CN106363468B - 机械抛光过程的建模仿真方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供的一种机械抛光过程的建模仿真方法及装置，涉及超精密制造领域，所述方法包括获取表征抛光工具的第一操作对象、表征工件的第二操作对象、表征抛光液的第三操作对象以及表征所述抛光液中磨粒的第四操作对象；分别获取第一、二、三及四操作对象的物理特性数据；建立表征机械抛光过程的固液耦合模型；基于所述固液耦合模型、第一操作对象的第一运动参数、第二操作对象的第二运动参数以及预设的仿真时间段，进行仿真，并获取所述第二操作对象的受力数据以及所述第四操作对象的速度数据；然后获得第一数据以及第二数据；分析且对比第一数据，获得第一运动参数以及第二运动参数，以便在实际机械抛光过程中提高抛光效率。
Description
技术领域
本发明涉及超精密制造领域，具体而言，涉及一种机械抛光过程的建模仿真方法及装置。
背景技术
微结构表面是具有拓扑几何形状能够实现特定功能的微小结构性表面，在光学、机械和物理等领域都有广泛的应用，其特征尺寸一般在微米级。为了提高微结构表面的加工质量与加工效率，多种加工方法已经被用于微结构表面的加工,如金刚石精密车削、超精密磨削、电火花加工和激光加工等方法，但效果都不尽理想。
经研究，基于机器人的超精密振动辅助机械抛光能有效减轻和避免其他加工方法的缺点，但基于机器人的超精密振动辅助机械抛光技术本身还不成熟，必须对其进行更加深入的理论和实验研究。现有对振动辅助抛光材料去除机理的研究，普遍是通过实验研究获得可控工艺参数对材料去除率、表面粗糙度等的影响规律，借助显微表征手段，对抛光机理进行分析。目前关于振动参数(频率、幅值等)对抛光区磨粒的分布状态、运动特性、微观切削行为等的作用机理尚不能进行很好的解释。因此，深入理解并揭示振动辅助超精密抛光方法的磨粒切削材料的行为，探究其加工机理，已成为一项急需解决的关键问题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种机械抛光过程的建模仿真方法及装置，以解决上述问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种机械抛光过程的建模仿真方法，所述方法包括：获取表征抛光工具的第一操作对象、表征工件的第二操作对象、表征抛光液的第三操作对象以及表征所述抛光液中磨粒的第四操作对象；分别获取所述第一操作对象、所述第二操作对象、所述第三操作对象以及所述第四操作对象的物理特性数据；获取所述第一操作对象的初始运动参数，使得所述第一操作对象与所述第二操作对象之间产生相对运动；基于所述第一操作对象、所述第二操作对象、所述第三操作对象、所述第四操作对象以及所述第一操作对象的初始运动参数，建立表征机械抛光过程的固液耦合模型；获取所述第一操作对象的第一运动参数以及所述第二操作对象的第二运动参数；基于所述表征机械抛光过程的固液耦合模型、所述第一操作对象的第一运动参数、所述第二操作对象的第二运动参数以及预设的仿真时间段，进行仿真，并按照所述预设的仿真时间段的时序获取所述第二操作对象的受力数据以及所述第四操作对象的速度数据；基于预设的表征抛光效率的计算规则、所述第二操作对象的受力数据以及所述第四操作对象的速度数据，获得所述第二操作对象的表征抛光效率的第一数据以及所述第四操作对象的表征抛光效率的第二数据；分析且对比所述第二操作对象的表征抛光效率的第一数据，获得表征抛光效率较好的所述第一操作对象的第一运动参数以及表征抛光效率较好的所述第二操作对象的第二运动参数，以评价所述表征机械抛光过程的固液耦合模型的理论可行性。
第二方面，本发明实施例提供了一种机械抛光过程的建模仿真装置，所述装置包括：操作对象获取单元，用于获取表征抛光工具的第一操作对象、表征工件的第二操作对象、表征抛光液的第三操作对象以及表征所述抛光液中磨粒的第四操作对象；物理特性数据获取单元，用于分别获取所述第一操作对象、所述第二操作对象、所述第三操作对象以及所述第四操作对象的物理特性数据；第一运动参数获取单元，用于获取所述第一操作对象的初始运动参数，使得所述第一操作对象与所述第二操作对象之间产生相对运动；固液耦合模型建立单元，用于基于所述第一操作对象、所述第二操作对象、所述第三操作对象、所述第四操作对象以及所述第一操作对象的初始运动参数，建立表征机械抛光过程的固液耦合模型；第二运动参数获取单元，用于获取所述第一操作对象的第一运动参数以及所述第二操作对象的第二运动参数；仿真单元，用于基于所述表征机械抛光过程的固液耦合模型、所述第一操作对象的第一运动参数、所述第二操作对象的第二运动参数以及预设的仿真时间段，进行仿真，并按照所述预设的仿真时间段的时序获取所述第二操作对象的受力数据以及所述第四操作对象的速度数据；抛光效率数据获取单元，用于基于预设的表征抛光效率的计算规则、所述第二操作对象的受力数据以及所述第四操作对象的速度数据，获得所述第二操作对象的表征抛光效率的第一数据以及所述第四操作对象的表征抛光效率的第二数据；固液耦合模型评价单元，用于分析且对比所述第二操作对象的表征抛光效率的第一数据，获得表征抛光效率较好的所述第一操作对象的第一运动参数以及表征抛光效率较好的所述第二操作对象的第二运动参数，以评价所述表征机械抛光过程的固液耦合模型的理论可行性。
本发明实施例提供了一种机械抛光过程的建模仿真方法及装置，通过获取表征抛光工具的第一操作对象、表征工件的第二操作对象、表征抛光液的第三操作对象以及表征所述抛光液中磨粒的第四操作对象；分别获取所述第一操作对象、所述第二操作对象、所述第三操作对象以及所述第四操作对象的物理特性数据；获取所述第一操作对象的初始运动参数，使得所述第一操作对象与所述第二操作对象之间产生相对运动；基于所述第一操作对象、所述第二操作对象、所述第三操作对象、所述第四操作对象以及所述第一操作对象的初始运动参数，建立表征机械抛光过程的固液耦合模型；获取所述第一操作对象的第一运动参数以及所述第二操作对象的第二运动参数；基于所述表征机械抛光过程的固液耦合模型、所述第一操作对象的第一运动参数、所述第二操作对象的第二运动参数以及预设的仿真时间段，进行仿真，并按照所述预设的仿真时间段的时序获取所述第二操作对象的受力数据以及所述第四操作对象的速度数据；基于预设的表征抛光效率的计算规则、所述第二操作对象的受力数据以及所述第四操作对象的速度数据，获得所述第二操作对象的表征抛光效率的第一数据以及所述第四操作对象的表征抛光效率的第二数据；分析且对比所述第二操作对象的表征抛光效率的第一数据，获得表征抛光效率较好的所述第一操作对象的第一运动参数以及表征抛光效率较好的所述第二操作对象的第二运动参数，以便在实际机械抛光过程中提高抛光效率。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为一种可应用于本申请实施例中的电子设备的结构框图；
图2为本发明第一实施例提供的机械抛光过程的建模仿真方法的流程图；
图3为本发明第二实施例提供的机械抛光过程的建模仿真方法的流程图；
图4为本发明第二实施例提供的微结构表面振动辅助抛光的示意图；
图5为本发明第二实施例提供的抛光工具的示意图；
图6为本发明第二实施例提供的工件的示意图；
图7为本发明第二实施例提供的磨粒的示意图；
图8为本发明第二实施例提供的流体网格的示意图；
图9为本发明第二实施例提供的固液耦合模型的示意图；
图10为本发明第二实施例提供的抛光工具在力的作用下向下运动的示意图；
图11为本发明第二实施例提供的无振动情况下流体压强随时间变化的示意图；
图12为本发明第二实施例提供的无振动情况下流体速度随时间变化的示意图；
图13为本发明第二实施例提供的振动频率为900Hz流体压强随时间变化的示意图；
图14为本发明第二实施例提供的振动频率为900Hz流体速度随时间变化的示意图；
图15为本发明第二实施例提供的振动频率为20000Hz流体压强随时间变化的示意图；
图16为本发明第二实施例提供的振动频率为20000Hz流体速度随时间变化的示意图；
图17为本发明第二实施例提供的第1个颗粒的运动轨迹的示意图；
图18为本发明第二实施例提供的第2个颗粒的运动轨迹的示意图；
图19为本发明第二实施例提供的第3个磨粒的运动轨迹的示意图；
图20为本发明第二实施例提供的第4个磨粒的运动轨迹的示意图；
图21为本发明第二实施例提供的第5个磨粒的运动轨迹的示意图；
图22为本发明第二实施例提供的第6个磨粒的运动轨迹的示意图；
图23为本发明第二实施例提供的低频振动频率对工件所受非平衡力对时间的积分的影响的示意图；
图24为本发明第二实施例提供的低频振动频率对磨粒速度对时间积分的影响的示意图；
图25为本发明第二实施例提供的高频振动频率对工件所受非平衡力对时间的积分的影响的示意图；
图26为本发明第二实施例提供的高频振动频率对磨粒速度对时间积分的影响的示意图；
图27为本发明第三实施例提供的机械抛光过程的建模仿真装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参阅图1，图1示出了一种可应用于本申请实施例中的电子设备100的结构框图。该电子设备100可以作为用户终端，也可以是计算机或服务器，所述用户终端可以为手机或平板电脑。如图1所示，电子设备100可以包括存储器110、存储控制器111、处理器112和机械抛光过程的建模仿真装置。
存储器110、存储控制器111、处理器112各元件之间直接或间接地电连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件之间可以通过一条或多条通讯总线或信号总线实现电连接。机械抛光过程的建模仿真方法分别包括至少一个可以以软件或固件(firmware)的形式存储于存储器110中的软件功能模块，例如所述机械抛光过程的建模仿真装置包括的软件功能模块或计算机程序。
存储器110、存储控制器111、处理器112各元件之间直接或间接地电连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件之间可以通过一条或多条通讯总线或信号总线实现电连接。机械抛光过程的建模仿真方法分别包括至少一个可以以软件或固件(firmware)的形式存储于存储器110中的软件功能模块，例如所述机械抛光过程的建模仿真装置包括的软件功能模块或计算机程序。
存储器110可以存储各种软件程序以及模块，如本申请实施例提供的机械抛光过程的建模仿真方法及装置对应的程序指令/模块。处理器112通过运行存储在存储器110中的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现本申请实施例中的机械抛光过程的建模仿真方法。存储器110可以包括但不限于随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)，只读存储器(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-Only Memory，PROM)，可擦除只读存储器(ErasableProgrammableRead-Only Memory，EPROM)，电可擦除只读存储器(ElectricErasable ProgrammableRead-Only Memory，EEPROM)等。
处理器112可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。上述处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(NetworkProcessor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。其可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
第一实施例
请参阅图2，本实施例提供了一种机械抛光过程的建模仿真方法，所述方法包括：
S200：获取表征抛光工具的第一操作对象、表征工件的第二操作对象、表征抛光液的第三操作对象以及表征所述抛光液中磨粒的第四操作对象；
S210：分别获取所述第一操作对象、所述第二操作对象、所述第三操作对象以及所述第四操作对象的物理特性数据；
S220：获取所述第一操作对象的初始运动参数，使得所述第一操作对象与所述第二操作对象之间产生相对运动；
S230：基于所述第一操作对象、所述第二操作对象、所述第三操作对象、所述第四操作对象以及所述第一操作对象的初始运动参数，建立表征所述机械抛光过程的固液耦合模型；
S240：获取所述第一操作对象的第一运动参数以及所述第二操作对象的第二运动参数；
S250：基于所述表征机械抛光过程的固液耦合模型、所述第一操作对象的第一运动参数、所述第二操作对象的第二运动参数以及预设的仿真时间段，进行仿真，并按照所述预设的仿真时间段的时序获取所述第二操作对象的受力数据以及所述第四操作对象的速度数据；
S260：基于预设的表征抛光效率的计算规则、所述第二操作对象的受力数据以及所述第四操作对象的速度数据，获得所述第二操作对象的表征抛光效率的第一数据以及所述第四操作对象的表征抛光效率的第二数据；
S270：分析且对比所述第二操作对象的表征抛光效率的第一数据，获得表征抛光效率较好的所述第一操作对象的第一运动参数以及表征抛光效率较好的所述第二操作对象的第二运动参数，以评价所述表征机械抛光过程的固液耦合模型的理论可行性。
本发明实施例提供了一种机械抛光过程的建模仿真方法，通过建立表征机械抛光过程的固液耦合模型，进行仿真，获得表征抛光效率较好的运动参数，从而对于振动辅助抛光材料去除机理的研究将有极大的促进作用，对实际机械抛光工艺参数的优化具有良好的指导意义，以便在实际机械抛光过程中提高抛光效率。
第二实施例
请参照图3，本发明实施例提供了一种机械抛光过程的建模仿真方法，所述方法包括：
S300：获取表征抛光工具的第一操作对象、表征工件的第二操作对象、表征抛光液的第三操作对象以及表征所述抛光液中磨粒的第四操作对象；
S310：分别获取所述第一操作对象、所述第二操作对象、所述第三操作对象以及所述第四操作对象的物理特性数据；
请参照图4，微结构振动辅助机械抛光由旋转的工件，振动的抛光工具和含有磨料的抛光液组成。在抛光工具往复振动和工件的旋转运动驱动下，抛光液中的磨粒得到足够的速度和能量，对工件表面进行微量切削，达到抛光的目的。
散体物质普遍存在于自然界中，不少工程问题涉及到散体物质的处理分析。散体物质结构多样，有不含气体和液体的干散体，有含有气体、液体或两者皆含有的多相流体，以及填隙液体和密实颗粒体混成的湿颗粒群。散体物质有两个特征，其一为“散”，即散体颗粒的形状、粒度和物性都表现出分散性。其二为“动”，及散体物质运动过程中的碰撞、波动和颗粒集合体的凝聚、分解。经证实，将连续体力学的理论运用于散体物质的研究是有很大弊端的。因为散体物质的特征与连续体理论中均匀、连续的解设不一致，以致散体物质用连续体理论不能得到很好的模拟。离散元法随着计算机技术的突飞猛进应运而生，成为模拟散体物质的崭新数值分析方法。
离散单元法使用的单元有颗粒体和块体两大类，这些单元作为基本单元在离散元方法中用于组成散体物质，单元的个数为有限个，在此只讨论单元为颗粒体的情形。离散元法中使用显式差分法，并让每个单元满足牛顿第二定律，以此得到单元的速度、位置等运动信息。
PFC3D用离散单元法模拟球形颗粒的运动和相互作用，也可以模拟通过将两个或两个以上的球形颗粒粘接为任意形状的具有自主性的物体的运动行为(使用块Clump命令)。PFC3D也可以模拟脆性固体(通过将每个颗粒彼此粘接)，得到的集合体具有弹性特性，当粘接被破坏，所得集合体能够破裂、损毁。模型实体可以被建成为各向同性的，也可以包含不同性质的区域或块。
作为一种实施方式，利用PFC3D4.0软件首先对工件与抛光工具接触区域微小结构进行简化，以利于后续建模；然后根据实际情况选取合适仿真参数；接着依据简化后的模型和所选参数进行建模；最后进行仿真，记录数据，分析结果。
具体地，首先对工件与抛光工具接触区域微小结构进行简化，使用PFC3D4.0软件中的Clump功能建立抛光工具和工件，简化后的模型如图5和图6，Clump由一定数量的Ball组成；使用PFC3D4.0软件中的Ball功能建立抛光液中的磨粒，简化后的模型请参阅图7；使用PFC3D4.0软件中的Basic Fluid Analysis Option功能建立抛光液的液体部分，简化后的模型如图8，整个模型总体效果请参阅图9。
其次，根据实际情况选取合适仿真参数。根据所模拟的实际情况选取用于创建抛光工具和工件以及磨粒的Ball的刚度，密度，摩擦系数和大小，数量参数；选取抛光液密度、黏度以及反映实际的边界条件；选取合适的振动参数、抛光压力、工件进给速度和仿真时长。由于金刚石抛光液中磨粒是悬浮的，所以实验中忽略浮力和重力的作用。
作为一种实施方式，抛光工具所用材料为聚氨酯，由66个半径为30μm的颗粒组成的Clump建立，长为405μm，宽为187.3μm，高为60μm，密度为1170kg/m3，法向刚度为：kn＝6*104N/m，切向刚度为：ks＝6*104N/m，摩擦系数为0.2；工件是由200个半径为30μm的颗粒组成的Clump，材料为碳化硅，长为1026μm，宽为216.5μm，高为60μm，密度为3200kg/m3，法向刚度为kn＝4.92*107N/m，切向刚度为ks＝4.92*107N/m，摩擦系数为0.12；磨料为金刚石微粉，用500个半径0.25μm的Ball来建立，密度为3500kg/m3，法向刚度为kn＝1.32*108N/m，切向刚度为ks＝1.32*108N/m，摩擦系数为0.08；抛光液为常温液态水，密度为997.048kg/m3，黏度为0.8937*10-3Pa*s，用长为250μm，宽为130μm，高为130μm的流体网格来模拟，流体最外层网格用来施加流体边界条件，流体前后左右以及上部使用压力边界条件(流体可穿过)，流体下部使用滑动边界条件(流体不可穿过)。工件抛光区域直径为2mm。仿真实验抛光工具与工件接触区域的面积为4.39*10-8m2。由于金刚石抛光液中磨粒是悬浮的，所以实验中忽略浮力和重力的作用。系统阻尼系数设为0.1。
S330：以所述第三操作对象为运行环境变量，基于所述第一操作对象的初始运动参数，使得所述第一操作对象运动并推动所述第二操作对象与所述第四操作对象接触且产生相对运动，直到相对运动达到稳定状态，建立表征机械抛光过程的固液耦合模型；
PFC3D使用固定粗分网格流体流动方案来进行流体和颗粒的耦合仿真，此方案为流体求解局部平均的两相(流体和固体)的质量和动量方程。对于流体和固体的相互作用，此方案可以被认为是Navier-Stokes方程的一般形式。流体求解器使用著名的SIMPLE方案，这些流体是不可压缩粘性或非粘性流体，存在于固定在笛卡尔坐标系中的矩形几何体中，流体内部离散是固定的和有规律的，多种流体边界条件可施加于固定的矩形几何体外侧。基础耦合公式假定PFC3D的颗粒半径远小于单个流体单元的长度。
建模过程为：首先按所选参数生成模型中除了抛光液的其他部分。然后施加一个力来使抛光工具下行和工件磨粒接触，如图10，图中箭头的方向表示磨粒速度的方向，箭头的长短表示颗粒速度的大小。运行足够长的时间使模型达到相对稳定状态(速度足够小)。当模型运行到稳定状态，加上流体网格，模型建立完成。
S340：获取所述第一操作对象的第一运动参数以及所述第二操作对象的第二运动参数；
作为一种实施方式，所有振动均为抛光工具水平一维往复振动，方向与工件运动方向一致。
S350：在所述表征机械抛光过程的固液耦合模型中，在预设的仿真时间段内，所述第一操作对象的第一运动参数使得所述第一操作对象做一维往复运动，所述第二操作对象的第二运动参数使得所述第二操作对象与所述第一操作对象做相同方向的运动，同时获取在预设的仿真时间段内每个时刻所述第二操作对象的受力数据以及所述第四操作对象的速度数据；
S360：基于冲量公式以及所述第二操作对象的受力数据，获取所述第二操作对象的表征抛光效率的第一数据；基于速度对时间积分的公式以及所述第四操作对象的速度数据，获得所述第四操作对象的表征抛光效率的第二数据；
S370：分析所述第二操作对象的表征抛光效率的第一数据，获得所述第二操作对象的表征抛光效率的第一数据的最大值，从而获得与所述第二操作对象的表征抛光效率的第一数据的最大值所对应的所述第二操作对象的第一运动参数以及所述第二操作对象的第一运动参数，以评价所述表征机械抛光过程的固液耦合模型的理论可行性。
进而进行仿真，记录数据，分析结果为：数据记录伴随着仿真进行，记录的数据有流体压力、流体速度、磨粒轨迹、单个流体网格中各个时刻所有颗粒的x、y、z向平均速度的大小、工件在各个时刻受到的x、y、z向非平衡力的大小。抛光效率的优劣用单个流体网格中所有颗粒速度大小的平均值对时间的积分值的大小和工件所受非平衡力的大小对时间的积分值的大小来表征。
作为一种实施方式，在无磨粒的情况下进行，进行了三个实验，振动频率分别为0Hz、900Hz和20000Hz，其他实验参数相同：振幅30μm，工件速度3.52m/s，抛光压力30mN。用PFC3D4.0软件记录并绘出了流体速度与压强随时间的变化情况，如图11到图16所示。
从图11、图13和图15可以看出，在没有振动输入的情况下，流体压强曲线变化较为平稳，其值在-0.64*103Pa到0.74*103Pa之间。当振动频率为900Hz时，流体压强曲线出现明显波动，其值在-1.3*103Pa到2.3*103Pa之间。当振动频率为20000Hz时，流体压强明显增大，其值在-92*103Pa到88*103Pa之间。从图12、图14和图16可以看出，在没有振动输入的情况下，流体速度曲线变化较为平稳，其值在2.51m/s到2.57m/s之间。当振动频率为900Hz时，流体速度曲线出现明显波动，其值在2.4m/s到2.71m/s之间。当振动频率为20000Hz时，流体速度明显增大，其值在1.4m/s到3.5m/s之间。
因此，分析得出：在没有振动输入的情况下，流体压力和速度曲线变化都较为平稳；当有振动输入时，流体压力和速度曲线都出现明显波动，且流体压力和速度的幅值有明显增大,当振动频率越大时，流体受到的影响越大。由此可见，振动能够有效加速流体的流动和加强流体内部压力作用，这将促使振动辅助抛光中磨粒对工件具有更强的冲击作用。
作为一种实施方式，本实施例提供了一个周期内颗粒的运动轨迹实验。在振动频率为20000Hz，振幅30μm，工件速度5.23*10-3m/s，抛光压力30mN的参数条件下。跟踪观察了随机选择的第1个、第2个、第3个、第4个、第5个和第6个磨粒的运动轨迹，实验时长为5*10- 5s，如图17到图22所示。
从图17到图22中可以看出，磨粒运动较无规律，这是由于振动的输入使得抛光液运动变得无规律，磨粒在抛光液的带动下，表现出无规律性。在短时间内，颗粒轨迹线发生多次变向，直观地反映出振动的输入使得磨粒的运动异常地活跃。
作为一种实施方式，本实施例提供了振动频率对抛光效率的影响实验。
在11种振动频率下(100Hz，300Hz，500Hz，700Hz，900Hz，1500Hz，3000Hz，5000Hz，10000Hz，20000Hz，30000Hz)研究了振动频率对抛光效率的影响。振幅为30μm，工件速度为5.23*10-3m/s，抛光压力为30mN，单个实验时长为2*10-4s，100Hz到1500Hz时工件速度为3.52m/s，3000Hz到30000Hz时工件速度为5.23*10-3m/s。实验结果如图23到图26所示。
对比图23到图26发现，无论在高低频率下，频率对工件所受非平衡力对时间的积分的影响规律和频率对磨粒速度对时间积分的影响规律都具有较强的一致性。这表明工件所受非平衡力的大小和磨粒总体活跃程度呈正相关。
在低频振动加上高工件转速条件下，工件所受非平衡力对时间的积分和磨粒速度对时间积分随着振动频率的增加，都有一个先下降再上升后又下降的过程，在振动频率为300Hz左右时达到最低，频率为100Hz和1000Hz时达到较大值。在高频振动加上低工件转速条件下，工件所受非平衡力对时间的积分和磨粒速度对时间积分随着振动频率的增加，都基本呈现稳步上升的趋势。这一发现对实际加工条件下频率的选取具有指导意义。
本发明实施例提供了一种机械抛光过程的建模仿真方法，通过建立表征机械抛光过程的固液耦合模型，进行仿真，获得表征抛光效率较好的低频振动加上高工件转速条件、高频振动加上低工件转速条件，从而对于振动辅助抛光材料去除机理的研究将有极大的促进作用，对实际机械抛光工艺参数的优化具有良好的指导意义，以便在实际机械抛光过程中提高抛光效率。
第三实施例
请参照图27，本发明实施例提供了一种机械抛光过程的建模仿真装置400，所述装置400包括：
操作对象获取单元410，用于获取表征抛光工具的第一操作对象、表征工件的第二操作对象、表征抛光液的第三操作对象以及表征所述抛光液中磨粒的第四操作对象；
物理特性数据获取单元420，用于分别获取所述第一操作对象、所述第二操作对象、所述第三操作对象以及所述第四操作对象的物理特性数据；
第一运动参数获取单元430，用于获取所述第一操作对象的初始运动参数，使得所述第一操作对象与所述第二操作对象之间产生相对运动；
固液耦合模型建立单元440，用于基于所述第一操作对象、所述第二操作对象、所述第三操作对象、所述第四操作对象以及所述第一操作对象的初始运动参数，建立表征机械抛光过程的固液耦合模型；
作为一种实施方式，所述固液耦合模型建立单元440，用于以所述第三操作对象为运行环境变量，基于所述第一操作对象的初始运动参数，使得所述第一操作对象运动并推动所述第二操作对象与所述第四操作对象接触且产生相对运动，直到相对运动达到稳定状态，建立表征所述机械抛光过程的固液耦合模型。
第二运动参数获取单元450，用于获取所述第一操作对象的第一运动参数以及所述第二操作对象的第二运动参数；
仿真单元460，用于基于所述表征机械抛光过程的固液耦合模型、所述第一操作对象的第一运动参数、所述第二操作对象的第二运动参数以及预设的仿真时间段，进行仿真，并按照所述预设的仿真时间段的时序获取所述第二操作对象的受力数据以及所述第四操作对象的速度数据；
作为一种实施方式，所述仿真单元460，用于在所述表征机械抛光过程的固液耦合模型中，在预设的仿真时间段内，所述第一操作对象的第一运动参数使得所述第一操作对象做一维往复运动，所述第二操作对象的第二运动参数使得所述第二操作对象与所述第一操作对象做相同方向的运动，同时获取在预设的仿真时间段内每个时刻所述第二操作对象的受力数据以及所述第四操作对象的速度数据。
抛光效率数据获取单元470，用于基于预设的表征抛光效率的计算规则、所述第二操作对象的受力数据以及所述第四操作对象的速度数据，获得所述第二操作对象的表征抛光效率的第一数据以及所述第四操作对象的表征抛光效率的第二数据；
作为一种实施方式，抛光效率数据获取单元470，用于基于冲量公式以及所述第二操作对象的受力数据，获取所述第二操作对象的表征抛光效率的第一数据；基于速度对时间积分的公式以及所述第四操作对象的速度数据，获得所述第四操作对象的表征抛光效率的第二数据。
固液耦合模型评价单元480，用于分析且对比所述第二操作对象的表征抛光效率的第一数据，获得表征抛光效率较好的所述第一操作对象的第一运动参数以及表征抛光效率较好的所述第二操作对象的第二运动参数，以评价所述表征机械抛光过程的固液耦合模型的理论可行性。
作为一种实施方式，所述固液耦合模型评价单元480，用于分析所述第二操作对象的表征抛光效率的第一数据，获得所述第二操作对象的表征抛光效率的第一数据的最大值，从而获得与所述第二操作对象的表征抛光效率的第一数据的最大值所对应的所述第二操作对象的第一运动参数以及所述第二操作对象的第一运动参数，以评价所述表征机械抛光过程的固液耦合模型的理论可行性。
需要说明的是，本实施例中的各单元可以是由软件代码实现，此时，上述的各单元可存储于存储器110内。以上各单元同样可以由硬件例如集成电路芯片实现。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
Claims (8)
1.一种机械抛光过程的建模仿真方法，其特征在于，所述方法包括：
获取表征抛光工具的第一操作对象、表征工件的第二操作对象、表征抛光液的第三操作对象以及表征所述抛光液中磨粒的第四操作对象；
分别获取所述第一操作对象、所述第二操作对象、所述第三操作对象以及所述第四操作对象的物理特性数据；
获取所述第一操作对象的初始运动参数，使得所述第一操作对象与所述第二操作对象之间产生相对运动；
基于所述第一操作对象、所述第二操作对象、所述第三操作对象、所述第四操作对象以及所述第一操作对象的初始运动参数，建立表征机械抛光过程的固液耦合模型；
获取所述第一操作对象的第一运动参数以及所述第二操作对象的第二运动参数；
基于所述表征机械抛光过程的固液耦合模型、所述第一操作对象的第一运动参数、所述第二操作对象的第二运动参数以及预设的仿真时间段，进行仿真，并按照所述预设的仿真时间段的时序获取所述第二操作对象的受力数据以及所述第四操作对象的速度数据；
基于预设的表征抛光效率的计算规则、所述第二操作对象的受力数据以及所述第四操作对象的速度数据，获得所述第二操作对象的表征抛光效率的第一数据以及所述第四操作对象的表征抛光效率的第二数据；
分析且对比所述第二操作对象的表征抛光效率的第一数据，获得表征抛光效率较好的所述第一操作对象的第一运动参数以及表征抛光效率较好的所述第二操作对象的第二运动参数，以评价所述表征机械抛光过程的固液耦合模型的理论可行性；
所述基于所述第一操作对象、所述第二操作对象、所述第三操作对象、所述第四操作对象以及所述第一操作对象的初始运动参数，建立表征机械抛光过程的固液耦合模型，包括：
以所述第三操作对象为运行环境变量，基于所述第一操作对象的初始运动参数，使得所述第一操作对象运动并推动所述第二操作对象与所述第四操作对象接触且产生相对运动，直到相对运动达到稳定状态，建立表征机械抛光过程的固液耦合模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述表征机械抛光过程的固液耦合模型、所述第一操作对象的第一运动参数、所述第二操作对象的第二运动参数以及预设的仿真时间段，进行仿真，并按照所述预设的仿真时间段的时序获取所述第二操作对象的受力数据以及所述第四操作对象的速度数据，包括:
在所述表征机械抛光过程的固液耦合模型中，在预设的仿真时间段内，所述第一操作对象的第一运动参数使得所述第一操作对象做一维往复运动，所述第二操作对象的第二运动参数使得所述第二操作对象与所述第一操作对象做相同方向的运动，同时获取在预设的仿真时间段内每个时刻所述第二操作对象的受力数据以及所述第四操作对象的速度数据。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于预设的表征抛光效率的计算规则、所述第二操作对象的受力数据以及所述第四操作对象的速度数据，获得所述第二操作对象的表征抛光效率的第一数据以及所述第四操作对象的表征抛光效率的第二数据，包括：
基于冲量公式以及所述第二操作对象的受力数据，获取所述第二操作对象的表征抛光效率的第一数据；基于速度对时间积分的公式以及所述第四操作对象的速度数据，获得所述第四操作对象的表征抛光效率的第二数据。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分析且对比所述第二操作对象的表征抛光效率的第一数据，获得表征抛光效率的所述第二操作对象的第一运动参数以及表征抛光效率的所述第四操作对象的第二运动参数，以评价所述表征机械抛光过程的固液耦合模型的理论可行性，包括：
分析所述第二操作对象的表征抛光效率的第一数据，获得所述第二操作对象的表征抛光效率的第一数据的最大值，从而获得与所述第二操作对象的表征抛光效率的第一数据的最大值所对应的所述第二操作对象的第一运动参数以及所述第二操作对象的第一运动参数，以评价所述表征机械抛光过程的固液耦合模型的理论可行性。
5.一种机械抛光过程的建模仿真装置，其特征在于，所述装置包括：
操作对象获取单元，用于获取表征抛光工具的第一操作对象、表征工件的第二操作对象、表征抛光液的第三操作对象以及表征所述抛光液中磨粒的第四操作对象；
物理特性数据获取单元，用于分别获取所述第一操作对象、所述第二操作对象、所述第三操作对象以及所述第四操作对象的物理特性数据；
第一运动参数获取单元，用于获取所述第一操作对象的初始运动参数，使得所述第一操作对象与所述第二操作对象之间产生相对运动；
固液耦合模型建立单元，用于基于所述第一操作对象、所述第二操作对象、所述第三操作对象、所述第四操作对象以及所述第一操作对象的初始运动参数，建立表征机械抛光过程的固液耦合模型；
第二运动参数获取单元，用于获取所述第一操作对象的第一运动参数以及所述第二操作对象的第二运动参数；
仿真单元，用于基于所述表征机械抛光过程的固液耦合模型、所述第一操作对象的第一运动参数、所述第二操作对象的第二运动参数以及预设的仿真时间段，进行仿真，并按照所述预设的仿真时间段的时序获取所述第二操作对象的受力数据以及所述第四操作对象的速度数据；
抛光效率数据获取单元，用于基于预设的表征抛光效率的计算规则、所述第二操作对象的受力数据以及所述第四操作对象的速度数据，获得所述第二操作对象的表征抛光效率的第一数据以及所述第四操作对象的表征抛光效率的第二数据；
固液耦合模型评价单元，用于分析且对比所述第二操作对象的表征抛光效率的第一数据，获得表征抛光效率较好的所述第一操作对象的第一运动参数以及表征抛光效率较好的所述第二操作对象的第二运动参数，以评价所述表征机械抛光过程的固液耦合模型的理论可行性；
所述固液耦合建立单元，用于以所述第三操作对象为运行环境变量，基于所述第一操作对象的初始运动参数，使得所述第一操作对象运动并推动所述第二操作对象与所述第四操作对象接触且产生相对运动，直到相对运动达到稳定状态，建立表征所述机械抛光过程的固液耦合模型。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述仿真单元，用于在所述表征机械抛光过程的固液耦合模型中，在预设的仿真时间段内，所述第一操作对象的第一运动参数使得所述第一操作对象做一维往复运动，所述第二操作对象的第二运动参数使得所述第二操作对象与所述第一操作对象做相同方向的运动，同时获取在预设的仿真时间段内每个时刻所述第二操作对象的受力数据以及所述第四操作对象的速度数据。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述抛光效率数据获取单元，用于基于冲量公式以及所述第二操作对象的受力数据，获取所述第二操作对象的表征抛光效率的第一数据；基于速度对时间积分的公式以及所述第四操作对象的速度数据，获得所述第四操作对象的表征抛光效率的第二数据。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述固液耦合模型评价单元，用于分析所述第二操作对象的表征抛光效率的第一数据，获得所述第二操作对象的表征抛光效率的第一数据的最大值，从而获得与所述第二操作对象的表征抛光效率的第一数据的最大值所对应的所述第二操作对象的第一运动参数以及所述第二操作对象的第一运动参数，以评价所述表征机械抛光过程的固液耦合模型的理论可行性。
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