曹建福 王 偉

（①西安交通大學(xué)機械系統(tǒng)工程國家重點實驗室，陜西西安 710049;②西安康柏自動化工程有限責(zé)任公司，陜西西安 710075）

往復(fù)高速走絲電火花線切割機床，由于結(jié)構(gòu)簡單、性價比高，在我國制造企業(yè)中被廣泛使用，已成為一種必不可缺的機床。走絲速度高有利于大厚度工件和大電流切割，但也會引起走絲系統(tǒng)的振動和磨損，嚴(yán)重影響加工質(zhì)量。隨著模具制造水平的發(fā)展，對高速走絲電火花線切割機提出了更高的需求，要求能消除往返切割所產(chǎn)生的黑白條紋，提高加工精度和表面加工質(zhì)量。

為了改進(jìn)高速走絲電火花線切割機床所存在的表面加工質(zhì)量差和加工精度低的問題，人們對機械結(jié)構(gòu)和工藝進(jìn)行了研究，認(rèn)為主要的途徑是采用多次切割工藝［1］。而要實現(xiàn)多次切割需要滿足下列條件:（1）走絲系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以便控制電極絲空間形位的變化;（2）多次切割工藝參數(shù)優(yōu)化，確定脈沖參數(shù)、加工軌跡補償量及電極絲移動方式和速度等［2］;（3）高精度的運動控制。人們把能實現(xiàn)多次切割的高速走絲電火花線切割機床稱為中走絲線切割機床。為了同時能兼顧加工效率和表面加工質(zhì)量，中走絲線切割機床除了在機械結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計外，對數(shù)控系統(tǒng)也提出了一些新的要求［3－6］。

為了滿足中走絲線切割機床對加工效率和質(zhì)量的要求，本文對切割過程放電過程高速采樣、高精度運動軌跡協(xié)調(diào)控制、多次切割以及脈沖電源控制等技術(shù)進(jìn)行了研究，開發(fā)出了新一代中走絲線切割控制系統(tǒng)，并已成功應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。

1 中走絲線切割機床機械本體結(jié)構(gòu)與控制需求分析

中走絲線切割機床一般采用鋼性好的C型結(jié)構(gòu)，使用滾珠絲杠和精密直線導(dǎo)軌，驅(qū)動電動機與絲杠采用直連方式。這種方式可減小傳動誤差和反向間隙，保證加工精度和加工的穩(wěn)定性。潤滑部分增加了集中式供油潤滑，運絲速度可通過變頻器實現(xiàn)無級調(diào)速，絲筒采用無觸點開關(guān)控制換向，運絲系統(tǒng)采用重力自動張絲與導(dǎo)絲嘴穩(wěn)絲相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，可靠性較高。冷卻液系統(tǒng)全過濾，保證了放電加工區(qū)工況穩(wěn)定。

目前市場上流行的大多數(shù)中走絲線切割機床，X、Y軸運動執(zhí)行機構(gòu)采用開環(huán)控制方式，工作臺運動的定位精度100 mm范圍內(nèi)為0.01 mm，重復(fù)定位精度為0.005 mm。為達(dá)到機床X、Y軸在200 mm行程范圍的定位精度0.005 mm，重復(fù)定位精度0.001 mm，本文將使用全閉環(huán)控制方式，用光柵作為位置檢測裝置，實現(xiàn)高精度閉環(huán)位置控制。

現(xiàn)在大多數(shù)電加工機床的放電采樣跟蹤使用模擬電路實現(xiàn)，在加工時固定的跟蹤參數(shù)適應(yīng)范圍比較小，需要有經(jīng)驗的操作人員根據(jù)放電情況手動調(diào)節(jié)跟蹤參數(shù)，影響加工效果。采用數(shù)字化采樣，通過對采樣數(shù)據(jù)的分析自動調(diào)整跟蹤系數(shù)就可以避免這個問題。由于數(shù)字電路的一致性和數(shù)據(jù)分析軟件的經(jīng)驗包容性，減小了放電加工過程中人為因素的影響，提高工件加工的一致性。

2 放電過程高速數(shù)字化采樣與間隙跟蹤

電火花線切割加工是利用高速運動的鉑絲作電極對工件進(jìn)行加工的，這種柔絲電極使得多種放電狀態(tài)隨機、快速和多變地出現(xiàn)，相對電火花型腔加工來說，放電狀態(tài)的主要特征為:

（1）快速走絲線切割加工狀態(tài)的放電狀態(tài)通常只有3種，即開路狀態(tài)、火花放電狀態(tài)和短路狀態(tài);

（2）短路狀態(tài)的間隙電壓較高，且短路電壓隨著短路峰值電流的增大而增大;

（3）高頻電源往往采用感性限流電阻，使波形產(chǎn)生了畸變和拖尾現(xiàn)象。

為了準(zhǔn)確地測量放電狀態(tài)，本文利用高速DSP來實現(xiàn)放電狀態(tài)的分析處理，設(shè)計的單脈沖采樣電路如圖1。由于高頻放電波形的最小脈寬為1 μs以下，因此需要至少10 M的采樣頻率，要選用高速運放電路。由于TI2812內(nèi)部帶有10 M的AD模塊，因此設(shè)計時沒有使用外部AD芯片，而采用DSP芯片中帶有AD模塊，這樣既節(jié)約了成本，又減少了中間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，滿足高速采樣頻率和實時對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的要求。采集電路的響應(yīng)時間可保證在100 ns以內(nèi)，采集的信號送到DSP中，通過分析并識別各個單脈沖的放電類型，所具有的類型有:短路、預(yù)短路、正常放電、預(yù)開路、開路等。根據(jù)高速采樣處理的結(jié)果，控制各軸伺服運動，來對切割放電波形自動進(jìn)行調(diào)整，使加工達(dá)到最佳狀態(tài)，正常穩(wěn)定加工時間達(dá)到80%左右。

由于10 M的采樣頻率所采集的大量數(shù)據(jù)需要快速處理，因此在具體采樣時，將采樣區(qū)間分成兩個時區(qū)（圖2）:采樣時區(qū)和數(shù)據(jù)處理時區(qū)，在放電狀態(tài)時對采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)存，在放電間隔時間內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)不進(jìn)行采集，而且只對前一放電波形的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，調(diào)節(jié)伺服跟蹤運動。采用這種方式既能夠達(dá)到很高的采樣頻率，又能保證波形數(shù)據(jù)得到及時處理。獲得了放電狀態(tài)信息后，采用對間隙自適應(yīng)跟蹤控制來保證切割時的放電效果，若放電波形是空載情況，則加快進(jìn)給，縮小間隙;若放電波形是短路，則停止進(jìn)給甚至回退，建立間隙。本文通過大量的加工工藝試驗，獲得了不同高頻放電脈沖對不同材料、不同工況的切削數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)建立了一個工藝數(shù)據(jù)庫和參數(shù)優(yōu)化控制模型。在進(jìn)行放電加工時，可根據(jù)不同的材料和厚度選用合適的電參數(shù)。

中走絲線切割機使用的數(shù)字化脈沖放電電源是一個直流脈沖電源，它由整流濾波電路、脈沖發(fā)生電路、功率放大器等組成。脈沖電壓幅值為40～150 V可調(diào)，脈沖寬度為 1 ～10 μs。

3 多次切割運動控制方法

3．1 4軸協(xié)調(diào)運動控制算法

四坐標(biāo)線切割機切絲運動關(guān)系如圖3a，建立了2個坐標(biāo)系:下表面坐標(biāo)系（OXY）和上表面坐標(biāo)系（O1UV），（x，y）為工件下表面某點的坐標(biāo)，（u，v）為工件上平面某點的坐標(biāo)，（x'，y'）為下導(dǎo)輪在XY坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，（u'，v'）為上導(dǎo)輪在UV坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。圖中上下導(dǎo)輪距離為H，工件厚度為L，底面高度為HC。本文在進(jìn)行錐度或上下異形零件加工時，采取雙平面同步插補法，即對工件上下面分別生成加工代碼、上下形成運動對應(yīng)關(guān)系、計算對應(yīng)段插補值。

由加工代碼可獲得每個軌跡段的下表面和上表面的起點坐標(biāo)和終點坐標(biāo)，則可計算出上下平面的軌跡長度l1、l2，要使上下插補段保持同步，上下平面的插補速度比值應(yīng)取為v1/v2=l1/l2。采用DDA算法，計算出第i個插補周期的進(jìn)給量 Δxi、Δyi、Δui和 Δvi，則可求得第i個插補周期的坐標(biāo)（xi，yi）和（ui，vi）。

由圖3b可知，b=u－x，c=u'－u

利用小波變換處理故障瞬態(tài)信號UA、UB和UC，并進(jìn)行三層小波分解，獲取對應(yīng)的分解系數(shù)能量值作為特征參數(shù)，可獲得12個故障特征參數(shù)，如圖5、圖6和圖7所示。

對Y軸方向的進(jìn)給分量，可按同樣方法求出y'和v'。若設(shè)i－1插補點的下平面坐標(biāo)為（x1，y1）、上平面坐標(biāo)為（u1，v1）、下導(dǎo)輪XY軸坐標(biāo)為（x'1，y'1）、上導(dǎo)輪UV軸坐標(biāo)為（u'1，v'1）。那么在本段差插補周期內(nèi)，各軸的進(jìn)給量為

絲保持垂直加工時的運動控制方法，在絲垂直情況下加工，UV軸不需要運動，XY軸采用DDA算法。圖4為協(xié)調(diào)運動軟件流程圖。

3．2 多次切割實現(xiàn)方法

刀具半徑補償是現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的基本功能，它能補償編程軌跡與刀具中心軌跡之間的偏差。使用這種補償功能后，當(dāng)用戶輸入了按照零件輪廓編制的加工程序后，數(shù)控系統(tǒng)控制形成的刀具中心軌跡能自動偏移一個設(shè)定的刀具半徑值。相比B刀補，C刀補根據(jù)相鄰兩個程序段信息進(jìn)行刀補計算，且能在轉(zhuǎn)接點插入過渡曲線。

本文借助成熟的C刀具半徑補償方法，來實現(xiàn)多次切割功能。當(dāng)CNC控制器讀入輪廓軌跡程序后，根據(jù)設(shè)定的加工次數(shù)、每一次的補償量和放電參數(shù)，按C刀補軌跡生成若干個程序段，程序中包含有表示放電參數(shù)的E代碼和絲速代碼，這些程序段組合起來生成一個新的多次切割程序。在多次切割時，每次切割軌跡逐漸與程序輪廓軌跡靠近，每次補償值不完全相同。

4 中走絲電火花線切割數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)

中走絲電火花線切割機控制系統(tǒng)，包括:CNC控制器、自適應(yīng)放電脈沖電源、三相正弦波微分驅(qū)動系統(tǒng)。CNC控制器基于嵌入式系統(tǒng)，采用的操作系統(tǒng)是Windows Ce 6.0，線切割的可視化編程與控制軟件將4軸運動控制軟件和圖形化自動編程集成在一起，該編控軟件基于VectorDraw圖形控件開發(fā)。

4．1 CNC 控制器

CNC控制器由嵌入式工業(yè)計算機和運動控制器組成，電火花線切割數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見圖5。嵌入式工業(yè)計算機完成加工數(shù)據(jù)預(yù)處理與監(jiān)控功能，運動控制器完成放電狀態(tài)采樣、4軸運動控制、加減速控制、間隙跟蹤控制等任務(wù)，兩者之間通過USB2.0接口實現(xiàn)高速信息交換。將嵌入式工業(yè)計算機、運動控制器安裝在一個獨立的機箱內(nèi)，機箱防護(hù)為IP65，可以適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)場合對嵌入式結(jié)構(gòu)的需求，見圖6。嵌入式工業(yè)計算機采用研祥公司半長HSC－1711CLDN，使用的是 Celeron M 800 M處理器，在板256 MB RAM，外部存儲器采用30 G筆記本電腦硬盤，它提供LCD顯示器接口、10/100 Mbps網(wǎng)絡(luò)接口、兩個RS232/485串行通通信接口、USB接口、鍵盤和鼠標(biāo)接口。

運動控制器采用32位工業(yè)控制TI公司的2812 DSP，4軸插補控制采用粗精兩級結(jié)構(gòu)，粗插補器采用前文中的控制算法，硬件插補器使用FPGA實現(xiàn)。目前快走絲線切割機床基本上是采用開環(huán)系統(tǒng)，步進(jìn)電動機容易失步，產(chǎn)生的這種隨機誤差無法用軟件方法來補償。為了實現(xiàn)高的運動控制精度，須采用閉環(huán)控制方式。若采用伺服驅(qū)動系統(tǒng)且標(biāo)準(zhǔn)閉環(huán)算法實現(xiàn)的話，成本較高。因此本文采取了一種準(zhǔn)全閉環(huán)控制方案，控制電動機仍采用步進(jìn)電動機，X、Y軸安裝了反饋補償用光柵尺。由光柵尺產(chǎn)生的A、B相差分信號經(jīng)AM26LS32進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到單端信號后直接送到2812 DSP的兩路正交接口。使用閉環(huán)控制策略沒有積分環(huán)節(jié)，只有比例環(huán)節(jié)，它根據(jù)反饋脈沖數(shù)對運動脈沖進(jìn)行補償。

運動控制器配置4路模擬量輸入、16路開關(guān)量輸出、20路開關(guān)量輸入、與高頻電源通訊的RS232接口、手操器接口等。電源部分采用24 V DC低壓供電方式，內(nèi)置20 W DC－DC電源模塊，內(nèi)部電路采用了光電隔離措施。

4．2 基于Win CE的可視化編程與控制軟件

利用線切割機床進(jìn)行實際切割時，需經(jīng)過編制加工代碼和自動運行兩個過程，它們分別由自動編程軟件和數(shù)控系統(tǒng)控制軟件來完成。傳統(tǒng)線切割機自動編程軟件是運行在PC上，采用離線形式編程。近幾年有個別廠家基于PC平臺和運動卡，在Windows XP/NT環(huán)境上開發(fā)出了線切割機數(shù)控系統(tǒng)，而且把圖形化編程軟件與控制軟件集成在一起，軟件可視化、操作方便，但它存在基于PC數(shù)控系統(tǒng)的一些固有缺點:可靠性差、體積大、性能受限。

本文在上述嵌入式硬件平臺基礎(chǔ)上，基于Windows CE6．0嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)了可視化線切割機編程與控制集成軟件。該編程與控制集成軟件的主要模塊，包括圖形繪制、代碼自動生成、加工代碼管理、4軸運動控制、運動監(jiān)測、圖形仿真和間隙控制等功能，主界面如圖7所示。在圖形編輯與顯示功能實現(xiàn)時，采用了VectorDraw圖形控件。VectorDraw圖形控件是VectorDraw公司開發(fā)的基于COM的矢量圖像控件，它提供了700多種屬性、方法和事件，并能夠自定義所有的消息和對話框，支持2D/3D繪圖，是目前國際上一致認(rèn)可的最優(yōu)秀的CAD控件之一。本文使用Visual C++進(jìn)行編程，完成的圖形繪制功能包括基本曲線和高級曲線，基本曲線有直線、圓弧、點和矩形等圖元，高級曲線有正多邊形、橢圓、公式曲線、漸開線齒輪、矩形花鍵和漸開線花鍵等圖元。

5 現(xiàn)場切割實驗與結(jié)果分析

本研究開發(fā)的全閉環(huán)中走絲線切割機床數(shù)控系統(tǒng)，已在幾個廠家的線切割機床上實現(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用。為了分析實際切割效果，本文在某廠家的DK7740型號線切割機床上進(jìn)行了切割實驗，實驗時使用直徑為0.18 mm鉬絲，水性冷卻液。

表1 大加工件測量數(shù)據(jù)

首先進(jìn)行了最大效率切割試驗，實驗圖形是長距離直線，軌跡長度為2 000 mm。試驗條件:材料為45鋼，運絲速度為10 m/s。經(jīng)反復(fù)實驗測試，最大加工效率≥190 mm/min。

第二進(jìn)行了加工精度試驗，切割了兩個試件，大工件如圖8a，小工件如圖8b。加工材料為Cr12鋼，厚度20 mm，切割次數(shù)3次。加工精度測量數(shù)據(jù)見表1、表2。對于長距離的較大工件，由于機床本身的誤差，在開環(huán)情況下切割，大工件誤差范圍在－0.040～+0.008 mm之間，小工件誤差范圍在－0.002～+0.009 mm之間。在閉環(huán)功能打開情況下，大工件誤差范圍在－0.005～+0.013 mm之間，小工件誤差范圍在+0.001～+0.007 mm之間。由此看出在對于小工件切割時，加工誤差開環(huán)和閉環(huán)差別不大，但在加工較大工件時，閉環(huán)系統(tǒng)能夠較大幅度減小。

表2 小加工件測量數(shù)據(jù)

表3 粗糙度測試記錄

第三進(jìn)行了粗糙度試驗，試驗的圖形如圖9所示，每個試件切割次數(shù)是3～4次。試驗條件:材料為Cr1 2，運絲速度為2～1 0 m/s。從測試記錄表3可以看出，表面粗糙度值Ra≤1～1.6 μm，且加工表面光澤無切割條紋，平均加工速度50 mm2/min。6個試件切割中，最佳表面粗糙度值Ra≤0.8 μm，平均加工速度40 ～50 mm2/min。

最后進(jìn)行了絲損試驗，試驗圖形為長距離直線，軌跡長度2 000 mm。試驗條件:材料為45鋼，運絲速度為10 m/s。使用厚度50 mm的試件，平均切割效率為100～120 mm2/min，連續(xù)切割 2 ×105mm2，鉬絲損耗0.02 mm，加工穩(wěn)定，無斷絲現(xiàn)象。使用厚度500 mm的試件，連續(xù)切割48 h，加工穩(wěn)定，無斷絲現(xiàn)象，平均切割效率80 mm2/min。

6 結(jié)語

為了提高切割過程放電效率，本文研究了中走絲線切割機脈沖放電特性，采用數(shù)字化方法對放電過程進(jìn)行高速采樣，提取出放電特征后實施間隙跟蹤，同時建立了智能型放電工藝數(shù)據(jù)庫。為改進(jìn)切割精度和表面粗糙度，工作臺運動采用了一種閉環(huán)位置控制方案;基于雙平面同步插補法實現(xiàn)了4軸協(xié)調(diào)運動控制，并采用補償原理解決了多次切割控制問題。論文基于Win CE6.0嵌入式操作系統(tǒng)，設(shè)計并實現(xiàn)了可視化編程與控制集成軟件。實際切割數(shù)據(jù)顯示，采用這種數(shù)控系統(tǒng)后，中走絲線切割機床的可靠性和加工精度有了明顯提高。

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