【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及精密加工，尤其是涉及一种基于仿真路径优化与声波控制的磨粒射流抛光方法。
技术介绍
1、激光诱导空化抛光技术作为一种非接触式抛光方法，适用于处理各种高硬度和复杂形状的工件。然而，现有的激光诱导空化技术在实际应用中存在抛光效率低、表面质量不均匀、抛光参数难以精确控制等问题，并且机械搅拌仍然会导致磨粒在液体介质中的分布不均匀，从而影响加工精度和表面质量的问题。其中一个重要的原因是，由于现有激光诱导空化抛光技术中未考虑壁面形状对空泡脉动过程的影响。
2、空泡在脉动过程中会受到周围流体和固体边界(如工件外表面)影响，若工件表面形状复杂、凹凸不平，会导致空泡在塌缩时产生不均匀的压力分布，进而影响微射流方向和强度，这样的不均匀性会影响抛光效果。
3、本文提供的背景描述用于总体上呈现本公开的上下文的目的。除非本文另外指示，在该章节中描述的资料不是该申请的权利要求的现有技术并且不要通过包括在该章节内来承认其成为现有技术。
技术实现思路
1、针对相关技术中的上述技术问题，本专利技术提出一种基于仿真路径优化与声波控制的磨粒射流抛光方法。
2、第一方面，本专利技术提供了一种基于仿真路径优化与声波控制的磨粒射流抛光装置，所述装置包括：三维运动平台，位于所述三维运动平台上的激光器，所述激光器产生的高能脉冲激光，位于所述激光器下方的水槽，位于水槽底部用于夹持工件的夹具，位于所述水槽两侧的相控声波阵列，用于控制相控声波阵列的相控阵控制系统及用于监测磨粒位置的光学检
3、第二方面，本专利技术提供了一种基于仿真路径优化与声波控制的磨粒射流抛光方法，基于上述第一方面中基于仿真路径优化与声波控制的磨粒射流抛光装置，包括以下步骤：
4、s1、放置工件及制备含磨粒液体介质：首先在所述水槽中放置工件，并使用夹具固定工件，随后向所述水槽加入纯水，最后向所述水槽中加入磨粒；
5、s2、设置加工参数及规划扫描路径：通过所述计算机控制系统设置所述激光器的相关参数；通过所述计算机控制系统获取工件表面点云数据计算其表面复杂度，然后根据表面复杂度动态分配工件仿真点位，最后根据仿真点位基于多相流方法得到优化激光扫描路径；
6、s3、抛光过程：启动相控阵控制系统、相控声波阵列以及光学检测系统，待磨粒均匀悬浮后，启动激光器，按照优化激光扫描路径对工件进行抛光。
7、具体的，步骤s2具体包括：
8、s21、对工件三维模型进行离散化获得工件表面点云数据；
9、s22、根据工件表面点云数据x轴和y轴的范围将工件表面点云数据划分为多个点云网格区域；
10、s23、通过点云网格区域内离散点到参考面的距离计算每个点云网格区域的表面复杂度；所述表面复杂度为点云网格区域内离散点的复杂度的集合；
11、s24、根据每个点云网格区域的表面复杂度调整每个点云网格区域的仿真点位数量，然后将调整后仿真点位的位置坐标数据导出为仿真点位数据文件；所述调整具体为：点云网格区域内分配的仿真点位与其表面复杂度成正比；
12、s25、设置好仿真条件后导入仿真点位数据文件，然后基于多相流方法进行数值仿真并拟合得到最佳焦离量曲面；
13、s26、根据最佳焦离量曲面进行路径规划得到优化激光扫描路径；
14、具体的，步骤s21具体包括：
15、s211、通过matlab使用stlread函数从指定路径读取工件三维模型文件，提取模型的顶点数据；
16、s212、使用vertices函数根据预设控制离散点数量对顶点数据进行离散化获得工件表面点云数据。
17、具体的，步骤s22具体包括：
18、s221、获取工件表面点云数据x方向最大值及x方向最小值，y方向最大值及y方向最小值；
19、s222、根据x方向最大值、x方向最小值、y方向最大值及y方向最小值通过linspace函数对工件表面点云数据进行等间距划分得到二维点云网格区域。
20、具体的，步骤s23具体包括：
21、s231、选择z轴方向的一个平面作为参考平面；
22、s232、遍历所有点云网格区域，若点云网格区域内离散点数量大于0，则计算点云网格区域内每个离散点到参考平面的距离，并计算所述距离的标准差作为该离散点的复杂度，进而得到点云网格区域的表面复杂度；若点云网格区域内离散点数量为0，则点云网格区域的表面复杂度为0。
23、具体的，步骤s24中所述根据每个点云网格区域的表面复杂度调整每个点云网格区域的仿真点位数量具体为：遍历每个点云网格区域的离散点，若该点的复杂度大于0，则使用round(a*离散点复杂度)函数得到该点对应的仿真点位数量；若离散点的复杂度小于等于0，则将该点对应的仿真点设置为0；其中，a为调节因子。
24、具体的，步骤s25具体包括：
25、s251、准备fluent仿真环境：使用ansys workbench将工件三维模型导入到fluent的前处理器中，创建流体域并设定边界条件，在fluent中设置所需的物理模型、材料属性、边界条件、初始条件等。
26、s252、导入仿真点位并自动执行仿真：边界条件设置完成后，使用fluent加载仿真点位数据文件，读取仿真点位的位置信息，并自动在每个仿真点位执行基于多相流方法的数值仿真，从而得到每个点位对应的最佳离焦量：
27、s253、导出仿真结果并拟合得到最佳离焦量曲面：仿真结束后导出最佳离焦量数据然后通过matlab读取最佳离焦量数据，并通过griddata函数将每一个仿真点位的最佳离焦量进行拟合得到最佳离焦量曲面；
28、具体的，步骤s26中具体包括：路径规划时，x和y方向采用之字形策略，z方向上依照最佳离焦量曲面进行调整，并通过interp2函数在z方向上进行插值，最终得到优化激光扫描路径。
29、具体的，所述相控声波阵列由多个声波发射单元组成，每个声波发射单元可以被单独控制；所述相控阵控制系统与相控声波阵列相连接，用于调节所述声波发射单元产生的声波的频率、幅度和相位，以实现对磨粒的精确悬浮控制。
30、具体的，所述计算机控制系统利用pid控制算法来优化磨粒悬浮的位置。
31、本专利技术通过对工件三维模型进行表面离散化处理并划分为多个点云网格区域后计算其表面复杂度动态分配仿真点位，并根据仿真点位基于多相流方法计算得到最佳焦离量曲面，进而根据最佳焦离量曲面得到优化激光扫描路径，然后结合相控声波阵列实现磨粒的均匀悬浮与精准控制，充分考虑了激光诱导空化抛光技术对工件壁面形状对空泡脉本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于仿真路径优化与声波控制的磨粒射流抛光方法，其特征在于，所述方法基于一种基于仿真路径优化与声波控制的磨粒射流抛光装置，所述装置包括：三维运动平台，位于所述三维运动平台上的激光器，所述激光器产生的高能脉冲激光，位于所述激光器下方的水槽，位于水槽底部用于夹持工件的夹具，位于所述水槽两侧的相控声波阵列，用于控制相控声波阵列的相控阵控制系统及用于监测磨粒位置的光学检测系统；与所述激光器以及所述三维运动平台相连接的计算机控制系统，用于数值仿真计算、激光扫描路径规划及加工参数调节，并控制所述三维运动平台带动所述激光器进行运动；所述计算机控制系统还与所述相控阵控制系统以及光学检测系统相连接，用于实时监测磨粒位置，并控制声波参数；包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的磨粒射流抛光方法，其特征在于，步骤S2具体包括：
3.根据权利要求2所述的磨粒射流抛光方法，其特征在于，步骤S21具体包括：
4.根据权利要求2所述的磨粒射流抛光方法，其特征在于，步骤S22具体包括：
5.根据权利要求2所述的磨粒射流抛光方法，其特征在于，步骤S23具体包括
6.根据权利要求2所述的磨粒射流抛光方法，其特征在于，步骤S24中所述根据每个点云网格区域的表面复杂度调整每个点云网格区域的仿真点位数量具体为：遍历每个点云网格区域的离散点，若该点的复杂度大于0，则使用round(a*离散点复杂度)函数得到该点对应的仿真点位数量；若离散点的复杂度小于等于0，则将该点对应的仿真点设置为0；其中，a为调节因子。
7.根据权利要求2所述的磨粒射流抛光方法，其特征在于，步骤S25具体包括：
8.根据权利要求2所述的磨粒射流抛光方法，其特征在于，步骤S26中具体包括：路径规划时，X和Y方向采用之字形策略，Z方向上依照最佳离焦量曲面进行调整，并通过interp2函数在Z方向上进行插值，最终得到优化激光扫描路径。
9.根据权利要求1所述的磨粒射流抛光方法，其特征在于，所述相控声波阵列由多个声波发射单元组成，每个声波发射单元可以被单独控制；所述相控阵控制系统与相控声波阵列相连接，用于调节所述声波发射单元产生的声波的频率、幅度和相位，以实现对磨粒的精确悬浮控制。
10.根据权利要求1所述的磨粒射流抛光方法，其特征在于，所述计算机控制系统利用PID控制算法来优化磨粒悬浮的位置。
...【技术特征摘要】
1.一种基于仿真路径优化与声波控制的磨粒射流抛光方法，其特征在于，所述方法基于一种基于仿真路径优化与声波控制的磨粒射流抛光装置，所述装置包括：三维运动平台，位于所述三维运动平台上的激光器，所述激光器产生的高能脉冲激光，位于所述激光器下方的水槽，位于水槽底部用于夹持工件的夹具，位于所述水槽两侧的相控声波阵列，用于控制相控声波阵列的相控阵控制系统及用于监测磨粒位置的光学检测系统；与所述激光器以及所述三维运动平台相连接的计算机控制系统，用于数值仿真计算、激光扫描路径规划及加工参数调节，并控制所述三维运动平台带动所述激光器进行运动；所述计算机控制系统还与所述相控阵控制系统以及光学检测系统相连接，用于实时监测磨粒位置，并控制声波参数；包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的磨粒射流抛光方法，其特征在于，步骤s2具体包括：
3.根据权利要求2所述的磨粒射流抛光方法，其特征在于，步骤s21具体包括：
4.根据权利要求2所述的磨粒射流抛光方法，其特征在于，步骤s22具体包括：
5.根据权利要求2所述的磨粒射流抛光方法，其特征在于，步骤s23具体包括：
6.根据权利要求2所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：李茂君，张晓栋，彭思泽，杨旭静，李伟，韦凯，陈勇彪，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：
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