[发明专利]用于金属切削加工冷却气体射流的参数化调控系统及方法

权利要求书

1.一种用于金属切削加工冷却气体射流的参数化调控系统的调控方法，所述参数化调控系统包括：计算机PID控制系统、电动滑台(1)、稳压定值阀(2)、质量流量控制器(3)、喷嘴(4)、红外温度传感器(5)、可调节式喷嘴支架(6)和可调节式红外温度传感器支架(7)；

在所述电动滑台(1)的上台面(1-1)上通过螺栓分别固定所述稳压定值阀(2)、所述质量流量控制器(3)；所述可调节式喷嘴支架(6)是在喷嘴支架固定端(10)上设置有U型喷嘴支架(9)，在所述U型喷嘴支架(9)的中间转动连接有喷嘴卡套(8)，在所述喷嘴卡套(8)上固定安装有所述喷嘴(4)；所述可调节式红外温度传感器支架(7)是在支架固定端(13)上设置有U型红外温度传感器支架(12)，在所述U型红外温度传感器支架(12)的中间转动连接有红外温度传感器卡套(11)，在所述红外温度传感器卡套(11)上固定安装有所述红外温度传感器(5)；

冷却气体通过管路与所述稳压定值阀(2)的入口端(1-2)相连接；

所述稳压定值阀(2)的出口通过管路与所述质量流量控制器(3)的进气端相连接；

所述质量流量控制器(3)的出口通过管路直接与所述喷嘴(4)的入口相连接；

所述计算机PID控制系统分别与所述电动滑台(1)和红外温度传感器(5)连接；其特征是，所述调控方法是按如下步骤进行：

步骤1、将所述电动滑台(1)的底部固定安装在机床的适当位置处；

步骤2、在计算机PID控制系统中构建喷嘴(4)内部的热力学模型；

若入口处流体的压强p₁满足式(1)，且根据工艺要求得知喷嘴(4)出口处的温度T₂、瞬时流量和焓H₂需求值，则利用式(2)、式(3)和式(4)联立得到喷嘴(4)入口处冷却气体的压强p₁和质量流量的值：

式(1)-式(4)中，c₁为喷嘴(4)入口处冷却气体的流速，η_no为喷嘴(4)效率，p_atm为当地大气压强，A₁为喷嘴(4)的出口处内截面面积，k为比热容比，R为气体常数，c_p为冷却气体的定压比热容，T₁为喷嘴(4)入口处的冷却气体的温度；

若入口处流体的压强p₁满足式(5)，且根据工艺要求得知喷嘴(4)出口处的温度T₂、瞬时流量和焓H₂的需求值，则利用式(6)、式(7)、式(8)和式(9)联立得到喷嘴(4)入口处冷却气体的压强p₁和质量流量的值：

步骤3、调节所述U型喷嘴支架(9)和所述喷嘴支架固定端(10)的相对角度，以及所述喷嘴卡套(8)和所述U型喷嘴支架(9)的相对角度，使得所述喷嘴(4)正对于切削区；

步骤4、调节所述U型红外温度传感器支架(12)和所述红外温度传感器支架固定端(13)的相对角度，以及所述红外温度传感器卡套(11)和所述红外温度传感器支架(12)的相对角度，使得所述红外温度传感器(5)正对于工件上待测量的某点位；

步骤5、根据工艺所需的喷嘴出口处流体质量流量焓H₂以及温度T₂并结合喷嘴(4)内部的热力学模型，计算喷嘴入口处流体的压强需求值p₁和质量流量需求值

步骤6、所述冷却气体通过所述稳压定值阀(2)时，根据喷嘴入口处流体压强需求值p₁对冷却气体进行调节，使喷嘴入口处流体压强稳定在需求值p₁附近，以消除压强波动；

步骤7、所述冷却气体通过所述质量流量控制器(3)时，根据喷嘴入口处流体质量流量需求值对冷却气体进行调节，使喷嘴入口处流体质量流量稳定在需求值附近、以消除质量流量波动；

步骤8、定义变量i，并初始化i＝1；

步骤9、所述冷却气体经过所述喷嘴(4)的出口并喷射到切削区，同时通过红外温度传感器(5)第i次测量工件上某点位的温度T_i；

步骤10、所述计算机PID控制系统获取第i次测量的工件上某点位的温度T_i，结合工艺对冷却效果的要求，与期望工件上相应点的温度进行比较，计算两者的第i次相对误差ε_i，并与所设定的相对误差ε^*作比较，若ε_i＞ε^*，则执行步骤11-步骤12；否则，保持所述喷嘴(4)与切削区的效应距离L_i，并执行步骤12；

步骤11、PID控制系统发出第i个脉冲信号δ_i给电动滑台(1)，以控制所述电动滑台上台面(1-1)产生第i个微位移Δ_i，从而带动所述喷嘴(4)相对于切削区产生第i个微位移Δ_i，以调节所述喷嘴(4)与切削区的效应距离L_i，从而改变工件与所述冷却气体的换热量，改变所测工件表面某点位的温度T_i；

步骤12、将i+1赋值给i，并返回步骤9。