变厚度电火花线切割加工机理研究结题摘要

本课题针对线切割加工变厚度工件时的断丝和效率低下问题，开展了离线与在线厚度识别、3D 工件模型高度信息提取、加工过程模型建立、以及模型预测控制等方面的研究，以期提高加工的稳定性和加工效率。 为了进行变厚度线切割加工，首先需要获得工件在加工路径上的厚度，然后才能根据厚度选取合适的加工参数。本课题针对电火花线切割加工时有无工件的3D 模型提出了采用“白盒法”和“黑盒法”分别处理。当已知工件三维模型数据时，则从工件三维模型中直接提取加工路径上的工件厚度信息，并应用到数控系统中在线控制加工过程，即所谓的“白盒法”。 当缺少工件三维模型时，利用“黑盒法”建立工件厚度的辨识模型。鉴于支持向量机在非线性系统建模方面的优异特性，本课题利用支持向量机，根据线切割加工过程中采集的放电频率和进给速度以及控制输入量伺服电压和脉冲间隔，建立工件厚度辨识模型，即所谓的“黑盒法”。输出量是待辨识的工件厚度，而模型输入量为放电加工参数(伺服电压和脉冲间隔)以及放电频率和机床的进给速度。在建立了工件厚度辨识模型之后，在加工中应用该模型实时地辨识工件厚度。 随着工件厚度范围的不断扩大，加工过程中所采集的加工信息也不断增加。这些数据不但可以在线指导加工过程，而且还可以用于在线修正工件厚度辨识模型，目的是使模型包含的加工状况更丰富、模型更准确。本课题利用最小二乘支持向量机的在线算法实时修正工件厚度辨识模型。当新的数据产生后，在线算法根据投影法稀疏性处理判断新的数据是否需要参与模型计算。如果新的数据需要参与模型计算，则删除支持向量中对模型影响最小的向量。该算法确保参与建模的数据量不会超过预先设定的数量，这不仅减少了计算量和存储量，而且解决了最小二乘支持向量机固有的稀疏性问题。 无论是通过“黑盒法”还是“白盒法”获得的工件厚度，最终目的是根据工件厚度，选取合适的加工参数，控制加工过程，达到避免断丝和提高加工效率的目的。为了控制加工过程，基于标准支持向量机建立了加工过程模型，设计了适合变厚度线切割加工的模型预测控制器，当工件厚度变化时，由检测到的工件厚度实时计算出放电频率和加工速度参考值，模型预测控制器根据参考值实时调整输入量伺服电压和脉冲间隔，控制加工过程在不断丝的前提下保持高的加工效率。

线切割机床加工变厚度工件时会发生断丝或加工效率低的现象。本课题基于瞬时能量推导出在线工件厚度识别算法，在已知厚度的情况下对厚度识别系数进行校准，并用支持向量机为厚度识别系数建立与加工参数相关的模型。在为线切割加工过程建立一个多输入多输出模型的基础上，把厚度辨识问题和过程控制问题统一在多变量滑模控制的框架之下。在多维空间中选取理想加工过程的滑模平面，厚度变化造成系统偏移了理想的滑模平面，滑模控制的目的是把偏移的系统状态在有限时间内重新拉回到滑模平面，以保证系统的稳定性。识别出的厚度作为可测量的干扰量加入到滑模控制法则中。通过精确的工件厚度识别，强壮的多变量滑模控制算法，提高变厚度工件切割的稳定性、表面质量和加工效率。算法将在自主研制的线切割数控软件中实现并验证，切实提高国产线切割机床的水平

土的流变机理在于：在骨架应力(有效应力)作用下，土颗粒表面吸附水(气)具有粘滞性，从而使颗粒的重新排列和骨架体的错动具有时间效应，土体变形延迟，即变形与时间有关;而另一方面土体变形受到边界约束，这种约束有阻挡蠕动变形发展的趋势，因此，土体内部应力随之逐步调整，即应力也随时间改变。

早在1925年，人们就开始认识到，必须建立一个真实的并能充分反映粘性土或其它材料应力－应变关系的公式或模型，根据其变形的微观力学在微观结构层次上对其物理过程进行描述，粘土或其它材料蠕变的物理概念应属于“活化能”的概念。

Bazant等应用速率过程理论建立了一系列土的本构关系模型。施斌进行了速率过程理论在粘性土蠕变模拟中的应用研究，介绍了速率过程理论及其相应的粘性土蠕变模型的推导，选取淮阴三类不同粘性土质开展了蠕变试验研究，分别制备了各向异性和各向同性的结构试样，获得了相应的蠕变性结果，再用速率过程理论模型对试验结果进行了拟合。结果表明:以速率过程理论为基础而建立的蠕变模型能有效地模拟不同粘性土质的蠕变过程、趋势和变形，反映出粘性土土性的本质特点，使土质学和土力学紧密地结合在了一起。

谷任国、房营光分别研究了结合水、矿物类型和有机质对软粘土流变性质的影响。采用改进的直剪蠕变仪对一组粘土试样进行了一系列试验，测试结果表明:有机质和矿物成分及其含量是影响软粘土流变性质的重要因素，土体的粘滞系数随粘土矿物含量的增加而减小，即流变变形阻力随有机质和粘土矿物含量的增多而减小，且有机质对软土流变性质的影响较为显著。试验结果分析认为，粘土矿物通过颗粒表面的结合水影响土的流变性质，其中强结合水是土体产生流变的主要因素，而弱结合水则是相对次要因素。试验结果有助于进一步认识土体流变的起因，对改进和完善现有流变变形计算理论有一定指导意义。

本项目主要从以下四个方面展开理论与试验研究：材料组成对混凝土流变性的影响规律与机理、混凝土离析泌水及原始界面缺陷产生的流变学机理、混凝土原始缺陷调控与耐久性提升技术、材料流变性与纤维分散和取向调控研究。项目组经过四年研究，全部实现了计划任务书规定的各项研究目标，各项指标均超额完成。共申请国家发明专利4项，公开发表学术论文17篇，培养博士、硕士研究生9人。通过对不同胶凝材料和外加剂水泥浆体、砂浆流变性的研究，提出了水泥基材料流变性与颗粒特性、堆积状态、平均表面水膜或水泥浆膜厚度等之间的对应关系；通过对粗集料颗粒特性的量化表征和大量实验和理论分析，建立了大流动性混凝土工作性与粗集料特征、水泥砂浆流变特性之间的对应关系；为实现新拌混凝土流变性的量化设计与调控提供了基础数据。基于混凝土中不同物相的电阻率差异，研制了一种可定量评价混凝土在振动与不振动条件下离析程度的测试装置；开发了一种基于高精度激光位移传感器的混凝土泌水测试装置。提出了不同配合比混凝土的屈服剪切应力、塑性粘度与静态离析率之间的关系，推导了外部振动条件下混凝土中粗骨料沉降距离的理论计算公式和修正方法。通过实验和回归分析，提出了混凝土离析程度、界面过渡区和宏观性能非均匀分布之间的对应关系。研究了不同粘度改善剂对新拌混凝土流变性和气泡稳定性的影响与作用机理，确定了可以显著改善混凝土抗渗性和抗冻性的粘度改善剂种类和最佳掺量；针对工程中常出现的自密实混凝土分层浇注界面缺陷问题，提出了通过配合比设计和材料优选，以减小絮凝颗粒尺寸和屈服应力经时增长的解决方案。通过研究钢纤维、纳米碳纤维在不同流变性浆体中的分布规律，提出了基于流变性调控优化纤维分布状态的混凝土制备新技术；研发了一种基于流动诱导纤维取向的超高性能混凝土制备新技术，可以实现混凝土抗弯力学性能的显著提高，进而为突破现有水泥基材料力学性能指标范围提供的技术方案。 2100433B