CN111045458A - 一种新型非牛顿流体微涂覆系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型非牛顿流体微涂覆系统，包括非牛顿流体材料装载机构、流体建模单元、智能反馈涂覆控制单元；非牛顿流体材料装载机构包括内设调压阀的储料压力桶及通过进料管道相连的顶针阀式喷嘴，调压阀控制储料桶的气压大小，流体可被压入进料管道后由喷嘴喷出；流体建模系统负责对非牛顿流体的非线性特性进行过程分析，并对微涂覆过程动态建模；智能反馈涂覆控制系统包括上位机、信号输入模块、控制器、被控对象模块、检测单元、执行模块，基于非牛顿流体模型，负责对管道流体的流速进行反馈控制。本发明解决了现有微涂覆过程未按流体非线性特征进行反馈控制的难题，可应用于喷漆、荧光粉胶涂覆等各种表面涂覆工艺。

Description

一种新型非牛顿流体微涂覆系统及控制方法

技术领域

本发明涉及自动化喷涂的研究领域，特别涉及一种新型非牛顿流体微涂覆系统及控制方法。

背景技术

前涂覆工艺不断发展和完善，用户对涂覆效果的精度要求越来越高。在自动化涂覆领域，工件喷涂的一致均匀性要求格外重要。无论是汽车行业的喷漆过程，还是制备大功率白光LED行业的荧光粉涂胶过程，涂覆效果是否一致均匀影响着产品最终的美观性、实用性以及产品合格率。

生活、生产涂覆领域的喷涂材料多为非牛顿流体材料，非牛顿流体是一种不满足牛顿黏性实验定律，即其剪应力与剪切应变率之间不是线性关系的流体，因此对于非牛顿流体建模控制较为复杂；且非牛顿流体的微涂覆过程是一个非线性、多变量耦合系统，流体流量及流速受到多个因素的影响而无法保持高度一致均匀性。传统的利用人工确定的经验参数控制可靠性不高且效率低下。在微涂覆过程中实现流体建模并进行反馈控制已成为一个急需解决的难题。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种新型非牛顿流体微涂覆系统，首先通过对非牛顿流体涂覆材料进行流体建模和运动建模，以及对涂覆过程进行气动系统建模，可得到非牛顿流体微涂覆过程的理论模型；其次基于所建立的模型，对流体特性参数以及微涂覆过程参数进行调节从而高精度控制管道流体流量及流速。本发明可在一定程度上克服现有微涂覆过程未按流体非线性特征进行反馈控制的难题，并有效提高涂覆量的一致性，提高产品的品质和成品率。

本发明的另一目的在于提供一种新型非牛顿流体微涂覆控制方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种新型非牛顿流体微涂覆系统，其特征在于，包括非牛顿流体材料装载机构、流体建模单元、智能反馈涂覆控制单元；

所述非牛顿流体材料装载机构包括储料压力装置和喷嘴装置，储料压力装置通过进料管道与喷嘴装置连接；

所述流体建模单元用于对非牛顿流体的非线性特性进行过程分析并建立非牛顿流体微涂覆模型；

所述智能反馈涂覆控制单元根据压力变化和流量变化进行流速控制，具体包括上位机、信号输入模块、控制器、被控对象模块、检测单元、执行模块；所述上位机用于设定控制器的输入期望值，并监视其变化，进而控制系统执行参数调节指令；所述信号输入模块用于输入信号，所述控制器用于接收信号并处理，得到控制策略；所述被控对象模块包括储料压力装置和喷嘴装置；所述检测单元包括用于获取储料压力桶压力变化的压力检测单元和用于获取进料管道流量变化的流量检测单元；所述执行模块包括储料压力装置和喷嘴装置，通过非牛顿流体微涂覆模型，对非牛顿流体材料装载机构中的流体流速进行反馈控制。

进一步地，所述储料压力装置包括储料压力桶和第一气压控制单元，所述储料压力桶通过第一气压控制单元控制储料压力桶的气压；所述喷头装置包括料缸和改变流体流量大小的第二气压控制单元、第三气压控制单元以及用于喷涂出口的喷嘴。

进一步地，所述第一气压控制单元为调压阀门，所述第二气压控制单元为顶针式阀门，所述第三气压控制单元为雾化气压阀门。

进一步地，所述喷嘴为刚性管道，喷嘴直径小于料缸直径。

进一步地，所述流体建模单元采用幂律方程作为非牛顿流体的本构方程，对非牛顿流体的非线性特性进行过程分析并建立非牛顿流体微涂覆模型。

进一步地，所述压力检测单元为压力传感器，所述流量检测单元为流量传感器。

进一步地，所述上位机内置通信控制卡，所述上位机与控制器进行双向通信。

本发明的另一目的通过以下技术方案实现：

一种新型非牛顿流体微涂覆控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

设定初始参数和期望流速，所述初始参数包括温度值、雾化气压值、粘度值、供料气压值、喷涂高度、喷涂时间；

将非牛顿流体涂覆材料装入储料桶，并通过调压阀门控制压缩空气进入储料桶，使非牛顿流体涂覆材料被压入进料管道后进入料缸；

流体建模单元根据非牛顿流体的粘度变化及流体的动量守恒定律建立非牛顿流体微涂覆模型；

启动涂覆动作，顶针式阀门发送启动信号，并开始运动；

计算流速实测值和设定值之间误差值，判断其误差值是否大于阈值，若误差值大于阈值，则控制器割据非牛顿流体材料装载机构压力表化和流量变化进行流速控制，修正参数后再继续涂覆；否则参数不变，进行下一次涂覆；

智能反馈涂覆单元通过对检测实际对象的输出信号和模型对象的输出信号进行计算得到误差反馈信号，控制器接收信号输入模块的给定信号和误差反馈信号，经过处理，制定控制策略，进而对系统进行调整控制。

进一步地，所述建立非牛顿流体微涂覆模型，进行流体简化建模，进行如下假设：

1)微涂覆材料为高粘度流体，忽略重力；

2)喷嘴为小内径刚性管道，且喷嘴处直径小于料缸直径；

3)涂覆流体不可压缩且特性不改变；

基于假设，建立描述非牛顿流体的剪切应力进而剪切率关系，

其中，剪切应力采用幂律方程表示：

其中，τ为剪切应力，K为粘度系数，u为流体质点速度，r为质点到喷嘴轴心距离，剪切率为：

n为流体特性指数；

考虑沿轴线运动方向运动，则流体运动模型简化为：

其中，Δp为喷嘴内流体内外压力差，L为喷嘴的管道长度，ρ为流体密度；

将式(1)代入式(2)，则有：

对于式(3)，利用谱方法求取u的近似值，进而通过对储料桶出口处压力进行调节补偿从而控制管道流速。

进一步地，所述智能反馈涂覆单元制定控制策略，具体为：控制器分别与信号输入模块和检测单元连接，控制器接收信号输入模块的给定信号和检测单元的检测信号，通过编程计算使控制器产生控制策略并将新指令反馈待上位机。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明基于非牛顿流体的流体特性并结合流体的过程运动从而建立涂覆过程理论模型，并依据模型设计反馈控制系统，最终可保证涂覆效果的均匀一致性，尤其适用于高精度涂覆要求的工艺。

附图说明

图1为本发明所述一种新型非牛顿流体微涂覆系统结构框图；

图2为本发明所述一种新型非牛顿流体微涂覆控制方法流程图；

图3为本发明所述实施例中非牛顿流体微涂覆的过程分析及建模示意图；

图4为本发明所述实施例中喷嘴管道简化示意图；

图5为本发明所述实施例中智能反馈涂覆控制结构框图。

图6为本发明所述实施例中一种新型非牛顿流体微涂覆控制方法流程图。

图中：100-非牛顿流体涂覆材料，101-储料压力桶，102-第一气压控制单元，103-进料管道，104-第二气压控制单元，105-第三气压控制单元，106-料缸，107-喷嘴，108-压力检测单元，109-控制器，110-流量检测单元，111-信号输入模块，112-上位机，113-实际对象，114-模型对象，115-外部干扰信号。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

一种新型非牛顿流体微涂覆系统，如图1所示，包括非牛顿流体材料装载机构、流体建模单元、智能反馈涂覆控制单元；

所述非牛顿流体材料装载机构包括储料压力装置和喷嘴装置，储料压力装置通过进料管道与喷嘴装置连接；所述储料压力装置包括储料压力桶101和第一气压控制单元102，所述储料压力桶101通过储料压力桶第一气压控制单元102控制储料压力桶的气压；所述喷头装置包括料缸106和改变流体流量大小的第二气压控制单元104、第三气压控制单元105以及用于喷涂出口的喷嘴107，所述喷嘴107为刚性管道，喷嘴直径小于料缸直径；所述第一气压控制单元102为调压阀门，即压力阀，所述第二气压控制单元104为顶针式阀门，所述第三气压控制单元105为雾化气压阀门。通过调压阀门控制储料桶的气压大小，流体被压入进料管道后由喷嘴107喷出。

所述流体建模单元负责对非牛顿流体的非线性特性进行过程分析，并对微涂覆过程动态建模。其中选择幂律方程作为非牛顿流体的本构方程，并基于流体自身性质做出相关假设，进而简化流体的运动模型，最终可通过谱方法求取管道流速的近似解；

所述智能反馈涂覆控制单元，基于所建立的非牛顿流体模型，主要负责对管道流体的流速进行反馈控制；具体包括上位机112、信号输入模块111、控制器109、被控对象模块、检测单元、执行模块；所述上位机112内置通信控制卡，上位机与控制器109进行双向通信，所述上位机112用于设定控制器109的输入期望值，并监视其变化，进而控制系统执行参数调节指令；所述信号输入模块111用于输入信号，所述控制器109用于接收信号并处理，得到控制策略；所述被控对象模块包括储料压力装置和喷嘴装置；所述检测单元包括用于获取储料压力桶压力变化的压力检测单元108和用于获取进料管道流量变化的流量检测单元110，所述压力检测单元108为压力传感器，所述流量检测单元110为流量传感器；所述执行模块包括储料压力装置和喷嘴装置，通过非牛顿流体微涂覆模型，对非牛顿流体材料装载机构中的流体流速进行反馈控制。

一种新型非牛顿流体微涂覆控制方法，如图2所述，包括以下步骤：

设定初始参数和期望流速，所述初始参数包括温度值、雾化气压值、粘度值、供料气压值、喷涂高度、喷涂时间；

将非牛顿流体涂覆材料100装入储料压力桶101，并通过调压阀门控制压缩空气进入储料压力桶101，使非牛顿流体涂覆材料100被压入进料管道103后进入料缸106；

流体建模单元根据非牛顿流体的粘度变化及流体的动量守恒定律建立非牛顿流体微涂覆模型；

启动涂覆动作，顶针式阀门发送启动信号，并开始运动；

计算流速实测值和设定值之间误差值，判断其误差值是否大于阈值，若误差值大于阈值，则控制器割据非牛顿流体材料装载机构压力表化和流量变化进行流速控制，修正参数后再继续涂覆；否则参数不变，进行下一次涂覆；

智能反馈涂覆控制单元通过对检测实际对象的输出信号和模型对象的输出信号进行计算得到误差反馈信号，控制器接收信号输入模块的给定信号和误差反馈信号，经过处理，制定控制策略，进而对系统进行调整控制。

微涂覆过程包括如下步骤：

(1)如图3所示，非牛顿流体涂覆材料100装入储料桶101，并通过调压阀102控制压缩空气进入储料桶，将流体压入所连接的进料管道103后进入料缸；

(2)顶针式阀门104给电磁阀一个信号，从而驱动顶针式阀门的活塞往上运动，同时开启雾化气压阀门105，流体100就通过料缸106从喷嘴107喷出。

进一步地，用较为广泛使用的幂律方程描述非牛顿流体的粘度、剪切应力和剪切率的关系；并采用解析建模的思想建立流体运动模型，

本发明所述的喷嘴管道简化示意图如图4所示，包括：非牛顿流体涂覆材料100、料缸106、喷嘴107，喷嘴管道长度L、喷嘴管道内径d，喷嘴处流体所受压力Δp，流体环形增量dr，其中影响涂覆效果的因素包括：流体粘度特性、涂覆系统的过程参数，比如喷涂压力、时间，温度、喷涂高度，喷嘴管道内径等。

所述建立非牛顿流体微涂覆模型，进行流体简化建模，进行如下假设：

1)微涂覆材料为高粘度流体，忽略重力；

2)喷嘴为小内径刚性管道，且喷嘴处直径小于料缸直径；

3)涂覆流体不可压缩且特性不改变；

基于假设，建立描述非牛顿流体的剪切应力和剪切率关系，

其中，剪切应力采用幂律方程表示：

其中，τ为剪切应力，K为粘度系数，u为流体质点速度，r为质点到喷嘴轴心距离，剪切率为：

n为流体特性指数；

考虑沿轴线运动方向运动，则流体运动模型简化为：

其中，Δp为喷嘴内流体内外压力差，L为喷嘴的管道长度，ρ为流体密度；

将式(1)代入式(2)，则有：

对于式(3)，描述了喷嘴管道流体流速u与流体特性参数(K,n,ρ),系统模块参数(L,r)，外部控制变量(p,t)的关系，利用谱方法求取u的近似值，进而通过对储料桶出口处压力进行调节补偿从而控制管道流速。流体本身特性以及系统参数一般选定之后不会人为改变，故可通过对储料桶出口处压力进行调节补偿从而控制管道流速。

本发明所述的非牛顿流体涂覆控制系统结构示意图如图5所示：

压力传感器108设置在储料压力桶101的进料管口处，并与控制器109连接，当压力传感器108检测到储料压力桶内压力变化后可反馈到控制器109，控制器109可立即控制调压阀门102进行调节以保证供料压力的稳定。同样，在喷嘴107管道处设置流量传感器110，并与控制器109连接，当流量传感器110检测到流量变化后可反馈到控制器109，控制器109可立即调节顶针式阀门104的开度以保持喷涂流量流速的一致性。

进一步地，所述智能反馈涂覆单元制定控制策略，具体为：通过信号输入模块111或者上位机112设定给定信号，流量传感器110检测实际对象113的输出信号，并与模型对象114所计算获得的输出信号进行计算，得到误差信号，将误差信号反馈到输入端；

控制器109接收给定信号和误差信号，经过计算，选取合适的控制策略产生控制命令。

具体的：本发明所述的智能反馈涂覆控制结构框图如图6所示，在建立非牛顿流体微涂覆的过程模型基础上可选取预估补偿的内模控制器，喷嘴管道流量或流速具体控制过程包括如下步骤：

(1)所述的智能反馈涂覆控制系统的给定信号r可通过信号输入模块111或者上位机112设定。

(2)外部干扰信号115作用于过程输出，所述的流量传感器110检测实际对象113的输出信号y，并与模型对象114所计算获取的输出信号

经过相关运算后得到误差信号

最后反馈到输入端。

(3)所述的控制器109接收上位机112或者信号输入模块111的输入信号以及误差反馈信号,并经过内部运算选取合适的控制策略产生控制命令。

可选的，为保持供料压力的稳定以便更好的调节顶针式阀门104开度控制涂覆流速，可设计与图5类似的压力控制系统。其中，控制器109分别与信号输入模块111和检测单元连接，控制器109接收信号输入模块111的给定信号和检测单元的检测信号，通过编程计算使控制器109产生控制策略并将新指令反馈到上位机112。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型非牛顿流体微涂覆系统，其特征在于，包括非牛顿流体材料装载机构、流体建模单元、智能反馈涂覆控制单元；

所述非牛顿流体材料装载机构包括储料压力装置和喷嘴装置，储料压力装置通过进料管道与喷嘴装置连接；

所述流体建模单元用于对非牛顿流体的非线性特性进行过程分析并建立非牛顿流体微涂覆模型；

所述智能反馈涂覆控制单元根据压力变化和流量变化进行流速控制，具体包括上位机、信号输入模块、控制器、被控对象模块、检测单元、执行模块；所述上位机用于设定控制器的输入期望值，并监视其变化，进而控制系统执行参数调节指令；所述信号输入模块用于输入信号，所述控制器用于接收信号并处理，得到控制策略；所述被控对象模块包括储料压力装置和喷嘴装置；所述检测单元包括用于获取储料压力桶压力变化的压力检测单元和用于获取进料管道流量变化的流量检测单元；所述执行模块包括储料压力装置和喷嘴装置，通过非牛顿流体微涂覆模型，对非牛顿流体材料装载机构中的流体流速进行反馈控制。

2.根据权利要求1所述的一种新型非牛顿流体微涂覆系统，其特征在于，所述储料压力装置包括储料压力桶和第一气压控制单元，所述储料压力桶通过第一气压控制单元控制储料压力桶的气压；所述喷头装置包括料缸和改变流体流量大小的第二气压控制单元、第三气压控制单元以及用于喷涂出口的喷嘴。

3.根据权利要求2所述的一种新型非牛顿流体微涂覆系统，其特征在于，所述第一气压控制单元为调压阀门，所述第二气压控制单元为顶针式阀门，所述第三气压控制单元为雾化气压阀门。

4.根据权利要求2所述的一种新型非牛顿流体微涂覆系统，其特征在于，所述喷嘴为刚性管道，喷嘴直径小于料缸直径。

5.根据权利要求1所述的一种新型非牛顿流体微涂覆系统，其特征在于，所述流体建模单元采用幂律方程作为非牛顿流体的本构方程，对非牛顿流体的非线性特性进行过程分析并建立非牛顿流体微涂覆模型。

6.根据权利要求1所述的一种新型非牛顿流体微涂覆系统，其特征在于，所述压力检测单元为压力传感器，所述流量检测单元为流量传感器。

7.根据权利要求1所述的一种新型非牛顿流体微涂覆系统，其特征在于，所述上位机内置通信控制卡，所述上位机与控制器进行双向通信。

8.一种新型非牛顿流体微涂覆控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

设定初始参数和期望流速，所述初始参数包括温度值、雾化气压值、粘度值、供料气压值、喷涂高度、喷涂时间；

将非牛顿流体涂覆材料装入储料桶，并通过调压阀门控制压缩空气进入储料桶，使非牛顿流体涂覆材料被压入进料管道后进入料缸；

流体建模单元根据非牛顿流体的粘度变化及流体的动量守恒定律建立非牛顿流体微涂覆模型；

启动涂覆动作，顶针式阀门发送启动信号，并开始运动；

计算流速实测值和设定值之间误差值，判断其误差值是否大于阈值，若误差值大于阈值，则控制器割据非牛顿流体材料装载机构压力表化和流量变化进行流速控制，修正参数后再继续涂覆；否则参数不变，进行下一次涂覆；

智能反馈涂覆单元通过对检测实际对象的输出信号和模型对象的输出信号进行计算得到误差反馈信号，控制器接收信号输入模块的给定信号和误差反馈信号，经过处理，制定控制策略，进而对系统进行调整控制。

9.根据权利要求8所述的一种新型非牛顿流体微涂覆控制方法，其特征在于，所述建立非牛顿流体微涂覆模型，进行流体简化建模，进行如下假设：

1)微涂覆材料为高粘度流体，忽略重力；

2)喷嘴为小内径刚性管道，且喷嘴处直径小于料缸直径；

3)涂覆流体不可压缩且特性不改变；

基于假设，建立描述非牛顿流体的剪切应力进而剪切率关系，

其中，剪切应力采用幂律方程表示：

其中，τ为剪切应力，K为粘度系数，u为流体质点速度，r为质点到喷嘴轴心距离，剪切率为：

n为流体特性指数；

考虑沿轴线运动方向运动，则流体运动模型简化为：

其中，Δp为喷嘴内流体内外压力差，L为喷嘴的管道长度，ρ为流体密度；

将式(1)代入式(2)，则有：

对于式(3)，利用谱方法求取u的近似值，进而通过对储料桶出口处压力进行调节补偿从而控制管道流速。

10.根据权利要求8所述的一种新型非牛顿流体微涂覆控制方法，其特征在于，所述智能反馈涂覆单元制定控制策略，具体为：控制器分别与信号输入模块和检测单元连接，控制器接收信号输入模块的给定信号和检测单元的检测信号，通过编程计算使控制器产生控制策略并将新指令反馈待上位机。

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