计算机在超硬材料中的应用 抛光技术应用

微机在超硬材料制造过程中的应用吕秀华高飞刘红(长春光学精密机械学院计算机科学系)摘要本文介绍了金刚石制造过程中,温度、压力检测和控制的徽机系统以及软、硬件设计原理及特.点。关键词金刚石;金刚石制造;温度测量金刚石的生产是对石墨加温、加压的过程,当温度达到1400,压力达到5.5万个大气压时,石墨就变成了金刚石。在制造过程中温度和压力的测控显得尤为重要。本文用PC机实现了金刚石制造过程中温度和压力的测控,其中温度测控是通过功率测控实现的。这样即保证了温度测控的精度,又降低了高温测量的成本。系统的控制模块采用了增量式PID控制算法,控制效率良好。1系统硬件设计1.1液压机工作原理本系统采用的液压机具有六个压锤,分别对样品的六个面施加压力。样品是一正方体大石块,其中间掏空放入一块石墨,通过两个压锤给其加电,在加电过程中石墨不断地释放热量,同时,压锤开始加压,压力达到一定强度后,就会不断地将石头挤碎,碎石沫被挤进各压锤的缝隙间使其达到封闭,此时功率全部转换为热量,然后继续加大压力,并加大功率(加温),当温度达到140。,压力达到5.5万个大气压时,剩余的石墨就转变成了金刚石。1.2总体框图本测控系统总体框图如图1所示,主要由PC机、接口箱和传感器模拟电路等部分组成,完成数字采集、温度控制和压力控制的功能。l)压力测控压力的信号由压力传感器提供,测得的信号通过A/D转换形成12位数字量,然后和理论值相比较,经PID调节形成控制量输出。该控制量通过D/A转换变成模拟量,再经过放大去控制电机的速度,从而实现压力的测控。2)温度测控金刚石生产过程中的温度可达1400,若直接测量,只能使用双铂锗(白金)热电藕,当收稿日期:1997一05一28这种热电藕完成对1400的高温测试后便融化了,即只能一次性使用,因此测量成本十分昂贵,因为压机内部热量的产生源于功率,所以温度测控可归结为功率测控的问题。功率测控过程与压力测控的不同之处在于功率不是直接测得,而是先测得电流和电压,再求功率,然后采用增量式PID算法计算出控制量,输出控制可控硅的导通角,从而实现温度的控制。2系统软件设计本系统软件全部采用C语言编写,采用模块化结构,主框图如图2所示各模块功能如下:2.1数据文件模块该模块是为理论值的输入而设计的,它实际上是一编辑器。使用该编辑器可完成数据的输入、修改、删除、追加、显示和打印等功能。2.2自动测控模块完成实时检测及回控功能。该模块能实时地动态显示实测曲线、理论曲线,实测数据及理论数据,并能测试相对时间2.3图象操作可完成对实测图象及理论图象的存储、打印及恢复显示等功能。2.4软件设计特点1)该系统是在西文DOS下实现的汉字显示,不同于CCDOS下的汉字显示,它是根据机内码的形成,即根据机内码高字节一区码+aoh机内码低字节一区码+aoh从而根据机内码来得到待显示字符的区码,然后进一步算出该字模在内存所占的地址,从而取得其点阵代码逐个输出显示,设机内码为qq,若将字符的字模称为记录,则记录rec(qq一oxal),94+(一。xal)L一二ec,321得该字模在内存的起始地址,然后逐个字读出并显示点阵信息。这样便可以西文状态下直接通过字模的点阵信息来实现汉字显示。2)自动测控模块整个功率,压力的控制是在程序的控制下完成的,采样周期是十秒。功率压力变化的理论值事先由操作人员通过键盘设定,当CPU向A/D转换器发出采样信号后,进行采样和转换,系统处于压力、功率控制状态时,根据功率、压力差值的大小,确定计算机的输出控制量,为了提高控制效果,采用增量式PID进行调节,为了提高可靠性和消除各种干扰,程序中加入了数字滤波,即每次连续采样六次,去掉最高及最低值,其余四值求平均值为最后采样值。增量式PID算法如下:乙uP(山+Ie+D乙Ze)u=u+,+u其中ei理论值一实测值;山e一e一(山。0);公2价=山一山卜l(Ze一。);u一输出控制量(u。设定值);P为比例系数;I为积分系数;D为微分系数。采用增量式尸ID算法进行输出量的调节,P、I、D参数的选择甚为重要,本系统采用的是实验凑试法选择的尸、I、D参数值,即首先按经验值设定一组尸、I、D值,然后根据实际控制效果以及以往调试经验,不断修改尸、I、D各参数值,最后选择一组控制效果最好的尸、I、D参数值,本系统最终选择的参数是:功率控制尸、I、D参数值是尸w一2.5;Iw一0.1;工派刀2,压力控制尸、I、D参数值是PP1.8;IP0.005;场一。即只采用pl调节。3结束语l)该系统采用对功率的测控来取代对温度的测控,即达到了测温的目的,又降低了成本。2)实现了在西文DOS下汉字的显示。3)经过实际调试,选定了比较理想的比例参数P和积分参数I及微分参数D有较好的控制品质,使得实测曲线和理论曲经较接近,过冲小,不会因为压力过冲产生放炮现象。长春光学精密机械学院学报1997年744)测量误差小,测压、测功率精神均为士0.05铸,控制量输出精度为士0.1%,基本时钟精度为士0.01%.参考文献l谢剑英.微型计算机控制技术.国防工业出版社出版,1985 Vol. 18 No. 92006 年 9 月 系 统 仿 真 学 报 Sept., 2006 2584 摇杆机构实现了工件在砂轮上的摆动抛光。根据具体设计情况，假定 AB 杆和 AD 杆的长度为定值，分别为 116mm 和 120mm，AE 杆的长度为 250mm，已知工具的内径为 200mm，外径为 250mm，则根据程序以及设计要求可以求出如表 1 所示的几组数据。从以上计算结果分析可知：(1) 在已知 AB 杆和 AD 杆长度的条件下，当 CD 杆的长度不变时，改变 BC 杆的长度，AE 杆转过的最大角度以及 AE 杆转过的中心位置与 AD 杆的夹角也随之改变，BC杆越长，AE 杆转过的最大角度以及 AE 杆转过的中心位置与 AD 杆的夹角也越大，且 AE 杆转过的最大角度变化较大，而 AE 杆转过的中心位置与 AD 杆的夹角变化不大。从轨迹图形来看，第 1、2 组数据比较符合设计要求，第 3、4、5、6 组数据由于 E 点的轨迹线离工具边缘太近或超出工具边缘而不符合设计要求。(2) 在已知 AB 杆和 AD 杆长度的条件下，当 BC 杆的长度不变时，改变 CD 杆的长度，AE 杆转过的最大角度以及 AE 杆转过的中心位置与 AD 杆的夹角也随之改变，CD杆越长，AE 杆转过的最大角度以及 AE 杆转过的中心位置与 AD 杆的夹角也越大，且 AE 杆转过的中心位置与 AD 杆的夹角变化较大，而 AE 杆转过的最大角度变化不大。(3) 从第 1 到 6 组数据来看，将 AE 杆转过的最大角度控制在 21左右比较合适，因此在第 7 到 13 组的数据中，第12、13 组可以达到要求，但需要根据 AE 杆转过的中心位置与AD杆的夹角的大小改变D点的位置，才能达到设计要求。(4) 通过结果分析可知，由于 AE 的长度一定，E 点的轨迹长度只与其转过的角度有关，因此，在改变参数寻求最佳组合时，必须首先满足 E 点转过的角度范围。通过计算机仿真技术，我们成功地将双摇杆机构应用于立方氮化硼等超硬材料的抛光，最终选择的各杆的长度分别为：a=116mm，b=20mm，c=90mm，d=120mm。应用结果表明，采用双摇杆机构的抛光方式与传统工件砂轮相对位置固定的抛光方式相比，加工效率提高 50以上，取得了良好的效果。表 1 计算机仿真结果序号AB 杆长度(mm)BC 杆长度(mm)CD 杆长度(mm)AD 杆长度(mm)AE 杆转过的最大角度()AE 杆转过的中心位置与 AD 杆的夹角()E 点的轨迹(图中粗线所示)1 116 15 166 120 20.05 89.562 116 16 166 120 21.39 89.603 116 17 166 120 22.73 89.644 116 18 166 120 24.06 89.695 116 19 166 120 25.40 89.736 116 20 166 120 26.74 89.787 116 20 150 120 25.02 79.338 116 20 140 120 24.13 73.169 116 20 130 120 23.32 67.2010 116 20 120 120 22.64 61.4311 116 20 110 120 22.03 55.8112 116 20 100 120 21.51 50.3413 116 20 90 120 21.07 44.99（下转第 2664 页） Vol. 18 No. 92006 年 9 月 刘 媛，等：计算机仿真技术在超硬材料抛光技术中的应用 Sept., 2006 2583 图 2 E 点轨迹图的形状和大小来确定(如图 2 所示)。因此，为了满足以上条件，必须求出 E 点的运动轨迹，取各构件在坐标轴 x 轴和 y轴上的投影，可分别得到如下关系式：+=+=sinsinsin0coscoscos0abcabdc（1）将上式中的含有的项移至等号右端，然后将方程的等号两边平方后相加，消去式中的 项，整理后得：E cos + Fsin+G=0（2）式中：cossin2 2 2 2E b dF bE F a cG2a= =+ + =（3）利用三角函数变换，则有+=2121cos22tgtg，+=2122sin2tgtg将其代入(2)式，可解得EGFEFGarctg+=2222aEaFarctg+=cossin假定开始（t=0）时 BC 杆处于水平位置，此时=0 则由以上计算方程可计算出此时AB杆与x轴正向的夹角0的值。因此，在任意时刻 t，则有： t =t+t0()()将上式代入(1)式，有：+=+=sin()sin()sin()0cos()cos()cos()000atbttctatbttdct（4）同理，将(4)式中的含有的项移至等号右端，然后将方程的等号两边平方后相加，消去式中的项，整理后得：cos()sin()0111E t+ Ft+G=式中：cos( - t )sin( - t )1 01 02 2 2 21 11E b aF bE F d cG2d = +=+ + =利用三角函数变换，则有+=2()12()1cos()22ttgttgt，+=2()12()2sin()2ttgttgt将其代入(2)式，可解得112121211()2EGFEFGtarctg+=11cos()sin()()atEatFtarctg+=从而即可求出 t 时刻 B 点和 E 点的 x 轴、y 轴的坐标值分别为：=sin()cos()BatBatyx（5）=+=+()sin()()cos()EaBEtEaBEtyx（6）改变 t 的值，即可得出 B 点和 E 点的轨迹曲线。2 软件的编制为了求出 E 点的运动轨迹，选择合适的参数，如果利用公式进行人工计算，计算过程非常繁琐，并且容易出现人为的计算错误，为了准确快速地计算出 E 点的运动轨迹，我们采用Visual Basic 语言编制了双摇杆机构运动轨迹曲线的计算软件，以界面的形式显示了其运动轨迹曲线7, 8。如图3 所示，界面上列出了一系列参数，用户可以通过改变各参数值的大小来调整其运动轨迹，以便于对各杆的长度及相关角度等参数进行优化选择。因此，该软件的编制，一方面避免了人为的计算错误，减少了繁琐的计算劳动，另一方面可以直观地描述出 E 点的轨迹曲线，通过轨迹曲线可以轻松地优化出各杆的长度及相关角度等参数。图 3 双摇杆机构计算机仿真软件主界面3 应用实例我单位以前使用的立方氮化硼抛光设备，工件与砂轮的位置相对固定，抛光效率很低。针对该问题，我们准备采用双摇杆机构实现工件与砂轮相对位置的变化，为此，我们采用计算机仿真技术对其杆长及角度进行了优化，并利用双 2582 计算机仿真技术在超硬材料抛光技术中的应用刘 媛1, 2，张勤俭2，叶书强2（1.北京工业大学，北京 100022；2.北京市电加工研究所，北京 100083）摘 要：计算机仿真技术在机械工程、自动化控制工程、国防建设等领域得到广泛的应用，已成为研究、设计和分析复杂问题的重要工具。文中首次将计算机仿真技术引入超硬材料加工技术，从运动学和几何学原理出发，建立了双摇杆机构的数学模型，得出了双摇杆机构中工件中心点的运动轨迹方程，并用 Visual Basic 语言编制了相应的计算机仿真软件，以图形的形式显示出了运动轨迹曲线。并对各杆的长度及相角度等设计参数进行了优化，并将其成功地应用于立方氮化硼等超硬材料的抛光技术。关键词：双摇杆机构；计算机仿真；抛光；超硬材料中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1004-731X (2006) 09-2582-03Application of Computer Simulation Technologyin Polishing Process of Superhard MaterialsLIU Yuan1, 2, ZHANG Qin-jian2, YE Shu-qiang2(1. Beijing University of Technology, Beijing 100022, China; 2. Beijing Institute of Electro-machining, Beijing 100083, China)Abstract: As an important tool to research, design and analyze the complicated problems, the computer simulationtechnology has been employed in many fields such as mechanical engineering, automatic control engineering and nationaldefense construction. The computer simulation technology was applied firstly in the precision machining process ofsuperhard materials. On the basis of kinematics and geometry principle, the mathematical model for the double rocker armmechanism was established. The movement path equation of the workpiece center point on the double rocker arm wasderived. The computer simulation software was developed and the path curve was figured by using Visual Basic language.Before the double rocker arm mechanism was applied in the machining process, the length of varies arms and theircorrelative angles were optimized. The best parameters combinations which can fulfill the application requirement werefound. The optimal mechanism was applied in the polishing process of superhard material.Key words: double rocker arm mechanism; computer simulation; polishing; superhard materials引 言1计算机仿真是近年发展起来的一门综合性很强的新兴技术学科，广泛应用于机械工程、自动化控制工程、国防建设等领域，已成为研究、设计和分析复杂问题的重要工具12。随着计算机技术的飞速发展，特别是计算机处理速度的大幅度提高，计算机仿真技术为数学模型的建立和实验提供了更大的灵活性，已日益为人们所重视和应用3, 4。机械工程中最常用的机构之一是平面连杆机构，其中尤以铰链四杆机构中的曲柄摇杆机构应用最为广泛。连杆是作平面复合运动，其上的任意点可描绘的轨迹叫做连杆曲线。连杆曲线的形态各异，丰富多彩，可利用它复演平面曲线。运用计算机仿真技术对曲柄摇杆机构的研究比较广泛5, 6，而双摇杆机构的运动特性比曲柄摇杆复杂的多，目前的研究收稿日期：2005-08-24 修回日期：2006-05-22基金项目：北京市科技新星计划(B 类)项目(H020821310130); 北京市自然科学基金资助项目(3042007); 北京市科学技术研究院萌芽项目(MY0401)。作者简介：刘媛(1977-)，女，助研，博士生, 研究方向为超硬材料制备、加工及其计算机仿真及优化技术; 张勤俭(1972-)，男，博士，高工, 北京市电加工研究所北京精密特种加工技术研究中心副主任，研究方向为超硬材料的精密特种加工及其计算机仿真和优化技术; 叶书强(1959-)，男，学士，高工。研究方向为机械设计、精密加工工艺。较少。本文建立了双摇杆机构的数学模型，采用计算机仿真技术对其杆长及角度进行了优化，并利用双摇杆机构实现了加工过程中工件在砂轮上的摆动，成功地应用于立方氮化硼等超硬材料的抛光，加工效率比传统的抛光方式提高 50，取得了良好的效果。1 机构数学模型的建立图 1 所示为一双摇杆机构简图，各构件的相对长度分别为 a，b，c 和 d。BC 杆绕着 B 点相对匀速转动。其相对于 B 点的角速度为 ，将该机构置于直角坐标系中，摇杆AB 的固定端 A 点与坐标原点重合，机架 AD 与 x 轴重合，为了便于应用，选择 E 点为工件的中心点，为了保证工件加工过程能够顺利进行，必须使得 E 点始终在工具上，并且 E点离工具边缘的最短距离不能小于一定值，此定值根据工件图 1 双摇杆机构简图第 18 卷第 9 期 Vol. 18 No. 92006 年 9 月 系 统 仿 真 学 报 Sept., 2006 2664 和评价结果以二制流的形式输入演化硬件设计平台指导下一步的演化策略。随机数的随机性决定了随机数发生器的优劣，而其优劣程度受仿真对电路评价的直接影响。在此对随机性的测试采用 FIPS-140 标准和著名的随机数测试软件Diehard，某三代的最优个体性能如表 1 所示。表 1 最优电路个体的测试值第 1 代 第 1000 代 第 2000 代Monobit Test 1.000000 .912541 .773936Birthday Spacing Test 1.000000 .827782 .612698OverlappingPermutations Test1.000000 .671265 .510505Ranks of 31x31 and32x32 Matrices1.000000 .912743 .871713Ranks of 6x8 Matrices 1.000000 1.00000 .999164Monkey Tests on 20-bitWords1.000000 1.000000 1.000000Monkey TestsOPSO,OQSO,DNA1.000000 1.000000 1.000000Count the 1s in aStream of Bytes1.000000 1.000000 1.000000Count the 1s inSpecific Bytes1.000000 1.000000 1.000000Parking Lot Test 1.000000 .999613 .602602Minimum Distance Test 1.000000 1.000000 .946229Random Spheres Test 1.000000 .973520 .534159The Sqeeze Test 1.000000 1.000000 .999676Overlapping Sums Test 1.000000 1.000000 .653748Runs Test 1.000000 1.000000 .051278The Craps Test 1.000000 .216305 .322741由表中可以看出，经过 2000 代的演化，该随机数发生器通过了 16 种随机数性能测试的 12 种。虽然有四种测试没有通过，本文认为是因为胚胎电路中缺乏某些成分和平台定义的操作集合还不够完善，还有待于进一步研究。实验结果表明这种仿真算法能够满足演化硬件设计平台的要求，给演化操作提供有效的评价，指导下一步演化策略。4 结论本文在演化硬件的软硬件协同设计平台 WU-EHW 上，利用分阶段仿真的思想设计了一种数字电路仿真算法。实验结果表明，这种仿真算法能有效地对数字电路进行仿真和评价，较好地满足了演化硬件设计平台的要求，为电路自动设计提供演化策略，使电路朝着最优化方向演化。但目前平台上数字电路仿真方法还有待完善，今后我们将从以下方面进行研究：运用五值逻辑和八值逻辑仿真、对数字电路进行故障仿真和分布式并行算法对数字电路仿真等等。参考文献：1 Garis H. Evolvable Hardware: The Genetic Programming of DrawingMachinesC/ Proceedings of International Conference on ArtificialNeural Nets and Genetic Algorithms. 1993: 441-449.2 康立山, 等. 用函数型可编程器件实现演化硬件J. 计算机学报，1999, 22(7): 781-784.3 Yao X, Higuchi T. Promises and challenges of Evolvable HardwareJ.IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, Part C:Applications and Reviews (S1094-6977), 1999, 29(1): 87-97.4 Pauline C. Haddow, Piet van Remortel. From Here to There :FutureRobust EHW Technologies for Large Digital DesignsC/ The ThirdNASA/DoD Workshop on Evolvable Hardware, 2001: 232-239.5 涂航. 演化硬件研究D. 武汉：武汉大学，2004.6 何国良. 演化硬件的仿真技术及其环境研究D. 武汉：武汉大学，2004.7 Ubar R. Test synthesis with alternative graphsJ. IEEE Design &Test of Computers(S0740-7475), 1996, 13(1): 4857.8 Jutman A, Raik J, Ubar R. On Efficient Logic-Level Simulation ofDigital Circuits Represented b