专利名称：软性磨粒流发生及循环系统的制作方法
技术领域：
本实用新型针对在软性磨粒流精密光整加工技术中，由于固体颗粒的磨削作用而 对磨粒流生成设备产生损耗，以及加工时软性磨粒流的控制、输出、循环回收等问题，设计 一种软性磨粒流发生及循环系统。
背景技术：
着现代科技进步，航空、电子、计算机等行业对精密机械零件的工艺要求不断提 高，零配件小型化的趋势也不断加大，随之对工件的精密程度也不断提高。传统的有工具加 工方法已经不能满足制造加工业的需求，为了突破传统精密光整加工的技术瓶颈，国内外 专家提出了流体加工方法。由于流体“无孔不入”的流动特性，可以使流体与加工表面形成 “无缝”接触，因此流体加工技术在一些特定的加工场合有着不可比拟的优势。利用软性磨 粒流的微力微量切削作用，实现结构化表面的无工具化精密加工。加工过程中，软性磨粒流的产生、输出、循环、回收，以及约束模块的设计、安装等 都是重要环节。为方便叙述，此处结合固-液两相磨粒流加工技术，就本实用新型所涉及的 软性磨粒流发生及循环系统的实施背景和必要性展开讨论。软性磨粒流加工的本质是采用有机高分子材料作为载体，将具有切削作用的磨粒 悬浮其中，形成弱粘性或者无粘性磨粒流，在压力作用下使磨粒流中的磨粒在被加工表面 运动，产生切削作用进行光整加工。其中软性磨粒流由载体、添加剂及磨粒组成，是用来光 整加工的“柔性”工具。该技术有效弥补了传统光整加工方法对细微尺寸的结构化表面加 工劣势，同时也能够加工其他复杂工件的表面加工。
发明内容为了克服已有软性磨粒流发生装置容易对泵体造成损害、粘度控制精度差、无法 实现循环加工的不足，本实用新型提供一种有效防止泵体损害、实现对软性磨粒流粘度的 精确控制、实现循环加工的软性磨粒流发生及循环系统。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是—种软性磨粒流发生及循环系统，包括软性磨粒流发生装置和软性磨粒流循环存 储装置，所述软性磨粒流发生装置包括磨粒液压控制设备和载流体发生设备；所述载流体 发生设备是由高速射流泵和载流体储存箱组成，高速射流泵与载流体储存箱之间由管道相 连；所述磨粒液压控制设备是由液压传动轴和磨粒储存箱组成，所述液压传动轴的端部与 活塞连接，所述活塞可移动地密封安装在所述磨粒储存箱内，活塞一侧的磨粒储存箱为液 压油腔，活塞另一侧的磨粒储存箱为磨粒腔，所述液压传动轴与电机的输出轴联动；所述高 速射流泵的输出口与磨粒储存箱的输出口相连形成软性磨粒流发生装置的出口 ；所述软性 磨粒流循环存储装置包括约束模块和磨粒流储存箱，所述约束模块内置被加工工件，约束 模块的入口与所述成软性磨粒流发生装置的出口相连，所述约束模块的出口与所述磨粒流 储存箱的入口相连，所述磨粒流储存箱的中部设有过滤网，所述过滤网的一侧的磨粒流储存箱设有入口和第一出口，另一侧的磨粒流储存箱设有第二出口，所述第二出口与高速射 流泵的输入口相连，所述第一出口与所述载流体储存箱相连；在所述约束模块进口处的管道上安装用以检测流道中磨粒流对传感器冲击时所 产生的压力的压电薄膜传感器，所述压电薄膜传感器与用以设定压力阈值以及压力和电机 输出功率的线性关系，当传感器检测到的压力值超出压力阈值时降低电机输出功率，当传 感器检测到的压力值低于压力阈值时增大电机输出功率的磨粒液压控制模块。进一步，所述压电薄膜传感器采用聚偏氟乙烯压电薄膜作为其敏感元件。再进一步，所述压电薄膜传感器的输出端连接滤波电路，所述滤波电路包括模拟 滤波和数字滤波，所述模拟滤波采用二阶巴特沃茨滤波器，所述数字滤波采用奇异值分解 带通滤波器。更进一步，所述滤波电路连接用以将经过滤波后的信号幅值等比例限定在嵌入式 数字信号处理器所能接受的范围之内的限幅调理电路。所述限幅调理电路连接用以将限幅之后的信号转换成为嵌入式数字信号处理器 能够识别的数字信号的模数转换调理电路。所述磨粒液压控制设备和载流体发生设备并行放置。本实用新型的技术构思为本实用新型主要针对于软性磨粒流如何产生，以及在 对工件加工后如何循环再利用的问题而提出。由于软性磨粒流在进入约束模块时，需要具 备较高的速度和较大的压力，才能实现湍流形态，所以需要用水泵将储存箱中的软性磨粒 流射入约束模块中。而具备高速高压输出的各类水泵多数不能喷射带有杂质的液体(如磨 粒流)，这就对软性磨粒流的产生提出了一定要求；与此同时，为了能够满足水泵的工作条 件，势必需要将磨粒与载流体分开存放，所以为软性磨粒流的循环回收也利用造成了困难。因此，本实用新型采用高速射流泵与磨粒液压控制设备分别对磨粒流中的载流体 和固体颗粒进行发生，在进入约束模块前将其混合，这样可以有效避免带有磨削能力的磨 粒流对水泵造成损坏；通过嵌入式数字信号处理器控制芯片构成反馈控制系统，可以随时 对磨粒流固体相体积分数进行控制，从而实现对磨粒流粘度的调整，最终使达到最佳的加 工效率；另外对磨粒流储存箱中进行磨粒与载流体的分离，解决了磨粒流循环加工时对磨 粒和载流体分开进料和收集的问题。将碳化硅颗粒和流体存放在磨粒流储存箱中，储存箱包括一个入口和两个出口， 两个出口分别作为高速射流泵和磨粒液压装置的入口。储存箱的其中一个出口(高速射流 泵入口处)装有过滤网，其目的是防止射流泵工作时将沉淀在储存箱底部的固体颗粒带入 泵中。系统工作时，磨粒流储存箱中的流体通过高速射流泵以较高的速度射出，磨粒液压装 置通过液压工作将在磨粒储存箱中的磨粒射出，流体与磨粒在进入约束模块前混合。通过 控制液压装置的功率可以控制磨粒射出量，从而达到控制软性磨粒流固体相体积分数的目 的。磨粒流进入约束模块后对工件进行微力微量的磨削加工，完成加工后的磨粒流由约束 模块出口进入磨粒流储存箱中，储存箱中未加装搅拌装置，由磨粒在流体中自然沉淀至箱 底，等待下一周期的运行工作。本系统结构图见图1。本实用新型中磨粒液压控制装置构思如下将压电薄膜传感器安装在约束模块入 口处，当磨粒流进入约束模块时会对压电薄膜传感器产生压力作用，压电薄膜传感器产生 压力电信号，将此信号进行数字滤波(奇异值分解带通滤波法)、限幅调理(因为进入嵌入式数字信号处理器的信号有幅值上限)、模数转换等调理后进入嵌入式数字信号处理器中，嵌 入式数字信号处理器经过运算处理后，将最初的压力信号转换成为控制液压电机功率的控 制信号，对液压电机进行功率调节，从而调整固体磨粒的输出量，最终实现调整磨粒流固体 颗粒体积分数的目的。控制系统示意图见图4。本实用新型的有益效果在于(1)采用载流体与磨粒独立产生方式，能够对有效防止固体颗粒进入高速射流泵 中，造成泵体损坏；(2)利用嵌入式数字信号处理器反馈控制系统对磨粒液压装置进行控制，能够根 据需要配置软性磨粒流中固体颗粒的体积分数，从而实现对软性磨粒流粘度的控制，以达 到最佳的加工效果；(3)通过对磨粒流储存箱进行载流体和磨粒分离的设计方法，能够完成软性磨粒 流循环加工工作，起到节能环保的作用。
图1是本实用新型整体系统结构示意图。图2是本实用新型磨粒流储存箱示意图。图3是本实用新型磨粒流发生装置示意图。图4是本实用新型磨粒液压控制装置控制示意图。图5是本实用新型磨粒液压控制装置控制流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步描述。参照图1、图2、图3，图4，一种软性磨粒流发生循环系统，其特征在于包括软性磨 粒流循环存储装置1和软性磨粒流发生装置3 ；所述软性磨粒流循环存储装置1由软性磨 粒流存储箱11及连接管路2组成；所述软性磨粒流发生装置3由载流体发生设备31和磨 粒液压控制设备32组成；软性磨粒流存储装置1和发生装置3之间以管路14，15相连。所述软性磨粒流发生装置3包括载流体发生设备31和磨粒液压控制设备32 ；所 述载流体发生设备31是由高速射流泵314和载流体储存箱组成，高速射流泵314与载流 体储存箱之间由管道15相连；所述磨粒液压控制设备32是由磨粒储存箱321，液压传动轴 322和电机323组成；所述磨粒液压控制设备32和载流体发生设备31并行放置；所述载流 体发生设备31的输出口 313与磨粒液压控制设备输出口 3M相连，由高速射流泵314将载 流体311射出至磨粒出口，使载流体311与磨粒325混合成为一定浓度的软性磨粒流312。所述的磨粒液压控制设备32，所述磨粒液压控制设备32通过电机323控制液压传 动轴322，将固体磨粒从软性磨粒流储存箱11中压出，与载流体311混合成为一定浓度的软 性磨粒流312。所述液压传动轴322的端部与活塞连接，所述活塞可移动地密封安装在所述磨粒 储存箱11内，活塞一侧的磨粒储存箱11为液压油腔，活塞另一侧的磨粒储存箱11为磨粒 腔，所述的磨粒液压电机控制系统32，所述磨粒液压电机控制系统32采用嵌入式数
5字信号处理器3 进行反馈控制，所述反馈信号来自约束模块4进口处的压电薄膜传感器 328。所述的压电薄膜传感器328，所述压电薄膜传感器3 采用聚偏氟乙烯压电薄膜 作为其敏感元件，所述聚偏氟乙烯压电薄膜是一种独特的高分子传感材料，能够对压力的 变化输出相应的电压信号；所述压电薄膜传感器所采集的输入信号来自流道中磨粒流312 对传感器3 冲击时所产生的压力327 ；所述压电薄膜传感器3 的输出信号经过滤波、限 幅、模数转换等调理后进入嵌入式数字信号处理器326中进行反馈控制运算。所述的滤波调理过程，所述滤波调理过程包括模拟滤波和数字滤波，所述模拟滤 波采用二阶巴特沃茨滤波器，其主要作用在于将采样信号中的毛刺、杂波进行过滤；所述数 字滤波采用奇异值分解带通滤波法，其主要作用是将数字信号中所采样到的错误信号进行 处理，得到参与计算的最佳采样值；所述限幅调理过程，其主要作用在于将经过滤波后的信 号幅值等比例限定在嵌入式数字信号处理器3 所能接受的范围之内，以防对嵌入式数字 信号处理器3 造成损坏；所述模数转换调理，可以采用嵌入式数字信号处理器3 中自带 A/D转换单元实现，将限幅之后的信号转换成为嵌入式数字信号处理器能够识别的数字信 号。所述的嵌入式数字信号处理器反馈控制系统，所述嵌入式数字信号处理器3 反 馈控制系统采用负反馈比例控制，当传感器检测到的压力值过大时，说明磨粒流粘度过高， 磨粒含量较大，可通过在线调整的方式控制液压电机323输出功率，从而减少磨粒输出量， 达到降低磨粒流粘度的目的；当磨粒流粘度过低时同理可得。所述的软性磨粒流循环存储装置1，所述软性磨粒流循环存储装置1由约束模块 4、管路5和软性磨粒流储存箱11组成。所述约束模块4内置被加工工件，约束模块4入口 与软性磨粒流发生装置3出口相连，约束模块4出口与软性磨粒流储存箱11相连。所述的软性磨粒流储存箱11，所述磨粒流储存箱11由一个入口 2和两个出口 14， 15组成，所述一个入口 2与约束模块4出口通过管路相连，使完成加工的软性磨粒流12进 入磨粒流储存箱11中；所述两个出口 14，15分别作为软性磨粒流发生装置3中的磨粒液压 控制装置32和载流体发生设备31的入口。所述磨粒流储存箱11内置过滤网16，所述过滤网16将磨粒流储存箱中一个出口 (高速射流泵入口)15与磨粒13分隔开，用以保证进入高速射流泵314中流体的纯净度。具 体结构为所述磨粒流储存箱的中部设有过滤网16，所述过滤网沈的一侧的磨粒流储存箱 设有入口和第一出口，另一侧的磨粒流储存箱设有第二出口，所述第二出口与高速射流泵 的输入口相连，所述第一出口与所述载流体储存箱相连本实用新型可用于采用软性磨粒流对细微尺寸模具的结构化表面进行加工，提供 可循环使用的固-液两相软性磨粒流。本实用新型中嵌入式数字信号处理器控制芯片采用 TMS320LF2407 DSP控制芯片，此芯片具有较强的数字信号处理能力，可以迅速对所采样的 数据进行处理。本实用新型中压电薄膜传感器采用聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜传感器，此 传感器对微压力信号有较高的灵敏度。本实用新型的工作过程是将碳化硅颗粒13和流体311存放在磨粒流储存箱11 中，储存箱11包括一个入口 1和两个出口 14，15，两个出口 14，15分别作为高速射流泵314 和磨粒液压装置32的入口。储存箱11的其中一个出口(高速射流泵入口处)15装有过滤网，其目的是防止射流泵314工作时将沉淀在储存箱11底部的固体颗粒13带入泵中。系 统工作时，磨粒流储存箱11中的流体通过高速射流泵314以较高的速度射出，磨粒液压装 置32通过液压工作将在磨粒储存箱11中的磨粒13射出，流体311与磨粒13在进入约束 模块4前混合。将压电薄膜传感器3 安装在约束模块4入口处，当混合后磨粒流312进 入约束模块4时会对压电薄膜传感器3 产生压力作用，压电薄膜传感器产生压力电信号 327，将此信号进行数字滤波(奇异值滤波)、限幅调理(因为进入嵌入式数字信号处理器的 信号有幅值上限)、模数转换等调理后进入嵌入式数字信号处理器326中，嵌入式数字信号 处理器3 经过运算处理后，将最初的压力信号327转换成为控制液压电机功率的控制信 号，对液压电机323进行功率调节，从而调整固体磨粒的输出量，最终达到调整磨粒流固体 颗粒体积分数的目的。磨粒流312进入约束模块4后对工件进行微力微量的磨削加工，完 成加工后的磨粒流12由约束模块出口管路5进入磨粒流储存箱11中，储存箱11中未加装 搅拌装置，由磨粒13在流体中自然沉淀至箱底，等待下一周期的运行工作。 本说明书实施例所述内容仅仅是对实用新型构思所实现形式的部分列举，本实用 新型的保护范围不应当仅局限于实例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围及于本领 域技术人员根据本实用新型的技术构思所能想到的等同技术手段。
权利要求1.一种软性磨粒流发生及循环系统，其特征在于包括软性磨粒流发生装置和软性磨 粒流循环存储装置，所述软性磨粒流发生装置包括磨粒液压控制设备和载流体发生设备； 所述载流体发生设备是由高速射流泵和载流体储存箱组成，高速射流泵与载流体储存箱之 间由管道相连；所述磨粒液压控制设备是由液压传动轴和磨粒储存箱组成，所述液压传动 轴的端部与活塞连接，所述活塞可移动地密封安装在所述磨粒储存箱内，活塞一侧的磨粒 储存箱为液压油腔，活塞另一侧的磨粒储存箱为磨粒腔，所述液压传动轴与电机的输出轴 联动；所述高速射流泵的输出口与磨粒储存箱的输出口相连形成软性磨粒流发生装置的出 口 ；所述软性磨粒流循环存储装置包括约束模块和磨粒流储存箱，所述约束模块内置被加 工工件，约束模块的入口与所述成软性磨粒流发生装置的出口相连，所述约束模块的出口 与所述磨粒流储存箱的入口相连，所述磨粒流储存箱的中部设有过滤网，所述过滤网的一 侧的磨粒流储存箱设有入口和第一出口，另一侧的磨粒流储存箱设有第二出口，所述第二 出口与高速射流泵的输入口相连，所述第一出口与所述载流体储存箱相连；在所述约束模块进口处的管道上安装用以检测流道中磨粒流对传感器冲击时所产生 的压力的压电薄膜传感器，所述压电薄膜传感器与用以设定压力阈值以及压力和电机输出 功率的线性关系，当传感器检测到的压力值超出压力阈值时降低电机输出功率，当传感器 检测到的压力值低于压力阈值时增大电机输出功率的磨粒液压控制模块。
2.如权利要求1所述的软性磨粒流发生及循环系统，其特征在于所述压电薄膜传感 器采用聚偏氟乙烯压电薄膜作为其敏感元件。
3.如权利要求1或2所述的软性磨粒流发生及循环系统，其特征在于所述压电薄膜传感器的输出端连接滤波电路，所述滤波电路包括模拟滤波和数字滤 波，所述模拟滤波采用二阶巴特沃茨滤波器，所述数字滤波采用奇异值分解带通滤波器。
4.如权利要求3所述的软性磨粒流发生及循环系统，其特征在于所述滤波电路连接 用以将经过滤波后的信号幅值等比例限定在嵌入式数字信号处理器所能接受的范围之内 的限幅调理电路。
5.如权利要求4所述的软性磨粒流发生及循环系统，其特征在于所述限幅调理电路 连接用以将限幅之后的信号转换成为嵌入式数字信号处理器能够识别的数字信号的模数 转换调理电路。
6.如权利要求1或2所述的软性磨粒流发生及循环系统，其特征在于所述磨粒液压 控制设备和载流体发生设备并行放置。
专利摘要一种软性磨粒流发生及循环系统，包括软性磨粒流发生装置和软性磨粒流循环存储装置，软性磨粒流发生装置包括磨粒液压控制设备和载流体发生设备；载流体发生设备是由高速射流泵和载流体储存箱组成，高速射流泵与载流体储存箱之间由管道相连；磨粒液压控制设备是由液压传动轴和磨粒储存箱组成，高速射流泵的输出口与磨粒储存箱的输出口相连形成软性磨粒流发生装置的出口；软性磨粒流循环存储装置包括约束模块和磨粒流储存箱，约束模块的入口与成软性磨粒流发生装置的出口相连，在约束模块进口处的管道上安装压电薄膜传感器，压电薄膜传感器与磨粒液压控制模块连接。本实用新型有效防止泵体损害、实现对软性磨粒流粘度的精确控制、实现循环加工。
文档编号B24B57/00GK201881274SQ201020580750
公开日2011年6月29日 申请日期2010年10月28日 优先权日2010年10月28日
发明者付有志, 张利, 李琛, 池永为, 袁巧玲, 计时鸣, 谭大鹏, 赵凌寒 申请人:浙江工业大学