陶瓷拋光機(jī)的能耗建模與優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及拋光機(jī)技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種陶瓷拋光機(jī)的能耗建模與優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 陶瓷拋光機(jī)作為瓷磚深加工過(guò)程的主要加工設(shè)備,廣泛應(yīng)用于對(duì)陶瓷地磚、石材 等建材產(chǎn)品表面拋光,以達(dá)到加工后表面平整、光亮、色澤鮮明等生產(chǎn)要求。在瓷質(zhì)磚的生 產(chǎn)中,拋光工序占了 30%-40%的耗電成本。因此,研宄瓷質(zhì)磚拋光質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)規(guī)律,優(yōu)化 生產(chǎn)工藝參數(shù),降低拋光的能源消耗極具意義。Sousa等人建立了磨粒在拋磨過(guò)程的運(yùn)動(dòng)學(xué) 方程,分析運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)加工過(guò)程的影響。Sousa和Aurich通過(guò)建立瓷磚表面拋磨的時(shí)間模 型,分析瓷磚橫向與機(jī)器擺動(dòng)的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)對(duì)加工表面的影響。國(guó)內(nèi),許雄超、王世旺建立了 瓷磚拋光均勻性的計(jì)算機(jī)仿真模型,探討了拋磨機(jī)各運(yùn)動(dòng)參數(shù)和幾何參數(shù)對(duì)拋光磚磨削均 勻性的影響。陳彩如等人結(jié)合Preston方程,綜合考慮磨削速度、磨削時(shí)間與磨削量的影響 建立分析模型,得出當(dāng)量磨削量的分布規(guī)律。
[0003] 但是這些模型都是以拋光機(jī)平面運(yùn)動(dòng)軌跡為研宄,忽略磨粒垂直方向的磨削狀 況,并沒(méi)有反應(yīng)出真實(shí)的磨削情況而且大多數(shù)都是針對(duì)同一規(guī)格參數(shù)的磨粒進(jìn)行研宄,沒(méi) 有結(jié)合拋光機(jī)上所有磨粒粒度號(hào)對(duì)瓷磚加工的相互作用;另一方面,對(duì)于拋光過(guò)程的能耗 研宄,國(guó)內(nèi)外沒(méi)有發(fā)表過(guò)這方面的研宄成果。
[0004] 下面對(duì)拋光機(jī)的工作原理進(jìn)行介紹。以一種新型的擺動(dòng)式拋光機(jī)為原型,拋光機(jī) 整體是橫梁帶動(dòng)所有磨頭做前后擺動(dòng),而每個(gè)磨頭有6個(gè)磨塊。拋光機(jī)磨頭的結(jié)構(gòu)示意圖 如圖1所示,磨塊座如圖2所示。拋光機(jī)的工作原理為:電機(jī)1通過(guò)小帶輪2、大帶輪4帶 動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn),而后通過(guò)剛性連接帶動(dòng)主動(dòng)齒輪3,帶動(dòng)從動(dòng)齒輪6、凸輪5旋轉(zhuǎn)。磨盤在公轉(zhuǎn) 的同時(shí),通過(guò)差動(dòng)輪系,使凸輪5相對(duì)磨盤產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng),凸輪5驅(qū)動(dòng)主動(dòng)擺桿7,主動(dòng) 擺桿7又驅(qū)動(dòng)從動(dòng)擺桿11,使連接在主動(dòng)擺桿7和從動(dòng)擺桿11上的磨塊座8、磨塊座12做 往復(fù)的擺動(dòng)。為了保持磨粒均勻的消耗,每個(gè)磨塊座都會(huì)繞其自身的中心軸線擺動(dòng)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于,提供一種陶瓷拋光機(jī)的能耗建模與優(yōu)化方法, 建立了磨粒能耗模型,考慮了不同粒度號(hào)的磨粒垂直磨削量對(duì)拋光質(zhì)量和能耗影響。
[0006] 為解決以上技術(shù)問(wèn)題,本發(fā)明提供了一種陶瓷拋光機(jī)的能耗建模方法,包括:
[0007] 通過(guò)分析磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡,對(duì)磨粒的速度u進(jìn)行建模,其中,
[0008] ~* -? -? u=|l9 |=|\V-r 〇)s\x\{(〇-t)}i+{r?ci?-cos(<y-〇+Afk-cos{2-Tif-t)}j\,式 中,古為磨粒t時(shí)刻的速度向量,《為拋光機(jī)的磨頭角速度、V為傳送帶速度、f為磨頭擺 動(dòng)頻率,r為磨粒到磨頭的中心的距離,A為磨頭的擺動(dòng)幅度,r表示與拋光磚的移動(dòng)的方 向平行的單位向量,_/表示磨頭橫向擺動(dòng)的方向的單位向量,_/與F垂直;
[0009] 以脆性去除的方式建立拋光機(jī)磨削模型,其中,
[0010] C1=C1 [I-(PQ/P)1/4]1/2,式中,C1為工件在磨削時(shí)產(chǎn)生的橫向裂紋長(zhǎng)度, = (^0 / ^2)(C0t^) : /H''){F/H),C1=Ui(COtiD)5/6A_1/2 (KcH)-1FvI1/2P5/ 8,G:和A都是常數(shù),P為接觸載荷,F(xiàn)是彈性模量,2 ^是壓痕角,K。是陶瓷材料的斷裂 韌性,H是材料的維氏硬度;
[0011] 根據(jù)所述拋光機(jī)磨削模型和所述磨粒的速度u對(duì)磨粒磨削的能量消耗進(jìn)行建 模,其中,
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種陶瓷拋光機(jī)的能耗建模方法,其特征在于,包括: 通過(guò)分析磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡,對(duì)磨粒的速度U進(jìn)行建模,其中,
式中,占為磨粒t時(shí)刻的速度向量,《為拋光機(jī)的磨頭角速度、V為傳送帶速度、f為 磨頭擺動(dòng)頻率,r為磨粒到磨頭的中屯、的距離,A為磨頭的擺動(dòng)幅度,f表示與拋光磚的移動(dòng) 的方向平行的單位向量,7表示磨頭橫向擺動(dòng)的方向的單位向量,J與f垂直; W脆性去除的方式建立拋光機(jī)磨削模型,其中, Ci=C1[1-化作)1勺1/2,式中,Cl為工件在磨削時(shí)產(chǎn)生的橫向裂紋長(zhǎng)度,
C。,和A都是常數(shù),P為接觸載荷,F(xiàn)是彈性模量,21D是壓痕角,K。是陶瓷材料的斷裂初 性,H是材料的維氏硬度; 根據(jù)所述拋光機(jī)磨削模型和所述磨粒的速度U對(duì)磨粒磨削的能量消耗進(jìn)行建模,其 中, E 式中,E表示磨粒磨削單位體積顆粒的能耗
為磨粒的切削面積,L=U-At為磨粒在有效切削時(shí)間At內(nèi)與工件的接觸長(zhǎng)度,h表示 工件自由表面到裂紋表面的距離。
2. 如權(quán)利要求1所述的陶瓷拋光機(jī)的能耗建模方法,其特征在于,所述通過(guò)分析磨粒 的運(yùn)動(dòng)軌跡,對(duì)磨粒的速度U進(jìn)行建模,具體包括; 根據(jù)瓷磚移動(dòng)的向量DE,磨塊圓點(diǎn)到磨粒之間的向量D/?和磨塊橫向移動(dòng)向量 乂求得磨粒的運(yùn)動(dòng)向量度,其中,
根據(jù)所述磨粒的運(yùn)動(dòng)向量求得磨粒的速度U,其中,
3. 如權(quán)利要求1所述的陶瓷拋光機(jī)的能耗建模方法,其特征在于,所述根據(jù)所述拋光 機(jī)磨削模型和所述磨粒的速度U對(duì)磨粒磨削的能量消耗Ek進(jìn)行建模,具體包括: 計(jì)算磨粒在有效切削時(shí)間At內(nèi)與工件接觸長(zhǎng)度L,其中,L=u?At; 將磨粒去除的材料體積近似為正四棱錐,則磨粒的切削面積巧
根據(jù)已知的磨削去除半徑b的立方體顆粒所需的能量為3Gyb,則磨粒磨削單位體積顆 粒的能耗為
4. 如權(quán)利要求1所述的陶瓷拋光機(jī)的能耗建模方法,其特征在于,在根據(jù)所述拋光機(jī) 磨削模型和所述磨粒的速度0對(duì)磨粒磨削的能量消耗進(jìn)行建模,之后還包括; 將整塊工件的面積近似為n*n個(gè)單位面積,則磨削整塊工件的能耗為
5. -種陶瓷拋光機(jī)的能耗優(yōu)化方法,其特征在于,包括: 采用如權(quán)利要求1~4中任意一項(xiàng)所述的陶瓷拋光機(jī)的能耗建模方法對(duì)磨粒磨削的能 量消耗建立能耗模型; 根據(jù)壓痕斷裂力學(xué)模型計(jì)算磨粒的最高切削深度m,其中,
式中,C為壓頭幾何因,H為材料硬度,P為接觸載荷,0為磨粒 錐頂半角; 將拋光工件表面均勻離散為n*n個(gè)相等的區(qū)域,并對(duì)所述磨粒切削厚度計(jì)算方差建立 質(zhì)量模型,其中,
,3扣'=dgx-h〇,h〇=dmax-m'dg為 磨粒直徑,服從正態(tài)分布,dgx=dmean+X,XE[- 5 /2, 5 /引,5 =dmax-dm化,dmax、屯化、dmeJ% 磨粒的粒度的最大直徑、最小直徑、平均直徑; 根據(jù)所述能耗模型和所述質(zhì)量模型采用多目標(biāo)遺傳算法尋找Pareto最優(yōu)解集,使質(zhì) 量和能耗達(dá)到最優(yōu),其中,多目標(biāo)遺傳算法的優(yōu)化問(wèn)題描述為: min[fi(?,V,f),f2(w,V,f)],化《[w,V,f]《ub,式中,fi(w,V,f)、f2(w,V,f)分 別為質(zhì)量函數(shù)和能耗函數(shù),[W,V,f]為待優(yōu)化變量,化和ub分別為待優(yōu)化變量[?,V,f] 的下限和上限約束。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種陶瓷拋光機(jī)的能耗建模方法,包括:通過(guò)分析磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡,對(duì)磨粒的速度υ進(jìn)行建模;以脆性去除的方式建立拋光機(jī)磨削模型;根據(jù)所述拋光機(jī)磨削模型和所述磨粒的速度υ對(duì)磨粒磨削的能量消耗進(jìn)行建模。本發(fā)明還公開了一種陶瓷拋光機(jī)的能耗優(yōu)化方法。本發(fā)明建立了磨粒能耗模型,考慮了不同粒度號(hào)的磨粒垂直磨削量對(duì)拋光質(zhì)量和能耗影響。
【IPC分類】G06F19-00
【公開號(hào)】CN104794353
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510207882
【發(fā)明人】楊海東, 朱成就, 劉國(guó)勝
【申請(qǐng)人】廣東工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年7月22日
【申請(qǐng)日】2015年4月28日