變厚度電火花線切割加工機(jī)理研究

本課題針對線切割加工變厚度工件時的斷絲和效率低下問題，開展了離線與在線厚度識別、3D 工件模型高度信息提取、加工過程模型建立、以及模型預(yù)測控制等方面的研究，以期提高加工的穩(wěn)定性和加工效率。 為了進(jìn)行變厚度線切割加工，首先需要獲得工件在加工路徑上的厚度，然后才能根據(jù)厚度選取合適的加工參數(shù)。本課題針對電火花線切割加工時有無工件的3D 模型提出了采用“白盒法”和“黑盒法”分別處理。當(dāng)已知工件三維模型數(shù)據(jù)時，則從工件三維模型中直接提取加工路徑上的工件厚度信息，并應(yīng)用到數(shù)控系統(tǒng)中在線控制加工過程，即所謂的“白盒法”。 當(dāng)缺少工件三維模型時，利用“黑盒法”建立工件厚度的辨識模型。鑒于支持向量機(jī)在非線性系統(tǒng)建模方面的優(yōu)異特性，本課題利用支持向量機(jī)，根據(jù)線切割加工過程中采集的放電頻率和進(jìn)給速度以及控制輸入量伺服電壓和脈沖間隔，建立工件厚度辨識模型，即所謂的“黑盒法”。輸出量是待辨識的工件厚度，而模型輸入量為放電加工參數(shù)(伺服電壓和脈沖間隔)以及放電頻率和機(jī)床的進(jìn)給速度。在建立了工件厚度辨識模型之后，在加工中應(yīng)用該模型實時地辨識工件厚度。 隨著工件厚度范圍的不斷擴(kuò)大，加工過程中所采集的加工信息也不斷增加。這些數(shù)據(jù)不但可以在線指導(dǎo)加工過程，而且還可以用于在線修正工件厚度辨識模型，目的是使模型包含的加工狀況更豐富、模型更準(zhǔn)確。本課題利用最小二乘支持向量機(jī)的在線算法實時修正工件厚度辨識模型。當(dāng)新的數(shù)據(jù)產(chǎn)生后，在線算法根據(jù)投影法稀疏性處理判斷新的數(shù)據(jù)是否需要參與模型計算。如果新的數(shù)據(jù)需要參與模型計算，則刪除支持向量中對模型影響最小的向量。該算法確保參與建模的數(shù)據(jù)量不會超過預(yù)先設(shè)定的數(shù)量，這不僅減少了計算量和存儲量，而且解決了最小二乘支持向量機(jī)固有的稀疏性問題。 無論是通過“黑盒法”還是“白盒法”獲得的工件厚度，最終目的是根據(jù)工件厚度，選取合適的加工參數(shù)，控制加工過程，達(dá)到避免斷絲和提高加工效率的目的。為了控制加工過程，基于標(biāo)準(zhǔn)支持向量機(jī)建立了加工過程模型，設(shè)計了適合變厚度線切割加工的模型預(yù)測控制器，當(dāng)工件厚度變化時，由檢測到的工件厚度實時計算出放電頻率和加工速度參考值，模型預(yù)測控制器根據(jù)參考值實時調(diào)整輸入量伺服電壓和脈沖間隔，控制加工過程在不斷絲的前提下保持高的加工效率。

線切割機(jī)床加工變厚度工件時會發(fā)生斷絲或加工效率低的現(xiàn)象。本課題基于瞬時能量推導(dǎo)出在線工件厚度識別算法，在已知厚度的情況下對厚度識別系數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，并用支持向量機(jī)為厚度識別系數(shù)建立與加工參數(shù)相關(guān)的模型。在為線切割加工過程建立一個多輸入多輸出模型的基礎(chǔ)上，把厚度辨識問題和過程控制問題統(tǒng)一在多變量滑?？刂频目蚣苤?。在多維空間中選取理想加工過程的滑模平面，厚度變化造成系統(tǒng)偏移了理想的滑模平面，滑?？刂频哪康氖前哑频南到y(tǒng)狀態(tài)在有限時間內(nèi)重新拉回到滑模平面，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。識別出的厚度作為可測量的干擾量加入到滑?？刂品▌t中。通過精確的工件厚度識別，強(qiáng)壯的多變量滑?？刂扑惴?，提高變厚度工件切割的穩(wěn)定性、表面質(zhì)量和加工效率。算法將在自主研制的線切割數(shù)控軟件中實現(xiàn)并驗證，切實提高國產(chǎn)線切割機(jī)床的水平

土的流變機(jī)理在于：在骨架應(yīng)力(有效應(yīng)力)作用下，土顆粒表面吸附水(氣)具有粘滯性，從而使顆粒的重新排列和骨架體的錯動具有時間效應(yīng)，土體變形延遲，即變形與時間有關(guān);而另一方面土體變形受到邊界約束，這種約束有阻擋蠕動變形發(fā)展的趨勢，因此，土體內(nèi)部應(yīng)力隨之逐步調(diào)整，即應(yīng)力也隨時間改變。

早在1925年，人們就開始認(rèn)識到，必須建立一個真實的并能充分反映粘性土或其它材料應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系的公式或模型，根據(jù)其變形的微觀力學(xué)在微觀結(jié)構(gòu)層次上對其物理過程進(jìn)行描述，粘土或其它材料蠕變的物理概念應(yīng)屬于“活化能”的概念。

Bazant等應(yīng)用速率過程理論建立了一系列土的本構(gòu)關(guān)系模型。施斌進(jìn)行了速率過程理論在粘性土蠕變模擬中的應(yīng)用研究，介紹了速率過程理論及其相應(yīng)的粘性土蠕變模型的推導(dǎo)，選取淮陰三類不同粘性土質(zhì)開展了蠕變試驗研究，分別制備了各向異性和各向同性的結(jié)構(gòu)試樣，獲得了相應(yīng)的蠕變性結(jié)果，再用速率過程理論模型對試驗結(jié)果進(jìn)行了擬合。結(jié)果表明:以速率過程理論為基礎(chǔ)而建立的蠕變模型能有效地模擬不同粘性土質(zhì)的蠕變過程、趨勢和變形，反映出粘性土土性的本質(zhì)特點，使土質(zhì)學(xué)和土力學(xué)緊密地結(jié)合在了一起。

谷任國、房營光分別研究了結(jié)合水、礦物類型和有機(jī)質(zhì)對軟粘土流變性質(zhì)的影響。采用改進(jìn)的直剪蠕變儀對一組粘土試樣進(jìn)行了一系列試驗，測試結(jié)果表明:有機(jī)質(zhì)和礦物成分及其含量是影響軟粘土流變性質(zhì)的重要因素，土體的粘滯系數(shù)隨粘土礦物含量的增加而減小，即流變變形阻力隨有機(jī)質(zhì)和粘土礦物含量的增多而減小，且有機(jī)質(zhì)對軟土流變性質(zhì)的影響較為顯著。試驗結(jié)果分析認(rèn)為，粘土礦物通過顆粒表面的結(jié)合水影響土的流變性質(zhì)，其中強(qiáng)結(jié)合水是土體產(chǎn)生流變的主要因素，而弱結(jié)合水則是相對次要因素。試驗結(jié)果有助于進(jìn)一步認(rèn)識土體流變的起因，對改進(jìn)和完善現(xiàn)有流變變形計算理論有一定指導(dǎo)意義。

本項目主要從以下四個方面展開理論與試驗研究：材料組成對混凝土流變性的影響規(guī)律與機(jī)理、混凝土離析泌水及原始界面缺陷產(chǎn)生的流變學(xué)機(jī)理、混凝土原始缺陷調(diào)控與耐久性提升技術(shù)、材料流變性與纖維分散和取向調(diào)控研究。項目組經(jīng)過四年研究，全部實現(xiàn)了計劃任務(wù)書規(guī)定的各項研究目標(biāo)，各項指標(biāo)均超額完成。共申請國家發(fā)明專利4項，公開發(fā)表學(xué)術(shù)論文17篇，培養(yǎng)博士、碩士研究生9人。通過對不同膠凝材料和外加劑水泥漿體、砂漿流變性的研究，提出了水泥基材料流變性與顆粒特性、堆積狀態(tài)、平均表面水膜或水泥漿膜厚度等之間的對應(yīng)關(guān)系；通過對粗集料顆粒特性的量化表征和大量實驗和理論分析，建立了大流動性混凝土工作性與粗集料特征、水泥砂漿流變特性之間的對應(yīng)關(guān)系；為實現(xiàn)新拌混凝土流變性的量化設(shè)計與調(diào)控提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?；诨炷林胁煌锵嗟碾娮杪什町悾兄屏艘环N可定量評價混凝土在振動與不振動條件下離析程度的測試裝置；開發(fā)了一種基于高精度激光位移傳感器的混凝土泌水測試裝置。提出了不同配合比混凝土的屈服剪切應(yīng)力、塑性粘度與靜態(tài)離析率之間的關(guān)系，推導(dǎo)了外部振動條件下混凝土中粗骨料沉降距離的理論計算公式和修正方法。通過實驗和回歸分析，提出了混凝土離析程度、界面過渡區(qū)和宏觀性能非均勻分布之間的對應(yīng)關(guān)系。研究了不同粘度改善劑對新拌混凝土流變性和氣泡穩(wěn)定性的影響與作用機(jī)理，確定了可以顯著改善混凝土抗?jié)B性和抗凍性的粘度改善劑種類和最佳摻量；針對工程中常出現(xiàn)的自密實混凝土分層澆注界面缺陷問題，提出了通過配合比設(shè)計和材料優(yōu)選，以減小絮凝顆粒尺寸和屈服應(yīng)力經(jīng)時增長的解決方案。通過研究鋼纖維、納米碳纖維在不同流變性漿體中的分布規(guī)律，提出了基于流變性調(diào)控優(yōu)化纖維分布狀態(tài)的混凝土制備新技術(shù)；研發(fā)了一種基于流動誘導(dǎo)纖維取向的超高性能混凝土制備新技術(shù)，可以實現(xiàn)混凝土抗彎力學(xué)性能的顯著提高，進(jìn)而為突破現(xiàn)有水泥基材料力學(xué)性能指標(biāo)范圍提供的技術(shù)方案。 2100433B