CN103846798A - 一种变口径管磨粒流超精密抛光测控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变口径管磨粒流超精密抛光测控系统，应用于液压站上，包括直线位移测控单元、流量测控单元、压力测控单元、温度测控单元，直线位移测控单元由第一限位开关、第二限位开关、钢制指针、光栅尺及数据采集系统组成，钢制指针安装于第一限位开关和第二限位开关之间，所述光栅尺位于所述钢制指针的侧方并与数据采集系统连接，用于检测位移测量信号，并将位移测量信号发送给数据采集系统。本发明公开的测控系统，可以对变口径管等密闭空间的零件光整加工，使磨料与变口径管通道实现碰撞接触，实现磨粒流超精密抛光。

Description

一种变口径管磨粒流超精密抛光测控系统

技术领域

本发明涉及变口径管超精密抛光领域，尤其涉及一种变口径管磨粒流超精密抛光测控系统。

背景技术

在军事及民用领域，许多关键零件存在特殊通道，如变口径管，其表面质量往往决定整体使用性能，也因此对变口径管的表面粗糙度提出了极高的要求。

随着科学技术的不断发展，人们对零件表面的微观几何精度及表面粗糙度提出了越来越高的要求，以减少零件的磨损、提高其配合精度、提高疲劳强度及耐腐蚀性等性能，从而推动了光整加工技术的快速发展。

近年来，在国防高技术武器装备的轻型化、小型化及微型化的发展趋势下，军事装备中的坦克发动机喷油嘴、车辆喷油嘴、卫星姿态测控系统中的许多微小孔及交叉内孔、各制式的武器系统中的枪炮管内细微膛线的高精度成形加工，已成为超精密加工领域急需解决的问题，但目前的加工法却不能有效的改善其表面精修效果。比如，坦克发动机喷油嘴微孔零件表面要求达到微米级的表面粗糙度，目前常用的加工方法是采用电火花机床打孔后，后续无任何超精密加工工序，因而零件的表面粗糙度很难达到微米至纳米级的加工要求，而此类零件的最终光整加工又是一项劳动强度大且不易测控的生产过程。对于微小孔的精抛加工及交叉孔的去毛刺、异形深孔与微小孔槽或管内较复杂的模具自由曲面的表面精加工问题，人工耗费的加工时间过长且受到加工深度的限制，是常规加工方法无法实现的，而磨粒流加工技术为上述技术难题提供了有效解决方案。

磨粒流数控机床已经应用于航天、航空、电子、汽车、模具、纺织机械、汽轮机等制造业中关键零部件的倒圆角、去毛刺、抛光等工艺。由于磨料介质在压力作用下流动，所以它所流过的任何通道都将被光整，尤其是对于那些常用工具很难触及的零件内腔及微小孔的精加工与交叉孔的去毛刺、倒圆角等问题，磨粒流数控机床的优越性更为突出。可以加工诸多金属材料、玻璃、硬塑料和陶瓷等硬脆性材料。较少的材料去除量和较少的加工时间；在不破坏零件原有形状精度的前提下，达到较高的尺寸精度；磨粒流介质基本上没有损失，还可重复使用，且具有较长使用寿命。选择磨料流光整加工代替手工抛光，可以大大减轻劳动强度，生产效率也会提高，并能确保产品加工的一致性、均匀性。

为了突破变口径通道等异型表面的光整加工的瓶颈，国内外提出了一种超精密抛光技术，磨粒流抛光，可以使流体磨料颗粒与被加工表面碰撞，去除毛刺并可倒圆角，实现微量去除。目前对于磨粒流加工技术主要集中在理论研究尤其在对其固液两相精密加工机理的分析。

目前，对于流体抛光的检测的应用领域中，在工程实际中最有效的方法是利用某种仪器来测量管内流体的实际流态。流态的检测方法根据原理分为直接测量法与间接测量法。

所述的流态检测方法具有较大的局限性，难以满足实际工程的需要。对于变口径管等密闭空间无法用直接测量法来获得流态参数，在间接测量法中，在变口径管的微小流道内，以及湍流的突出特点表现为流速压力等动力特征是紊乱无序的脉动，无法用简单的空间和时间参数进行完整的分析，因此很难测得加工过程中的动态参数。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种变口径管磨粒流超精密抛光测控系统，可对变口径管磨粒流加工过程进行机械测控和自动化测控。

该系统包括：一种变口径管磨粒流超精密抛光测控系统，其特征在于，系统可实现机械测控，也可实现自动化测控，包括直线位移测控单元、流量测控单元、压力测控单元、温度测控单元，直线位移测控单元由第一限位开关、第二限位开关、钢制指针、光栅尺及数据采集系统组成，钢制指针安装于第一限位开关和第二限位开关之间，所述光栅尺位于所述钢制指针的侧方并与数据采集系统连接，用于检测位移测量信号，并将位移测量信号发送给数据采集系统，通过限位开关、钢制指针、换向阀组和继电器电路可使液压缸和磨料缸在指定行程内往复运动，实现机械测控；通过数据采集系统指定位移，利用光栅尺在线测量功能实时反馈位移测量信号，直至达到指定位移，通过换向阀组实现循环往复直线移动，实现直线位移的自动化测控。

在液压站的进出油口安装流量传感器组，用来测量液压站进出口流量，包括安装在第一液压缸上的第一流量传感器和安装在第二液压缸上的第二流量传感器，所述第一流量传感器、第二流量传感器分别连接到数据采集系统，所述液压站上的进出油口上还安装有比例溢流阀组，可通过安装于液压站上的比例溢流阀组调节流量，实现流量的机械测控；通过流量传感器组和数据采集系统构成的闭环系统，实时调节液压站的进出口流量，实现流量的自动化测控。

在第一磨料缸和变口径管之间分别安放第一压力传感器和第一温度传感器，在第二磨料缸和变口径管之间分别安放第二压力传感器和第二温度传感器，第一压力传感器、第二压力传感器用来测量变口径管进出口压力，第一压力传感器、第二压力传感器分别与数据采集系统连接，第一温度传感器、第二温度传感器用来测量变口径管进出口温度, 第一温度传感器、第二温度传感器分别与数据采集系统连接。通过安装于液压站上的比例伺服阀组调节压力，实现压力的机械测控；通过压力传感器组和数据采集系统构成的闭环系统，实时调节液压站的进出口压力，实现压力的自动化测控。通过温度传感器的数显读数，利用温度补偿装置机械设定加工温度，实现温度的机械测控；通过温度传感器组和数据采集系统及温度补偿装置构成的闭环系统，实时调节系统温度，实现温度的自动化测控。

具有磨粒流加工过程中的直线位移测控功能；机械测控方案是在第一液压缸和第一磨料缸的刚性连杆上安装钢制指针，钢制指针与第一限位开关接触，触发第一继电器 (41)，液压站上第一换向阀(341)得电，使第一液压缸带动第一磨料缸向前移动，磨粒流通过软性连管进入变口径管进行研磨加工。同时，在压力的作用下，第二磨料缸带动第二液压缸向后移动。当运动到一定行程后，钢制指针与第二限位开关接触，此时触发第二继电器(42)，液压站上第二换向阀(342)得电，液压站上第一换向阀(341)断电，使第二液压缸带动第二磨料缸向前移动，磨粒流通过软性连管进入变口径管进行研磨加工，在压力的作用下，第一磨料缸带动第一液压缸向后移动，当钢制指针与第一限位开关接触后，完成1次加工循环。根据实际加工需求，可进行多次循环加工。自动测控方案是通过工控机设定加工行程，在第一限位开关和第二限位开关之间安放光栅尺，钢制指针默认在限位开关1处。系统启动后，触发第一继电器 (41)，液压站上第一换向阀得电，第一液压缸带动第一磨料缸向前移动，磨粒流通过软性连管进入变口径管进行研磨加工，当指针达到指定的位置后，光栅尺向数据采集系统实时放送指令，系统通过数据采集系统获得当前位移，当达到系统指定位移后，数据采集系统通过串口通讯的方式向工控机发送到达指令，当接收到到达指令后，系统通过数据采集系统发送反向移动指令，触发第二继电器(42)，液压站上第二换向阀(342)得电，液压站上第一换向阀(341)断电，使第二液压缸带动第二磨料缸向前移动，磨粒流通过软性连管进入变口径管进行研磨加工，在压力的作用下，第一磨料缸带动第一液压缸向后移动，当钢制指针达到指定位移后，触发第一继电器(41)，继续下一次加工循环。

具有磨粒流加工过程中的流量测控功能；为实现匀速加工，需使加工过程中的在同一时间内在相同截面上的磨粒流流量一致。系统设定工作流量后，流量值通过数据采集系统将数字信号转化为模拟信号，第三继电器(43)得电，第一流量传感器(131)测量通道内流量，通过第一比例溢流阀(331)的测控加工流量，实现对磨粒流加工流量的测控；在加工过程中，受加工零件口径变化等因素的影响，流量会有变化。加工过程中，第四继电器(44)得电，第二流量传感器(132)测量返回液压站液压油的流量，第二比例溢流阀（332）将流回液压站的液压油流量测试数据通过数据采集系统将流量返回给工控机，此时需将模拟信号转换为数字信号。第一比例溢流阀(331)、第二比例溢流阀 (332)、数据采集系统和工控机形成闭环测控，通过相应补偿算法，实现流量的测控。另可手动调节比例溢流阀实现机械方式测控加工流量。

具有磨粒流加工过程中的压力测控功能；系统所采用的压力传感器具有数显功能，可实时显示变口径管进出口压力值；系统设定加工压力后，第五继电器 (45)得电，压力通过数据采集系统将数字信号转化为模拟信号测控第一压力传感器 (124)，第一压力传感器 (121)与第一比例伺服阀 (321)的测控，实现对磨粒流加工压力的测控；在加工过程中，受摩擦阻力等因素的影响，压力会有损失；加工过程中，第六继电器 (46)得电，第二比例伺服阀 (322)工作，将负载压力测试数据通过数据采集系统将返回给工控机，此时需将模拟信号转换为数字信号。第一比例伺服阀 (321)、第二比例伺服阀 (322)、数据采集系统和工控机形成闭环测控，通过相应补偿算法，实现压力的测控，测控加工压力恒定。另可手动调节比例伺服阀实现机械方式测控加工压力。

具有磨粒流加工过程中的温度测控功能；温度传感器安装于变口径管的进口和出口处，温度传感器具有数显功能，可实时读取所加工的变口径管进出口温度。第一温度传感器(141)、第二温度传感器(142)、数据采集系统和工控机构成闭环测控，通过串口通讯来检测温度，在通过温度补偿算法来测控加工温度，通过温度补偿装置实现温度测控。

拆掉第一磨料缸和第二磨料缸之间的链接软管，系统可实现单向加工，即只利用一个液压缸和一个磨粒流缸及变口径管来实现一个方向的磨粒流加工。

安装在液压站上的流量传感器、比例溢流阀组、比例伺服阀组、换向阀组，比例溢流阀配合流量传感器组和数据采集系统可实现流量测控，比例伺服阀配合压力传感器和数据采集系统可实现压力测控， 换向阀可实现第一液压缸和第二液压缸对第一磨料缸和第二磨料缸的磨粒流加工方向的转换测控。通过手动调节比例伺服阀实现机械方式测控加工压力，通过手动调节比例溢流阀实现机械方式测控加工流量。

电气测控箱有系统启动、系统停止、循环启动、单向启动1、单向启动2、单向停止1、单向停止2 共七个按钮 和七个继电器，内有变压器，接入380V电源直接对液压站供电，通过变压器可转换为5V、12V、24V，满足不同供电需求，可实现磨粒流的循环加工也可实现磨粒流的单向加工。

直线位移测控单元包括限位开关组、光栅尺、数据采集卡、继电器组，通过接触测量和数字化测试方式实现位移测控；系统可机械或自动的设定加工位移（加工行程），实现多次循环加工。限位开关组或光栅尺与数据采集系统、工控机形成闭环测控。

流量测控单元包括继电器组、流量传感器组、比例溢流阀组实现流量的自动测控，也可通过安装于液压站上的比例溢流阀组来机械（手动）调节加工流量。流量传感器、比例溢流阀组和数据采集系统、工控机形成闭环测控。

压力测控单元包括继电器组、压力传感器组、比例伺服阀组实现压力的自动测控，也可通过安装于液压站上的比例伺服阀组来机械（手动）调节加工流量。压力传感器、比例伺服阀组和数据采集系统、工控机形成闭环测控。

温度测控单元包括继电器组和温度传感器组实现温度的自动测控，通过温度传感器组、数据采集系统和工控机构成闭环测控，通过串口通讯来检测温度，在通过温度补偿算法来测控加工温度，通过温度补偿装置实现温度测控。

拆掉链接软管，系统可实现单向加工，即只利用一个液压缸和一个磨粒流缸及变口径管来实现一个方向的磨粒流加工。

进一步的，所述系统还包括与工控机连接的输出设备和显示设备。

本发明实施例的技术方案带来的有益效果如下：本发明公开的变口径管磨粒流超精密抛光测控系统，可以对变口径管等密闭空间的零件精密抛光，使流体磨料粒与被加工通道表面形成碰撞微切削，提高变口径管零件的加工效率和表面质量，是一种造价低、成本低的超精密抛光加工的测控系统。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种变口径管磨粒流循环超精密抛光测控系统结构示意图；

图2为本发明所提供的一种变口径管磨粒流单向超精密抛光测控系统结构示意图；

图3为本发明所提供的传感器组结构示意图；

图4为本发明所提供的测控系统组成结构示意图；

图5为本发明所提供的传液压站主要组成结构示意图；

图6为本发明所提供的继电器组及其与之相连的器件示意图；

图7为本发明所提供的电气控制箱面板示意图；

图8  为本发明所提供的一种变口径管磨粒流循环超精密抛光测控系统流程图。                                                                                                                                                      

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

如图1至图8所示，该系统包括：在变口径管磨粒流加工过程中，安装在磨粒流通道上的用于获取磨粒流加工参数的传感器组1，所述传感器组1的输出端连接将所述磨粒流加工参数输入信号转换为可调的模拟信号输入数据采集系统90；

测控系统2为变口径管磨粒流超精密抛光控制系统的自动测控部分，主要包括位移测控单元21，流量测控单元22，压力测控单元23和温度测控单元24；

液压站3作为动力源，为磨粒流加工系统提供动力，主要包括流量传感器组13，比例伺服阀组32，比例溢流阀组33和换向阀组34；

其中流量传感器组13包括第一流量传感器131、第二流量传感器132；

比例伺服阀组32包括第一比例伺服阀321、第二比例伺服阀322；

比例溢流阀组33包括第一比例溢流阀331、第二比例溢流阀332；

换向阀组34包括第一换向阀341、第二换向阀342、第三换向阀343；

继电气组4包括第一继电器41、第二继电器42、第三继电器43、第四继电器44、第五继电器45、第六继电器46、第七继电器47，其中第一继电器41与第一换向阀341连接、第二继电器42与第二换向阀342连接、第三继电器43与第一流量传感器131连接、第四继电器44与第二流量传感器132连接、第五继电器45与第一压力传感器121连接、第六继电器46与第二压力传感器122连接、第七继电器47与第三换向阀343连接。

变口径管99加工过程中，先触发第七继电器47使得第三换向阀343得电，在机械设定加工位移量后，第一液压缸71和第一磨料缸61的钢制连杆上安装钢制指针91，钢制指针91与第一限位开关81接触，触发第一继电器41，液压站上的第一换向阀341得电，使第一液压缸71带动第一磨料缸61向前移动，磨粒流通过软性连管进入变口径管进行研磨加工。同时，在压力的作用下，第二磨料缸72带动第二液压缸62向后移动。当运动到一定行程后，钢制指针91与第二限位开关82接触，此时触发第二继电器42，液压站上第二换向阀342得电，液压站上第一换向阀341断电，使第二液压缸72带动第二磨料缸62向前移动，磨粒流通过软性连管进入变口径管进行研磨加工，在压力的作用下，第一磨料缸71带动第一液压缸61向后移动，当钢制指针91与第一限位开关81接触后，完成1次加工循环。根据实际加工需求，可进行多次循环加工。自动测控方案是通过工控机设定加工行程，在第一限位开关81和第二限位开关82处安放光栅尺92，钢制指针91默认在第一限位开关81处。系统启动后，触发第一继电器41，液压站上第一换向阀341得电，第一液压缸71带动第一磨料缸61向前移动，磨粒流通过软性连管进入变口径管99进行研磨加工，当指针达到指定的位置后，光栅尺92向数据采集系统90实时放送指令，系统通过数据采集系统90获得当前位移，当达到系统指定位移后，数据采集系统90通过串口通讯的方式向工控机发送到达指令，当接收到到达指令后，系统通过数据采集系统90发送反向移动指令，触发第二继电器42，液压站上第二换向阀342得电，液压站上第一换向阀断电，使第二液压缸72带动第二磨料缸62向前移动，磨粒流通过软性连管进入变口径管进行研磨加工，在压力的作用下，第一磨料缸71带动第一液压缸61向后移动，当钢制指针91达到指定位移后，出发第一继电器41，继续下一次加工循环。

系统设定工作流量后，流量值通过数据采集系统将数字信号转化为模拟信号，第一继电器43得电，第一流量传感器131测量通道内流量，通过第一比例溢流阀331的测控加工流量，实现对磨粒流加工流量的测控；在加工过程中，受加工零件口径变化等因素的影响，流量会有变化。加工过程中，第四继电器44得电，第二流量传感器132测量返回液压站液压油的流量，第二比例溢流阀332将流回液压站的液压油流量测试数据通过数据采集系统将流量返回给工控机，此时需将模拟信号转换为数字信号。第一比例溢流阀331、第二比例溢流阀332、数据采集系统和工控机形成闭环测控，通过相应补偿算法，实现流量的测控。另可手动调节比例溢流阀实现机械方式测控加工流量。

系统所采用的压力传感器具有数显功能，可实时显示变口径管进出口压力值；系统设定加工压力后，第五继电器45得电，压力通过数据采集系统将数字信号转化为模拟信号测控第一压力传感器121，第一压力传感器122与第一比例伺服阀321的测控，实现对磨粒流加工压力的测控；在加工过程中，受摩擦阻力等因素的影响，压力会有损失；加工过程中，继电器46得电，第二比例伺服阀322工作，将负载压力测试数据通过数据采集系统将返回给工控机，此时需将模拟信号转换为数字信号。第一比例伺服阀321、第二比例伺服阀322、数据采集系统和工控机形成闭环测控，通过相应补偿算法，实现压力的测控，测控加工压力恒定。另可手动调节比例伺服阀实现机械方式测控加工压力。

温度传感器安装于变口径管的进口和出口处，温度传感器具有数显功能，可实时读取所加工的变口径管进出口温度。第一温度传感器141、第二温度传感器142、数据采集系统和工控机构成闭环测控，通过串口通讯来检测温度，在通过温度补偿算法来测控加工温度，通过温度补偿装置实现温度测控。

电气控制柜包含系统启动按钮、系统停止按钮、换向启动按钮、循环启动/停止按钮、单向启动1按钮、单向停止1按钮、单向启动2按钮和单向停止2按钮。系统启动时需首先按系统启动按钮，系统停止工作时要按系统停止按钮；若要进行磨粒流加工前需启动换向启动按钮，确保换向阀启动；循环启动/停止按钮可实现磨粒流加工系统的循环加工，按一下系统启动，再按一下系统停止；单向启动按钮和停止按钮是实现单向磨粒流加工启停按钮，单向启动1按钮是第一磨料缸前进和后退按钮，单向停止1按钮第一磨料缸停止按钮，单向启动2按钮是第二磨料缸前进和后退按钮，单向停止2按钮第二磨料缸停止按钮；

系统进行加工时，需首先进行初始化设定，然后通过RS232-485 的转换是系统信号可读，位移传感器组读取位移信号、流量传感器组读取流量、压力传感器组读取压力、温度传感器组读取温度，当流量、压力、温度达到设定值后，系统稳定运行，若流量、压力、温度未达到设定值，系统将进行补偿运算直至达到设定值；当系统达到设定的加工循环次数后，系统停止加工。

拆掉磨料缸和变口径管的连接软管，系统可实现单向加工，即只利用一个液压缸和一个磨粒流缸及变口径管来实现一个方向的磨粒流加工。

变口径管磨粒流超精密抛光测控系统，所述系统还包括与工控机连接的输出设备和显示设备94、电气控制箱95。

本发明实施例的技术方案带来的有益效果如下：本发明公开的变口径管磨粒流超精密抛光测控系统，可以对变口径管等密闭空间的零件精密抛光，使流体颗粒与加工表面形成无缝接触，提高变口径管零件的加工效率和表面质量，是一种造价低、成本低的超精密抛光加工的测控系统。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，但本发明的特征并不局限于此，任何熟悉该项技术的人在本发明领域内，可轻易想到的变化或修饰，都应涵盖在以下本发明的申请专利范围中。

Claims (4)

1.一种变口径管磨粒流超精密抛光测控系统，应用于液压站上，其特征在于，包括直线位移测控单元、流量测控单元、压力测控单元、温度测控单元，直线位移测控单元由第一限位开关、第二限位开关、钢制指针、光栅尺及数据采集系统组成，钢制指针安装于第一限位开关和第二限位开关之间，所述光栅尺位于所述钢制指针的侧方并与数据采集系统连接，用于检测位移测量信号，并将位移测量信号发送给数据采集系统。

2.如权利要求1所述的一种变口径管磨粒流超精密抛光测控系统，其特征在于，在液压站的进出油口安装流量传感器组，用来测量液压站进出口流量，包括安装在第一液压缸上的第一流量传感器和安装在第二液压缸上的第二流量传感器，所述第一流量传感器、第二流量传感器分别连接到数据采集系统，所述液压站上的进出油口上还安装有比例溢流阀组。

3.如权利要求1所述的一种变口径管磨粒流超精密抛光测控系统，其特征在于，在第一磨料缸和变口径管之间分别安放第一压力传感器和第一温度传感器，在第二磨料缸和变口径管之间分别安放第二压力传感器和第二温度传感器，第一压力传感器、第二压力传感器用来测量变口径管进出口压力，第一压力传感器、第二压力传感器分别与数据采集系统连接，第一温度传感器、第二温度传感器用来测量变口径管进出口温度, 第一温度传感器、第二温度传感器分别与数据采集系统连接。

4.如权利要求1所述的一种变口径管磨粒流超精密抛光测控系统，其特征在于，所述系统还包括与工控机连接的输出设备和显示设备，所述输出设备和显示设备分别通过工控机与数据采集系统连接。

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