專利名稱：一種以過熱水蒸氣為磨削冷卻液的閉環(huán)控制裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種控制裝置及其控制方法，具體涉及一種以過熱水蒸氣為磨削冷卻液的閉環(huán)控制裝置及其方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的澆注式冷卻磨削加工使用大量的磨削液，一方面污染環(huán)境，危害工人身體健康；另一方面也會增加機械制造業(yè)的加工成本。環(huán)境和資源問題是當前和今后人類社會面臨的主要問題。因此，研制開發(fā)無毒無害且可降解的綠色磨削介質(zhì)及其冷卻潤滑技術(shù)是綠色磨削技術(shù)研究的一個重要方向。試驗證明，合理選擇冷卻潤滑劑可充分發(fā)揮其性能，節(jié)約加工成本，減少冷卻潤滑劑對環(huán)境的污染；因此，對冷卻潤滑劑進行優(yōu)化選擇是減少加工過程中冷卻潤滑劑污染的重要途徑之一。水蒸氣具有清潔無污染，易制取且不用回收處理等特點，不但符合綠色制造基本要求且具有良好的冷卻潤滑性能。為防止加工后零件發(fā)生生銹現(xiàn)象，進一步提出了采用過熱水蒸氣作為磨削冷卻潤滑劑，這就使得對以過熱水蒸氣作為冷卻潤滑劑的綠色評價體系的研究具有十分重要的意義。為了使過熱水蒸氣作冷卻潤滑劑的優(yōu)化選擇提供一定參考依據(jù)，必須進行相應(yīng)的以過熱水蒸氣作冷卻潤滑劑的磨削實驗，但是目前市場上沒有能夠?qū)嵤┻@種實驗的控制裝置。故，亟需開發(fā)一種以過熱水蒸氣為磨削冷卻液的控制裝置及方法。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提出一種以過熱水蒸氣為磨削冷卻液的閉環(huán)控制裝置及其方法，該裝置和方法能夠為磨削加工提供狀態(tài)穩(wěn)定、參數(shù)可控的過熱水蒸氣參數(shù)，對磨削過程中各種物理現(xiàn)象的表征參數(shù)的實時采集、統(tǒng)計、分析，對磨削效果進行控制。技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一種以過熱水蒸氣為磨削冷卻液的閉環(huán)控制裝置，包括計算機控制模塊、水蒸氣發(fā)生器、二次加熱模塊、模擬磨削區(qū)模塊和分別與計算機控制模塊連接的氣體比例電磁閥、二次加熱控制器和信號放大板，所述水蒸氣發(fā)生器通過氣體比例電磁閥與二次加熱模塊連接，所述水蒸氣發(fā)生器產(chǎn)生的水蒸氣依次經(jīng)氣體比例電磁閥和二次加熱模塊送入噴嘴；所述模擬磨削區(qū)模塊通過熱電偶與信號放大板連接，所述熱電偶測量模擬磨削區(qū)模塊中被加熱試件的溫度值并將其轉(zhuǎn)換為毫伏級的電壓信號，此毫伏級電壓信號經(jīng)過信號放大板轉(zhuǎn)換成O 5伏的電壓信號；所述計算機控制模塊包括計算機和數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡采集上述O 5伏電壓信號后輸送給計算機處理；計算機控制模塊將電壓信號變換為溫度信號并進行實時采集和顯示，同時輸出兩組O 5伏電壓分別給氣體比例電磁閥和二次加熱控制器，氣體比例電磁閥根據(jù)輸入電壓的大小控制水蒸氣流量，二次加熱控制器根據(jù)輸入電壓的大小控制二次加熱的功率。其中，所述模擬磨削區(qū)模塊包括加熱爐、被加熱試件和爐溫控制儀，所述模擬磨削區(qū)模塊模擬磨削區(qū)的溫度并測定在各工藝參數(shù)下的冷卻效果；所述模擬磨削區(qū)模塊模擬磨削區(qū)的溫度范圍為從室溫到800°C，所述工藝參數(shù)包括壓力、靶距和入射角。所述二次加熱模塊包括加熱箱體，所述加熱箱體自下而上分別為電磁線圈、銅板和焊接在銅板上的水蒸氣管道。為防止電磁泄漏，所述加熱箱體外殼采用密封包裝；為減少與外界熱量交換，加熱箱體內(nèi)表面加設(shè)有保溫層。本發(fā)明還公開了一種基于上述閉環(huán)控制裝置的控制方法，該方法包括以下步驟:
1)設(shè)定模擬磨削區(qū)模塊內(nèi)被加熱試件的期望溫度；
2)水蒸氣發(fā)生器產(chǎn)生的水蒸氣依次經(jīng)氣體比例電磁閥和二次加熱模塊送入噴嘴；
3)通過熱電偶測量模擬磨削區(qū)模塊中被加熱試件的溫度值并將其轉(zhuǎn)換為毫伏級的電壓信號，此毫伏級電壓信號經(jīng)過信號放大板轉(zhuǎn)換成O 5伏的電壓信號；
4)計算機控制模塊中的數(shù)據(jù)采集卡采集上述O 5伏電壓信號后輸送給計算機處理；
5)計算機將模擬磨削區(qū)模塊內(nèi)的實際溫度與實驗前設(shè)定的期望溫度進行比較，由數(shù)據(jù)采集卡輸出兩路O 5V的電壓，一路電壓實時控制氣體比例電磁閥的開度大小從而控制水蒸氣的流量；另一路電壓控制二次加熱控制器對水蒸氣的二級加熱功率大小。上述整個過程通過計算機顯示被加熱工件的溫度波形，從而完成顯示磨削效果的任務(wù)。其中，所述步驟5)中，計算機輸出電壓變化，然后通過IGBT調(diào)整加熱功率，以得到所需的過熱水蒸氣。具體來說，一路電壓實時控制氣體比例電磁閥的開度大小從而控制水蒸氣的流量的具體方法是:由于所述水蒸氣噴嘴直徑是一定值，故只能通過改變水蒸氣射流的流速來控制水蒸氣的流量，在工作過程中，氣體比例電磁閥的開度大小是定值，當水蒸氣射流的速度不能滿足二次加熱功率時，手動設(shè)置電壓來控制氣體比例電磁閥的開度大小;
另一路電壓控制二次加熱控制器對水蒸氣的二級加熱功率大小的具體方法是:所述二次加熱控制器包括溫度的設(shè)定模塊、電源開關(guān)模塊和溫度比較模塊，在計算機中設(shè)定輸出的溫度和功率狀態(tài)，把該狀態(tài)所對應(yīng)的電壓作為基準電壓:當溫度過高而使熱電偶檢測到的電壓值升高時，溫度比較模塊將這個電壓值與設(shè)定的基準電壓進行比較，當電壓大于基準電壓時，則無控制電壓輸出，電源開關(guān)模塊斷開；反之則輸出控制電壓，電源開關(guān)模塊導通，水蒸氣開始加熱，使溫度保持相對穩(wěn)定。所述步驟3)中，信號放大板以每0.02秒時間記錄I個模擬磨削區(qū)模塊內(nèi)溫度的變化值，并把這些數(shù)據(jù)輸送給數(shù)據(jù)顯示模塊顯示、處理。所述計算機上的數(shù)據(jù)采集軟件是本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)公知常識采用LABVIEW軟件的相關(guān)模塊根據(jù)其功能編譯實現(xiàn)的，并應(yīng)用軟件既記錄數(shù)據(jù)值又采集磨削區(qū)被冷卻過程曲線圖像，數(shù)據(jù)采集軟件由A/D轉(zhuǎn)換卡出廠所帶的應(yīng)用軟件編輯而成。有益效果:本發(fā)明的一種以過熱水蒸氣為磨削冷卻液的閉環(huán)控制裝置及其方法，通過計算機控制模塊輸出兩路電壓，一路電壓實時控制氣體比例電磁閥的開度大小從而控制水蒸氣的流量，另一路電壓控制二次加熱控制器對水蒸氣的二級加熱功率大小。本發(fā)明通過采用閉環(huán)控制，可以完成設(shè)定不同的期望溫度下的冷卻效果實驗，從中研究過熱水蒸氣在磨削中作為冷卻液的工藝參數(shù)優(yōu)化值和自適應(yīng)控制效果；本發(fā)明的控制方法使得控制效果準確、快速。本發(fā)明的控制裝置可安裝在現(xiàn)有的普通精密磨床上，應(yīng)用于實際的金屬磨削當中。同時該控制裝置還可以作為實驗裝置使用，對于培養(yǎng)學生的環(huán)境保護意識、慎密的研究品格和創(chuàng)新能力均可產(chǎn)生深遠影響。本發(fā)明的裝置作為一種軟件、硬件、工藝、技術(shù)與理論相結(jié)合的產(chǎn)品，可進行商業(yè)運作，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟價值。


圖1為本發(fā)明的閉環(huán)控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。如圖1所示，本發(fā)明的一種以過熱水蒸氣為磨削冷卻液的閉環(huán)控制裝置，包括計算機控制模塊9、水蒸氣發(fā)生器1、二次加熱模塊4、模擬磨削區(qū)模塊8和分別與計算機控制模塊9連接的氣體比例電磁閥2、二次加熱控制器3和信號放大板5，水蒸氣發(fā)生器I通過氣體比例電磁閥2與二次加熱模塊4連接，水蒸氣發(fā)生器I產(chǎn)生的水蒸氣依次經(jīng)氣體比例電磁閥2和二次加熱模塊4送入噴嘴7 ;模擬磨削區(qū)模塊8通過熱電偶6與信號放大板5連接，熱電偶6測量模擬磨削區(qū)模塊8中被加熱試件的溫度值并將其轉(zhuǎn)換為毫伏級的電壓信號，此毫伏級電壓信號經(jīng)過信號放大板5轉(zhuǎn)換成O 5伏的電壓信號；計算機控制模塊9包括計算機和數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡采集上述O 5伏電壓信號后輸送給計算機處理；計算機控制模塊9將電壓信號變換為溫度信號并進行實時采集和顯示，同時輸出兩組O 5伏電壓分別給氣體比例電磁閥2和二次加熱控制器3，氣體比例電磁閥2根據(jù)輸入電壓的大小控制水蒸氣流量，二次加熱控制器3根據(jù)輸入電壓的大小控制二次加熱的功率。本實施例中，模擬磨削區(qū)模塊8包括加熱爐、被加熱試件和爐溫控制儀，模擬磨削區(qū)模塊8模擬磨削區(qū)的溫度并測定在各工藝參數(shù)下的冷卻效果；模擬磨削區(qū)模塊8模擬磨削區(qū)的溫度范圍為從室溫到800°C，工藝參數(shù)包括壓力、靶距和入射角。本實施例中，為了滿足高功率電加熱微型化要求，二次加熱模塊4中采用渦流加熱方式。二次加熱模塊4包括加熱箱體，加熱箱體分為三層，自下而上分別為電磁線圈、銅板和焊接在銅板上的水蒸氣管道；加熱箱體外殼采用密封包裝，可以防止電磁泄漏；加熱箱體內(nèi)表面加設(shè)有保溫層，可以減少與外界熱量交換。本發(fā)明還公開了一種基于上述閉環(huán)控制裝置的控制方法，該方法包括以下步驟: O設(shè)定模擬磨削區(qū)模塊8內(nèi)被加熱試件的期望溫度；2)水蒸氣發(fā)生器I產(chǎn)生的水蒸
氣依次經(jīng)氣體比例電磁閥2和二次加熱模塊4送入噴嘴7 ；3)通過熱電偶6測量模擬磨削區(qū)模塊8中被加熱試件的溫度值并將其轉(zhuǎn)換為毫伏級的電壓信號，此毫伏級電壓信號經(jīng)過信號放大板5轉(zhuǎn)換成O 5伏的電壓信號；4)計算機控制模塊9中的數(shù)據(jù)采集卡采集上述O 5伏電壓信號后輸送給計算機處理；5)計算機將模擬磨削區(qū)模塊8內(nèi)的實際溫度與實驗前設(shè)定的期望溫度進行比較，由數(shù)據(jù)采集卡輸出兩路O 5V的電壓，一路電壓實時控制氣體比例電磁閥2的開度大小從而控制水蒸氣的流量；另一路電壓控制二次加熱控制器3對水蒸氣的二級加熱功率大小。上述整個過程通過計算機顯示被加熱工件的溫度波形，從而完成顯示磨削效果的任務(wù)。
其中，步驟5)中，一路電壓實時控制氣體比例電磁閥2的開度大小從而控制水蒸氣的流量的具體方法是:由于所述水蒸氣噴嘴7直徑是一定值，故只能通過改變水蒸氣射流的流速來控制水蒸氣的流量，在工作過程中，氣體比例電磁閥2的開度大小是定值，當水蒸氣射流的速度不能滿足二次加熱功率時，手動設(shè)置電壓來控制氣體比例電磁閥2的開度大小。另一路電壓控制二次加熱控制器3對水蒸氣的二級加熱功率大小的具體方法是:所述二次加熱控制器3包含三個模塊:溫度的設(shè)定模塊、電源開關(guān)模塊和溫度比較模塊，溫度的設(shè)定模塊、電源開關(guān)模塊和溫度比較模塊集成在軟件中，在計算機中設(shè)定輸出的溫度和功率狀態(tài)，把該狀態(tài)所對應(yīng)的電壓作為基準電壓:當溫度過高而使熱電偶6檢測到的電壓值升高時，溫度比較模塊將這個電壓值與設(shè)定的基準電壓進行比較，當電壓大于基準電壓時，則無控制電壓輸出，電源開關(guān)模塊斷開；反之則輸出控制電壓，電源開關(guān)模塊導通，水蒸氣開始加熱，使溫度保持相對穩(wěn)定。在整個裝置運行的過程中，信號放大板5以每0.02秒時間記錄I個模擬磨削區(qū)模塊8內(nèi)溫度的變化值，并把這些數(shù)據(jù)輸送給數(shù)據(jù)顯示模塊顯示、處理。計算機上的數(shù)據(jù)采集軟件是本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)公知常識采用LABVIEW軟件的相關(guān)模塊根據(jù)其功能編譯實現(xiàn)的，并應(yīng)用軟件既記錄數(shù)據(jù)值又采集磨削區(qū)被冷卻過程曲線圖像，數(shù)據(jù)采集軟件由A/D轉(zhuǎn)換卡出廠所帶的應(yīng)用軟件編輯而成。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出:對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種以過熱水蒸氣為磨削冷卻液的閉環(huán)控制裝置，其特征在于:包括計算機控制模塊(9)、水蒸氣發(fā)生器(I)、二次加熱模塊(4)、模擬磨削區(qū)模塊(8)和分別與計算機控制模塊(9)連接的氣體比例電磁閥(2)、二次加熱控制器(3)和信號放大板(5)，所述水蒸氣發(fā)生器(I)通過氣體比例電磁閥(2)與二次加熱模塊(4)連接，所述水蒸氣發(fā)生器(I)產(chǎn)生的水蒸氣依次經(jīng)氣體比例電磁閥(2)和二次加熱模塊(4)送入噴嘴(7);所述模擬磨削區(qū)模塊(8)通過熱電偶(6)與信號放大板(5)連接，所述熱電偶(6)測量模擬磨削區(qū)模塊(8)中被加熱試件的溫度值并將其轉(zhuǎn)換為毫伏級的電壓信號，此毫伏級電壓信號經(jīng)過信號放大板(5)轉(zhuǎn)換成O 5伏的電壓信號；所述計算機控制模塊(9)包括計算機和數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡采集上述O 5伏電壓信號后輸送給計算機處理；計算機控制模塊(9)將電壓信號變換為溫度信號并進行實時采集和顯示，同時輸出兩組O 5伏電壓分別給氣體比例電磁閥(2)和二次加熱控制器(3)，氣體比例電磁閥(2)根據(jù)輸入電壓的大小控制水蒸氣流量，二次加熱控制器(3)根據(jù)輸入電壓的大小控制二次加熱的功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以過熱水蒸氣為磨削冷卻液的閉環(huán)控制裝置，其特征在于:所述模擬磨削區(qū)模塊(8)包括加熱爐、被加熱試件和爐溫控制儀，所述模擬磨削區(qū)模塊(8)模擬磨削區(qū)的溫度并測定在各工藝參數(shù)下的冷卻效果。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的以過熱水蒸氣為磨削冷卻液的閉環(huán)控制裝置，其特征在于:所述模擬磨削區(qū)模塊(8)模擬磨削區(qū)的溫度范圍為從室溫到800°C，所述工藝參數(shù)包括壓力、靶距和入射角。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以過熱水蒸氣為磨削冷卻液的閉環(huán)控制裝置，其特征在于:所述二次加熱模塊(4)包括加熱箱體，所述加熱箱體自下而上分別為電磁線圈、銅板和焊接在銅板上的水蒸氣管道。
5.根據(jù)權(quán)利要求5所述的以過熱水蒸氣為磨削冷卻液的閉環(huán)控制裝置，其特征在于:所述加熱箱體外 殼采用密封包裝，加熱箱體內(nèi)表面加設(shè)有保溫層。
6.一種基于權(quán)利要求1至5任一項所述的閉環(huán)控制裝置的控制方法，其特征在于包括以下步驟: 1)設(shè)定模擬磨削區(qū)模塊(8)內(nèi)被加熱試件的期望溫度； 2)水蒸氣發(fā)生器(I)產(chǎn)生的水蒸氣依次經(jīng)氣體比例電磁閥(2)和二次加熱模塊(4)送入噴嘴(7)； 3)通過熱電偶(6)測量模擬磨削區(qū)模塊(8)中被加熱試件的溫度值并將其轉(zhuǎn)換為毫伏級的電壓信號，此毫伏級電壓信號經(jīng)過信號放大板(5)轉(zhuǎn)換成O 5伏的電壓信號； 4)計算機控制模塊(9)中的數(shù)據(jù)采集卡采集上述O 5伏電壓信號后輸送給計算機處理； 5)計算機將模擬磨削區(qū)模塊(8)內(nèi)的實際溫度與實驗前設(shè)定的期望溫度進行比較，由數(shù)據(jù)采集卡輸出兩路O 5V的電壓，一路電壓實時控制氣體比例電磁閥(2)的開度大小從而控制水蒸氣的流量；另一路電壓控制二次加熱控制器(3)對水蒸氣的二級加熱功率大小。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制方法，其特征在于:所述步驟5)中，一路電壓實時控制氣體比例電磁閥(2)的開度大小從而控制水蒸氣的流量的具體方法是:由于所述水蒸氣噴嘴(7)直徑是一定值，故只能通過改變水蒸氣射流的流速來控制水蒸氣的流量，在工作過程中，氣體比例電磁閥(2)的開度大小是定值，當水蒸氣射流的速度不能滿足二次加熱功率時，手動設(shè)置電壓來控制氣體比例電磁閥(2)的開度大??； 另一路電壓控制二次加熱控制器(3)對水蒸氣的二級加熱功率大小的具體方法是:所述二次加熱控制器(3)包括溫度的設(shè)定模塊、電源開關(guān)模塊和溫度比較模塊，在計算機中設(shè)定輸出的溫度和功率狀態(tài)，把該狀態(tài)所對應(yīng)的電壓作為基準電壓:當溫度過高而使熱電偶(6)檢測到的電壓值升高時，溫度比較模塊將這個電壓值與設(shè)定的基準電壓進行比較，當電壓大于基準電壓時，則無控制電壓輸出，電源開關(guān)模塊斷開；反之則輸出控制電壓，電源開關(guān)模塊導通，水蒸氣開 始加熱，使溫度保持相對穩(wěn)定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種以過熱水蒸氣為磨削冷卻液的閉環(huán)控制裝置及其方法，該裝置包括計算機控制模塊、水蒸汽發(fā)生器、二次加熱模塊、模擬磨削區(qū)模塊和分別與計算機控制模塊連接的氣體比例電磁閥、二次加熱控制器和信號放大板，水蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的水蒸氣依次經(jīng)氣體比例電磁閥和二次加熱模塊送入噴嘴；模擬磨削區(qū)模塊通過熱電偶與信號放大板連接。本發(fā)明通過采用閉環(huán)控制可完成設(shè)定不同期望溫度下的冷卻效果實驗，從中研究過熱水蒸氣在磨削中作為冷卻液的工藝參數(shù)優(yōu)化值和自適應(yīng)控制效果；該裝置作為實驗裝置使用對于培養(yǎng)學生的慎密的研究品格和創(chuàng)新能力具有積極作用；還可安裝在現(xiàn)有的普通精密磨床上，應(yīng)用于實際的金屬磨削當中，控制效果準確、快速。
文檔編號B24B55/02GK103144043SQ20131007093
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月6日
發(fā)明者任家隆, 譚海波, 楊林初, 王巖, 張春燕, 趙禮剛, 管小燕, 樊玉杰 申請人:江蘇科技大學