（机械制造及其自动化专业论文）冰粒射流工艺及装备的基础研究.pdf

冰粒射流工艺及装备的基础研究 学科：机械制造及其自动化 研究生签字：赵强 指导教师签字 蓼孑分锡 摘要 冰粒射流就是在射流中混入冰粒，使冰粒加速，利用这些具有较大动量的冰 粒加工工件，可以有效提高射流作业效率和射流作业能力，并且冰粒射流的加工温 度低、清洁度高。 喷嘴是形成射流工况的直接部件，是射流系统中把高压能转变为动能的一种 装置。通过喷嘴能将管路中高压而低流速的工作介质转化成低压而高流速的射流， 高速射流引射冰粒介质，通过喷嘴的混合腔二级喷嘴来给冰粒加速，从而进行射 流作业，因此喷嘴是射流技术中获得高能量利用率的关键部件之一。在借鉴喷射 泵工作原理和基本方程推导的基础上，对冰粒气射流喷嘴进行了结构设计，然后 利用t f 交试验设计方法对喷嘴的性能进行优化从而得出实用的喷嘴结构参数。 冰粒的粒度和硬度都是对于温度十分敏感的，引射介质的压力、流量对加工 效果也是很重要的，需要能同时测试温度、压力、流量等七个参数。因此在测量 方面引入虚拟仪器的技术。在系统的开发过程中，采用n i 公司的6 0 2 4 e 数据聚集 卡为核心器件，利用图形化编程语言l a b v i e w 进行软件二次开发，将计算机软件 设计平台与数据的采集、分析、处理及结果表达有机的结合起来，来提高工作状 态的测量能力。 本文进行了工作介质为水、气时不同的冰粒射流工艺能力试验，并分别比较 引射介质为纯水、磨料这两种情况。通过试验得出，冰粒水射流的加工效果是介 于纯水射流和磨料射流加工的一种比较有效的方法；冰粒气射流的加工效率不如 磨料水射流，但是其对工件也有一定的加工效果。冰粒射流对工件的去除量随着 加工时间的增加而增大，表面粗糙度月a 也越来越小。分析得出冰粒射流产生去除 量的主要原因是对铝的氧化膜的冲击及疲劳破坏。 冰粒射流对零件表面的光整加工的效果虽然不如磨料射流，但和其相比具有 独特的优势，例如，不必分离磨料，无污染，工件表面无划痕，加工变质层小。 关键词：冰粒射流；喷嘴；虚拟仪器；l a b v i e w b a s es t u d yo n c u t t i n ga b i l i t ya n de q u i p m e n t o fi c ej e t d i s c i p l i n e ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n d a u t o m a t i o n s t u d e n ts i g n a t u r e ：工k 凹j - t t s u p e i s o r s i g n a t 眦沈印哆帆一 a b s t r a c t i c ej e t1 saw a yw h i c hm i x e st h ei c ep a r t i c l ei n t ot h ej e tt oa c c e l e r a t ei t ，a n d m a k e su s eo ft h e s eb i g g e rm o m e n t u ma b r a s i v e st om a c h i n ew o r kp i e c e s t h i sw a y c a r li m p r o v et h e j e tw o r ke f f i c i e n c ya n da b i l i t ye f f e c t i v e l y , a n di ti sac o l da n dc l e a n c o u r s e t h en o z z l ei sad i r e c tc o m p o n e n tw h i c hf o r m st h eo p e r a t i n gm o d eo ft h ej e t i ti s a l s oak i n do fd e v i c et h a tc a l lc h a n g et h eh i g hp r e s s u r ei n t ot h ek i n e t i ce n e r g yi nj e t s y s t e m t h r o u g hn o z z l et h ea c t u a t i n gm e d i u mw i t hh i g h p r e s s u r eb u tl o w - v e l o c i t y c a r lb ec h a n g e di n t ol o w - p r e s s u r eb u t h i g h - v e l o c i t y j e t h i g hs p e e d j e ta b s o r b a b r a s i v e m e d i u mt om a k ei c eg r a i na c c e l e r a t et h r o u g hm i x e d c a v i t yo f n o z z l e s ot h en o z z l ei s o n eo ft h ek e yf a c t o r sw h i c ho b t a i n sh i g h - e n e r g yu t i l i z a t i o nr a t i oi n j e tt e c h n o l o g y o n t h eb a s i so fg r a s p i n gt h e o p e r a t i o np r i n c i p l e o fs p r a y p u m p a n dd e r i v e db a s i c e q u a t i o n s ，w ed e s i g nt h en o z z l ef r a m ea n do p t i m i z et h ef r a m ep a r a m e t e rt h r o u g h o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a tt h em e a s u r ef i e l du s ev i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g y b e c a u s ei ti s v e r y i m p o r t a n tt ot h er e s u l to fl i q u i dp r e s s u r e ，f l u x ，n e e dt ot e s ts u c hs e v e np a r a m e t e r sa s t h et e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，f l u x ，e t c a tt h es a m et i m e ；a n dt h ei c ep a r t i c l ec h a r a c t e r t h a tt h e g r a n u l a r i t y a n dh a r d n e s si s i m p r e s s i o n a b l eb y t h e t e m p e r a t u r e i n t h e e x p e r i m e n t u s et h e6 0 2 4 e d a t ac o l l e c tc a r dm a d e b yn ic o m p a n yc o l l e c ta n dp r o c e s s t h ed a t aa n du s et h e p r o g r a ml a n g u a g e l a b v i e wt h a t a n a l y s e a n ds h o wt h e r e s u l t t h i sw a yc a l li m p r o v et h em e a s u r e a b i l i t y 1 1 1 i se x p e r i m e n ta l s ot e s tt h ei c ep r o c e s sa b i l i t ym i x e di nt h ea i ro rw a t e r a n d c o m p a r et h ea b i l i t yw i t hp u r ew a t e ra n da b r a s i v ej e t a f t e r t l l e a n a l y s i s ，t h e i c ej e t p r o c e s sa b i l i t yi sb e t t e rt h a np u r ew a t e r j e tb u t l e s st h a na b r a s i v e j e t ，b u tt h ei c ej e ts t i l l h a v eg o o dp r o c e s sa b i l i t y t h el o n g e rt h ep r o c e s s i n gt i m ei s t h em o r et h er e m o v a l q u a n t i t y , t h er o u g h n e s so f s u r f a c ei ss m a l l e ra n ds m a l l e r t h em e c h a n i s mo fa l u m i n i u m r e m o v i n gb yt h ei c ej e t s h o u l db ef o l l o w i n gm a i nr e a s o n s ：s o f ta l u m i n i u mo x i d e ， i m p a c ta n d w e a r o u t a l t h o u g ht h ei c ej e tp r o c e s sa b i l i t yi sl e s st h a na b r a s i v ej e t ，b u tt h ei c ej e ts t i l l h a v eo t h e rp r e p o t e n c yt h a tn o tn e e dt od e t a c ht h ea b r a s i v em a t e r i a l s ，n op o l l u t i o n ，n o n i c ko nt h es u r f a c eo f t h ew o r k p i e c ea n dl i g h ti n f l u e n tt h ew o r k p i e c e k e y w o r d s ：i c ej e t ；n o z z l e ；v i r t u a li n s t r u m e n t ；l a b v i e w 主要符号表 主要符号表 射流截面面积 临界速度 加工强度 射流截面上点到中心的距离 当量弹性模量 作用力 流体的截面积 质量流量 重力加速度 喷嘴出口断面上射流动量 流体的焓 动量修正系数 绝热指数 喉管距长度 面积比 任意截面内单位区域内流体质量 空气的质量流量 混合物的质量流量 边界层中混合物的质量分数 压力 体积流量 流量比 质量速度系数 射流横截面半径 任意断面核心区射流半径 容重 喷嘴半径 喷射系数 速度 任意截面到喷嘴的距离 射流系数 折算等熵速度 相对温度 爿 仉 d 6 f f 厂g g厶，x七i m m m 卅 行p 9 g g 岛= r r 0 矿 x r 西安t 业学院硕上学位论义 相对压力 相对比容 流速系数 空气的密度 混合物的密度 喷嘴出口处射流速度 喷嘴进口处空气的速度 喷嘴出口处的空气的速度 边界层中任一点的速度 射流内任意点流体速度 n缈几几q i 绪论 1 1 射流技术的概述 11 1 水射流技术的发展 1 绪论 随着生产发展、科学实验和国防工业的需要，要求产品向高精度、高速、高 压、大功率、小型化等方向发展，所使用的材料越来越难加工、零件形状越来越 复杂、表面粗糙度和某些物理性能要求也越来越高。要解决上述一系列要求带来 的工艺问题，仅仅依靠传统的切削方法就很难实现，甚至根本无法实现。水射流 加工技术就是在这种前提下产生和发展起来的一种新型特种加工方法。 水射流是2 0 世纪初开始发展起来的一门新兴技术。它是以水为介质，通过增 压设备和特定的喷嘴产生高速射流束，并具有极高的能量密度。高压水射流与激 光束、电子柬和等离子束统称为高能束加工技术，其中高压水射流是唯一的冷切 割加工技术。高压水射流不仅加工范围宽，如可以切割各类金属、非金属、塑性 或脆性硬材料；而且工艺简单，工件材料的物理、机械性能不会破坏。 水射流的应用起源于采矿业，2 0 世纪3 0 年代己开始利用水射流采煤。2 0 世 纪6 0 年代，水射流技术开始向高压方向发展。在这一阶段，大批柱塞泵和增压 器( 最大压力高达1 7 0 0 m p a ，日本) 问世，同时也出现了脉冲射流发生器( 最高 压力达5 6 0 0 m p a ，前苏联和美国) 。至8 0 年代，由于水射流加工的独特优点愈来 愈明显，加工超高压系统的日趋完善，世界上先进工业国家都在竟相开展水射流 加工的应用，至今水射流的应用范围发展很快，几乎适用于加工所有的材料，除 钢铁、铝、铜等金属材料外，还可以加工特别硬脆、很薄、很软或切屑飞扬的非 金属材料，如塑料、皮革、纸张、布匹、木材、石棉、大理石、玻璃、陶瓷、橡 胶和复合材料等。 在普通机械加工业领域中，可用于各种金属( 如钛、铝、钼、铜、铁、铬镍 合金等) 和各种复合材料、工业陶瓷等材料的切割、打孔和切槽等加工。 在汽车工业领域中，瑞典v o l v o 汽车公司是第一个采用水射流加工技术的 汽车企业。在2 0 世纪9 0 年代初，水射流切割已在美国的汽车工业中广泛采用。 普遍用来切割石棉刹车片、橡胶基地毯、复合材料板、玻璃纤维增强塑料等材料， 并用于加工各种零部件：底盘、车箱、仪表盘、罩盖、车门等。 在航空工业领域中，水射流加工技术已广泛用于纤维增强复合材料和钛合金 的切割以及用来去除发动机涡轮盘、机匣、缸体、火焰筒中孔缘、沟槽、螺纹、 交叉孔和盲孔上的毛刺，而不会引起其表层组织的变化。 在航天工业领域中，水射流加工技术用以切割高级复合材料、蜂窝状夹层板、 西安工业学院烦十学位论文 钛合金元件和印刷电路板等，不会引起组织的变化的水射流技工技术可显著提高 材料抗疲劳能力。 在核能源领域中，水射流加工可用于核燃料管的切割，如重水管线，燃料废 物的再处理管线以及原子反应堆屏蔽混凝土建筑的切除等【”。 1 12 水射流的应用范围 水射流技术可以用来进行清洗、除锈、切割等操作。美国新泽西技术学院最 新研究了动态水射流对工件表面进行清洗的数学模型、水射流的结构以及清洗机 理【2 】，通过实验分析了喷距、水压和喷嘴半径等因素对零件表面加工的影响。根 据作者的研究，采用动态水射流进行零件表面清洗时，影响去除效率关键的射流 参数是靶距和射流压力，在最佳的喷距位置，水射流去除的面积最大，随着喷距 变大或变小都会使射流去除的面积减小，另外射流压力越大，水射流的去除效率 越高。另外喷嘴移动的速度不能太快，平均为2 5 4 m m i n 为最佳，太快和太慢都 会影响加工效果。同时m c l e u 等p j 学者针对于静态水射流清洗物体表面的加工 过程建立了数学模型并通过实验进行验证，通过实验对射流的加工参数进行优 化。在国内许多公司对如何运用高压水射流技术来提高零件清洁度进行了探讨研 究和发展。利用先进清洗技术运用高压水射流清洗技术进行零件清洗特别是细长 孔的清洗，衡阳钢管集团公司把高压水射流装置用于油管除鲮( 在热轧钢管时， 钢管表面的氧化铁皮俗称鲮皮) ；南京大地水射流有限公司研制生产的超高压水 射流清沈设备上市。该设备将水增压至1 0 0 0 2 5 0 0 大气压，再使其从喷嘴中射 出，形成高速水流( 水箭) ，能有效地去除管道结垢、金属表面的腐蚀物、物体表 面的各种残留物和沉积物。 瑞典学者研究采用水射流控制车削外圆的切屑形状1 4 】，在车削加工中，切屑 的形状控制相当困难，如果切屑的控制不好会大大影响零件的加工表面质量和加 工精度，为了能够很好地控制切屑形状，实验采用压力8 0 m p a ，流量8 m i n 的 水射流，射流垂直作用于刀具切削边缘处，在刀具的前刀面形成一水契，成功地 控制了切屑的上卷半径，并分析了水射流的动量与切屑的卷曲半径之间的关系， 同时高压水射流在加工区域对刀具和工件起到冷却和润滑作用，使加工后的工件 表面质量好，没有热变形和残余应力。国内大连理工大学的赵伟等人论述了高压 水射流加工系统与增压原理 5 1 ，并探讨了高压水射流的切割机理。蒋旭平等对高 压水射流的冲击特性进行了理论分析和试验研究【6 】，其结论是，冲击压力与泵压 和靶距有关，且泵压一定的情况下，靶距越大，冲击压力越小。北京京龙水刀集 团生产的j w j 1 型高压水射流切割机床，其水压较低( d 4 ，那么喷嘴出口截面离混合腔的入口截面的距离 应取= 七；果混合腔的出口直径以 o 5 ， d 4 = 1 5 5 4 ( 1 + “) = 1 5 5 1 6 4 ( 1 + o 7 2 ) = 4 3 7 m m 所以，d 4 ，将会导致增加自由流束的长度，增加自由流束的终截面，而自由流 束甚至内切于混合腔的入口段，使入口段的直径大于混合腔的直径。在这种情况 下，自由流束带入到混合腔中的气体比能通过混合腔的多，因此一部分气体会在 混合腔倒流，影响引射量。所以，在这取喉管距取理论值，即t = 4 5 r a m 。 2 2 5 关于其它结构尺寸的试验及分析 由上面的试验结果进行方差分析可知混合腔直径反，二级喷头长度1 4 对引射 量q 和出口速度矿影响比较显著，并且在混合腔商径不变的情况下，引射量q 随 二级喷嘴的长度l 的增加而减少并且混合腔的直径为以= 7 a t o m 时喷嘴的引射 量q 是最大的，用m a t l a b l 3 4 】对试验数据处理，结果如图2 1 0 ： 西安工业学院硕士学位论文 图2 1 0q 一1 4 关系 再对二级喷嘴的长度f d 、混合腔直径d 3 、二级喷嘴直径d 4 进行正交实验，表 2 3 为正交试验因素水平表。 表2 3 喷头性能试验因素水平表 、因素 二级喷头长度l 混合腔直径吐 二级喷嘴直径d 。 承平 ( m m ) ( m m ) ( m m ) l 2 0 6 66 24 07 47 36 08 78 本文对二级喷嘴的长度f 4 、混合腔直径也、二级喷嘴直径吐根据前述正交试 验方案进行了试验，结果如表2 4 ： 表2 4 喷嘴性能试验正交试验分析表 西安工业学院硕士学位论文 由正交试验方差分析，对显著性水平a = 0 2 5 ，0 1 0 ，0 0 5 ，0 o l 查f 一分 布表知，。5 ( 2 ，2 ) = 3 ，0 0 ，v o9 0 ( 2 ，2 ) = 9 0 0 ，f o ，；( 2 ，2 ) = 1 9 ，f o ，。( 2 ，2 ) = 9 9 0 0 ， 将计算所得各凼素的f 比与其相比较，发现f 4 对引射量q 和出口速度矿的影响不 大；d 、对引射量q 的影响不大但对出口速度y 的影响根据f 比可达到7 5 ；a 4 对 对引射量q 和出口速度矿的影响根据f 比可达到9 5 。 对试验进行结果验证，根据正交试验方差分析，由速度表优化的结构组合的 试验结果是q = 1 8 5 3 ，v = 0 0 4 8 2 。比表中的结果q = 2 1 8 2 ，y = o 0 5 6 7 3 小， 所以，取表中的结构尺寸。 但引射量q 和出口速度v 不是很理想，喷嘴之所以能引射介质是由于一定压 力的压缩空气在一级喷嘴出口处形成高速液流，卷吸周围空气，造成混合腔压力 降低，引射介质在压差的作用下被吸入，这种现象在流体力学中被称为“文丘里 现象”。而混合腔的主要用途是在混合流体进入二级喷嘴之前均衡混合流体的速 度场，在上述所考察的范围内发现在表2 3 中，混合腔直径d ，为7 ，4 m m 处，引 射流量最大。这说明混合腔直径过小，流道面积较小，对引射过来的流体起阻碍 作用，所以引射流量小。而当混合腔直径以超过一定值以后，喷嘴的引射量还 是会下降，所以本文推测可能是由于混合腔内部容积过大，使得内外压差较小， 从而导致引射流量较小。 由于混合腔的入口段采用锥形结构，可大大提高射流的出口速度的系数，所 以本次试验喷嘴的混合腔的设计是采用锥形入口段和柱形出口段的结构。现在为 了提高喷嘴的引射量q 和出i s l 速度y ，根据先前三相流的试验，在现在的混合腔 中加了一段长1 7 5 r a m 的3 0 。的圆锥。再根据前述正交试验方案进行了试验，结果 如表2 5 ： 表2 5 喷嘴性能试验正交试验分析表 两安工业学院硕士学位论文 由正交试验方差分析，对显著性水平a = 0 2 5 ，0 1 0 ，0 0 5 ，0 ，叭查f 一分 布表知， 瓦，5 ( 2 ，2 ) = 3 0 0 ，民9 0 ( 2 ，2 ) = 9 0 0 ，f 0 9 ，( 2 ，2 ) = 1 9 ，民9 9 ( 2 ，2 ) = 9 9 0 0 ， 将计算所得各因素的f 比与其相比较，发现4 对引射量q 和出口速度v 的影响根 据f 比可达到7 5 ；以和d 4 对对引射量q 和出口速度v 的影响根据f 比可达到 9 9 。 对试验进行结果验证，根据正交试验方差分析，由流量表优化的结构组合的 试验结果p = 2 6 0 0 ，v = 0 0 5 1 7 5 ：由速度表优化的结构组合的试验结果 q ：2 6 9 3 ，v ：o 0 7 0 0 2 。可以看出由速度表优纯的结果大于流量表，并且它优 化的结构尺寸与表中的结果相符。 发现优化后的弓i 射量q 和出口速度矿与前次的试验的优化结果相比，结果如 下： q 改一鲰= 2 6 9 3 2 ，1 8 2 = 0 5 1 1 警枷帖鼍塑1 8 2 蝴翊m q 厦 2 珞一= 0 0 7 0 0 2 0 + 0 5 6 7 3 = 0 0 1 3 2 9 警x 1 0 0 = 攀羔0 5 6 7 塑3 枷晰翊胞 o 优化后的引射量q 和出口速度矿比前次试验的结果提高了2 3 4 2 。 2 26 喷头结构尺寸验证 由式2 。2 2 可得 ，一丝堕坠2 里! 竖! ! 二堡二墨! 也2 二照二益! 逸! ( 2 3 4 j 3 g p + g ” 根据假设，0 。= 0 ：= 昂，厶= 厶：；在理论推导时假设，只2 2 p h l = 0 9 4 p 小 所以，可得 巧= 妒：( g ，巧：+ 堡! 监! ! 二墨! 基! & z2 g p 七g m ( 2 3 5 ) 西安工业学院硕士学位论文 式中： 妒1 = 0 9 5 ，妒2 = 0 9 7 5 ，p 3 = 0 9 ，妒4 = 0 9 2 5 g p = 0 0 0 6 4 5 k g s ，p h = 0 0 9 2 x 1 0 6p ， 2 = 伊l a p a p 2 = 0 9 5 3 1 0 7 1 5 9 9 x 2 1 2 = 6 2 5 7 8 2 m s 2 = 妒4 d 打。a h2 因为f i 。：= ：巧= 0 9 4 ，在气体动力函数表上查的a 。：= 0 3 2 2k h + = 、f 五k t j + l 瓜 j z 莴瓣书坻4 s 刚s 2 = o 9 2 5 3 1 6 0 6 5 0 3 2 = 9 3 5 5 5 2 4 m s ； f p l 厶：= 掣_ o 1 2 5 6 1 0 “以 f h 2 = = 坐警 业“2 8 6 l 1 0 。州2 g h = o 0 4 3 6 6 7 k g s ； 代入式2 3 5巧= 4 1 0 0 8 m m s ； 由于喷嘴的性能对它的几何形状很敏感，而此处又不能安装传感器，所以难 以准确的确定出冰粒气射流的出口流量。在此借鉴引射量来推算出试验的大概出 口速度为： k ：一生竺生羔l ：1 1 3 5 2 3 m m h ；r ，= ：_ 一i ，“，d ； 6 0 3 1 4 7 1 0 1 由上述结果可以看出，优化后的结构尺寸优于理论尺寸，所以，在冰粒气射 流试验中所采用的各项试验参数均为试验优化后所得，即喷嘴的结构尺寸取 d l = 0 5 m m ，d 3 = 7 4 r a m ，d 4 = 7 r a m ，f 4 = 2 0 m m ，l c = 4 5 m m 。 3 0 3 冰粒射流的测试系统 3 1 虚拟仪器的概述 3 冰粒射流的测试系统 3 ，1 。1 虚拟仪器的组成及特点 冰粒的粒度和硬度都是对于温度十分敏感的，面在试验的初期阶段测量方面 又主要采用水表、人体称量和压力表来测量相应的流量、打击力、压力等数据。 因此，对于冰粒射流的加工状态不能很客观的反应出来。所以，在此引入虚拟仪 器的技术，以l a b v i e w 为核心，将计算机软件设计平台与数据的采集、分析、 处理及结果表达有机的结合起来，来提高对工作状态的测量能力。在选择虚拟仪 器测试的方案还基于以下几个方面： ( 1 ) 更换传感器，改变程序后可用于其它测量； ( 2 ) 可同时记录加工时的各种状态，并且可以存储、读取和分析数据。 所谓虚拟仪器f 3 ”，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定 义，具有虚拟面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。使用者用 鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器，即是将现有的计算机 主流技术与革新的灵活易用的软件和高性能模块化硬件结合在一起，建立起功能 强大又灵活易变的基于计算枧的测试测量与控制系统来替代传统仪器的功能。这 种方式不但能享用到普通p c 机不断发展的性能，还可体会到完全自定义的测量 和自动化系统功能的灵活性，最终构建起满足特定需求的系统。在虚拟仪器系统 中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统的关键，任何 一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便地改变、增减仪器系统的功能与 规模。 虚拟仪器系统如图3 。l 所示总体上由硬件和软件两部分组成，采用模块式结 构。一套完整的虚拟仪器系统一般分为4 层【”j ： ( 1 ) 测试管理层。用户使用虚拟仪器生产商开发的应用程序，组成一套具体 的测试仪器或测试系统： ( 2 ) 应用程序开发层； ( 3 ) 仪器驱动层； ( 4 ) i o 总线驱动层。模块之间用相同的标准总线连接起来，形成一套完整的 数据采集和测试系统。仪器模块可以包括v x i 仪器、g o i b 仪器、p x i 仪器和串 行口仪器。 两安工业学院硕j 学位论文 被： 测 h 对： 象 一 萁舌哥葬视碗件卡一一一， 图3 1 虚拟仪器的基本构成 3 1 2 虚拟仪器的特点 虚拟仪器与传统仪器相比有以下特点，如表3 1 表3 1 虚拟仪器的特点 计掉机( 装 叫有虚拟仪 ：器软件) 传统仪器虚拟仪器 功能由仪器厂商定义功能由用户自己定义 面向应用的系统结构，可方便的与网络外 与其它仪器设备的联结十分有限 设，应用等连接 展开全汉化图形界面，计算机读数，分析 图形界面小，人工读数，信息量小 处理 数据无法编辑数据可编辑，存储，打印 硬件是关键部分软件是关键部分 价格昂贵价格低廉 基于计算机技术开放的功能，模块可构成 系统封闭，功能固定，扩展性低 多种仪器 基于软件系统的结构，大大节省开发维护 开发和维护费用高 费用 技术更新周期长技术更新周期短 多为实验室所拥有个人拥有一个实验室 3 2 虚拟测试系统的硬件结构 3 21 虚拟测试系统的硬件组成 本虚拟测试系统是面向特种加工装备的试验的测量任务，需要时时的了解此 装置中的压力、温度、流量、电流和电压的变化。由于在冰粒射流试验中引射的 是纯水，所以只用压力、温度和流量传感器，至于电流和电压传感器是为后续试 验做准备。本试验温度传感器选择型号是s w b - - p t l 0 0 热电阻式传感器，压力 传感器选择型号是c s - - p t l 0 0 电容式传感器，流量传感器选择的型号是 d a c l 3 1 - 1 1 0 涡轮流量传感器。 虚拟仪器的测试系统如图3 2 所示： 3 2 2 数据采集卡 图3 2 虚拟仪器的测试系统 计 算 机 由于试验中大多数信号都属于缓慢变化信号，所以虚拟测试系统中选用了 n i 公司的p c i 6 0 2 4 e 数据采集卡，6 0 2 4 e 数据采集卡是一种性能优良、适合p c 的数据采集卡，能够完成信号采集、数字信号的模拟输出，被广泛应用于工业现 场和实验室，其主要特点如下： ( 1 ) 1 6 路单端8 路差分模拟输入，1 2 位精度； ( 2 ) 2 0 0 k s s 采样率，2 0 0 k s s 磁盘写入速度； ( 3 ) 士o 0 5 到士1 0 v 输入范围； ( 4 ) 最多两路1 2 位模拟输出，最多3 2 条数字i o 线； ( 5 ) 两路2 4 位计数器定时器。 3 3 虚拟测试系统软件实现 3 ，3 1 l a b v i e w 的概述 虚拟仪器的丌发环境主要有v i s u a lc + + ，v i s u a lb a s i c ，以及h p 公司的v e e 和n i 公司的l a b v i e w 、l a b w i n d o w s c v i 等。v c 、v b 、l a b w i n d o w s c v i 虽然 是可视化的开发工具，但它们对开发人员的编程能力要求很高，而且开发周期较 长。h p v e e 是一个基于图形的虚拟仪器编程环境，拥有较多的用户，缺点是其 生成的应用程序是解释执行的，运行速度较慢。 l a b v i e w m l 简介l a b v i e w 是l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n g w o r k b e n c h 的缩写，它是一个工程软件包。1 9 8 6 年，美国国家仪器公司( n a t i o n a l 温 压 流 电电 西安“ 业学院倾十学位论文 i n s t r u m e n t s ) 丌发研制出它基于苹果公司的m a c i n t o s h 微机的最早版本。之后， 该公司不断推出基于各种操作系统的l a b v i e w 版本。1 9 9 8 年n i 公司推出了基 于w i n d o 、 s9 5 w i n d o w sn t 4 0 的最新版本l a b v i e w50 和它的姊妹软件包 l a b w i n d o w s c v i5 0 l a b v l e w ，它们的出现开创了虚拟仪器的仪器研究新方法。 l a b v i e w 采用图形化语占编程，以方框图的形式编制程序，运用的设备图标与 科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常 相似。l a b v i e w 提供了大量的函数和子程序支持用户的任务，也提供了一些专 用程序如g p i b 设备控制、v x i 总线控制、串行口设备控制、以及数掘分析、显 示和存储【3 7 】。l a b v i e w 还提供了专门用于程序开发的工具箱，使得用户能够设 置断点，动态执行程序来观察数据的传输过程，以进行方便的调试。同时， l a b v i e w 可调用w i n d o w s 动态连接库和用户自定义的动态连接库中的函数，以 解决对某些非n i 公司支持的硬件在使用过程中的驱动问题。l a b v i e w 的c i n 节点使用户可以使用由其它语言( 如a n s i c ) 编译的程序模块，使1 _ a b v i e w 成 为一个完全开放式的开发平台。此外，l a b v i e w 还直接支持动态数据交换 ( d d e ) 、结构化查询语言( s q l ) 、t c p 和u d p 网络协议等。 3 32l a b v ie w 的操作模板 l a b v i e w l 4 0 1 开发环境包括三部分：前面板、图形代码和程序图标连接口。 其中前面板主要实现程序的输入和输出功能，由控件元素和显示件元素构成。控 制件代表程序的输入参数，显示件代表程序的输出值。l a b v i e w 根据控制件和 显示件所代表的数据类型的不同，用类似各种仪器常用的控制件和显示件的图形 表达，而规定了控件的行为和属性的代码存储在代码窗口中。 ( a ) 控件模板( b ) 函数模板 ( c ) 工具模板 l a b v i e w 有三种用来创建和运行程序的模板：控件( c o n t r o l s ) 模板( a ) ，函数 ( f u n c t i o n s ) 模板c b ) 和工具( t o o l s ) 模板( c ) 。控件模板包含各种控制件和显示件，用 来创建程序前面板；函数模板包含编辑程序代码所涉及到的v i 程序和函数，这 些v i 程序和函数根据类型的不同被分组放在不同的子模板内；工具模板t 的工 西安t 业学院硕士学位论文 具可以对前面板和代码窗口中的对象进行编辑，选择不同的工具，光标变成不同 的操作方式，可以修改和操作前面板对象和图标代码。因为控制和函数模板顶端 上的三个按纽是搜索导航按纽，可以使用它们查找制定控件的位置，所以本文简 单介绍下导航按纽的功能，如表3 2 。 表3 2 导航按纽功能表【4 4 图标名称功能 囵 返回从当前位置返回到上一级模板 s e 鼍蚓 查找将模板切换到文本搜索界面，查找函数或v i 程序 设置根据编程的不同要求选择预先设置不同控件模板 33 3 虚拟仪器的软件结构及面板设计 a 软件结构框架 按软件流程结构框架划分，根据虚拟仪器功能的需要，应用程序应包含以下 模块：数据采集模块、数据读取模块、数据处理模块、数据存储模块和结果显示 模块，如图3 3 。 数据存储 一l 结果显示 图3 3 虚拟测试系统应用程序结构 b 虚拟仪器面板设计 由于刚开始使用n i 的产品，本文选择使用n i d a q m x 对p c i 一6 0 2 4 e 进行设 置。基于d a q m x 的数据采集系统总体结构 4 0 l 如图3 4 所示。因为在试验中我们 一择 一选一 雌一 。罕 一择 数 垫 叫 殴 司一 堕 数 ”|蔓 百 一据一 一数 西安t 业学院碗上学位论文 数 据 国 图3 4 基于n i d a q m x 的数据采集系统 4 0 l 要同时监视压力、流量、温度这几个缓慢变化的信号，所以选择多通道单点采样 的方式进行操作。使用d a q m x 函数进行多通道单点采样的程序如下： ( 1 ) 数据采集模块。 1 ) 选用d a q m xc r e a t ev i r t u a lc h a n n e l 新建虚拟通道函数。这是一个多态 的v i ，它有许多子v i ，每个子可以创建一种类型的虚拟通道，并将其加入 到一个数据采集任务中。它的主要参数有： t a s ki r r 一指定创建的虚拟通道加入到哪一个任务中。 p h y s i c a lc h 籼e l s 列出系统中安装的设备上所有的物理通道名，可以从其 中选择新建虚拟通道使用的物理通道。 n a m et oa s s i g n 一指定虚拟通道名。 u n i t r 测量电压值所用的单位。 m a x i m u mv a l u e 和m i n i m u mv a l u e 指定测量电压范围。 i n p u tt e r m i n a lc o n f i g u r a t i o n 设置被测信号连接方式。 t a s ko u t _ 一函数执行完成后产生的任务的参考号。 它的前、后面板设计如图3 5 图3 , 5d a q m xc r e a t ev i r t u a lc h a n n e l 函数前、后面板剧 2 ) 选用d a q m xt i m i n g d a q m x 定时函数。这是个多态v i ，可以设置 西安工业学院硕士学位论文 采样数、采样率，并在必要时设罱缓冲区。它的主要参数有： t a s k c h a n n e l si n 输入任务名或虚拟通道名，如果输入虚拟通道名，它自 动创建个任务。 r a t e 设置每通道的采样率。 s o u r c e 设罱采样时钟信号源，如果这个参数不连接就使用卡上的时钟。 a c t i v ee d g e 在时钟的上升沿还是下降沿进行采集。 s a m p l em o d e 采样模式，设置连续采样还是采集一定数量的数据。 s a m p l e sp e rc h a i l l l e 卜一有限采样时每通道采样数量。 t a s ko u t 函数执行完成后产生的任务的参考号。 它的前、后面板设计如图3 6 图3 6d a q m xt i m i n g 函数前、后面板图 ( 2 1 数据读取模块。 1 1 选用d a q m xs t a r tt a s k 一启动d a q m x 任务函数，若不用此函数，当 d a q m x r e a d 函数执行时，数据采集任务自动启动。它的主要参数有： t a s k c h a n n e l si n 输入任务名或虚拟通道名，如果输入虚拟通道名，它自 动创建一个任务。 t a s ko l l 卜函数执行完成后产生的任务的参考号。 它的前、后面板设计如图3 7 西安工业学院硕上学位论文 圈3 7d a q m xs t a r t i b k 函数前、后面板图 2 ) 选用d a q m xr e a d d a q m x 读数据函数，它由指定的任务或通道读取 采集的数据。这是一个多态v i ，根据数据采集的类型、读取数据的数量和要求 返回数据的类型，有许多子v i 可以选择。它的主要参数有： t a s k c h a n n e l si n 输入任务名或虚拟通道名，如果输入虚拟通道名，它自 动创建一个任务。 n u m b e ro f s a m p l e sd e rc h a n n e l 执行一次从每个通道采回的数据量。 t i m e o u t 超时，设置等待采样的秒数。 t a s ko u t _ 函数执行完成后产生的任务的参考号。 d a t a 一返回的数据。 它的前、后面板设计如图3 8 图3 8d a q m xr e a d 函数前、后面板图 ( 3 ) 数据存储模块。 测试数据文件是一种特定格式的文件，以1 v m 为扩展名。测试数据文件除 了数据以外，还保存数据生成的日期时间等文件。保存测试数据文件用快速v i w r i t el a b v i e wm e a s u r e m e mf i l e 。如图3 9 ，主要选项有： 西安丁业学院硕l 学位论文 图3 9 写测试数据文件快速v l 设置对话框 f i l en 锄广文件名。 a c t i o n 动作，设置保存为一个文件还是多个文件。 s e g m e n th e a d e r s 段标题，选择每段一个标题，还是只有一个标题，或不 要标题。 xv a l u ec o l u n l n s 保存时间数据的选项。 d e l i m i t e r 分隔符选择制表位用t a b 还是逗号分隔符。 f i l ed e s c r i d t i o r 广数据记录文件的说明。 程序中w r i t e l a b v i e w m e 舢e m e m f i l e 快速v i 可以连接的参数除了信号数 据以外还有： f i l en a n l e 一可以改变设置的文件名。 c o m m e n t 为每组保存的数据加注释。 e n a b l e 选择是否记录数据。 读测试数据文件可用快速v ir e a dl a b v i e w m e 鹊w e m e mf i l e ，操作方法与 写测试数据文件类似。 f 4 1 数据处理和结果显示模块。 为了便于观察压力、流量和温度的变化，把它们的时时信号同时显示在一个 前面板上。虚拟测试系统如下图， 图3 1 0 虚拟测试系统前、后面板图 3 9 4 1 冰粒射流的试验 4 冰粒射流的试验分析 a 试验目的 ( 1 ) 冰粒射流加工能力的测试及加工机理的初步分析。 ( 2 ) 冰粒射流试验设备的运行性能测试及工程样机研制的关键问题的解决 方案。 b 试验设计 ( 1 ) 工作介质为水、气时不同的冰粒射流工艺能力试验，并分别比较引射 介质为纯水、磨料这两种情况。 ( 2 ) 因为冰粒的硬度不高，所以试样选择为铝l y l 2 ，这样冰粒可以有效的 去除相当数量的金属。 ( 3 ) 射流的加工效果与其工作时的系统压力成正比，因此，试验时系统的 工作压力为泵所能达到的最大压力即水泵满负荷3 0 m p a 、空压机1 2 m p a 。加工 时工件与喷嘴的靶距取2 0 m m ，由于冰粒的硬度低，为了达到较好的加工效果要 长时间的对工件进行加工，所以，喷嘴的横移速度为5 0 r a m r a i n 。由第二章的试 验结论，喷嘴的结构尺寸取d 1 = 0 4 r a m ，d 3 = 7 4 r a m ，d 4 = 7 r a m ，1 4 = 2 0 r a m 。 c 试验过程 ( 1 ) 试验装置简介 冰粒射流试验装置主要组成部分为：动力系统、高压发生装置、空压机、喷 射系统、电器控制系统、虚拟仪器测试系统、沉淀箱、碎冰系统、冰粒箱、机床 工作台、数控系统、工作区防护装置、液压