往復(fù)走絲線(xiàn)切割電極絲恒張力控制系統(tǒng)研究

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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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?xún)?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(xiàn)切割加工過(guò)程中，電極絲受力非常復(fù)雜，可以分為宏觀(guān)力和微觀(guān)力。宏觀(guān)力主要為電極絲張緊力，微觀(guān)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(xiàn)，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(chēng)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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?xún)?nèi)，傳統(tǒng)走絲系統(tǒng)的張力值波動(dòng)在±1 N以?xún)?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(xiàn);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(xiàn)切割機(jī)床的加工性能，對(duì)中速循環(huán)走絲線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)切割領(lǐng)域的發(fā)展有很大的指導(dǎo)意義。

［1］任福君，姜永成.空間曲面電火花線(xiàn)切割CAD/CAM系統(tǒng)［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43(5):214－218.

［2］丁紅珍，朱敏.提高電火花線(xiàn)切割機(jī)床加工精度的方法［J］.機(jī)床與液壓，2010，38(16):99－100.

［3］樓樂(lè)明，李明輝，彭穎紅.快走絲電火花線(xiàn)切割加工工藝參數(shù)的優(yōu)化選取［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，34(10):1442－1443.

［4］楊蕾，蔡安江.電火花線(xiàn)切割加工參數(shù)對(duì)加工速度和表面粗糙度影響的研究［J］.機(jī)床與液壓，2011，39(15):45－47.

［5］狄士春，黃瑞寧，于濱，等.慢走絲電火花線(xiàn)切割脈沖電源的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.航空精密制造技術(shù)，2004，40(6):12－16.

［6］尚婕，姜文剛，李建華，等.非對(duì)稱(chēng)加工電火花線(xiàn)切割可編程高頻電源設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2011，39(22):24－26.

［7］TOMURA S，KUNIEDA M.Analysis of Electromagnetic Force in Wire-EDM［J］.Precis.Eng，2009，33(3):255－262.

［8］HAN F，ZHANG J，SOICHIRO I.Corner Error Simulation of Rough Cutting in Wire EDM［J］.Precision engineering，2007，31(4):331－336.

［9］BELTRANFI Ivano，BERTHOLDS Axel，DAUW Dkk.A Simplified Post Process for Wire Cut EDM［J］.Journal of Materials Processing Technology，1996，58(4):385－389.

［10］陳志，李賀，張臻，等.往復(fù)走絲線(xiàn)切割導(dǎo)輪處電極絲的撓曲變形分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2014，9(9):99－101.

［11］馮冉，蔡長(zhǎng)韜.線(xiàn)切割機(jī)床電極絲振動(dòng)及其有限元分析［J］.機(jī)床與液壓，2010，38(23):127－130.