微細(xì)電火花加工模糊抬刀控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究*

遲關(guān)心,耿雪松,王玉魁,王振龍

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001)

隨著機(jī)械產(chǎn)品的日益小型化及精密化,作為非接觸精微加工方法之一的微細(xì)電火花加工技術(shù),以其超精細(xì)和高精度的加工特點(diǎn)備受學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注,目前已成為微機(jī)械制造領(lǐng)域的重要組成部分之一[1]。但由于微細(xì)電火花加工的放電能量極微小、脈沖電源頻率高、難以獲得穩(wěn)定的火花放電狀態(tài)及放電間隙極小等特性,使微細(xì)電火花加工過(guò)程的穩(wěn)定性及精確控制成為亟待突破和解決的問(wèn)題[2-3]。而且,電火花加工控制系統(tǒng)模型無(wú)法用數(shù)學(xué)模型來(lái)表述,使依賴于數(shù)學(xué)模型的傳統(tǒng)控制無(wú)法適用。而模糊神經(jīng)控制方法綜合了模糊算法長(zhǎng)于模糊信息的處理和決策及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的自學(xué)習(xí)和并行運(yùn)算能力的優(yōu)點(diǎn),且不依賴于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型,在控制系統(tǒng)中具有深遠(yuǎn)的意義。將其應(yīng)用于電火花加工的過(guò)程控制中,能在復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和高度不確定的環(huán)境里獲得優(yōu)質(zhì)的控制效果[4-5]。

現(xiàn)如今,越來(lái)越多的學(xué)者將模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制技術(shù)應(yīng)用到電火花加工的過(guò)程控制中。Behrens等[6]設(shè)計(jì)了神經(jīng)模糊控制器,用來(lái)識(shí)別電火花放電狀態(tài),以決定伺服系統(tǒng)的進(jìn)退;Yilmaz等[7]設(shè)計(jì)了以電流、脈寬和脈間為輸入,以電極損耗、表面粗糙度和損耗率為輸出的模糊控制系統(tǒng),利用MATLAB模糊控制工具箱進(jìn)行了仿真,根據(jù)不同的加工規(guī)準(zhǔn)選擇加工參數(shù),以獲得低的電極損耗和好的表面粗糙度;Krishna Mohana Rao等[8]利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)電火花加工過(guò)程進(jìn)行了建模,并利用非支配排序遺傳算法對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化,確定了以電流、脈寬和脈間為輸入,材料去除率和電極損耗率為輸出的3-10-10-2型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),使平均預(yù)測(cè)誤差低至3.06%。但這些方法大都依靠修改機(jī)床硬件或進(jìn)行大量程序編寫來(lái)實(shí)現(xiàn),軟件的開發(fā)周期及控制系統(tǒng)的優(yōu)化、修正都將制約微細(xì)電火花加工控制技術(shù)的發(fā)展。

針對(duì)微細(xì)電火花加工控制系統(tǒng)的特點(diǎn),提出了基于MATLAB與VC++混合編程的微細(xì)電火花模糊抬刀控制模塊的設(shè)計(jì)方法。該方法通過(guò)對(duì)VC執(zhí)行庫(kù)操作,實(shí)現(xiàn)了模糊控制系統(tǒng)脫離MATLAB環(huán)境而獨(dú)立運(yùn)行,有效提高了程序運(yùn)算的速度。另外,利用MCC編譯器自動(dòng)生成的模糊控制程序C程序代碼足夠準(zhǔn)確,有效地節(jié)約了程序設(shè)計(jì)的時(shí)間。

1 模糊抬刀控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)了一種基于電火花加工狀態(tài)統(tǒng)計(jì)的、以抬刀高度和抬刀周期為控制量的微細(xì)電火花加工模糊抬刀控制器模型,其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。該系統(tǒng)首先采集電火花加工的間隙電壓信號(hào),然后利用自行設(shè)計(jì)的微細(xì)電火花放電狀態(tài)檢測(cè)方法進(jìn)行放電狀態(tài)的區(qū)分,并對(duì)火花放電率和短路率進(jìn)行統(tǒng)計(jì),作為模糊控制器的輸入?yún)?shù)輸入到工控機(jī)中進(jìn)行模糊運(yùn)算,最后將運(yùn)算得到的抬刀高度和抬刀周期值作為控制量,通過(guò)相應(yīng)的接口電路完成對(duì)加工伺服控制系統(tǒng)的控制,由伺服系統(tǒng)指導(dǎo)電火花加工過(guò)程,從而實(shí)現(xiàn)電火花加工抬刀調(diào)節(jié)控制。該系統(tǒng)的模糊控制運(yùn)算借助于MATLAB/Fuzzy Logical Toolbox來(lái)實(shí)現(xiàn),在提高運(yùn)算速度的同時(shí),可利用MATLAB的可視化操作,通過(guò)交互式圖形界面的模糊推理系統(tǒng)編輯器和隸屬度函數(shù)編輯器對(duì)模糊控制器的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正。

圖1 微細(xì)電火花電火花模糊抬刀控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 基于放電時(shí)間的放電狀態(tài)檢測(cè)模塊

根據(jù)電火花加工原理可知,電極和工件間隙的大小與間隙平均電壓存在一定的關(guān)系:間隙越大,間隙平均電壓越高;間隙越小,間隙平均電壓越低。在微細(xì)電火花加工中仍然存在這種關(guān)系,只是由于脈沖電流太小、受雜散電容等外部因素影響較大及放電間隙較小的緣故,間隙大小變化與間隙平均電壓變化之間的準(zhǔn)線性區(qū)域很窄,導(dǎo)致伺服控制較難。傳統(tǒng)的平均電壓法很難區(qū)分正常放電狀態(tài)和空載放電狀態(tài),這是由于兩者的平均電壓值相差不大(圖2),因此針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了基于放電時(shí)間的微細(xì)電火花放電狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)的研究。

圖2 微細(xì)電火花加工正常放電及偏空載狀態(tài)的放電時(shí)間波形

由圖2的兩個(gè)電壓波形可看出,盡管兩者平均電壓值相差不大,但兩者的放電時(shí)間明顯不同。此時(shí)如以某一電壓為基準(zhǔn),將其轉(zhuǎn)化為與放電時(shí)間有關(guān)的方波信號(hào)(簡(jiǎn)稱放電時(shí)間波形),就可明顯區(qū)分出這兩種狀態(tài)。因此,采用放電時(shí)間檢測(cè)法檢測(cè)微細(xì)電火花加工間隙大小的靈敏度很高,適于微細(xì)電火花加工。

基于上述設(shè)計(jì)思想,設(shè)計(jì)了放電狀態(tài)檢測(cè)原理圖(圖3)。該放電檢測(cè)模塊首先將放電間隙的電壓信號(hào)經(jīng)間隙信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為放電時(shí)間信號(hào),再經(jīng)RC濾波模塊后,通過(guò)AD采樣模塊將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行伺服控制。

3 基于VC/MATLAB混合編程的微細(xì)電火花加工模糊抬刀控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 MATLAB與VC++的動(dòng)態(tài)鏈接

對(duì)模糊控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)是利用C/C++平臺(tái)下調(diào)用MATLAB的模糊邏輯工具箱來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的模糊運(yùn)算,有效降低模糊控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)工作量,同時(shí)面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法還可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的封裝,使M文件基于對(duì)象進(jìn)行操作。此系統(tǒng)通過(guò)MATLAB與VC間的鏈接后 ,可完全脫離MATLAB環(huán)境而運(yùn)行,同時(shí)又兼?zhèn)淞薓ATLAB強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算功能,提高了程序的實(shí)現(xiàn)速度,便于模糊控制程序的修改,只需通過(guò)對(duì)MATLAB/M文件重新編譯,就可實(shí)現(xiàn)模糊控制程序的修改和更新。MATLAB與VC實(shí)現(xiàn)鏈接的流程圖見圖4。

圖3 微細(xì)電火花加工放電狀態(tài)檢測(cè)模塊原理圖

3.2 模糊控制功能的實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)的模糊抬刀控制系統(tǒng)軟件采用C++語(yǔ)言編寫,抬刀控制模塊流程見圖5。該模塊首先進(jìn)行放電狀態(tài)的辨別與統(tǒng)計(jì),本設(shè)計(jì)的放電狀態(tài)統(tǒng)計(jì)模塊是基于上述放電時(shí)間檢測(cè)法、以脈沖個(gè)數(shù)為單位進(jìn)行放電狀態(tài)統(tǒng)計(jì)的。采用累加計(jì)數(shù)的方法,在軟件中設(shè)定 3個(gè)變量 count_s、count_d、count_all,分別記錄短路狀態(tài)數(shù)、火花放電狀態(tài)數(shù)及總放電狀態(tài)數(shù),同時(shí)設(shè)置1個(gè)2 ms的windows定時(shí)器。首先采集2 ms內(nèi)放電電壓的平均值,按圖 5所示的流程圖進(jìn)行鑒別。如出現(xiàn)短路狀態(tài),則count_s計(jì)數(shù)加1;若為火花放電狀態(tài),則 count_d計(jì)數(shù)加1;以此類推,每隔2 ms進(jìn)行1次放電狀態(tài)的鑒別……當(dāng)count_all計(jì)數(shù)達(dá)到2500時(shí),進(jìn)行電火花加工放電狀態(tài)率的統(tǒng)計(jì),得到短路率和火花放電率。將統(tǒng)計(jì)得到的短路率和火花放電率作為模糊控制系統(tǒng)的輸入,執(zhí)行tool_cycle=mat_cal1()和 tool_up=mat_cal2()函數(shù),該函數(shù)的功能是實(shí)現(xiàn)模糊邏輯運(yùn)算,輸出控制系統(tǒng)的控制量,進(jìn)行相應(yīng)的控制。

4 模糊抬刀控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

微細(xì)陣列孔在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用特別廣泛。在微細(xì)陣列孔電火花加工中,由于陣列電極無(wú)法進(jìn)行旋轉(zhuǎn),且在加工過(guò)程中不能一直存在抬刀作用,較大的主軸慣性會(huì)導(dǎo)致加工電極的損壞,影響加工的穩(wěn)定性?，F(xiàn)如今,微細(xì)陣列孔電火花加工常依靠增大加工能量來(lái)完成,即提高加工電壓和加工峰值電流,但這樣勢(shì)必會(huì)造成電極損耗的加劇,對(duì)加工孔的一致性和精度都會(huì)產(chǎn)生很大的影響。為了檢驗(yàn)本系統(tǒng)的實(shí)際加工效果,將所設(shè)計(jì)的電火花加工模糊抬刀控制系統(tǒng)應(yīng)用在自行研制的微小孔電火花加工機(jī)床上,進(jìn)行微細(xì)陣列孔的加工實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)條件見表1。

表1 微細(xì)陣列孔電火花加工實(shí)驗(yàn)條件

微細(xì)陣列孔加工實(shí)驗(yàn)采用3×3陣列電極(圖6a),在100μm厚的不銹鋼片上進(jìn)行微細(xì)陣列孔的加工,加工后的陣列孔SEM圖片見圖6b。該陣列孔單孔平均邊長(zhǎng)約為 50μm,深度為 100μm,孔距約為200μm 。

圖6 微細(xì)陣列軸、孔的SEM圖片

實(shí)驗(yàn)中,為了減少電極損耗、保證加工精度,選擇了相對(duì)較小的能量。隨著加工深度的逐漸增加,設(shè)計(jì)的電火花加工模糊控制系統(tǒng)的優(yōu)越性越發(fā)突出,利用間歇性的抬刀作用可實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程消電離作用充分進(jìn)行及加工電蝕產(chǎn)物順利排出,進(jìn)而提高整個(gè)加工過(guò)程的效率。由圖6可看出,實(shí)驗(yàn)加工陣列孔的一致性很好,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的電火花加工模糊控制系統(tǒng)在陣列加工中的有效性和優(yōu)越性。

5 結(jié)論

(1)提出了基于放電時(shí)間的微細(xì)電火花加工放電狀態(tài)檢測(cè)方法,在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于電火花加工狀態(tài)統(tǒng)計(jì)的、以抬刀高度和抬刀周期為控制量的微細(xì)電火花模糊抬刀控制器模型。

(2)進(jìn)行了基于MATLAB模糊控制工具箱的模糊抬刀控制模塊的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了隸屬函數(shù)/模糊規(guī)則的可視化參數(shù)快速調(diào)節(jié)與修改,并通過(guò)控制器算法C語(yǔ)言代碼的自動(dòng)生成,在實(shí)現(xiàn)模糊控制脫離MATLAB環(huán)境獨(dú)立運(yùn)行的同時(shí),保證了算法生成的正確性。

(3)通過(guò)微細(xì)陣列孔電火花加工實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了該模糊抬刀控制系統(tǒng)的有效性。

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