CN101249615A - 一种切削温度的在线控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种切削温度的在线控制装置及控制方法，在机床上将两种冷却装置分别接在靠近工件切削区的喷嘴上，在靠近切削区的工件上固定热电偶，热电偶的另一端与信号放大器的输入端串联；信号放大器的输出端连接数据显示器；将气体比例电磁阀和液体比例电磁阀分别连接控制器的输出端，控制器的输入端与信号放大器的输出端相连，并与数据显示器的输入端相连，通过控制器对两路冷却装置的在线自适应闭环反馈调节，可对切削区的温度冷却到设定的恒定温度，同时可从中得到在喷雾冷却切削中的工艺参数优化值，信号放大器具有温度补偿功能，使得采集的实验温度正确可靠；控制器拥有智能模糊控制的先进理论，使得控制效果准确实时。

Description

一种切削温度的在线控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种可对切削温度进行控制的装置及控制方法，属于机械制造的金属切削技术领域。

背景技术

在金属切削加工中，会产生大量的切削热，从而使切削区的切削温度升高、切削力增加，刀具磨损加剧，整个切削过程变得困难，并最终影响被加工零件的表面质量、尺寸精度和零件加工的生产率等。因此在切削加工中往往需要增加冷却液进行冷却切削，改善切削环境达到提高零件加工表面质量的目的。目前采用的冷却金属切削区的方法是在机床上装有一套液体冷却装置，在切削时开启该装置中的冷却泵，使冷却箱中的冷却液经调节阀和喷嘴喷出冷却工件，同时在机床上还装有一套空气冷却装置，切削时该装置中的空气压缩机将空气压缩、冷却后依次经安全阀、截止阀、调节阀和喷嘴后喷出冷却工件。该方法能有效地降低切削温度、减少污染，但这种工艺方法的缺陷是：1.由于被切削材料加工难易程度不一样，为满足切削时冷却的需要，操作者通过控制冷却液流量的大小或者控制压缩空气量来控制切削区温度，这种操作只能凭经验来调整阀开关。2.切削性能不稳定。在切削时冷却效果涉及到不同介质、压力、靶距、入射角等工艺参数，尤其是在精密切削中，一个恒定的切削过程是非常重要的。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种切削温度的自适应在线控制装置，能根据喷雾冷却效果自动调整影响冷却温度的工艺参数。

本发明的另一目的是提供一种切削温度的在线控制方法，在操作时可精确地控制切削温度。

本发明装置采用的技术方案是：在机床上安装一套包括供水箱和液体比例电磁阀组成的液体冷却装置、一套包括空气压缩机和气体比例电磁阀组成的的空气冷却装置，将两种冷却装置分别接在靠近工件切削区的喷嘴上，在靠近切削区的工件上固定热电偶，热电偶的另一端与信号放大器的输入端串联；信号放大器的输出端连接数据显示器；将气体比例电磁阀和液体比例电磁阀分别连接控制器的输出端，控制器的输入端与信号放大器的输出端相连，并与数据显示器的输入端相连。

本发明控制方法采用的技术方案依序包括：a、通过控制器将切削区温度设定不大于100℃；b、通过热电偶测量工件端面的温度值并将其转换为毫伏级的电压信号，此电压信号经过信号放大器变成0～5V的电压信号，该0～5V的电压信号分为两路，一路输送给控制器，另一路输送给数据显示器进行处理并显示波形和数据；c、控制器通过判断送来的电压信号与设定的参考信号之间的偏差及偏差的变化率来调整气体比例电磁阀和液体比例电磁阀的开度大小，使雾滴从喷嘴口喷向切削区工件的端面上；d、工件经雾滴冷却后，由热电偶将实时温度值经信号放大器放大后反馈给控制器，控制器将温度反馈值与内部设定的温度进行对比处理后再分两路输出，一路是将气体电压控制信号输出给气体比例电磁阀的控制电缆，另一路是将液体电压控制信号输出给液体比例电磁阀的控制电缆，由此完成反馈控制；e、当调整工件的靶距L、入射角和气源压力，或者更换工件的材料时，应当重复上述步骤a～d。

本发明通过控制器对两路冷却装置的在线自适应闭环反馈调节，可对切削区的温度冷却到设定的恒定温度，同时可从中得到在喷雾冷却切削中的工艺参数优化值。本发明的信号放大器具有温度补偿功能，使得采集的实验温度正确可靠；控制器拥有智能模糊控制的先进理论，使得控制效果准确实时。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明装置的结构连接示意图；

图2是图1所示装置的控制原理图；

图3是图1中信号放大器6的电路原理连接图；

图4是图3中温度补偿电路I的电路原理连接图；

图5是图1中控制器5的电路原理连接图。

具体实施方式

如图1所示，在机床上安装一套液体冷却装置，该液体冷却装置包括将供水箱3和液体比例电磁阀4串接后再连接到靠近工件9切削区的喷嘴8上。在机床上还安装一套空气冷却装置，该空气冷却装置包括将空气压缩机1和气体比例电磁阀2串接后再连接到喷嘴8上。空气压缩机1与气体比例电磁阀2之间用可通气体的塑料管连接；供水箱3是一个储水箱，它与液体比例电磁阀4之间用可通液体的塑料管连接；喷嘴8为外混二流式喷嘴，它的气体输入口与气体比例电磁阀2之间用可通气体的塑料管连接，同时液体输入口与液体比例电磁阀4之间用可通液体的塑料管连接；喷嘴8被夹在靶距与入射角工艺参数调节器上；热电偶7为K型，其包括正、负两根导线，将正、负两根导线一端固定焊在一起并固定点焊在靠近切削区的工件9上，位置靠近裸露表面的一侧，热电偶7正、负两根导线的另一端分别与信号放大板6的正、负输入端相连；数据显示器10由A/D模数转换卡和计算机构成，A/D模数转换卡的输入端口与信号放大器6的输出端口相连，同时A/D模数转换卡插在计算机的PCI插槽内；自适应控制器5的输入端口与信号放大板6的输出端口相连，并与数据显示模块10的输入端口相连；控制器5的液体控制信号输出端与液体比例电磁阀4的控制电缆相连，控制器5的气体控制信号输出端与气体比例电磁阀2的控制电缆相连。

如图2所示，装置包括气体、液体两路供给和两个反馈控制回路。两路供给分别为空气压缩机1，它输出一定压力P的气体，经气体比例电磁阀2输出调整压力后压力为P′的气体，该气体送入喷嘴8的气体端口。供水箱3输出一定流量Q的水，经液体比例电磁阀4输出调整流量后流量为Q′的水，该水送入喷嘴8的液体端口；水和气体混合后经喷嘴雾化输出气液混合物F喷向工件9，此时的喷嘴8具有一定的靶距L和入射角α。工件9设定温度为T，气液混合物F喷向工件9裸露的表面，工件9的温度将降低，得到实时温度T′。两个反馈控制回路分别为：温度T′经热电偶7后送出毫伏级电压信号U₁，U₁经信号放大器6放大为0～5V电压信号U₂，U₂除送入数据显示器10显示处理外，将传入控制器5，控制器5将U₂处理后与内部设定的温度T₀进行对比处理后输出0～5V气体电压控制信号U_C1，U_C1送入气体比例电磁阀2的控制电缆，气体比例电磁阀2调整开度后改变了气体压力P′，P′改变了F，F改变了T′，T′改变了U₁，U₁改变了U₂，U₂送入5再与T₀进行对比输出U_C1完成一路反馈控制。另一路，温度T′经热电偶7后送出毫伏级电压信号U₁，U₁经信号放大器6放大为0～5V电压信号U₂，U₂送入控制器5后，与设定的期望切削区温度T₀对比处理后输出0～5V液体电压控制信号U_C2，U_C2送入液体比例电磁阀4的控制电缆，液体比例电磁阀4调整开度后改变了液体流量Q′，Q′改变了F，F改变了T′，T′改变了U₁，U₁改变了U₂，U₂送入自适应控制器5再与T₀进行对比输出U_C2完成另一路反馈控制。

如图3所示，信号放大器6由温度补偿电路I，OP07放大电路II，正负电源电路III构成。其中，OP07放大电路II是最普通的放大电路，正负电源电路III是一般的正负12V电源。信号放大板6的两个“+”、“-”输入端U₁是分别与热电偶的正、负端相连的，“+12V”和“GND”输入端是与外部+12V稳压电源相连的，信号放大器6的输出端“U₂”和“GND”分别接自适应控制器5的信号反馈输入端。温度补偿电路I的输出线“U₁+ΔU”、“GND”分别接OP07放大电路II中反向输入端和同向输入端，温度补偿电路I和正负电源电路III的电源输入端都与“+12V”和“GND”相接，正负电源电路III的“+12V”和“-12V”输出线分别接OP07放大电路II中OP07的“+12V”和“-12V”的电源输入引脚。

如图4所示，温度补偿电路I由温度传感器AD590、稳压芯片MC1403和R₁、R₂、R₃电阻组成。AD590测量热电偶冷端温度并通过电路转换为电压信号加在冷端信号线上，它的电源输入端“+”与“+12V”相连，补偿电信号输出端“-”与OP07放大电路II的输入端“U₁+ΔU”相连，同时也通过电阻R₁、R₂与地线“GND”相连。MC1403芯片向电路提供2.5V的偏置电压，其输入引脚“IN”与外部+12V稳压电源的“+12V”端口线相连，其引脚“GND”与电路的地线相连，其引脚“OUT”与信号线U₁的“+”端相连，并与R₃一个引脚相连，R₃的另一个引脚和OP07放大电路II的“U₁+ΔU”端口相连。

如图5所示，控制器5由单片机MC68HC908GR8、LM358组成的电压跟随器、译码器CD4511、LED数码管、D/A数模转换器AD5300及按键SW组成的按键电路组成。3个SW按键引脚的一端连接并与地线相连，按键的另一端分别与单片机MC68HC908GR8的PTE0、PTE1、/RST引脚相连，同时PTE0、PTE1、/RST引脚各自通过上拉电阻R₄、R₅、R₆与+5V电源线相连。R₄、R₅、R₆的电阻都为1KΩ。信号放大器6输出的信号线“U₂”通过由LM358构成的电压跟随器隔离后与单片机MC68HC908GR8的PTB3引脚相连。3个数码管LED的控制引脚分别与单片机MC68HC908GR8的PTB0、PTB1、PTB2相连，其七个数据输入引脚a、b、c、d、e、f、g分别与CD4511译码器的引脚a、b、c、d、e、f、g相连。CD4511译码器的输入引脚A4、A1、A2、A3分别与单片机MC68HC908GR8的PTA0、PTA1、PTA2、PTA3引脚相连。U_C1、U_C2两个输出信号是由D/A数模转换器AD5300的Vout引脚给出。U_C1与液体比例电磁阀2的控制电缆相连，U_C2与气体比例电磁阀4的控制电缆相连。两个AD5300的SCLK引脚相连并与单片机MC68HC908GR8的SPSCK相连，同时两个AD5300的DIN引脚也相连并与单片机MC68HC908GR8的MOSI引脚相连。输出U_C1的AD5300的/SYNC引脚与单片机MC68HC908GR8的PTD5引脚相连，而输出U_C2的AD5300的/SYNC引脚与单片机MC68HC908GR8的PTD6引脚相连。

数据显示器10的硬件部分包含最低配置为：奔腾100CPU，16MB内存，4倍速光驱，1GB硬盘空间，中文Windows 9X/NT/2000操作***的计算机和一块型号为PCL-711B数据采集卡；软件部分是在GeniDAQ软件平台上组建的一个数据采集程序界面。

本发明控制方法如下：首先通过控制器5将切削区温度设定不大于100℃，当切削区温度不设定时默认是100℃。装置按两条控制路径工作，一路是空气压缩机1以一定的压力输出，经气体比例电磁阀2送入喷嘴8；另一路是水由供水箱3以一定流量流出，经液体比例电磁阀4送入喷嘴8。根据要求调整喷嘴5端口到工件9上端面的距离L、调整喷嘴8喷射线与工件9上端面之间的角度α并固定；气体和水在喷嘴内混合雾化后喷射在工件9的试件上端面上。通过热电偶7测量工件9上端面的温度值并将其转换为毫伏级的电压信号U₁，此电压信号经过信号放大器6变成0～5V的电压信号U₂。0～5V的电压信号又分为两路，一路输送给数据显示器10在计算机上处理显示；一路输送给控制器5。控制器5通过判断送来的信号与设定的参考信号之间的偏差及偏差的变化率来实时控制气体比例电磁阀2和液体比例电磁阀4这两个常开比例电磁阀的开度大小，并选择适当的气、液比例。适当的气、液比例在喷嘴8处汇合，从喷嘴8口以雾滴的形式喷向工件9上端面；由于气、液不同比例以及各自流量大小对试件冷却效果不一样，从而实现对工件9端面温度稳定在设定的温度区自适应闭环反馈控制的目的。调整靶距L、入射角α、气源压力，更换试件材料等任意一个因素后都得重复上述步骤，整个过程可以通过数据显示器10中的数据采集程序显示出波形、数据。可通过多次比较相同因素变化值就可以得到其优化值，达到完成自适应冷却切削的最佳效果。

在整个装置运行的过程中，信号放大器6以每0.02秒时间记录1个切削区温度的变化值，并把这些数据输送给数据显示器10显示、处理；数据显示器10中的计算机上有数据采集软件，可记录数据值和采集切削区冷却过程的曲线图像。

下面通过几个实施例对本发明的控制方法再详细说明。

实施例1

其步骤是：

1.工件9选用的材料为钛合金；雾化介质为通用纯自来水，20℃；

2.在控制器5上通过按键和LED显示设定期望的切削区温度值；

3.调整喷嘴8与工件9端面之间的靶距35mm；入射角：90°；切削时工件9的温度分别达到是100℃.150℃.200℃.250℃；

4..打开空气压缩机1，提供自然空气温度20℃、压力0.4MPa、气体流量0.28M³/min的气体；

5.打开供水箱3，向装置周期添加不同水的剂量实施雾化，其不同水的剂量从0.612ml/min～6.56ml/min之间取代号分别为w1、w2、w3……w12；

6.打开数据显示器10中的计算机记录数据，得到冷却效果最佳，即使切削区冷却切削温度最低线的水剂量分别是W4、W5、W6、W8线；对应的水剂量则为：1.80ml/min，2.4ml/min，3.2ml/min，4.2ml/min。

从中可看到随着工件9温度的提高，雾化冷却中得到温度最低线时水的剂量在增加；但在工件9每个不同温度区进行雾化冷却时，水的剂量并非总是多比少好。工件9在每个温度区，使雾化冷却中的液体发生相变换热的剂量是不一样的；既要达到其全部发生相变换热，又要使其全部发生相变换热时液体剂量最多，就要找到雾化冷却时相应微量水的最佳值域；而这个值域也必须同其材料所在温度相应的“汽化能力”(某种材料处于某一温度被实施雾化冷却时，可以使雾化中液体剂量全部发生相变换热最多的能力)相适应。

实施例2

其步骤是：

1.工件9选用的材料为：镍基合金；雾化介质为通用纯自来水，10℃；

2.在控制器5上通过按键和LED显示设定期望的切削区温度值，

3.调整喷嘴8与工件9端面之间的靶距分别是35mm.25mm.15mm；入射角：90°，切削时工件9的温度250℃；

4..打开空气压缩机1，提供自然空气温度10℃、压力0.3MPa、气体流量0.28M³/min的气体；

5.打开供水箱3，添加水的剂量5ml/min实施雾化；

6.打开数据显示器10中的计算机记录数据，测得被冷却后工件9温度值分别是37℃、28℃、23℃。

从中可看到在雾化剂、气体的剂量或流量、温度、气体的压力和切削区温度值一样情况下，改变靶距得到上述条件下靶距15mm测得切削区温度值最小，适当调整喷嘴8端口到工件9上端面的距离使工件9的冷却效果最佳。

Claims (7)

1.一种切削温度的在线控制装置，在机床上安装一套包括供水箱(3)和液体比例电磁阀(4)组成的液体冷却装置、一套包括空气压缩机(1)和气体比例电磁阀(2)组成的的空气冷却装置，将两种冷却装置分别接在靠近工件(9)切削区的喷嘴(8)上，其特征是：在靠近切削区的工件(9)上固定热电偶(7)，热电偶(7)的另一端与信号放大器(6)的输入端串联；信号放大器(6)的输出端连接数据显示器(10)；将气体比例电磁阀(2)和液体比例电磁阀(4)分别连接控制器(5)的输出端，控制器(5)的输入端与信号放大器(6)的输出端相连，并与数据显示器(10)的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的一种切削温度的在线控制装置，其特征是：所述信号放大器(6)是由连接热电偶(7)的温度补偿电路(I)、连接控制器(5)的放大电路(II)和正负电源电路(III)构成，其中温度补偿电路(I)的输出线分别接放大电路(II)中反向输入端和同向输入端，温度补偿电路(I)电源输入端接入正负电源电路(III)的电源输入端，正负电源电路(III)的输出线接放大电路(II)，作为其电源输入。

3.根据权利要求2所述的一种切削温度的在线控制装置，其特征是：所述温度补偿电路(I)由温度传感器、稳压芯片和电阻R₁、R₂、R₃组成，将温度传感器的电源输入端与正负电源电路(III)相连、温度传感器的输出端与放大电路(II)的输入端相连并通过串接的电阻R₁、R₂接地；稳压芯片的输入与外部的正负电源电路(III)相连，稳压芯片的输出通过电阻R₃接入放大电路(II)。

4.根据权利要求1所述的一种切削温度的在线控制装置，其特征是：所述控制器(5)包括由单片机和电压运放器连接成的电压跟随器，在单片机上还连接有译码器、LED数码管、和两个数模转换器及按键，将电压运放器的两个输入端口与信号放大器(6)的输出端口相连，将接在两个数模转换器上的两个输出端口分别与气体比例电磁阀(2)、液体比例电磁阀(4)相连。

5.一种切削温度的在线控制方法，其特征是依序包括如下步骤：

a、通过控制器(5)将切削区温度设定不大于100℃；

b、通过热电偶(7)测量工件(9)端面的温度值并将其转换为毫伏级的电压信号，此电压信号经过信号放大器(6)变成0～5V的电压信号，该0～5V的电压信号分为两路，一路输送给控制器(5)，另一路输送给数据显示器(10)进行处理并显示波形和数据；

c、控制器(5)通过判断送来的电压信号与设定的参考信号之间的偏差及偏差的变化率来调整气体比例电磁阀(2)和液体比例电磁阀(4)的开度大小，使雾滴从喷嘴(8)口喷向切削区工件(9)的端面上；

d、工件(9)经雾滴冷却后，由热电偶(7)将实时温度值经信号放大器(6)放大后反馈给控制器(5)，控制器(5)将温度反馈值与内部设定的温度进行对比处理后再分两路输出，一路是将气体电压控制信号输出给气体比例电磁阀(2)的控制电缆，另一路是将液体电压控制信号输出给液体比例电磁阀(4)的控制电缆，由此完成反馈控制；

e、当调整工件(9)的靶距L、入射角或气源压力，或者更换工件(9)的材料时，应当重复上述步骤a～d。

6.根据权利要求5所述的一种切削温度的在线控制方法，其特征是：信号放大器(6)以每0.02秒时间记录1个切削区温度的变化值。

7.根据权利要求5所述的一种切削温度的在线控制方法，其特征是：数据显示器(10)配有数据采集软件，记录数据值和采集切削区冷却过程的曲线图像。

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