本發(fā)明涉及精密加工，尤其是涉及一種基于仿真路徑優(yōu)化與聲波控制的磨粒射流拋光方法。

背景技術：

1、激光誘導空化拋光技術作為一種非接觸式拋光方法，適用于處理各種高硬度和復雜形狀的工件。然而，現有的激光誘導空化技術在實際應用中存在拋光效率低、表面質量不均勻、拋光參數難以精確控制等問題，并且機械攪拌仍然會導致磨粒在液體介質中的分布不均勻，從而影響加工精度和表面質量的問題。其中一個重要的原因是，由于現有激光誘導空化拋光技術中未考慮壁面形狀對空泡脈動過程的影響。

2、空泡在脈動過程中會受到周圍流體和固體邊界(如工件外表面)影響，若工件表面形狀復雜、凹凸不平，會導致空泡在塌縮時產生不均勻的壓力分布，進而影響微射流方向和強度，這樣的不均勻性會影響拋光效果。

3、本文提供的背景描述用于總體上呈現本公開的上下文的目的。除非本文另外指示，在該章節(jié)中描述的資料不是該申請的權利要求的現有技術并且不要通過包括在該章節(jié)內來承認其成為現有技術。

技術實現思路

1、針對相關技術中的上述技術問題，本發(fā)明提出一種基于仿真路徑優(yōu)化與聲波控制的磨粒射流拋光方法。

2、第一方面，本發(fā)明提供了一種基于仿真路徑優(yōu)化與聲波控制的磨粒射流拋光裝置，所述裝置包括：三維運動平臺，位于所述三維運動平臺上的激光器，所述激光器產生的高能脈沖激光，位于所述激光器下方的水槽，位于水槽底部用于夾持工件的夾具，位于所述水槽兩側的相控聲波陣列，用于控制相控聲波陣列的相控陣控制系統(tǒng)及用于監(jiān)測磨粒位置的光學檢測系統(tǒng)；與所述激光器以及所述三維運動平臺相連接的計算機控制系統(tǒng)，用于數值仿真計算、激光掃描路徑規(guī)劃及加工參數調節(jié)，并控制所述三維運動平臺帶動所述激光器進行運動；所述計算機控制系統(tǒng)還與所述相控陣控制系統(tǒng)以及光學檢測系統(tǒng)相連接，用于實時監(jiān)測磨粒位置，并控制聲波參數。

3、第二方面，本發(fā)明提供了一種基于仿真路徑優(yōu)化與聲波控制的磨粒射流拋光方法，基于上述第一方面中基于仿真路徑優(yōu)化與聲波控制的磨粒射流拋光裝置，包括以下步驟：

4、s1、放置工件及制備含磨粒液體介質：首先在所述水槽中放置工件，并使用夾具固定工件，隨后向所述水槽加入純水，最后向所述水槽中加入磨粒；

5、s2、設置加工參數及規(guī)劃掃描路徑：通過所述計算機控制系統(tǒng)設置所述激光器的相關參數；通過所述計算機控制系統(tǒng)獲取工件表面點云數據計算其表面復雜度，然后根據表面復雜度動態(tài)分配工件仿真點位，最后根據仿真點位基于多相流方法得到優(yōu)化激光掃描路徑；

6、s3、拋光過程：啟動相控陣控制系統(tǒng)、相控聲波陣列以及光學檢測系統(tǒng)，待磨粒均勻懸浮后，啟動激光器，按照優(yōu)化激光掃描路徑對工件進行拋光。

7、具體的，步驟s2具體包括：

8、s21、對工件三維模型進行離散化獲得工件表面點云數據；

9、s22、根據工件表面點云數據x軸和y軸的范圍將工件表面點云數據劃分為多個點云網格區(qū)域；

10、s23、通過點云網格區(qū)域內離散點到參考面的距離計算每個點云網格區(qū)域的表面復雜度；所述表面復雜度為點云網格區(qū)域內離散點的復雜度的集合；

11、s24、根據每個點云網格區(qū)域的表面復雜度調整每個點云網格區(qū)域的仿真點位數量，然后將調整后仿真點位的位置坐標數據導出為仿真點位數據文件；所述調整具體為：點云網格區(qū)域內分配的仿真點位與其表面復雜度成正比；

12、s25、設置好仿真條件后導入仿真點位數據文件，然后基于多相流方法進行數值仿真并擬合得到最佳焦離量曲面；

13、s26、根據最佳焦離量曲面進行路徑規(guī)劃得到優(yōu)化激光掃描路徑；

14、具體的，步驟s21具體包括：

15、s211、通過matlab使用stlread函數從指定路徑讀取工件三維模型文件，提取模型的頂點數據；

16、s212、使用vertices函數根據預設控制離散點數量對頂點數據進行離散化獲得工件表面點云數據。

17、具體的，步驟s22具體包括：

18、s221、獲取工件表面點云數據x方向最大值及x方向最小值，y方向最大值及y方向最小值；

19、s222、根據x方向最大值、x方向最小值、y方向最大值及y方向最小值通過linspace函數對工件表面點云數據進行等間距劃分得到二維點云網格區(qū)域。

20、具體的，步驟s23具體包括：

21、s231、選擇z軸方向的一個平面作為參考平面；

22、s232、遍歷所有點云網格區(qū)域，若點云網格區(qū)域內離散點數量大于0，則計算點云網格區(qū)域內每個離散點到參考平面的距離，并計算所述距離的標準差作為該離散點的復雜度，進而得到點云網格區(qū)域的表面復雜度；若點云網格區(qū)域內離散點數量為0，則點云網格區(qū)域的表面復雜度為0。

23、具體的，步驟s24中所述根據每個點云網格區(qū)域的表面復雜度調整每個點云網格區(qū)域的仿真點位數量具體為：遍歷每個點云網格區(qū)域的離散點，若該點的復雜度大于0，則使用round(a*離散點復雜度)函數得到該點對應的仿真點位數量；若離散點的復雜度小于等于0，則將該點對應的仿真點設置為0；其中，a為調節(jié)因子。

24、具體的，步驟s25具體包括：

25、s251、準備fluent仿真環(huán)境：使用ansys?workbench將工件三維模型導入到fluent的前處理器中，創(chuàng)建流體域并設定邊界條件，在fluent中設置所需的物理模型、材料屬性、邊界條件、初始條件等。

26、s252、導入仿真點位并自動執(zhí)行仿真：邊界條件設置完成后，使用fluent加載仿真點位數據文件，讀取仿真點位的位置信息，并自動在每個仿真點位執(zhí)行基于多相流方法的數值仿真，從而得到每個點位對應的最佳離焦量：

27、s253、導出仿真結果并擬合得到最佳離焦量曲面：仿真結束后導出最佳離焦量數據然后通過matlab讀取最佳離焦量數據，并通過griddata函數將每一個仿真點位的最佳離焦量進行擬合得到最佳離焦量曲面；

28、具體的，步驟s26中具體包括：路徑規(guī)劃時，x和y方向采用之字形策略，z方向上依照最佳離焦量曲面進行調整，并通過interp2函數在z方向上進行插值，最終得到優(yōu)化激光掃描路徑。

29、具體的，所述相控聲波陣列由多個聲波發(fā)射單元組成，每個聲波發(fā)射單元可以被單獨控制；所述相控陣控制系統(tǒng)與相控聲波陣列相連接，用于調節(jié)所述聲波發(fā)射單元產生的聲波的頻率、幅度和相位，以實現對磨粒的精確懸浮控制。

30、具體的，所述計算機控制系統(tǒng)利用pid控制算法來優(yōu)化磨粒懸浮的位置。

31、本發(fā)明通過對工件三維模型進行表面離散化處理并劃分為多個點云網格區(qū)域后計算其表面復雜度動態(tài)分配仿真點位，并根據仿真點位基于多相流方法計算得到最佳焦離量曲面，進而根據最佳焦離量曲面得到優(yōu)化激光掃描路徑，然后結合相控聲波陣列實現磨粒的均勻懸浮與精準控制，充分考慮了激光誘導空化拋光技術對工件壁面形狀對空泡脈動過程的影響，顯著提升了拋光質量和效率。