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        往復(fù)走絲線切割電極絲恒張力控制系統(tǒng)研究

        2015-02-24 07:39:08陸程時(shí)偉
        機(jī)床與液壓 2015年23期
        關(guān)鍵詞:撓曲導(dǎo)輪電火花

        陸程,時(shí)偉

        (中州大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,河南鄭州 450015)

        0 前言

        電火花線切割加工為一種非接觸式熱蝕除電加工方式,適合加工各種硬度導(dǎo)電材料,由于其具有較高精度、效率、能夠加工復(fù)雜異面零件等優(yōu)良特性[1],廣泛應(yīng)用于模具、儀器、汽車(chē)、航空航天等高端制造領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)零件的精度和質(zhì)量要求越來(lái)越高,提高加工設(shè)備的性能迫在眉睫。針對(duì)此情況,許多研究人員做了大量的研究,丁紅珍等[2]提出改進(jìn)電極絲貯絲系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的方法來(lái)提高加工形位誤差和表面粗糙度;樓月明、楊蕾等人[3-4]從加工參數(shù)角度出發(fā),采用優(yōu)化算法,從而獲取更高的材料去除率和表面質(zhì)量,狄士春、尚婕等[5-6]研究高性能的高頻脈沖電源,采用新的設(shè)計(jì)思路,優(yōu)化脈沖電源的設(shè)計(jì)來(lái)提高線切割加工的性能。上述研究在一定程度上減少了加工零件的形位誤差,提高表面加工質(zhì)量。

        在往復(fù)走絲方式的線切割加工過(guò)程中,電極絲張緊力對(duì)于電極絲的運(yùn)動(dòng)特性影響最大,且難以被實(shí)時(shí)精確的控制,導(dǎo)致電極絲發(fā)生較大的撓曲變形和振動(dòng),嚴(yán)重影響加工的效率、精度和穩(wěn)定性,具體表現(xiàn)在工件表面條紋、形位誤差和切口寬度等,因此開(kāi)發(fā)一個(gè)能夠控制電極絲張緊力的系統(tǒng)很有必要。本文作者提出一種新的中速線切割電極絲往復(fù)走絲的走絲方式,引進(jìn)伺服電機(jī)、張力馬達(dá)和張緊力傳感器等,采用自適應(yīng)控制算法,開(kāi)發(fā)一套閉環(huán)往復(fù)走絲電極絲恒張緊力控制系統(tǒng),能夠?qū)崟r(shí)的測(cè)量電極絲張緊力,并與設(shè)置的張緊力進(jìn)行比較,智能補(bǔ)償其大小,系統(tǒng)響應(yīng)速度5 ms,張緊力調(diào)整時(shí)間在1 s以內(nèi)。大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加工顯示,該閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)電極絲張緊力的控制效果顯著,有效地減少了電極絲換向傳輸?shù)膹埦o力波動(dòng),且明顯減少電極絲運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的撓曲變形和振動(dòng)現(xiàn)象。

        1 電極絲受力分析

        在電火花線切割加工過(guò)程中,電極絲受力非常復(fù)雜,可以分為宏觀力和微觀力。宏觀力主要為電極絲張緊力,微觀力主要分為:脈沖放電力、靜電力、電磁力和流體黏性力等[7]。本部分對(duì)電極絲進(jìn)行受力分析,如圖1所示。

        圖1 電極絲受力分析示意圖

        張緊力 (T)是為了使電極絲順利地在絲筒和導(dǎo)輪之間往復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn),使得導(dǎo)輪之間的電極絲在加工過(guò)程中盡量保持為直線,人為的給電極絲增加一個(gè)預(yù)緊力,其方向如圖1所示,其幅值的數(shù)量級(jí)為10 N。脈沖放電力 (Fd)為加工中,由于電極絲和工件之間的高勢(shì)差,引起強(qiáng)烈的火花超高溫?zé)嵛锢砦g除過(guò)程,工件表面的材料在短時(shí)間內(nèi)被熔化、汽化、沖刷走或者再結(jié)晶;與此同時(shí),電解液中的泡沫被破裂,許多專(zhuān)家將此類(lèi)力的合力稱為脈沖放電力,該力難被精確測(cè)量,其幅值的數(shù)量級(jí)為10-3N/J[8],方向與加工進(jìn)給方向相反。靜電力 (Fe)是在脈沖放電間隙中,由于電極絲和工件之間的電勢(shì)之差,產(chǎn)生一種相互吸引的作用力,對(duì)電火花加工電極絲運(yùn)動(dòng)特性影響不大。電磁力 (Fm)是由于脈沖電流通過(guò)電極絲,在陰極與陽(yáng)極之間產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象,從而產(chǎn)生相互的電磁力,其幅值的數(shù)量級(jí)0.01 N/m。流體黏性力(Fd)為電極絲與高速?zèng)_擊的電解液之間黏性力,其大小跟電極絲傳輸速度、電解液黏度系數(shù)、電解液壓力和脈沖放電通道的寬度相關(guān),方向與張緊力方向一致,但幅值遠(yuǎn)小于張緊力。

        2 電極絲張緊力變化原因及其引起的問(wèn)題

        在一般的往復(fù)走絲線切割加工中,電極絲的張緊力在8~12 N范圍內(nèi)波動(dòng),這個(gè)幅度的波動(dòng)將會(huì)對(duì)高精度高效率的中速電火花加工造成致命的影響。引起張緊力變化主要由以下3個(gè)方面的原因:

        (1)絲筒和導(dǎo)輪等機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng);

        (2)電極絲由于放電加工的腐蝕變得更細(xì)長(zhǎng);(3)電極絲在傳輸換向過(guò)程中張緊力波動(dòng);

        較大幅值的張緊力波動(dòng)嚴(yán)重制約線切割加工的高性能發(fā)展,其負(fù)面影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

        (1)直接影響:導(dǎo)致電極絲產(chǎn)生較大的撓曲變形和振動(dòng),撓曲變形分為導(dǎo)輪處和導(dǎo)輪間的撓曲變形[10-11],圖2為電極絲導(dǎo)輪之間的撓曲變形圖,公式 (1)為電極絲弦振動(dòng)方程。

        圖2 電極絲受合力作用下的撓曲變形

        式中:T為張緊力,N;E為彈性模量,N/m2;I為慣性矩,m4;S為橫截面積,m2;c為阻尼系數(shù),Ns/m2;q(z,t)為均布脈沖放電力,N/m。當(dāng)張緊力發(fā)生較大波動(dòng)時(shí),根據(jù)弦振動(dòng)方程,電極絲的運(yùn)動(dòng)特性將發(fā)生較大的變化,甚至可能出現(xiàn)共振現(xiàn)象。

        (2)間接影響

        在電火花加工中,控制系統(tǒng)的插補(bǔ)精度和電極絲的運(yùn)動(dòng)特性決定加工零件的形位精度,主要體現(xiàn)在拐角誤差、切口寬度和上下異性加工面,圖3為加工拐角誤差示意圖;放電蝕除機(jī)制、電極絲運(yùn)動(dòng)特性共同決定加工零件的表面質(zhì)量,主要體現(xiàn)在表面粗糙度、表面條紋和裂紋。

        圖3 拐角誤差示意圖

        3 電極絲恒張力自適應(yīng)控制系統(tǒng)

        3.1 自適應(yīng)控制系統(tǒng)

        所謂自適應(yīng)控制系統(tǒng),一般指具有一定的適應(yīng)環(huán)境的能力,當(dāng)處于一種初始不穩(wěn)定的、自身不穩(wěn)定或者工作環(huán)境變化時(shí),能夠在線識(shí)別種種變化,通過(guò)一定的控制算法進(jìn)行自動(dòng)校正,已達(dá)到預(yù)期的控制效果的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在功能上分為三部分:

        (1)在線識(shí)別:通過(guò)傳感器,實(shí)時(shí)地測(cè)量系統(tǒng)中的信號(hào)或者參數(shù),并加以處理,識(shí)別出系統(tǒng)當(dāng)前處于的狀態(tài);

        (2)決策部分:根據(jù)系統(tǒng)識(shí)別出的當(dāng)前狀態(tài),將其與系統(tǒng)設(shè)置的特征值或者參數(shù)進(jìn)行比較,運(yùn)用控制算法,指導(dǎo)系統(tǒng)下一步的運(yùn)行;

        (3)在線修改:根據(jù)決策部分所計(jì)算出來(lái)的控制參數(shù)值,傳遞信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu),使得控制系統(tǒng)的狀態(tài)與設(shè)置狀態(tài)無(wú)限接近。

        文中研究開(kāi)發(fā)的恒張力控制系統(tǒng)的控制流程圖如圖4所示。

        圖4 自適應(yīng)控制系統(tǒng)控制流程圖

        自適應(yīng)控制算法采用直接自適應(yīng)控制系統(tǒng),其控制算法如下:

        式中:y,v,u分別為系統(tǒng)的輸出、輸入和可測(cè)干擾信號(hào);ξ(t)表示零均值的白噪聲序列;k和k2是與u、v相關(guān)的傳輸延時(shí);A,B,B2和C是z-1的多項(xiàng)式,其中C的零點(diǎn)在單位圓內(nèi)。

        引入性能指標(biāo):

        式中:w表示已知的參考輸入信號(hào);P,Q,R,S是z-1的加權(quán)多項(xiàng)式。

        3.2 恒張力控制系統(tǒng)

        文中提出一種全新往復(fù)走絲的走絲方式,電極絲傳輸路線如圖5所示。

        圖5 恒張力控制系統(tǒng)電極絲走絲方式

        將傳統(tǒng)的一個(gè)絲筒貯絲循環(huán)走絲方式改為主動(dòng)輪和從動(dòng)輪貯絲方式,絲筒貯絲一次能夠纏繞300~400 m的電極絲,主從動(dòng)輪貯絲一次能夠纏繞3 000~4 000 m,該走絲方式同一時(shí)間內(nèi)的換向次數(shù)為原來(lái)的1/10,大大減少不必要的停頓時(shí)間,且不存在壓絲的問(wèn)題。主動(dòng)輪為電極絲傳輸提供源動(dòng)力,使得電極絲以一定的速度在上下導(dǎo)輪間傳輸;張力傳感器為自適應(yīng)控制系統(tǒng)的在線識(shí)別機(jī)構(gòu),能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量電極絲的張緊力,并將信號(hào)傳送給控制系統(tǒng);張力馬達(dá)為自適應(yīng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),根據(jù)控制器給出的控制信號(hào),實(shí)時(shí)調(diào)整電極絲的張緊力。

        圖6為電極絲張緊力測(cè)量數(shù)據(jù)圖,由圖可知,當(dāng)控制系統(tǒng)給出10 N張力值的控制信號(hào),該系統(tǒng)張力值的波動(dòng)在±0.4 N以內(nèi),傳統(tǒng)走絲系統(tǒng)的張力值波動(dòng)在±1 N以內(nèi);本系統(tǒng)換向瞬間電極絲張緊力波動(dòng)為1 N,傳統(tǒng)走絲系統(tǒng)張緊力波動(dòng)為4 N,由此可見(jiàn)文中研究開(kāi)發(fā)的恒張力閉環(huán)自適應(yīng)控制系統(tǒng)對(duì)張緊力的控制效果顯著。此外本控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間為5 ms,張力調(diào)節(jié)時(shí)間為1 s。

        圖6 張緊力測(cè)量數(shù)據(jù)圖

        4 控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

        將文中研究開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)應(yīng)用到工程實(shí)踐中,與原系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比,得到的性能參數(shù)如表1。

        表1 文中系統(tǒng)與原系統(tǒng)性能參數(shù)對(duì)比

        加工速度的提高主要是由于走絲系統(tǒng)的換向時(shí)間減少了90%,且電極絲的張緊力比較穩(wěn)定,放電狀態(tài)中正常放電的比例增加,使得材料去除率加快;表面粗糙度和形位公差的降低主要是張緊力比較穩(wěn)定,電極絲的撓曲變形和振動(dòng)幅度大幅降低,導(dǎo)輪之間的電極絲更加趨近于一條直線;斷絲時(shí)間的延長(zhǎng)主要是因?yàn)殡姌O絲的運(yùn)動(dòng)特性控制得比較穩(wěn)定,使得電極絲磨損降低,且放電通道內(nèi)的冷卻效果增加。上述性能參數(shù)對(duì)比表明,本次開(kāi)發(fā)的電極絲恒張力自適應(yīng)控制系統(tǒng)在很大程度上提高了電火花線切割機(jī)床的加工性能,對(duì)中速循環(huán)走絲線切割的發(fā)展有很大的推進(jìn)作用。

        5 結(jié)論

        在分析電極絲的受力情況、電極絲張緊力波動(dòng)原因及其對(duì)加工過(guò)程中產(chǎn)生的負(fù)面影響基礎(chǔ)上,將絲筒貯絲改為主從動(dòng)輪貯絲,提出一種新的走絲方式,使得走絲換向暫停時(shí)間降低為原系統(tǒng)的10%;增加張緊力傳感器,采用自適應(yīng)控制算法,研發(fā)一套閉環(huán)往復(fù)走絲電極絲恒張力控制系統(tǒng),此外,該控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間為5 ms,張力調(diào)節(jié)時(shí)間為1 s。大量實(shí)際加工試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,該系統(tǒng)對(duì)電極絲的張緊力幅值波動(dòng)控制在±0.4 N,并且在線切割機(jī)床的性能上 (加工速度、表明粗糙度、形位公差和斷絲時(shí)間)有很大程度上的改善,對(duì)中速循環(huán)走絲線切割領(lǐng)域的發(fā)展有很大的指導(dǎo)意義。

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