本發(fā)明屬于機(jī)械工程，具體說是一種用于金屬表面納米化加工的液壓系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
1、目前，對軸類或板類金屬工件進(jìn)行表面納米化加工的方法主要有表面機(jī)械碾壓（smgt）方法和表面機(jī)械滾壓（smrt）方法。smgt和smrt方法是將刀具固定在機(jī)床刀架上，通過位移控制的方式，操縱機(jī)床刀架的運動來驅(qū)動刀頭壓入工件表面一定深度，同時驅(qū)動工件運動使得刀頭與工件表面產(chǎn)生相對位移，從而使工件表層金屬產(chǎn)生塑性流變而使組織發(fā)生晶粒細(xì)化，形成由表及里晶粒尺寸逐漸增加的表面梯度納米結(jié)構(gòu)，由此提高工件表面的強(qiáng)度、耐磨性等力學(xué)性能。這類方法的不足之處在于，受限于金屬工件的裝卡精度，以及金屬工件在表面納米化加工過程中受力發(fā)生撓度變形，使得金屬工件各個部位受力不均，從而造成工件不同區(qū)域的表面納米化效果發(fā)生差異，進(jìn)而對產(chǎn)品的批次穩(wěn)定性造成不良影響。與此同時，常規(guī)的位移控制方法只能加工圓棒和平板等形狀規(guī)則的工件，對于一些不規(guī)則工件，比如橢圓棒和表面有起伏的板材，則無法進(jìn)行加工。
2、公開號cn105063340a的專利提出一種液壓式超聲表面納米化裝置，采用油泵和液壓缸提供加工壓力，雖可以設(shè)置加工壓頭以設(shè)定的常力壓在工件表面，但是缺乏進(jìn)一步的調(diào)壓和穩(wěn)壓裝置，同時也缺乏壓力實時反饋調(diào)節(jié)裝置，使得壓力調(diào)節(jié)具有一定的滯后性，壓力控制精度較差。
3、現(xiàn)有的表面納米化加工裝置由于調(diào)壓原理設(shè)計不合理等原因，很難輸出始終恒定不變的壓力對金屬工件進(jìn)行表面納米化加工，因此亟需開發(fā)一種新型表面納米化加工系統(tǒng)來實現(xiàn)加工壓力實時精確的恒定輸出，在各類工件上獲得均勻的表面納米化加工效果。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本發(fā)明目的是提供一種用于金屬表面納米化加工的液壓系統(tǒng)及其控制方法，實現(xiàn)表面納米化加工過程中加工壓力實時精確的恒定輸出，在各類工件上獲得均勻的表面納米化加工效果，以克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足。
2、本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種用于金屬表面納米化加工的液壓系統(tǒng)，包括：液壓動力單元、壓力調(diào)節(jié)單元、單作用液壓缸、蓄能器、力傳感器、加工刀頭、plc控制器以及人機(jī)交互單元；
3、液壓動力單元，用于提供可控的液壓油源；
4、壓力調(diào)節(jié)單元，其進(jìn)口管路連接至所述液壓動力單元的輸出端，用于對輸入的液壓油進(jìn)行穩(wěn)壓與調(diào)壓；
5、單作用液壓缸，其無桿腔通過工作管路連接至所述壓力調(diào)節(jié)單元的壓力輸出端，其活塞桿的末端用于固接加工刀頭；
6、所述蓄能器，其油口通過一個三通接頭并聯(lián)接入所述工作管路；用于在系統(tǒng)壓力瞬時升高時儲存部分油液，在壓力瞬時降低時釋放油液，從而有效平滑所述工作管路中的壓力波動，為所述單作用液壓缸提供穩(wěn)定的壓力環(huán)境；
7、力傳感器，其設(shè)置于所述活塞桿的力傳遞路徑上，用于實時采集加工刀頭施加于工件的作用力并生成對應(yīng)的電信號；
8、人機(jī)交互單元，與plc控制器連接，用于設(shè)定參數(shù)并顯示系統(tǒng)狀態(tài)；
9、plc控制器，其信號輸入端與所述力傳感器連接以接收所述作用力電信號，其控制輸出端與所述壓力調(diào)節(jié)單元連接；
10、所述plc控制器，用于根據(jù)預(yù)設(shè)的目標(biāo)作用力值與實時采集的作用力值之間的偏差，實時計算并向所述壓力調(diào)節(jié)單元輸出調(diào)節(jié)指令，從而動態(tài)調(diào)整所述工作管路的壓力，使所述加工刀頭對工件保持恒定的加工力。
11、所述液壓動力單元，包括：液壓油箱、驅(qū)動電機(jī)及液壓泵；
12、所述液壓泵的進(jìn)油口通過吸油管路與液壓油箱連通；所述液壓泵的出油口與液壓動力單元的輸出端連接，用于輸出壓力油液；
13、所述驅(qū)動電機(jī)與液壓泵的主軸驅(qū)動連接，以提供動力；
14、所述液壓泵為具有壓力反饋機(jī)制的恒壓變量泵，當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到設(shè)定值時能自動減少輸出流量，以降低能耗與發(fā)熱。
15、所述壓力調(diào)節(jié)單元，沿油液流動方向依次包括：防倒流元件、工作模式切換元件及比例減壓閥；
16、所述防倒流元件的進(jìn)口連接所述液壓動力單元的輸出端，其出口連接所述工作模式切換元件的進(jìn)口；
17、所述工作模式切換元件，包括：工作位置和卸荷位置，其工作位置的油口連接所述比例減壓閥的進(jìn)口；所述比例減壓閥的出口構(gòu)成壓力調(diào)節(jié)單元的壓力輸出端；
18、所述工作模式切換元件能在plc控制器的控制下切換油路，使壓力油通向比例減壓閥或直接卸荷回油箱。
19、所述比例減壓閥內(nèi)設(shè)有壓力傳感器，用于實時檢測其出口壓力值并反饋至plc控制器，形成對出口壓力的次級閉環(huán)監(jiān)控。
20、所述防倒流元件為單向閥，其安裝方向被設(shè)定為僅允許油液從所述液壓動力單元流向所述壓力調(diào)節(jié)單元，防止系統(tǒng)壓力波動或停止時油液倒流沖擊液壓泵；
21、所述工作模式切換元件為兩位三通電磁換向閥，當(dāng)其得電時，油路切換至工作位置，此時油路接通至所述比例減壓閥，當(dāng)其失電時，油路切換至卸荷位置，系統(tǒng)壓力降至最低。
22、所述單作用液壓缸為活塞式液壓缸，其缸體上設(shè)有與無桿腔連通的進(jìn)油口；其活塞桿前端設(shè)有第一連接結(jié)構(gòu)；
23、所述力傳感器為圓柱狀力傳感器，其一端設(shè)有與活塞桿前端第一連接結(jié)構(gòu)相匹配的第二連接結(jié)構(gòu)，另一端設(shè)有用于安裝加工刀頭的第三連接結(jié)構(gòu)；
24、所述第一連接結(jié)構(gòu)與第二連接結(jié)構(gòu)之間、第二連接結(jié)構(gòu)與第三連接結(jié)構(gòu)之間均采用同軸度的剛性連接，以確保作用力的精準(zhǔn)傳遞與測量。
25、所述第一連接結(jié)構(gòu)為開設(shè)于活塞桿端面的軸向中心孔a；
26、所述第二連接結(jié)構(gòu)為凸出于力傳感器一端的圓柱形安裝柄，所述安裝柄以過盈配合方式壓入中心孔a內(nèi)；
27、所述第三連接結(jié)構(gòu)為開設(shè)于力傳感器另一端的軸向中心孔b。
28、所述加工刀頭具有與中心孔b相配合的圓柱形刀柄；所述刀柄以過盈配合方式壓入中心孔b內(nèi)；整個加工刀頭通過單作用液壓缸的缸體固定在機(jī)床的刀架上，由機(jī)床驅(qū)動其相對于工件運動；
29、所述加工刀頭為用于金屬材料表面納米化加工的表面機(jī)械碾壓的smgt刀頭或者表面機(jī)械滾壓的smrt刀頭；
30、所述加工刀頭前端為刀球，所述刀球的材質(zhì)為硬質(zhì)合金、陶瓷、紅寶石或金剛石。
31、所述plc控制器，包括：中央處理單元、數(shù)字量輸入/輸出模塊、模擬量輸入模塊及模擬量輸出模塊；
32、所述模擬量輸入模塊與力傳感器連接，以采集作用力模擬信號；
33、所述模擬量輸出模塊與壓力調(diào)節(jié)單元中的比例減壓閥連接，以輸出壓力控制信號；
34、所述plc控制器內(nèi)設(shè)有存儲器，該存儲器周期性地執(zhí)行pid控制算法，以實現(xiàn)對加工力的快速、精準(zhǔn)閉環(huán)調(diào)節(jié)。
35、還包括輔助功能單元；
36、所述輔助功能單元，包括：散熱器、油液過濾模塊及系統(tǒng)壓力監(jiān)測模塊；
37、所述散熱器串聯(lián)在系統(tǒng)的回油管路中；
38、所述油液過濾模塊包括：設(shè)置在液壓泵吸油口處的進(jìn)油端過濾器和設(shè)置在回油管路中的回油端過濾器；
39、所述系統(tǒng)壓力監(jiān)測模塊為壓力表，其測壓點連接在所述工作管路上，用于本地顯示系統(tǒng)工作壓力。
40、一種用于金屬表面納米化加工的液壓系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟：
41、s1：系統(tǒng)上電初始化，通過人機(jī)交互單元設(shè)定目標(biāo)加工力fm及單作用液壓缸活塞直徑d參數(shù)，并將工作模式切換元件置于卸荷位置；
42、s2：啟動液壓動力單元，待系統(tǒng)壓力穩(wěn)定后，將工作模式切換元件切換至工作位置，使壓力油進(jìn)入壓力調(diào)節(jié)單元；
43、s3：操縱機(jī)床驅(qū)動單作用液壓缸使加工刀頭接觸工件，進(jìn)入加工過程；
44、s4：在加工過程中，力傳感器以預(yù)定采樣頻率實時采集實際加工力fc并傳送至plc控制器；
45、s5：plc控制器在每個控制周期內(nèi)計算瞬時力偏差δf＝fm－fc，并根據(jù)公式δp＝4×δf/（π×d2）將力偏差δf換算為所述單作用液壓缸無桿腔所需的目標(biāo)壓力調(diào)整量δp；
46、s6：plc控制器讀取來自所述壓力調(diào)節(jié)單元中比例減壓閥的當(dāng)前出口壓力實際值pa，結(jié)合目標(biāo)壓力調(diào)整量δp，根據(jù)預(yù)設(shè)的壓力-控制信號映射關(guān)系函數(shù)im＝f（pa＋δp），計算出應(yīng)發(fā)送給所述比例減壓閥的實時控制信號值im；
47、s7：plc控制器將所述實時控制信號值im輸出至所述比例減壓閥，調(diào)整其開度，從而改變所述工作管路的壓力，使所述實際加工力fc向所述目標(biāo)加工力fm收斂；
48、s8：重復(fù)步驟s4至s7，直至加工行程結(jié)束；
49、s9：加工結(jié)束后，先將工作模式切換元件切換至卸荷位置，然后停止液壓動力單元。
50、本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點：
51、1.本發(fā)明通過力傳感器實時檢測加工刀頭對工件的實際作用力，并由plc控制器與預(yù)設(shè)目標(biāo)值進(jìn)行快速比較與計算，形成閉環(huán)反饋。該控制策略能夠自動補償因工件形狀不規(guī)則、裝卡偏差或加工過程中材料變形引起的負(fù)載變化，確保在整個加工路徑上作用力波動極小（如實施例所示，硬度分布均勻），從而獲得深度與性能一致的表面納米化層。
52、2.?本發(fā)明采用比例減壓閥作為核心調(diào)壓元件，其響應(yīng)速度快、控制線性度好。結(jié)合蓄能器對工作管路壓力脈動的吸收作用，以及單作用液壓缸簡化的回路結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)能迅速抑制壓力沖擊，在負(fù)載突變時快速重建壓力平衡。這使得系統(tǒng)對外部干擾不敏感，輸出壓力平穩(wěn)，為納米晶粒的均勻細(xì)化提供了穩(wěn)定的力學(xué)環(huán)境。
53、3.本發(fā)明液壓動力單元采用恒壓變量泵，僅在需要時輸出相應(yīng)流量，避免了定量泵溢流帶來的能量損耗，節(jié)能效果顯著。該力控系統(tǒng)可與不同的機(jī)床（如車床、銑床）刀架集成，通過更換不同類型的加工刀頭（如smgt或smrt刀頭），即可對軸類、板類乃至復(fù)雜曲面的金屬工件進(jìn)行納米化加工，解決了傳統(tǒng)位移控制方法對工件形狀要求苛刻的技術(shù)局限。
54、4.本發(fā)明整個液壓回路元件精簡，單作用液壓缸及力傳感器、刀頭的連接采用同軸過盈配合，剛性好且裝調(diào)方便。系統(tǒng)以plc為核心控制器，可通過人機(jī)交互單元方便地設(shè)定和切換加工參數(shù)，實現(xiàn)加工過程的自動化運行與狀態(tài)監(jiān)控，降低了操作人員的技術(shù)門檻，有利于保證加工質(zhì)量的重復(fù)性與一致性。