變厚度電火花線切割加工機(jī)理研究結(jié)題摘要

本課題針對(duì)線切割加工變厚度工件時(shí)的斷絲和效率低下問題，開展了離線與在線厚度識(shí)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(cè)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(duì)電火花線切割加工時(shí)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(shí)，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(shí)，利用“黑盒法”建立工件厚度的辨識(shí)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(shí)模型，即所謂的“黑盒法”。輸出量是待辨識(shí)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(shí)模型之后，在加工中應(yīng)用該模型實(shí)時(shí)地辨識(shí)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(shí)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(shí)時(shí)修正工件厚度辨識(shí)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(jì)算。如果新的數(shù)據(jù)需要參與模型計(jì)算，則刪除支持向量中對(duì)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(huì)超過預(yù)先設(shè)定的數(shù)量，這不僅減少了計(jì)算量和存儲(chǔ)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(jì)了適合變厚度線切割加工的模型預(yù)測(cè)控制器，當(dāng)工件厚度變化時(shí)，由檢測(cè)到的工件厚度實(shí)時(shí)計(jì)算出放電頻率和加工速度參考值，模型預(yù)測(cè)控制器根據(jù)參考值實(shí)時(shí)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(shí)會(huì)發(fā)生斷絲或加工效率低的現(xiàn)象。本課題基于瞬時(shí)能量推導(dǎo)出在線工件厚度識(shí)別算法，在已知厚度的情況下對(duì)厚度識(shí)別系數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，并用支持向量機(jī)為厚度識(shí)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(gè)多輸入多輸出模型的基礎(chǔ)上，把厚度辨識(shí)問題和過程控制問題統(tǒng)一在多變量滑?？刂频目蚣苤隆Ｔ诙嗑S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，滑模控制的目的是把偏移的系統(tǒng)狀態(tài)在有限時(shí)間內(nèi)重新拉回到滑模平面，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。識(shí)別出的厚度作為可測(cè)量的干擾量加入到滑?？刂品▌t中。通過精確的工件厚度識(shí)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(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證，切實(shí)提高國(guó)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(cuò)動(dòng)具有時(shí)間效應(yīng)，土體變形延遲，即變形與時(shí)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(dòng)變形發(fā)展的趨勢(shì)，因此，土體內(nèi)部應(yīng)力隨之逐步調(diào)整，即應(yīng)力也隨時(shí)間改變。

早在1925年，人們就開始認(rèn)識(shí)到，必須建立一個(gè)真實(shí)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(duì)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?cè)囼?yàn)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(duì)試驗(yàn)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(shì)和變形，反映出粘性土土性的本質(zhì)特點(diǎn)，使土質(zhì)學(xué)和土力學(xué)緊密地結(jié)合在了一起。

谷任國(guó)、房營(yíng)光分別研究了結(jié)合水、礦物類型和有機(jī)質(zhì)對(duì)軟粘土流變性質(zhì)的影響。采用改進(jìn)的直剪蠕變儀對(duì)一組粘土試樣進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，測(cè)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(duì)軟土流變性質(zhì)的影響較為顯著。試驗(yàn)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(duì)次要因素。試驗(yàn)結(jié)果有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)土體流變的起因，對(duì)改進(jìn)和完善現(xiàn)有流變變形計(jì)算理論有一定指導(dǎo)意義。

本項(xiàng)目主要從以下四個(gè)方面展開理論與試驗(yàn)研究：材料組成對(duì)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(xiàng)目組經(jīng)過四年研究，全部實(shí)現(xiàn)了計(jì)劃任務(wù)書規(guī)定的各項(xiàng)研究目標(biāo)，各項(xiàng)指標(biāo)均超額完成。共申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利4項(xiàng)，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(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)系；通過對(duì)粗集料顆粒特性的量化表征和大量實(shí)驗(yàn)和理論分析，建立了大流動(dòng)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(duì)應(yīng)關(guān)系；為實(shí)現(xiàn)新拌混凝土流變性的量化設(shè)計(jì)與調(diào)控提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。基于混凝土中不同物相的電阻率差異，研制了一種可定量評(píng)價(jià)混凝土在振動(dòng)與不振動(dòng)條件下離析程度的測(cè)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(cè)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(dòng)條件下混凝土中粗骨料沉降距離的理論計(jì)算公式和修正方法。通過實(shí)驗(yàn)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(duì)應(yīng)關(guān)系。研究了不同粘度改善劑對(duì)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(duì)工程中常出現(xiàn)的自密實(shí)混凝土分層澆注界面缺陷問題，提出了通過配合比設(shè)計(jì)和材料優(yōu)選，以減小絮凝顆粒尺寸和屈服應(yīng)力經(jīng)時(shí)增長(zhǎng)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(dòng)誘導(dǎo)纖維取向的超高性能混凝土制備新技術(shù)，可以實(shí)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