陶瓷抛光机的能耗建模与优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及抛光机技术领域，尤其涉及一种陶瓷抛光机的能耗建模与优化方法。
【背景技术】
[0002] 陶瓷抛光机作为瓷砖深加工过程的主要加工设备，广泛应用于对陶瓷地砖、石材 等建材产品表面抛光，以达到加工后表面平整、光亮、色泽鲜明等生产要求。在瓷质砖的生 产中，抛光工序占了 30%-40%的耗电成本。因此，研宄瓷质砖抛光质量与运动规律，优化 生产工艺参数，降低抛光的能源消耗极具意义。Sousa等人建立了磨粒在抛磨过程的运动学 方程，分析运动参数对加工过程的影响。Sousa和Aurich通过建立瓷砖表面抛磨的时间模 型，分析瓷砖横向与机器摆动的联合运动对加工表面的影响。国内，许雄超、王世旺建立了 瓷砖抛光均匀性的计算机仿真模型，探讨了抛磨机各运动参数和几何参数对抛光砖磨削均 匀性的影响。陈彩如等人结合Preston方程，综合考虑磨削速度、磨削时间与磨削量的影响 建立分析模型，得出当量磨削量的分布规律。
[0003] 但是这些模型都是以抛光机平面运动轨迹为研宄，忽略磨粒垂直方向的磨削状 况，并没有反应出真实的磨削情况而且大多数都是针对同一规格参数的磨粒进行研宄，没 有结合抛光机上所有磨粒粒度号对瓷砖加工的相互作用；另一方面，对于抛光过程的能耗 研宄，国内外没有发表过这方面的研宄成果。
[0004] 下面对抛光机的工作原理进行介绍。以一种新型的摆动式抛光机为原型，抛光机 整体是横梁带动所有磨头做前后摆动，而每个磨头有6个磨块。抛光机磨头的结构示意图 如图1所示，磨块座如图2所示。抛光机的工作原理为：电机1通过小带轮2、大带轮4带 动主轴旋转，而后通过刚性连接带动主动齿轮3,带动从动齿轮6、凸轮5旋转。磨盘在公转 的同时，通过差动轮系，使凸轮5相对磨盘产生一个相对运动，凸轮5驱动主动摆杆7,主动 摆杆7又驱动从动摆杆11，使连接在主动摆杆7和从动摆杆11上的磨块座8、磨块座12做 往复的摆动。为了保持磨粒均匀的消耗，每个磨块座都会绕其自身的中心轴线摆动。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题在于，提供一种陶瓷抛光机的能耗建模与优化方法， 建立了磨粒能耗模型，考虑了不同粒度号的磨粒垂直磨削量对抛光质量和能耗影响。
[0006] 为解决以上技术问题，本发明提供了一种陶瓷抛光机的能耗建模方法，包括：
[0007] 通过分析磨粒的运动轨迹，对磨粒的速度u进行建模，其中，
[0008] ~* -? -? u=|l9 |=|\V-r 〇)s\x\{(〇-t)}i+{r?ci?-cos(<y-〇+Afk-cos{2-Tif-t)}j\,式 中，古为磨粒t时刻的速度向量，《为抛光机的磨头角速度、V为传送带速度、f为磨头摆 动频率，r为磨粒到磨头的中心的距离，A为磨头的摆动幅度，r表示与抛光砖的移动的方 向平行的单位向量，_/表示磨头横向摆动的方向的单位向量，_/与F垂直；
[0009] 以脆性去除的方式建立抛光机磨削模型，其中，
[0010] C1=C1 [I-(PQ/P)1/4]1/2,式中，C1为工件在磨削时产生的横向裂纹长度， = (^0 / ^2)(C0t^) : /H''){F/H),C1=Ui(COtiD)5/6A_1/2 (KcH)-1FvI1/2P5/ 8，G:和A都是常数，P为接触载荷，F是弹性模量，2 ^是压痕角，K。是陶瓷材料的断裂 韧性，H是材料的维氏硬度；
[0011] 根据所述抛光机磨削模型和所述磨粒的速度u对磨粒磨削的能量消耗进行建 模，其中，
【主权项】
1. 一种陶瓷抛光机的能耗建模方法，其特征在于，包括： 通过分析磨粒的运动轨迹，对磨粒的速度U进行建模，其中，
式中，占为磨粒t时刻的速度向量，《为抛光机的磨头角速度、V为传送带速度、f为 磨头摆动频率，r为磨粒到磨头的中屯、的距离，A为磨头的摆动幅度，f表示与抛光砖的移动 的方向平行的单位向量，7表示磨头横向摆动的方向的单位向量，J与f垂直； W脆性去除的方式建立抛光机磨削模型，其中， Ci=C1[1-化作)1勺1/2,式中，Cl为工件在磨削时产生的横向裂纹长度，
C。，和A都是常数，P为接触载荷，F是弹性模量，21D是压痕角，K。是陶瓷材料的断裂初 性，H是材料的维氏硬度； 根据所述抛光机磨削模型和所述磨粒的速度U对磨粒磨削的能量消耗进行建模，其 中， E 式中，E表示磨粒磨削单位体积颗粒的能耗
为磨粒的切削面积，L=U-At为磨粒在有效切削时间At内与工件的接触长度，h表示 工件自由表面到裂纹表面的距离。
2. 如权利要求1所述的陶瓷抛光机的能耗建模方法，其特征在于，所述通过分析磨粒 的运动轨迹，对磨粒的速度U进行建模，具体包括； 根据瓷砖移动的向量DE，磨块圆点到磨粒之间的向量D/?和磨块横向移动向量 乂求得磨粒的运动向量度，其中，
根据所述磨粒的运动向量求得磨粒的速度U，其中，
3. 如权利要求1所述的陶瓷抛光机的能耗建模方法，其特征在于，所述根据所述抛光 机磨削模型和所述磨粒的速度U对磨粒磨削的能量消耗Ek进行建模，具体包括： 计算磨粒在有效切削时间At内与工件接触长度L，其中，L=u?At; 将磨粒去除的材料体积近似为正四棱锥，则磨粒的切削面积巧
根据已知的磨削去除半径b的立方体颗粒所需的能量为3Gyb，则磨粒磨削单位体积颗 粒的能耗为
4. 如权利要求1所述的陶瓷抛光机的能耗建模方法，其特征在于，在根据所述抛光机 磨削模型和所述磨粒的速度0对磨粒磨削的能量消耗进行建模，之后还包括； 将整块工件的面积近似为n*n个单位面积，则磨削整块工件的能耗为
5. -种陶瓷抛光机的能耗优化方法，其特征在于，包括： 采用如权利要求1~4中任意一项所述的陶瓷抛光机的能耗建模方法对磨粒磨削的能 量消耗建立能耗模型； 根据压痕断裂力学模型计算磨粒的最高切削深度m，其中，
式中，C为压头几何因，H为材料硬度，P为接触载荷，0为磨粒 锥顶半角； 将抛光工件表面均匀离散为n*n个相等的区域，并对所述磨粒切削厚度计算方差建立 质量模型，其中，
，3扣'=dgx-h〇，h〇=dmax-m'dg为 磨粒直径，服从正态分布，dgx=dmean+X，XE[- 5 /2, 5 /引，5 =dmax-dm化,dmax、屯化、dmeJ% 磨粒的粒度的最大直径、最小直径、平均直径； 根据所述能耗模型和所述质量模型采用多目标遗传算法寻找Pareto最优解集，使质 量和能耗达到最优，其中，多目标遗传算法的优化问题描述为： min[fi(?，V，f)，f2(w，V，f)]，化《[w，V，f]《ub，式中，fi(w，V，f)、f2(w，V，f)分 别为质量函数和能耗函数，[W，V，f]为待优化变量，化和ub分别为待优化变量[?，V，f] 的下限和上限约束。
【专利摘要】本发明公开了一种陶瓷抛光机的能耗建模方法，包括：通过分析磨粒的运动轨迹，对磨粒的速度υ进行建模；以脆性去除的方式建立抛光机磨削模型；根据所述抛光机磨削模型和所述磨粒的速度υ对磨粒磨削的能量消耗进行建模。本发明还公开了一种陶瓷抛光机的能耗优化方法。本发明建立了磨粒能耗模型，考虑了不同粒度号的磨粒垂直磨削量对抛光质量和能耗影响。
【IPC分类】G06F19-00
【公开号】CN104794353
【申请号】CN201510207882
【发明人】杨海东, 朱成就, 刘国胜
【申请人】广东工业大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月28日