CN101829630B - 一种电控螺杆式磨粒流分离送料方法及其专用装置 - Google Patents

Abstract

一种电控螺杆式磨粒流分离送料方法，包括如下步骤：(1)将磨料、流体、金属颗粒通过磁体吸附的方法分离出金属颗粒，通过离心、过滤的方法分离流体与磨料；(2)通过螺杆旋转送料的方法将磨料送回磨粒流循环系统。以及提供了实现所述送料方法的专用装置。本发明能够有效地将金属颗粒与磨粒、流体分离并可控速度地平稳地将磨粒、流体送回磨粒流循环系统。

Description

一种电控螺杆式磨粒流分离送料方法及其专用装置

技术领域

本发明涉及一种分离送料方法与装置，特别是一种应用于两相磨粒流精密加工磨粒流循环系统的分离送料方法及其装置。

背景技术

在模具制造过程中，为了消除模具表面所残留的机械加工痕迹，光整加工技术成为必要的工艺环节，面向模具制造中所涉及的沟、槽、孔、棱柱、棱锥、窄缝等异型表面(又称为结构化表面)的表面精密光整加工一般采用磨粒流加工技术。现有的磨粒流加工方法及装置研究却比较薄弱，缺乏有效的分离送料方法及装置，现有分离送料方法和装置存在许多缺陷和不合理之处。具体表现在：两相磨粒流精密加工磨粒流循环系统要求工作时产生的固液两相液体要及时的分离出金属颗粒同时及时清除金属颗粒，不使金属颗粒再次进入循环系统以减少对系统设备的损害和对加工工件精度的破坏，但是现有方法和装置清除效果较差，并且分离的金属颗粒沉积在磨料下方，不容易从磨料中取出来。同时，为降低无效能耗，要求两相磨粒流的流体和磨料在经过加工区域后尽快分离，不再使磨料对远大于加工区域的传输管道继续冲蚀，一方面浪费泵力，另一方面缩短了管路的使用寿命，但是现有方法和装置对于这种要求不能满足。另外，为适应不同加工阶段的需要，要求磨料浓度可以方便的动态自动化控制，这也是现有方法和装置无法达到的，要改变磨料浓度，只能停机。最后，当磨料因意外情况阻塞管道等原因造成磨料罐内两相流液面异常时，也要求能自动及时处理，现有方法和装置也不能满足这个要求，需要操作人员时刻守在前面手工处理。综上所述，目前市场上的分离送料设备并不能达到两相磨粒流精密加工磨粒流循环系统的上述要求。因此，在两相磨粒流精密加工磨粒流循环系统中必须提供磨粒、流体、金属颗粒三者分离的方法及装置，对流体和磨料的速度必须独立可控，以便得到合适的稳定的磨料流体体积分数比，从而在加工的不同阶段都能取得满意的效果，发明一套两相磨粒流精密加工磨粒流循环系统的专用的分离送料方法及装置，已经成为磨粒流技术发展的必然。

送料的方法目前有带式法、气动法、液压法、电磁振动法、超声波振动法、螺杆法等几种，带式法送料器通常只能输送固体成块材料，不能用于湿性磨料的输送。气动法送料器是一种以压缩空气为动力，实现步进送料的送料装置。它能与卷(放)料架、校平机等一起组成冲压自动化送料系统。是冲压生产自动化的重要装置。经过适当选型和改进，还可适用于异型断面及非金属材料的步进送料。按照送料形式的不同，气动送料器可分为推料式与拉料式送料器两大类型，两者的主要区别在推料式送料器送料时条料为受压状态，一般用于条料刚性较好的场合，而拉料式送料器送料时条料为受拉状态，适用于刚性较差的条料及非金属等的送料，由此可看出，这种送料方法的工作方式为断续送料，适用于固体条块的输送，不适合磨料的平稳输送。

液压法送料器用在数控车床，可以极大地提高小轴类、套类和小盘件类零件的车削加工效率及棒料的利用率.但这种装置的结构比较复杂，在安装使用一段时间后，由于各种复杂因素的影响，送料器工作时会产生振动，这种振动有时甚至非常严重。振动的发生不但限制了车床主轴的最高转速，达不到工艺要求的车削速度，影响工件的加工精度和表面质量，而目还会对送料器内部的重要构件造成损坏，振动严重时甚至使数控车床不能正常工作。这种方法同样不适合磨料的平稳输送。

电磁振动法送料器是利用电磁振动的简谐变化扰动力作用于料槽获得简谐振动，使物料沿料槽作有规律的运动，其特点是效率高，结构简单，送料稳定可靠，经济实用，安装调试方便。但这种方法要求料槽近似水平放置，输送的是不含液体的固料，并且振动噪音较大。而磨料在工作过程中总是含有一定水分，因此，这种方法也不适合磨料的平稳输送。

超声波振动法是针对传统的电磁振动给料器由于磁干扰严重，工作噪音较大，在要求高清洁、低噪声的生产场合使用受到限制等问题而提出的解决噪声问题的最有效方法之一，采用声频以外的振动进行驱动，而解决磁干扰问题最根本的方法就是采用非电磁驱动方式，而这些恰恰是压电驱动所具备的。超声波振动给料可以看作是超声波驱动能力的进一步开发应用，即通过合理的结构形式形成超声波振动对系统的驱动，使给料盘的表面获得运动叠加或合成最终形成椭圆运动，从而具备推动与之接触的物料持续移动的能力，但是这种方法目前只能实现少部分固体物料的水平输运，也不能用于磨料的平稳输送。

螺杆式旋转送料器，在不超过螺杆轴的负荷的情况下，具有输送平稳、干湿皆可、块状粒状材料通用的优点，特别是磨粒流磨粒的微小性(精密加工所用的磨料的数量级一般在几十微米左右)和液体的润滑作用，使螺杆很难发生物料卡轴断轴的现象，因此比较适合于湿性磨料的输送。但传统的螺杆输送方法也存在一些缺陷，比如转速不能随意调节，或者随可调节但属于开环控制，控制效果不理想，不能保证磨料的平稳输送。因此，开发一种电控螺杆，具备负载的自适应调节能力，维持转速的恒定，实现送料的恒定就非常有必要。

发明内容

为了克服现有的电控螺杆式磨料流分离装置的不能有效分离磨粒、流体、金属颗粒的不足，本发明提供了一种能有效地分离磨粒、流体、金属颗粒并能以恒定的速度进行送料的方法及其专用装置。

一种电控螺杆式磨粒流分离送料方法，包括如下步骤：

(1)将磨料、流体、金属颗粒通过磁体吸附的方法分离出金属颗粒，通过离心、过滤的方法分离流体与磨料；

(2)通过螺杆旋转送料的方法将磨料送回磨粒流循环系统。

进一步，所述的螺杆的转速采用模糊控制方法闭环控制。通过液位监测、溢流和对直流电机的启闭控制来处理两相流液面异常。

一种实现电控螺杆式磨粒流分离送料方法的专用装置，包括磨料罐、位于磨料罐内的电控螺杆，装在电控螺杆上方的直流电机以及位于磨料罐不同侧壁的具有高度差的进流管、回液管，位于磨料罐底部的送料口，所述的电控螺杆上安装有吸附金属颗粒的磁体。

进一步，所述的磁体由至少两个永磁单元组成，所述的永磁单元沿电控螺杆轴向分离排列。永磁单元之间存在空隙，每两块永磁单元之间相隔一定距离，容纳所吸附的金属颗粒。所述的永磁单元以平键方式与电控螺杆相连，便于整体拆卸。所述的平键两端有贯穿平键两侧面的长帽螺栓限制永磁单元的轴向移动。可以通过定期移除平键两端的长帽螺栓，将永磁体单独从电控螺杆上取出，有利于永磁体的清洗，彻底除掉所吸附的金属颗粒，减少金属颗粒对系统设备的损害和对加工工件精度的破坏。

所有永磁单元随电控螺杆的轴一起转动，对流经的混合有金属颗粒的两相磨粒流施加吸附、离心作用。金属颗粒从两相磨粒流中分离出来，吸附在离散分布的永磁单元及其缝隙之间。磨料与流体则被甩到磨料罐的侧壁，实现第一道分离：金属颗粒从磨料与流体中分离出来。

再进一步，所述的回液管采用三级并联的方式，回液管的进口端有三个开口，分别从上到下位于磨料罐的侧壁，所述的三个开口的端部均设有过滤网。所述的回液管管径大于进流管管径。在第一道分离的同时，进行第二道分离：磨料和流体的分离。采用三级不锈钢过滤网，将下落的两相磨粒流的液体部分过滤出来，经过磨料罐上中下三级并联的回液管，回流到流体罐，由泵力驱动，再次进入磨粒流循环系统进行加工。磨料则沉到磨料罐的底部。磨料罐底侧为倒圆锥形倾斜面，倾斜中心为电动螺杆的进口，也是磨粒的送料口，倾斜面有利于磨料从磨料罐的侧壁向电控螺杆进口处滑动，从而避免了磨料在磨料罐底壁淤积结块，提高了磨料的利用效率，也有利于磨料罐的清洗。

所述的磨料罐的内壁和电动螺杆的外壁采用火焰粉末喷焊工艺提高表面的硬度和耐磨性，喷焊前表面进行粗化处理和净化处理，采用镍基合金粉末高温喷焊，用滚花方式将表面加工为多齿形状，扩大粉末与金属表面的接合面，合金粉末喷撒在不平表面上不易滑落，在高温下加速了母材与粉末的吸附，以提高冶金焊合能力，保证喷涂质量。

更进一步，所述的磨料罐顶部装有与超声波距离显示报警仪相连的超声波传感器，所述的超声波距离显示报警仪与计算机相连。超声波传感器为非接触式液位监测设备，采用超声波探测方法，以一定周期由超声波传感器的超声波探头发出超声波，超声波接触到液面后，一部分回波由超声波传感器的超声波接收器接收，通过相干滤波，由计数器脉冲计算出超声波往返时间，得到液面位置数据，传送到与超声波传感器的相连的超声波距离显示报警仪进行报警显示，并传递到计算机作为一个工作状态指示信号。

两相磨粒流在工作过程中，可能会发生管路的阻塞，引起磨料罐内部液位异常上升或者下降，前者会引起磨料罐破裂，影响电机和电力的安全，后者将使电动螺杆空转，磨料不能达到所要求的浓度，因此，工作中液面的实时状态由磨料罐顶部的的超声波传感器探测，并将信号传递到超声波距离显示报警仪及时处理，超声波距离显示报警仪可以单独显示液位和报警，也可以进一步通过CAN总线和PC机通信，由PC机控制直流电机的启闭。所述的进流管的下方装有溢流管，起通气和溢流的作用。两相磨粒流液位超过一般警戒液位(溢流管所在水平面)直接由溢流管排出，并持续检测液位，溢流5分钟以上或者达到严重警戒液位(进流管所在平面)时，由PC端直接传信号给泵机控制器关闭泵机。

所述的电动螺杆上靠近直流电机的部位设有与数据采集卡相连的转速传感器，所述的数据采集卡与计算机相连。所述的直流电机还连接有转速显示控制仪，所述的转速显示控制仪与计算机相连接。转速传感器提供的转速数据，通过数据采集卡传输到PC机，由专用软件经过计算，得出转速控制量的大小，再回传给转速显示控制仪，经过转速显示控制仪的放大，再转化为适应直流电机的电压信号，使直流电机按照设定转速稳定运转，满足螺杆稳定送料的需求。电动螺杆由装置在电动螺杆上部的直流电机所驱动，直流电机的下方，装有转速传感器。转速传感器检测电控螺杆的实时转速，并将信号传递给数据采集卡，由PC机进行信号处理和运算。直流电机接受转速显示控制仪的手动控制和PC端的自动控制，转速显示控制仪和PC端之间采用CAN总线连接，手动控制和自动控制两种控制方式可由转速显示控制仪的开关进行切换。电控螺杆的转速处于自动控制模式时，其实时转速如果和期望转速有偏差，该偏差将驱动模糊控制器工作，最终使实际转速回到期望转速上，保证了螺杆不受干扰地恒速旋转，使螺杆入口处的磨料向下运动，由送料口送出，送料速度稳定，使磨料再次进入磨粒流循环系统进行加工，螺杆转速加快，磨料输送速度加快，使磨料浓度增加。

转速显示控制仪和超声波距离显示报警仪和PC端的通信采用CAN总线。CAN总线作为现场设备级的通信总线，与其他总线相比，具有很高的可靠性。采用CAN现场总线，传递数字信号，包括液面信号和转速信号。其中，液面信号传递方向由超声波距离显示报警仪到PC机，转速信号传递方向由PC机到转速显示控制仪。对CAN的物理层，定义总线供电电压、可连设备数目、允许的连接器类型、线缆长度以及波特率等，对CAN的数据链路层，按照IS011898-1标准执行，对CAN的应用层完成标识符分配、多报文数据包的传输、报文的发送和接收、源地址分配、优先级分配、节点参数组成等功能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)两相磨粒流的磨料和流体均能高效地循环使用。磨料从混合状态分离出来以后，可以由电控螺杆再次进入磨粒流循环系统；流体从混合状态分离出来以后，由工作泵加压，也再次进入到磨粒流循环系统。

2)磨料送料速度和流体的流动速度可以独立调节，可以动态地很方便地得到不同体积分数比的两相磨粒流，从而适应于不同的加工阶段，简化了操作程序，提高了生产设备的加工效率。

3)电控螺杆的转速实现了智能模糊化控制智能。对于各种复杂的外界扰动，均可以获得良好的控制效果。

4)传感器、仪表单元、PC机之间采用高速数据采集卡和CAN总线协议，实现了数据实时交换。

5)金属颗粒和磨料的分离采用吸附和离心结合的方法，减少了金属颗粒对系统设备的损害和对加工工件精度的破坏。

附图说明

图1为本发明分离送料部件的结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为本发明转速控制与液位控制部分的连接示意图。

图4为本发明模糊控制方框图

具体实施方式

结合附图，下面对本发明进行详细说明。

实施例1

参照图3和图4，一种电控螺杆式磨粒流分离送料方法，包括如下步骤：

(1)将磨料、流体、金属颗粒通过磁体吸附的方法分离出金属颗粒，通过离心、过滤的方法分离流体与磨料；

(2)通过螺杆旋转送料的方法将磨料送回磨粒流循环系统。

进一步，所述的螺杆的转速采用模糊控制方法闭环控制。通过液位监测、溢流和对直流电机的启闭控制来处理两相流液面异常。

所述的模糊控制方法，采用模糊控制逻辑，对螺杆的转速进行控制，使其尽快达到期望转速，包括制定输入输出论域，输入输出变量模糊化，等价映射到模糊子集，完成隶属度和模糊规则的分配。采用重心法进行模糊解耦，得到精确量的输出，并传递到转速显示控制仪。其操作流程是将转速差映射到语言域，然后对语言域制定一个模糊子集，建立语言域到模糊子集的等价映射；对每个模糊子集建立各自的隶属度，然后根据模糊规则将输入模糊子集映射到输出模糊子集；参照以下文献：方道星，余跃庆，陈炜.基于模糊控制的2R欠驱动机器人位置控制[J].机械工程学报，2008，44(1)：144-149。

实施例2

参照图1～图4，一种电控螺杆式磨粒流分离送料装置，包括磨料罐3、位于磨料罐3内的电控螺杆7，装在电控螺杆上方的直流电机1以及位于磨料罐不同侧壁的具有高度差的进流管4、回液管9，所述进流管4比回液管9高，磨料罐3底侧为倒圆锥形倾斜面，倾斜中心为电动螺杆的进口，也是磨粒的送料口11。所述的电控螺杆7上安装有吸附金属颗粒的永磁单元6，5块离散分布的永磁单元6位于电控螺杆7的轴中部，沿螺杆轴轴向排列，每两块永磁单元间隔一块永磁单元的距离，永磁单元以平键方式与电控螺杆相连，平键两端有贯穿平键两侧面的长帽螺栓限制永磁单元的轴向移动。回液管9的一端有三个开口，分别从上到下位于磨料罐3的一侧壁，所述的三个开口的端部均设有过滤网10。所述的回液管9管径大于进流管4管径。进流管4的下方安装有溢流管5。磨料罐3的顶部装有超声波传感器8、电动螺杆7上靠近直流电机1的部位设有转速传感器2。

如附图3所示，为本发明转速控制与液位控制部分的连接示意图。超声波传感器8与超声波距离显示报警仪相连，超声波距离显示报警仪通过CAN接口与计算机相连。转速传感器2与数据采集卡相连，数据采集卡与计算机相连，计算机通过CAN接口与转速显示控制仪相连，转速显示控制仪则与直流电机1相连。

两相磨粒流精密加工磨粒流循环系统工作时产生的混合有金属颗粒的固液两相液体由进流管4进入磨料罐3中部，向下经过电控螺杆7中部的永磁体6，永磁单元随电控螺杆7的轴一起转动，采用五级磁力离心方法，金属颗粒从两相磨粒流中分离出来，吸附在5块离散分布的永磁单元6及其缝隙之间。磨料与流体则被甩到磨料罐3的侧壁，采用三级不锈钢过滤网10，将下落的两相磨粒流的液体部分过滤出来，经过磨料罐上中下三级并联的回液管9，回流到流体罐，由泵力驱动，再次进入磨粒流循环系统进行加工。磨料则沉到磨料罐3的底部，通过送料口11回到磨粒流循环系统。

转速传感器2检测电动螺杆7的实时转速，并将信号传递给数据采集卡，由PC机进行信号处理和运算。直流电机1接受转速显示控制仪13PC端的自动控制，当实时转速与期望转速有偏差时，该偏差将启动模糊控制，使实际转速回到期望转速上。模糊控制的方框图如图4所示，将转速差作为模糊控制的输入变量。把输入变量E进行论域转化，即将其实际值转化为5个抽象的论域点{-2，-1，0，+1，+2}，把整个论域(-2，+2)划分为5个模糊子集{VL，L，D，M，VM}，(VL，L，D，M，VM分别表示转速差“负非常小”，“负较小”，“零附近”，“正较大”，“正非常大”)分别建立输入和输出变量的隶属度，以及输入和输出变量映射的模糊规则。根据模糊规则表，分别代入对应的隶属度，对于每条规则进行矩阵运算，按照这种方法，对于速度误差的各种取值，都可得到期望的电控螺杆电机转速，转速范围达到0-600转/分。这种非线性的控制方式可以收到令人满意的控制效果。

两相磨粒流在工作过程中，如果发生管路的阻塞，引起磨料罐3内部液位异常上升或者下降，由磨料罐3上盖左侧的超声波传感器8探测，并将信号传递到超声波距离显示报警仪12及时处理，超过溢流管所在水平面，直接由溢流管5排出，并持续检测液位，溢流5分钟或者达到进流管所在平面时，由PC端直接传信号给泵机控制器关闭泵机。

转速显示控制仪和超声波距离显示报警仪和PC端的通信采用CAN总线，具体实施方式是分别对CAN总线的物理层，数据链路层，应用层制定规则。物理层使用双绞线，信号使用差分电压传送，以两线之间电压差为0V表示逻辑1，以两线之间电压差为2V时表示逻辑0，总线位速率为1Mbps，长度不超过40m。数据链路层按照IS011898-1标准，负责报文的帧结构、仲裁、应答、错误检测和标定等。应用层中，规定帧结构中仲裁场11位标识符的意义，将高2位作为优先级代码，中间3位作为信道码，将低6位作为节点地址码，超声波距离显示报警仪地址01H，转速显示控制仪地址02H；规定帧结构中数据场均包含2个字节，省略掉控制场的处理以提高实时性。

本发明是两相磨粒流精密机工磨粒流循环系统专用的分离送料方法及装置，本发明提高了磨粒流循环系统的工作效率和安全性能，磨料和流体均能够高效的循环使用，且速度独立可控，适应加工过程的实际情况，提高了泵和管路的工作年限，具有良好的经济效益和社会效益。

Claims (10)

1.一种电控螺杆式磨粒流分离送料方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)将磨料、液体、金属颗粒通过磁体吸附的方法分离出金属颗粒，通过离心和过滤的方法分离液体与磨料，将液体送回磨粒流循环系统；

(2)通过螺杆旋转送料的方法将磨料送回磨粒流循环系统。

2.如权利要求1所述的电控螺杆式磨粒流分离送料方法，其特征在于：所述的螺杆的转速采用模糊控制方法闭环控制，通过液位监测、溢流和对直流电机的启闭控制来处理两相流液面异常。

3.一种实现如权利要求1所述的电控螺杆式磨粒流分离送料方法的专用装置，包括磨料罐、位于磨料罐内的电控螺杆，装在电控螺杆上方的直流电机以及位于磨料罐不同侧壁的具有高度差的进流管和回液管，位于磨料罐底部的送料口，其特征在于：所述的电控螺杆上安装有吸附金属颗粒的磁体。

4.如权利要求3所述的专用装置，其特征在于：所述的磁体由至少两个永磁单元组成，所述的永磁单元沿电控螺杆轴向分离排列。

5.如权利要求4所述的专用装置，其特征在于：所述的永磁单元通过平键与电控螺杆相连，所述的平键两端设有贯穿平键两侧面的用以限制永磁单元的轴向移动的长帽螺栓。

6.如权利要求3～5之一所述的专用装置，其特征在于：所述的回液管采用三级并联的方式，回液管的进口端有三个开口，分别从上到下位于磨料罐的侧壁，所述的三个开口的端部均设有过滤网。

7.如权利要求3～5之一所述的专用装置，其特征在于：所述的电控螺杆上靠近直流电机的部位设有与数据采集卡相连的转速传感器，所述的数据采集卡与计算机相连。

8.如权利要求7所述的专用装置，其特征在于：所述的直流电机还连接有转速显示控制仪，所述的转速显示控制仪与计算机相连接。

9.如权利要求8所述的专用装置，其特征在于：所述的磨料罐顶部装有与超声波距离显示报警仪相连的超声波传感器，所述的超声波距离显示报警仪与计算机相连。

10.如权利要求3～5之一所述的专用装置，其特征在于：所述的进流管的下方装有溢流管。

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