溫度變化對加工效果的影響，這里溫度變化所直接影響的是磨粒流流體粘度的變化。對比同一溫度下不同速度下的仿真結(jié)果，找出該溫度下湍動能和動壓力分布最為理想的速度，即最優(yōu)速度，在最優(yōu)速度下，湍動能和動壓力分布總體上較為均勻，并且達(dá)到一定的數(shù)值。通過大量仿真，并結(jié)合前面所研究的湍動能和動壓力分布隨溫度速度的變化規(guī)律，找出多個溫度點(diǎn)下的最優(yōu)速度，畫出溫度-最優(yōu)速度曲線，并擬合出溫度-最優(yōu)速度公式。2)建立模糊控制系統(tǒng)對實(shí)驗(yàn)用泵進(jìn)行測試，畫出其流量特性曲線與管路特性曲線，在上文所研究的速度變化范圍內(nèi)，大量提取出該泵在軟性磨粒流加工流道中每個流速下所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，并總結(jié)以往的軟性磨粒流加工的經(jīng)驗(yàn)，建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫。進(jìn)一步，建立模糊控制器。選擇二維的雙輸入單輸出結(jié)構(gòu)的模糊控制器。模糊控制器結(jié)構(gòu)圖如附圖2所示。模糊控制器的設(shè)計以Av和Av ‘為輸入量，Av即為當(dāng)前溫度下的最優(yōu)速度與當(dāng)前的實(shí)際速度之差，最優(yōu)速度由溫度傳感器采集的當(dāng)前溫度根據(jù)溫度一最優(yōu)速度公式計算所得，實(shí)際速度由流速傳感器測得。Av'為Av關(guān)于時間的變化率。以電壓頻率的變化量Af■為輸出量。進(jìn)一步，確定隸屬度函數(shù)，設(shè)計模糊控制規(guī)則。隸屬度函數(shù)的確定要根據(jù)軟性磨粒流加工的特點(diǎn)來設(shè)計。模糊控制規(guī)則根據(jù)以往的操作經(jīng)驗(yàn)設(shè)計。進(jìn)一步，建立模糊控制規(guī)則表，選取合適的量化因子，比例因子。 進(jìn)一步，利用MATLAB軟件對模糊控制進(jìn)行仿真。利用MATLAB軟件中的模糊邏輯工具箱對模糊控制器進(jìn)行仿真，觀察輸入一輸出曲面，對不合理的模糊控制規(guī)則和推理方式進(jìn)行修改。利用MATLAB軟件中的Simulink模塊對模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果對量化因子，比例因子等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，縮短系統(tǒng)的響應(yīng)時間，提高系統(tǒng)的控制精度。本說明書實(shí)施例所述的內(nèi)容僅僅是對實(shí)用新型構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)形式的列舉，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍的不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實(shí)施例所陳述的具體形式，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍也及于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實(shí)用新型構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。
權(quán)利要求1.一種基于模糊控制的軟性磨粒流加工裝置，包括軟性磨粒流加工實(shí)驗(yàn)平臺，所述軟性磨粒流加工實(shí)驗(yàn)平臺包括儲液槽，所述儲液槽內(nèi)安裝泵和管道，其特征在于所述泵與變頻器連接，所述變頻器與RS232/RS485轉(zhuǎn)換器連接，所述RS232/RS485轉(zhuǎn)換器與用以通過模糊控制方法來對磨粒流流加工中的流速進(jìn)行控制的加工控制器連接，所述管道內(nèi)安裝溫度傳感器和流量傳感器，所述溫度傳感器和流量傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器連接，所述A/D轉(zhuǎn)換器與加工控制器連接。
專利摘要一種基于模糊控制的軟性磨粒流加工裝置，包括軟性磨粒流加工實(shí)驗(yàn)平臺，所述軟性磨粒流加工實(shí)驗(yàn)平臺包括儲液槽，所述儲液槽內(nèi)安裝泵和管道，所述泵與變頻器連接，所述變頻器與RS232/RS485轉(zhuǎn)換器連接，所述RS232/RS485轉(zhuǎn)換器與用以通過模糊控制方法來對磨粒流流加工中的流速進(jìn)行控制的加工控制器連接，所述管道內(nèi)安裝溫度傳感器和流量傳感器，所述溫度傳感器和流量傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器連接，所述A/D轉(zhuǎn)換器與加工控制器連接。本實(shí)用新型流速控制精度高、提高加工效率。
文檔編號B24B57/02GK202825563SQ20122036297
公開日2013年3月27日 申請日期2012年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月25日
發(fā)明者計時鳴, 周龍兵, 譚大鵬, 王嘉琦, 張微, 李宜燃 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)