CN103144043B - 一种以过热水蒸气为磨削冷却液的闭环控制装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以过热水蒸气为磨削冷却液的闭环控制装置及其方法，该装置包括计算机控制模块、水蒸汽发生器、二次加热模块、模拟磨削区模块和分别与计算机控制模块连接的气体比例电磁阀、二次加热控制器和信号放大板，水蒸汽发生器产生的水蒸气依次经气体比例电磁阀和二次加热模块送入喷嘴；模拟磨削区模块通过热电偶与信号放大板连接。本发明通过采用闭环控制可完成设定不同期望温度下的冷却效果实验，从中研究过热水蒸气在磨削中作为冷却液的工艺参数优化值和自适应控制效果；该装置作为实验装置使用对于培养学生的慎密的研究品格和创新能力具有积极作用；还可安装在现有的普通精密磨床上，应用于实际的金属磨削当中，控制效果准确、快速。

Description

一种以过热水蒸气为磨削冷却液的闭环控制装置及其方法

技术领域

    本发明涉及一种控制装置及其控制方法，具体涉及一种以过热水蒸气为磨削冷却液的闭环控制装置及其方法。

背景技术

    传统的浇注式冷却磨削加工使用大量的磨削液，一方面污染环境，危害工人身体健康；另一方面也会增加机械制造业的加工成本。环境和资源问题是当前和今后人类社会面临的主要问题。因此，研制开发无毒无害且可降解的绿色磨削介质及其冷却润滑技术是绿色磨削技术研究的一个重要方向。

试验证明，合理选择冷却润滑剂可充分发挥其性能，节约加工成本，减少冷却润滑剂对环境的污染；因此，对冷却润滑剂进行优化选择是减少加工过程中冷却润滑剂污染的重要途径之一。水蒸气具有清洁无污染，易制取且不用回收处理等特点，不但符合绿色制造基本要求且具有良好的冷却润滑性能。为防止加工后零件发生生锈现象，进一步提出了采用过热水蒸气作为磨削冷却润滑剂，这就使得对以过热水蒸气作为冷却润滑剂的绿色评价体系的研究具有十分重要的意义。为了使过热水蒸气作冷却润滑剂的优化选择提供一定参考依据，必须进行相应的以过热水蒸气作冷却润滑剂的磨削实验，但是目前市场上没有能够实施这种实验的控制装置。

故，亟需开发一种以过热水蒸气为磨削冷却液的控制装置及方法。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种以过热水蒸气为磨削冷却液的闭环控制装置及其方法，该装置和方法能够为磨削加工提供状态稳定、参数可控的过热水蒸气参数，对磨削过程中各种物理现象的表征参数的实时采集、统计、分析，对磨削效果进行控制。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种以过热水蒸气为磨削冷却液的闭环控制装置，包括计算机控制模块、水蒸气发生器、二次加热模块、模拟磨削区模块和分别与计算机控制模块连接的气体比例电磁阀、二次加热控制器和信号放大板，所述水蒸气发生器通过气体比例电磁阀与二次加热模块连接，所述水蒸气发生器产生的水蒸气依次经气体比例电磁阀和二次加热模块送入喷嘴；所述模拟磨削区模块通过热电偶与信号放大板连接，所述热电偶测量模拟磨削区模块中被加热试件的温度值并将其转换为毫伏级的电压信号，此毫伏级电压信号经过信号放大板转换成0～5伏的电压信号；所述计算机控制模块包括计算机和数据采集卡，数据采集卡采集上述0～5伏电压信号后输送给计算机处理；计算机控制模块将电压信号变换为温度信号并进行实时采集和显示，同时输出两组0～5伏电压分别给气体比例电磁阀和二次加热控制器，气体比例电磁阀根据输入电压的大小控制水蒸气流量，二次加热控制器根据输入电压的大小控制二次加热的功率。

    其中，所述模拟磨削区模块包括加热炉、被加热试件和炉温控制仪，所述模拟磨削区模块模拟磨削区的温度并测定在各工艺参数下的冷却效果；所述模拟磨削区模块模拟磨削区的温度范围为从室温到800℃，所述工艺参数包括压力、靶距和入射角。

所述二次加热模块包括加热箱体，所述加热箱体自下而上分别为电磁线圈、铜板和焊接在铜板上的水蒸气管道。

为防止电磁泄漏，所述加热箱体外壳采用密封包装；为减少与外界热量交换，加热箱体内表面加设有保温层。

本发明还公开了一种基于上述闭环控制装置的控制方法，该方法包括以下步骤：

1）设定模拟磨削区模块内被加热试件的期望温度；

2）水蒸气发生器产生的水蒸气依次经气体比例电磁阀和二次加热模块送入喷嘴；

3）通过热电偶测量模拟磨削区模块中被加热试件的温度值并将其转换为毫伏级的电压信号，此毫伏级电压信号经过信号放大板转换成0～5伏的电压信号；

4）计算机控制模块中的数据采集卡采集上述0～5伏电压信号后输送给计算机处理；

5）计算机将模拟磨削区模块内的实际温度与实验前设定的期望温度进行比较，由数据采集卡输出两路0～5V的电压，一路电压实时控制气体比例电磁阀的开度大小从而控制水蒸气的流量；另一路电压控制二次加热控制器对水蒸气的二级加热功率大小。

上述整个过程通过计算机显示被加热工件的温度波形，从而完成显示磨削效果的任务。

其中，所述步骤5）中，计算机输出电压变化，然后通过IGBT调整加热功率，以得到所需的过热水蒸气。具体来说，一路电压实时控制气体比例电磁阀的开度大小从而控制水蒸气的流量的具体方法是：由于所述水蒸气喷嘴直径是一定值，故只能通过改变水蒸气射流的流速来控制水蒸气的流量，在工作过程中，气体比例电磁阀的开度大小是定值，当水蒸气射流的速度不能满足二次加热功率时，手动设置电压来控制气体比例电磁阀的开度大小；

另一路电压控制二次加热控制器对水蒸气的二级加热功率大小的具体方法是：所述二次加热控制器包括温度的设定模块、电源开关模块和温度比较模块，在计算机中设定输出的温度和功率状态，把该状态所对应的电压作为基准电压：当温度过高而使热电偶检测到的电压值升高时，温度比较模块将这个电压值与设定的基准电压进行比较，当电压大于基准电压时，则无控制电压输出，电源开关模块断开；反之则输出控制电压，电源开关模块导通，水蒸气开始加热，使温度保持相对稳定。

所述步骤3）中，信号放大板以每0.02秒时间记录1个模拟磨削区模块内温度的变化值，并把这些数据输送给数据显示模块显示、处理。

所述计算机上的数据采集软件是本领域技术人员根据公知常识采用LABVIEW软件的相关模块根据其功能编译实现的，并应用软件既记录数据值又采集磨削区被冷却过程曲线图像，数据采集软件由A/D转换卡出厂所带的应用软件编辑而成。

有益效果：本发明的一种以过热水蒸气为磨削冷却液的闭环控制装置及其方法，通过计算机控制模块输出两路电压，一路电压实时控制气体比例电磁阀的开度大小从而控制水蒸气的流量，另一路电压控制二次加热控制器对水蒸气的二级加热功率大小。本发明通过采用闭环控制，可以完成设定不同的期望温度下的冷却效果实验，从中研究过热水蒸气在磨削中作为冷却液的工艺参数优化值和自适应控制效果；本发明的控制方法使得控制效果准确、快速。本发明的控制装置可安装在现有的普通精密磨床上，应用于实际的金属磨削当中。同时该控制装置还可以作为实验装置使用，对于培养学生的环境保护意识、慎密的研究品格和创新能力均可产生深远影响。本发明的装置作为一种软件、硬件、工艺、技术与理论相结合的产品，可进行商业运作，创造可观的经济价值。

附图说明

图1为本发明的闭环控制装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，本发明的一种以过热水蒸气为磨削冷却液的闭环控制装置，包括计算机控制模块9、水蒸气发生器1、二次加热模块4、模拟磨削区模块8和分别与计算机控制模块9连接的气体比例电磁阀2、二次加热控制器3和信号放大板5，水蒸气发生器1通过气体比例电磁阀2与二次加热模块4连接，水蒸气发生器1产生的水蒸气依次经气体比例电磁阀2和二次加热模块4送入喷嘴7；模拟磨削区模块8通过热电偶6与信号放大板5连接，热电偶6测量模拟磨削区模块8中被加热试件的温度值并将其转换为毫伏级的电压信号，此毫伏级电压信号经过信号放大板5转换成0～5伏的电压信号；计算机控制模块9包括计算机和数据采集卡，数据采集卡采集上述0～5伏电压信号后输送给计算机处理；计算机控制模块9将电压信号变换为温度信号并进行实时采集和显示，同时输出两组0～5伏电压分别给气体比例电磁阀2和二次加热控制器3，气体比例电磁阀2根据输入电压的大小控制水蒸气流量，二次加热控制器3根据输入电压的大小控制二次加热的功率。

本实施例中，模拟磨削区模块8包括加热炉、被加热试件和炉温控制仪，模拟磨削区模块8模拟磨削区的温度并测定在各工艺参数下的冷却效果；模拟磨削区模块8模拟磨削区的温度范围为从室温到800℃，工艺参数包括压力、靶距和入射角。

本实施例中，为了满足高功率电加热微型化要求，二次加热模块4中采用涡流加热方式。二次加热模块4包括加热箱体，加热箱体分为三层，自下而上分别为电磁线圈、铜板和焊接在铜板上的水蒸气管道；加热箱体外壳采用密封包装，可以防止电磁泄漏；加热箱体内表面加设有保温层，可以减少与外界热量交换。

本发明还公开了一种基于上述闭环控制装置的控制方法，该方法包括以下步骤：

1）设定模拟磨削区模块8内被加热试件的期望温度；2）水蒸气发生器1产生的水蒸气依次经气体比例电磁阀2和二次加热模块4送入喷嘴7；3）通过热电偶6测量模拟磨削区模块8中被加热试件的温度值并将其转换为毫伏级的电压信号，此毫伏级电压信号经过信号放大板5转换成0～5伏的电压信号；4）计算机控制模块9中的数据采集卡采集上述0～5伏电压信号后输送给计算机处理；5）计算机将模拟磨削区模块8内的实际温度与实验前设定的期望温度进行比较，由数据采集卡输出两路0～5V的电压，一路电压实时控制气体比例电磁阀2的开度大小从而控制水蒸气的流量；另一路电压控制二次加热控制器3对水蒸气的二级加热功率大小。

上述整个过程通过计算机显示被加热工件的温度波形，从而完成显示磨削效果的任务。

其中，步骤5）中，一路电压实时控制气体比例电磁阀2的开度大小从而控制水蒸气的流量的具体方法是：由于所述水蒸气喷嘴7直径是一定值，故只能通过改变水蒸气射流的流速来控制水蒸气的流量，在工作过程中，气体比例电磁阀2的开度大小是定值，当水蒸气射流的速度不能满足二次加热功率时，手动设置电压来控制气体比例电磁阀2的开度大小。另一路电压控制二次加热控制器3对水蒸气的二级加热功率大小的具体方法是：所述二次加热控制器3包含三个模块：温度的设定模块、电源开关模块和温度比较模块，温度的设定模块、电源开关模块和温度比较模块集成在软件中，在计算机中设定输出的温度和功率状态，把该状态所对应的电压作为基准电压：当温度过高而使热电偶6检测到的电压值升高时，温度比较模块将这个电压值与设定的基准电压进行比较，当电压大于基准电压时，则无控制电压输出，电源开关模块断开；反之则输出控制电压，电源开关模块导通，水蒸气开始加热，使温度保持相对稳定。

在整个装置运行的过程中，信号放大板5以每0.02秒时间记录1个模拟磨削区模块8内温度的变化值，并把这些数据输送给数据显示模块显示、处理。计算机上的数据采集软件是本领域技术人员根据公知常识采用LABVIEW软件的相关模块根据其功能编译实现的，并应用软件既记录数据值又采集磨削区被冷却过程曲线图像，数据采集软件由A/D转换卡出厂所带的应用软件编辑而成。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于以过热水蒸气为磨削冷却液的闭环控制装置的控制方法，其特征在于：该方法基于以过热水蒸气为磨削冷却液的闭环控制装置，该装置包括计算机控制模块(9)、水蒸气发生器(1)、二次加热模块(4)、模拟磨削区模块(8)和分别与计算机控制模块(9)连接的气体比例电磁阀(2)、二次加热控制器(3)和信号放大板(5)，所述水蒸气发生器(1)通过气体比例电磁阀(2)与二次加热模块(4)连接，所述水蒸气发生器(1)产生的水蒸气依次经气体比例电磁阀(2)和二次加热模块(4)送入喷嘴(7)；所述模拟磨削区模块(8)通过热电偶(6)与信号放大板(5)连接，所述热电偶(6)测量模拟磨削区模块(8)中被加热试件的温度值并将其转换为毫伏级的电压信号，此毫伏级电压信号经过信号放大板(5)转换成0～5伏的电压信号；所述计算机控制模块(9)包括计算机和数据采集卡，数据采集卡采集上述0～5伏电压信号后输送给计算机处理；计算机控制模块(9)将电压信号变换为温度信号并进行实时采集和显示，同时输出两组0～5伏电压分别给气体比例电磁阀(2)和二次加热控制器(3)，气体比例电磁阀(2)根据输入电压的大小控制水蒸气流量，二次加热控制器(3)根据输入电压的大小控制二次加热的功率；

该方法包括以下步骤：

1)设定模拟磨削区模块(8)内被加热试件的期望温度；

2)水蒸气发生器(1)产生的水蒸气依次经气体比例电磁阀(2)和二次加热模块(4)送入喷嘴(7)；

3)通过热电偶(6)测量模拟磨削区模块(8)中被加热试件的温度值并将其转换为毫伏级的电压信号，此毫伏级电压信号经过信号放大板(5)转换成0～5伏的电压信号；

4)计算机控制模块(9)中的数据采集卡采集上述0～5伏电压信号后输送给计算机处理；

5)计算机将模拟磨削区模块(8)内的实际温度与实验前设定的期望温度进行比较，由数据采集卡输出两路0～5V的电压，一路电压实时控制气体比例电磁阀(2)的开度大小从而控制水蒸气的流量；另一路电压控制二次加热控制器(3)对水蒸气的二级加热功率大小；

所述步骤5)中，一路电压实时控制气体比例电磁阀(2)的开度大小从而控制水蒸气的流量的具体方法是：由于所述水蒸气喷嘴(7)直径是一定值，故只能通过改变水蒸气射流的流速来控制水蒸气的流量，在工作过程中，气体比例电磁阀(2)的开度大小是定值，当水蒸气射流的速度不能满足二次加热功率时，手动设置电压来控制气体比例电磁阀(2)的开度大小；

另一路电压控制二次加热控制器(3)对水蒸气的二级加热功率大小的具体方法是：所述二次加热控制器(3)包括温度的设定模块、电源开关模块和温度比较模块，在计算机中设定输出的温度和功率状态，把该状态所对应的电压作为基准电压：当温度过高而使热电偶(6)检测到的电压值升高时，温度比较模块将这个电压值与设定的基准电压进行比较，当电压大于基准电压时，则无控制电压输出，电源开关模块断开；反之则输出控制电压，电源开关模块导通，水蒸气开始加热，使温度保持相对稳定。

2.根据权利要求1所述的基于以过热水蒸气为磨削冷却液的闭环控制装置的控制方法，其特征在于：所述模拟磨削区模块(8)包括加热炉、被加热试件和炉温控制仪，所述模拟磨削区模块(8)模拟磨削区的温度并测定在各工艺参数下的冷却效果。

3.根据权利要求2所述的基于以过热水蒸气为磨削冷却液的闭环控制装置的控制方法，其特征在于：所述模拟磨削区模块(8)模拟磨削区的温度范围为从室温到800℃，所述工艺参数包括压力、靶距和入射角。

4.根据权利要求1所述的基于以过热水蒸气为磨削冷却液的闭环控制装置的控制方法，其特征在于：所述二次加热模块(4)包括加热箱体，所述加热箱体自下而上分别为电磁线圈、铜板和焊接在铜板上的水蒸气管道。

5.根据权利要求4所述的以过热水蒸气为磨削冷却液的闭环控制装置的控制方法，其特征在于：所述加热箱体外壳采用密封包装，加热箱体内表面加设有保温层。