往復(fù)走絲線切割電極絲恒張力控制系統(tǒng)研究

陸程，時偉

(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、航空航天等高端制造領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代制造業(yè)對零件的精度和質(zhì)量要求越來越高，提高加工設(shè)備的性能迫在眉睫。針對此情況，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)計思路，優(yōu)化脈沖電源的設(shè)計來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程中，電極絲張緊力對于電極絲的運(yùn)動特性影響最大，且難以被實(shí)時精確的控制，導(dǎo)致電極絲發(fā)生較大的撓曲變形和振動，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，因此開發(fā)一個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的測量電極絲張緊力，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，且明顯減少電極絲運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的撓曲變形和振動現(xiàn)象。

1 電極絲受力分析

在電火花線切割加工過程中，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程中盡量保持為直線，人為的給電極絲增加一個預(yù)緊力，其方向如圖1所示，其幅值的數(shù)量級為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差，引起強(qiáng)烈的火花超高溫?zé)嵛锢砦g除過程，工件表面的材料在短時間內(nèi)被熔化、汽化、沖刷走或者再結(jié)晶;與此同時，電解液中的泡沫被破裂，許多專家將此類力的合力稱為脈沖放電力，該力難被精確測量，其幅值的數(shù)量級為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之差，產(chǎn)生一種相互吸引的作用力，對電火花加工電極絲運(yùn)動特性影響不大。電磁力 (Fm)是由于脈沖電流通過電極絲，在陰極與陽極之間產(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0.01 N/m。流體黏性力(Fd)為電極絲與高速沖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，這個幅度的波動將會對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個方面的原因:

(1)絲筒和導(dǎo)輪等機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動;

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

較大幅值的張緊力波動嚴(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，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)生較大波動時，根據(jù)弦振動方程，電極絲的運(yùn)動特性將發(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，能夠在線識別種種變化，通過一定的控制算法進(jìn)行自動校正，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)在線識別:通過傳感器，實(shí)時地測量系統(tǒng)中的信號或者參數(shù)，并加以處理，識別出系統(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)決策部分所計算出來的控制參數(shù)值，傳遞信號給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使得控制系統(tǒng)的狀態(tài)與設(shè)置狀態(tài)無限接近。

文中研究開發(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、輸入和可測干擾信號;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;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;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)的一個絲筒貯絲循環(huán)走絲方式改為主動輪和從動輪貯絲方式，絲筒貯絲一次能夠纏繞300～400 m的電極絲，主從動輪貯絲一次能夠纏繞3 000～4 000 m，該走絲方式同一時間內(nèi)的換向次數(shù)為原來的1/10，大大減少不必要的停頓時間，且不存在壓絲的問題。主動輪為電極絲傳輸提供源動力，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)的在線識別機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崟r測量電極絲的張緊力，并將信號傳送給控制系統(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，實(shí)時調(diào)整電極絲的張緊力。

圖6為電極絲張緊力測量數(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，該系統(tǒng)張力值的波動在±0.4 N以內(nèi)，傳統(tǒng)走絲系統(tǒng)的張力值波動在±1 N以內(nèi);本系統(tǒng)換向瞬間電極絲張緊力波動為1 N，傳統(tǒng)走絲系統(tǒng)張緊力波動為4 N，由此可見文中研究開發(fā)的恒張力閉環(huán)自適應(yīng)控制系統(tǒng)對張緊力的控制效果顯著。此外本控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間為5 ms，張力調(diào)節(jié)時間為1 s。

圖6 張緊力測量數(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)對比

加工速度的提高主要是由于走絲系統(tǒng)的換向時間減少了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;斷絲時間的延長主要是因?yàn)殡姌O絲的運(yùn)動特性控制得比較穩(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)對比表明，本次開發(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、電極絲張緊力波動原因及其對加工過程中產(chǎn)生的負(fù)面影響基礎(chǔ)上，將絲筒貯絲改為主從動輪貯絲，提出一種新的走絲方式，使得走絲換向暫停時間降低為原系統(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)時間為5 ms，張力調(diào)節(jié)時間為1 s。大量實(shí)際加工試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)對電極絲的張緊力幅值波動控制在±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、形位公差和斷絲時間)有很大程度上的改善，對中速循環(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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