CN102848322A - 一种基于模糊控制的软性磨粒流加工方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种基于模糊控制的软性磨粒流加工方法，过程如下：（1）储液槽内的温度传感器测量得到软性磨粒的当前温度，并由温度—最优速度公式计算出当前温度下的最优速度；（2）输入模糊控制器中，所述最优速度作为模糊控制器的速度给定值，速度传感器测量得到当前流速，作为模糊控制器的反馈量输入，输出量为电压频率的变化量，执行机构为变频器；（3）通过变频器改变泵的输入电压的频率，进而改变转速，达到控制软性磨粒的流速，实现软性磨粒流加工。以及一种实现所述软性磨粒流加工方法的系统。本发明流速控制精度高、提高加工效率。

Description

一种基于模糊控制的软性磨粒流加工方法及其装置

技术领域

本发明涉及软性磨粒流精密加工领域，尤其是一种软性磨粒流加工方法及其装置。

背景技术

在模具加工中，抛光作为产品加工的最后一道工序被广泛应用，但对于沟、槽、孔、棱柱、棱锥、窄缝等抛光工具达不到的结构化表面仍无法加工。液-固两相软性磨粒流加工方法是利用软性磨粒流在被加工工件的结构化表面形成湍流流动，配以约束模块，使被加工表面成为流道壁面的一部分，形成磨粒流道，磨粒流流过该通道时，对壁面的粗糙处进行切削，实现结构化表面的无工具化精密加工。

固-液两相软性磨粒流加工是以磨粒流的湍流理论为依据，以磨粒间的相互碰撞及磨粒与壁面间的碰撞为基础，对磨粒进行动力学分析，利用湍流流场中磨粒对壁面的切削作用，对被加工工件壁面粗糙处进行精密加工。该技术有效弥补了传统光整加工方法对结构化表面加工的劣势，同时也能够对其他复杂工件的表面加工，并且能够实现自动控制。

在固-液两相软性磨粒流加工中，磨粒随磨粒流做无规则的运动。在近壁区，磨粒以一定的速度撞击工件表面，沿工件表面的速度对工件表面产生切削作用，这就是磨粒流加工的材料去除机理。在磨粒流加工中，描述工件表面加工质量好坏的主要有两个指标：工件表面的材料去除率和工件表面的加工纹理。材料去除率越高，加工效率就越高；表面加工纹理越细密，越无序，加工精度就越高。在磨粒流加工中，影响工件表面材料去除率的主要因素是工件表面近壁区的动压力，动压力越大，材料去除率越大。影响工件表面加工纹理的主要因素是加工表面近壁区的湍动能，湍动能越大，说明磨粒流的湍流程度越高，磨粒无规则的无序运动程度越激烈，那么工件表面的加工纹理就越好。

在目前的软性磨粒流加工过程中，评价工件的整体加工质量除了表面的材料去除率和加工纹理外，工件表面整体的材料去除率和加工精度也应该较为均匀。这就要求磨粒流加工中，工件表面近壁区的动压力和湍动能分布比较均匀。但是事实上，目前的研究中，流道中的湍动能和动压力分布并不均匀，这就需要对此进行研究，怎样才能达到较为理想的加工形态。

在目前的软性磨粒流加工过程中，磨粒流在泵的作用下获得速度进入流道，随着时间加工时间的推移，由于泵的散热作用以及磨粒流本身内部由于颗粒碰撞和磨阻等产生的热能，使得磨粒流的温度逐渐提高，甚至高达70℃以上，在如此高温下，磨粒流的粘度势必会发生极大的变化。粘度的变化会对流道中工件表面近壁区的湍动能分布和动压力分布造成不可预知的影响。这就需要需要进行研究温度对流道中的湍动能分布和动压力分布所造成的影响，并且通过调节流速来补偿不利影响。

在目前的软性磨粒流加工中，流体的动力源是泵，因为流道的横截面积是恒定的，调节流速就需要对泵的出口流量进行调节，但是泵的控制问题本身就是一个高度复杂的非线性控制问题，兼之软性磨粒流流道中流速影响因素较多，以传统的控制方式难以实现流速控制的目的。

发明内容

为了克服已有软性磨粒流加工的流速控制精度低、加工效率较低的不足，本发明提供一种流速控制精度高、提高加工效率的基于模糊控制的软性磨粒流加工方法及其装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于模糊控制的软性磨粒流加工方法，所述加工方法具体过程如下：

（1）储液槽内的温度传感器测量得到软性磨粒的当前温度，并由温度—最优速度公式计算出当前温度下的最优速度；

（2）输入模糊控制器中，所述最优速度作为模糊控制器的速度给定值，速度传感器测量得到当前流速，作为模糊控制器的反馈量输入；最优速度与当前速度之差即为所述系统输入量；在模糊控制器内，输入量经过模糊化处理—模糊控制规则—模糊决策—精确化处理后，输出精确的输出量，所述输出量为电压频率的变化量，执行机构为变频器；

（3）通过变频器改变泵的输入电压的频率，进而改变转速，达到控制软性磨粒的流速，实现软性磨粒流加工。

进一步，所述步骤（1）中，温度—最优速度公式的拟合过程如下：

对选定的磨粒流流体在不同温度下测量其粘度，根据粘-温计算公式

式中μ₀和t₀取40°C时的粘度和温度，求出系数λ，并求出其粘-温公式；

在相同温度下，对不同速度下的湍动能和动压力分布进行FLUENT仿真，对仿真结果进行对比；相同速度下，对不同温度下的湍动能和动压力分布进行FLUENT仿真，对仿真结果进行对比；对比同一温度下不同速度下的仿真结果，找出该温度下湍动能和动压力分布最为理想的速度，即最优速度；并结合前面所研究的湍动能和动压力分布随温度速度的变化规律，找出多个温度点下的最优速度，画出温度—最优速度曲线，并拟合出温度—最优速度公式。

更进一步，所述步骤（2）中，建立模糊控制器的过程为：

选择二维的双输入单输出结构的模糊控制器，模糊控制器的设计以Δv和Δv‘为输入量，Δv即为当前温度下的最优速度与当前的实际速度之差，最优速度由温度传感器采集的当前温度根据温度—最优速度公式计算所得，实际速度由流速传感器测得；Δv′为Δv关于时间的变化率；以电压频率的变化量Δf为输出量；

进一步，确定隶属度函数，设计模糊控制规则，并选取量化因子和比例因子。

再进一步，所述建立模糊控制器的过程还包括：

利用MATLAB软件中的模糊逻辑工具箱对模糊控制器进行仿真，观察输入—输出曲面，对不合理的模糊控制规则和推理方式进行修改；利用MATLAB软件中的Simulink模块对模糊控制系统进行仿真，根据仿真结果对量化因子和比例因子参数进行优化。

一种基于模糊控制的软性磨粒流加工装置，包括软性磨粒流加工实验平台，所述软性磨粒流加工实验平台包括储液槽，所述储液槽内安装泵和管道，所述泵与变频器连接，所述变频器与RS232/RS485转换器连接，所述RS232/RS485转换器与加工控制器连接，所述管道内安装温度传感器和流量传感器，所述温度传感器和流量传感器与A/D转换器连接，所述A/D转换器与加工控制器连接。

本发明的技术构思为：通过大量的仿真研究速度和温度对于工件表面近壁区的湍动能和动压力分布的影响，通过大量的仿真求出数个温度下最合适的速度，做出温度—最优速度曲线，拟合出温度—最优速度公式。对实验用泵进行相关研究，对以往的操作经验进行总结，建立模糊控制系统，通过变频器控制泵的输入电压的频率，从而控制泵的转速，进而控制流道中的流速。通过模糊控制系统，可以在磨粒流加工过程中，随着温度的改变，系统可以实时控制流速，保证每个温度下的流速都是最优化的速度。通过控制系统控制界面，可以直接控制加工时间，速度等因素，可以实现一般控制系统所具有的功能。控制的最终目的是提高磨粒流加工工件表面加工质量的均匀度。

本发明的有益效果为：通过模糊控制方法来对磨粒流流加工中的流速进行控制，解决了传统的控制方式无法有效精确的对软性磨粒流加工中流速进行控制的问题。通过外部实时的调节泵流量控制流道的入口速度，确保每个温度下的速度都是最优化的，从而使得工件表面近壁区湍动能和动压力分布更加均匀，从而很大程度上提高了工件表面加工效果的均匀度，提高加工质量。通过模糊控制系统的建立，可以实现加工过程的自动化，极大的节省人力资源。

附图说明

图1是本发明基于模糊控制的软性磨粒流加工方法的流程图。

图2是本发明的模糊控制框图。

图3是本发明的模糊控制器结构图。

图4是本发明的控制系统硬件图。

图5是本发明的总体装置图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施例1

参照图1～图5，一种基于模糊控制的软性磨粒流加工方法，所述加工方法具体过程如下：

（1）储液槽内的温度传感器测量得到软性磨粒的当前温度，并由温度—最优速度公式计算出当前温度下的最优速度；

（2）输入模糊控制器中，所述最优速度作为模糊控制器的速度给定值，速度传感器测量得到当前流速，作为模糊控制器的反馈量输入；最优速度与当前速度之差即为所述系统输入量；在模糊控制器内，输入量经过模糊化处理—模糊控制规则—模糊决策—精确化处理后，输出精确的输出量，所述输出量为电压频率的变化量，执行机构为变频器；

（3）通过变频器改变泵的输入电压的频率，进而改变转速，达到控制软性磨粒的流速，实现软性磨粒流加工。

进一步，所述步骤（1）中，温度-最优速度公式的拟合过程如下：

对选定的磨粒流流体在不同温度下测量其粘度，根据粘-温计算公式

式中μ₀和t₀取40°C时的粘度和温度，求出系数λ，并求出其粘-温公式；

在相同温度下，对不同速度下的湍动能和动压力分布进行FLUENT仿真，对仿真结果进行对比；相同速度下，对不同温度下的湍动能和动压力分布进行FLUENT仿真，对仿真结果进行对比；对比同一温度下不同速度下的仿真结果，找出该温度下湍动能和动压力分布最为理想的速度，即最优速度；并结合前面所研究的湍动能和动压力分布随温度速度的变化规律，找出多个温度点下的最优速度，画出温度—最优速度曲线，并拟合出温度—最优速度公式。

更进一步，所述步骤（2）中，建立模糊控制器的过程为：

选择二维的双输入单输出结构的模糊控制器，模糊控制器的设计以Δv和Δv‘为输入量，Δv即为当前温度下的最优速度与当前的实际速度之差，最优速度由温度传感器采集的当前温度根据温度—最优速度公式计算所得，实际速度由流速传感器测得；Δv′为Δv关于时间的变化率；以电压频率的变化量Δf为输出量；确定隶属度函数，设计模糊控制规则，并选取量化因子和比例因子。

再进一步，所述建立模糊控制器的过程还包括：

利用MATLAB软件中的模糊逻辑工具箱对模糊控制器进行仿真，观察输入—输出曲面，对不合理的模糊控制规则和推理方式进行修改；利用MATLAB软件中的Simulink模块对模糊控制系统进行仿真，根据仿真结果对量化因子和比例因子参数进行优化。

本实施例的基于模糊控制的软性磨粒流加工方法，具体过程如下：

1）求出温度—最优速度公式

对选定的磨粒流流体—46号抗磨损液压油在不同温度下测量其粘度，根据粘-温计算公式

（式中μ₀和t₀取40°C时的粘度和温度）求出系数λ，并求出其粘-温公式。

研究温度和速度对软性磨粒流加工效果的影响。软性磨粒流加工过程中，湍动能是描述磨粒无规则脉动运动的一个物理量，其大小直接影响着工件表面的加工形貌，湍动能越大，工件表面加工纹理越好；动压力是描述磨粒所具有的动能大小的一个物理量，动压力越大，磨粒撞击工件表面的动能就越大，切削效果就越高，材料去除率越大。通过对加工机理的研究认为，温度和速度的变化对加工表面近壁区的湍动能和动压力大小和分布产生影响，进而影响加工表面的表面形貌和材料去除量。在相同温度下，对不同速度下的湍动能和动压力分布进行FLUENT仿真，对仿真结果进行对比，归纳和总结，以研究速度变化对加工效果的影响；在相同速度下，对不同温度下的湍动能和动压力分布进行FLUENT仿真，对仿真结果进行对比，归纳和总结，以研究温度变化对加工效果的影响，这里温度变化所直接影响的是磨粒流流体粘度的变化。对比同一温度下不同速度下的仿真结果，找出该温度下湍动能和动压力分布最为理想的速度，即最优速度，在最优速度下，湍动能和动压力分布总体上较为均匀，并且达到一定的数值。通过大量仿真，并结合前面所研究的湍动能和动压力分布随温度速度的变化规律，找出多个温度点下的最优速度，画出温度—最优速度曲线，并拟合出温度-最优速度公式。

2）建立模糊控制系统

对实验用泵进行测试，画出其流量特性曲线与管路特性曲线，在上文所研究的速度变化范围内，大量提取出该泵在软性磨粒流加工流道中每个流速下所对应的转速，并总结以往的软性磨粒流加工的经验，建立相关数据库。

进一步，建立模糊控制器。选择二维的双输入单输出结构的模糊控制器。模糊控制器结构图如附图2所示。模糊控制器的设计以Δv和Δv‘为输入量，Δv即为当前温度下的最优速度与当前的实际速度之差，最优速度由温度传感器采集的当前温度根据温度-最优速度公式计算所得，实际速度由流速传感器测得。Δv′为Δv关于时间的变化率。以电压频率的变化量Δf为输出量。进一步，确定隶属度函数，设计模糊控制规则。隶属度函数的确定要根据软性磨粒流加工的特点来设计。模糊控制规则根据以往的操作经验设计。进一步，建立模糊控制规则表，选取合适的量化因子，比例因子。

进一步，利用MATLAB软件对模糊控制进行仿真。利用MATLAB软件中的模糊逻辑工具箱对模糊控制器进行仿真，观察输入—输出曲面，对不合理的模糊控制规则和推理方式进行修改。利用MATLAB软件中的Simulink模块对模糊控制系统进行仿真，根据仿真结果对量化因子，比例因子等参数进行优化，缩短系统的响应时间，提高系统的控制精度。

实施例2

参照图1~图5，一种基于模糊控制的软性磨粒流加工装置，包括软性磨粒流加工实验平台，所述软性磨粒流加工实验平台包括储液槽，所述储液槽内安装泵和管道，所述泵与变频器连接，所述变频器与RS232/RS485转换器连接，所述RS232/RS485转换器与加工控制器连接，所述管道内安装温度传感器和流量传感器，所述温度传感器和流量传感器与A/D转换器连接，所述A/D转换器与加工控制器连接。

系统框图如附图3所示,流程图如图1所示。

所述系统中，温度传感器测量得到当前温度，并由系统内部所设定数学模型计算出当前温度下最优速度，输入模糊控制模块，作为模糊控制中的速度给定值。数学模型即前文所拟合的温度-最优速度公式。速度传感器测量得到当前流速，作为反馈量输入。最优速度与当前速度之差即为所述系统输入量。所述系统中，模糊控制器的输出量为电压频率的变化量，执行机构为变频器。在一个控制周期内，温度传感器测得当前温度，并通过温度—最优速度公式计算得到当前温度下的最优速度，速度传感器测得当前流速，以最优速度和当前速度计算得速度变化量，作为模糊控制器的输入量，在模糊控制器内，输入量经过模糊化处理—模糊控制规则—模糊决策—精确化处理后，输出精确的输出量（电压频率的变化量），通过变频器改变泵的输入电压的频率，进而改变转速，达到控制流速的目的。

进一步，搭建实验平台。所述实验平台由控制系统和软性磨粒流加工平台构成。所述控制系统硬件构成如图4所示。所述实验平台如图5所示。实验加工开始时，所述泵1将储液槽3中的磨粒流2打入入口管道7，进而磨粒流进入约束流道5，对工件表面进行加工，之后磨粒流由出口管道4进入储液槽3，实现磨粒流的循环利用。当采样时间到，所述温度传感器9和流量传感器8测得当前的温度和流量信号，经过A/D转换器11两路信号转换将模拟信号转换成数字信号，输入PC机10，经过数据处理程序，模糊控制程序，由PC机输出控制信号，经过RS232/RS485接口转换器12，将控制信号传输给变频器13，进而改变泵1的输入电压的频率，达到控制目的。图5中所示6为光源，用于方便对约束流道的观测。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (5)

1.一种基于模糊控制的软性磨粒流加工方法，其特征在于：所述加工方法具体过程如下：

（1）储液槽内的温度传感器测量得到软性磨粒的当前温度，并由温度—最优速度公式计算出当前温度下的最优速度；

（2）输入模糊控制器中，所述最优速度作为模糊控制器的速度给定值，速度传感器测量得到当前流速，作为模糊控制器的反馈量输入；最优速度与当前速度之差即为所述系统输入量；在模糊控制器内，输入量经过模糊化处理—模糊控制规则—模糊决策—精确化处理后，输出精确的输出量，所述输出量为电压频率的变化量，执行机构为变频器；

（3）通过变频器改变泵的输入电压的频率，进而改变转速，达到控制软性磨粒的流速，实现软性磨粒流加工。

2.如权利要求1所述的基于模糊控制的软性磨粒流加工方法，其特征在于：所述步骤（1）中，温度—最优速度公式的拟合过程如下：

对选定的磨粒流流体在不同温度下测量其粘度，根据粘—温计算公式

式中μ₀和t₀取40°C时的粘度和温度，求出系数λ，并求出其粘—温公式；

在相同温度下，对不同速度下的湍动能和动压力分布进行FLUENT仿真，对仿真结果进行对比；相同速度下，对不同温度下的湍动能和动压力分布进行FLUENT仿真，对仿真结果进行对比；对比同一温度下不同速度下的仿真结果，找出该温度下湍动能和动压力分布最为理想的速度，即最优速度；并结合前面所研究的湍动能和动压力分布随温度速度的变化规律，找出多个温度点下的最优速度，画出温度—最优速度曲线，并拟合出温度—最优速度公式。

3.如权利要求1或2所述的基于模糊控制的软性磨粒流加工方法，其特征在于：所述步骤（2）中，建立模糊控制器的过程为：

选择二维的双输入单输出结构的模糊控制器，模糊控制器的设计以Δv和Δv‘为输入量，Δv即为当前温度下的最优速度与当前的实际速度之差，最优速度由温度传感器采集的当前温度根据温度—最优速度公式计算所得，实际速度由流速传感器测得；Δv′为Δv关于时间的变化率；以电压频率的变化量Δf为输出量；

进一步，确定隶属度函数，设计模糊控制规则，并选取量化因子和比例因子。

4.如权利要求3所述的基于模糊控制的软性磨粒流加工方法，其特征在于：所述建立模糊控制器的过程还包括：

利用MATLAB软件中的模糊逻辑工具箱对模糊控制器进行仿真，观察输入—输出曲面，对不合理的模糊控制规则和推理方式进行修改；利用MATLAB软件中的Simulink模块对模糊控制系统进行仿真，根据仿真结果对量化因子和比例因子参数进行优化。

5.一种实现如权利要求1所述的基于模糊控制的软性磨粒流加工方法的加工装置，包括软性磨粒流加工实验平台，所述软性磨粒流加工实验平台包括储液槽，所述储液槽内安装泵和管道，其特征在于：所述泵与变频器连接，所述变频器与RS232/RS485转换器连接，所述RS232/RS485转换器与加工控制器连接，所述管道内安装温度传感器和流量传感器，所述温度传感器和流量传感器与A/D转换器连接，所述A/D转换器与加工控制器连接。

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