基于力信號(hào)反饋控制的電化學(xué)放電線切割加工實(shí)驗(yàn)研究

石子燦，蔣 毅，平雪良，趙萬生

（1.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，無錫 214122；2.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

0 引言

隨著微電子技術(shù)以及航空航天等科技的發(fā)展，石英、陶瓷和微晶玻璃等難導(dǎo)電硬脆材料的應(yīng)用越來越廣泛[1]。電化學(xué)放電加工（ECDM）作為一種新型加工方法，具有無宏觀切削力以及柔性好、成本低的優(yōu)點(diǎn)，在難導(dǎo)電硬脆材料加工方面具有較大優(yōu)勢，目前主要應(yīng)用于微細(xì)加工領(lǐng)域，如微細(xì)鉆孔，微細(xì)銑削等[2]。但該加工方法過程復(fù)雜，明確的加工機(jī)理在學(xué)術(shù)界還未形成定論。目前普遍認(rèn)為該加工方式是通過放電熱蝕除的作用對工件材料進(jìn)行去除；對于石英等以SiO2為主要成分的材料，還伴隨有化學(xué)蝕除反應(yīng)。

在電化學(xué)放電加工方法的研究中，孫艷琪[3]等人提出了基于力信號(hào)反饋控制進(jìn)給的微孔加工方法，通過檢測工具電極與被加工件間的接觸力，反饋控制進(jìn)給及回退，可以使電解液與工件充分接觸，保證氣膜的完整以及放電的發(fā)生，且保障了進(jìn)給速度與加工速率相對應(yīng)，達(dá)到了改善微孔入口質(zhì)量并提高加工效率的目的。

電化學(xué)放電線切割（WECDM）由ECDM衍生而來，兩者加工原理相似，是用電極絲作為工具電極，采用走絲的方式對工件進(jìn)行加工。在最新的WECDM研究中，發(fā)現(xiàn)通過液滴供液的方式，通過勻速進(jìn)給對石英材料進(jìn)行切割，能夠得到較好的加工效果[4]；蔣毅等[5]搭建了WECDM實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提出了基于潤濕效應(yīng)的供液方式[6]，該方式可以大大降低電流密度，電極絲的直徑進(jìn)一步減小，加工出的微槽槽寬也相應(yīng)減小。

通過對石英玻璃的加工過程分析可知，當(dāng)電極絲與工件之間的距離太大時(shí)，電極絲周圍的放電能量不能得到充分利用，對工件的材料去除沒有作用；而當(dāng)電極絲與工件十分緊密的貼合時(shí)，無法獲得放電的間隙條件，此時(shí)主要靠化學(xué)反應(yīng)蝕除材料，加工的效率較低。只有當(dāng)電極絲與工件之間的間隙在一定的范圍內(nèi)時(shí)，可以持續(xù)穩(wěn)定的對材料進(jìn)行加工。目前WECDM加工的進(jìn)給方式主要為步進(jìn)和勻速進(jìn)給[7]，兩者均為開環(huán)控制的進(jìn)給方式，難以保障工具電極與工件之間的間距以及氣膜和加工的穩(wěn)定性，也無法實(shí)現(xiàn)精確的加工過程控制。

基于以上分析，本文搭建了基于力信號(hào)反饋控制進(jìn)給的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提出了 “進(jìn)給-靜止-回退”控制策略以及PID算法控制進(jìn)給的控制策略，分別對速度和力信號(hào)進(jìn)行了采集分析，并對石英玻璃進(jìn)行了電化學(xué)放電線切割加工實(shí)驗(yàn)，分析了這兩種控制策略對加工的影響。

1 實(shí)驗(yàn)原理

電化學(xué)放電線切割加工的工作原理如圖1所示，正極（輔助電極）與負(fù)極（工具電極絲）浸入到電解液中后，兩極之間的電壓使電解液中的水發(fā)生電離，水中的氫離子會(huì)在負(fù)極的表面得到電子形成氫氣氣泡，并隨著電壓的升高逐漸形成致密的氣膜。當(dāng)兩極之間施加的電壓超過氣膜的擊穿電壓（臨界電壓）時(shí)，氣膜會(huì)被擊穿并發(fā)生放電現(xiàn)象。若被加工件離放電通道足夠近，就可以通過放電弧柱高溫及放電結(jié)束時(shí)的爆炸作用去除工件材料，達(dá)到加工的目的。工具電極和輔助電極上所發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)分別為：

圖1 電化學(xué)放電線切割加工原理

2 裝置介紹

實(shí)驗(yàn)裝置原理如圖2所示。所采用的加工電源可提供可調(diào)恒壓以及可調(diào)脈沖電壓。電解液循環(huán)裝置由分體液槽和電解液循環(huán)裝置兩部分組成，且分體液槽的中央是加工液槽，兩側(cè)是循環(huán)液槽，采用基于潤濕效應(yīng)的方式進(jìn)行供液。走絲裝置由步進(jìn)電機(jī)、阻尼器和一系列走絲導(dǎo)輪組成，由MCU模塊進(jìn)行控制。力傳感器安裝在進(jìn)給軸（Z軸）上，工件的夾具與力傳感器相接，從而電極絲與工件之間的接觸力可通過力傳感器和數(shù)字變送器反饋到PMAC Clipper運(yùn)動(dòng)控制卡中。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的三軸運(yùn)動(dòng)由運(yùn)動(dòng)控制卡驅(qū)動(dòng)控制，其位移由人機(jī)界面顯示。

圖2 基于力信號(hào)反饋控制進(jìn)給的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理圖

為了滿足實(shí)驗(yàn)在精度、靈敏度等方面的要求，采用了ZNLBS-V1型微小力傳感器，采樣頻率為10Hz。力反饋信號(hào)的采集是通過力傳感器配套的數(shù)字模擬變送器將傳感器采集的力信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20mA的電流信號(hào)，輸入到型號(hào)為DTC-28B的AD轉(zhuǎn)換板進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并通過PC總線與PMAC Clipper卡相連，由上位機(jī)輸出相應(yīng)指令，對進(jìn)給軸的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。

3 實(shí)驗(yàn)探究與分析

3.1 加工過程分析

在搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，對WECDM加工過程進(jìn)行了觀察分析，發(fā)現(xiàn)在力信號(hào)作為反饋信號(hào)控制的加工中，加工過程基本可分為三個(gè)過程：第一階段為“電化學(xué)反應(yīng)階段”，如圖3(a)所示，加工表面基本貼合電極絲，此時(shí)電化學(xué)反應(yīng)劇烈，生成大量氣泡，只有很少區(qū)域有放電發(fā)生的間隙條件，存在少數(shù)的放電現(xiàn)象，材料去除速度較慢；當(dāng)加工表面逐漸出現(xiàn)凹凸形態(tài)時(shí)，進(jìn)入第二階段，“材料去除階段”，如3(b)所示，電解液更加充足的進(jìn)入加工區(qū)域，產(chǎn)生的氣泡達(dá)到飽和，形成穩(wěn)定的氣膜，此時(shí)放電現(xiàn)象明顯，放電釋放的熱量也會(huì)加快SiO2與NaOH溶液的反應(yīng)速率，兩者共同作用快速的進(jìn)行材料去除；第三階段為“進(jìn)給階段”，這一區(qū)域材料去除基本完成，電極絲與工件之間的接觸力減小，甚至出現(xiàn)間隙，為了加工持續(xù)進(jìn)行，上位機(jī)需根據(jù)力傳感器反饋的信號(hào)變化發(fā)送進(jìn)給指令，繼續(xù)使工件貼近工具電極，回到第一階段。如此循環(huán)，直到加工結(jié)束。

圖3 加工過程分析

3.2 “進(jìn)給-靜止-回退”控制策略

基于對加工過程的分析，提出了“進(jìn)給-靜止-回退”控制策略：當(dāng)反饋的力信號(hào)處于設(shè)定的接觸力區(qū)間范圍內(nèi)時(shí)，工件靜止；當(dāng)反饋的力信號(hào)大于區(qū)間上限時(shí)，工件以指定速度回退；當(dāng)反饋的力信號(hào)小于區(qū)間下限時(shí)，工件以指定速度進(jìn)給；回退速率與進(jìn)給速率相等。

實(shí)驗(yàn)證明，由于精密移動(dòng)平臺(tái)固有的振動(dòng)以及電極絲的走絲等因素，采集的力信號(hào)存在波動(dòng)。當(dāng)接觸力區(qū)間設(shè)定太小時(shí)，進(jìn)給軸會(huì)頻繁進(jìn)給或回退，工件與電極絲極易發(fā)生脫離，難以充分利用放電能量，導(dǎo)致加工效率低下，且加工表面存在明顯的過切現(xiàn)象；而當(dāng)區(qū)間設(shè)定太大時(shí)，則會(huì)因接觸力的波動(dòng)較大，導(dǎo)致氣膜形態(tài)不穩(wěn)定，使加工穩(wěn)定性受到影響。經(jīng)過加工實(shí)驗(yàn)，區(qū)間設(shè)定為0.01～0.03N，進(jìn)給速度設(shè)為50μm/s。

在該控制策略下，加工過程中進(jìn)給軸的速度信號(hào)與反饋的力信號(hào)如圖4所示，由PMAC卡配套軟件Pewin32Pro2中的信號(hào)采集工具箱PMAC PlotPro2采集得到。從圖中可以看出，進(jìn)給軸速度在±50μ m/s之間波動(dòng)，且變化較為頻繁；接觸力主要處于0～0.04N范圍內(nèi)，說明基于力反饋信號(hào)控制進(jìn)給可以保障加工過程中電極絲與工件的接觸力基本不變。

圖4 “進(jìn)給-靜止-回退”控制策略下采集的信號(hào)

另外分別進(jìn)行了進(jìn)給速度為30μm/s、50μm/s和100μm/s的加工實(shí)驗(yàn)，并做了信號(hào)采集，發(fā)現(xiàn)加工效率隨著進(jìn)給速度的增大而提高，但同時(shí)因?yàn)樗俣鹊牟▌?dòng)變大，加工表面質(zhì)量有所下降。

3.3 PID算法控制策略及其參數(shù)調(diào)節(jié)

在上述的控制策略中，速度在設(shè)定的進(jìn)給速度范圍內(nèi)波動(dòng)，頻繁的進(jìn)給和回退使放電能量難以利用，且會(huì)導(dǎo)致加工不穩(wěn)定，故進(jìn)一步提出了將PID算法運(yùn)用到系統(tǒng)中的控制策略，控制框圖如圖5所示。目標(biāo)作用力設(shè)定為0.03N。

圖5 基于力反饋控制進(jìn)給的PID算法控制框圖

PID算法應(yīng)用廣泛，具有控制參數(shù)相互獨(dú)立、參數(shù)整定方式簡便的優(yōu)勢，其控制規(guī)律為：

其中，e為誤差；kp為比例系數(shù)；ki為積分系數(shù)；kd為微分系數(shù)。

因?yàn)樵诩庸み^程中，加工效率不恒定，進(jìn)給速度與力信號(hào)的關(guān)系很難用傳遞函數(shù)直接表達(dá)。為了達(dá)到較好的控制效果，本文采用了現(xiàn)場湊試法。先調(diào)節(jié)kp；再適當(dāng)減小kp，加入ki；最后在較為合適的比例和積分參數(shù)條件下，加入kd。為了避免干擾信號(hào)對計(jì)算的影響，采集的信號(hào)中，只對0～0.1N之間的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，超出這個(gè)范圍的信號(hào)不進(jìn)行計(jì)算。

通過觀察速度曲線，比例系數(shù)太大時(shí)會(huì)導(dǎo)致速度波動(dòng)范圍過大，加工的穩(wěn)定性降低，所以比例系數(shù)不宜太大；積分作用能消除輸入的穩(wěn)態(tài)誤差，但其長期的累積作用會(huì)使系統(tǒng)輸出的動(dòng)態(tài)性能變差，超調(diào)量增大，使系統(tǒng)不夠穩(wěn)定，所以需要從大到小逐漸調(diào)節(jié)；微分環(huán)節(jié)用于預(yù)測變化趨勢，運(yùn)用在該實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)中，可以有效的避免超調(diào)，預(yù)防速度波動(dòng)過大，所以在PI控制的基礎(chǔ)上，需要加入微分控制。

圖6為最終的PID參數(shù)條件下采集到的進(jìn)給軸速度曲線和反饋的力信號(hào)。其中，kp=2，ki=0.5，kd=0.01。可以看出，進(jìn)給軸的速度主要在±30μ m/s之間波動(dòng)，與之前的控制策略相比，速度波動(dòng)范圍變小，加工更加穩(wěn)定；接觸力與前者的數(shù)據(jù)沒有太大不同，主要仍是0～0.04N的范圍內(nèi)變化。

從兩種控制策略下采集到的速度曲線中可以看出，運(yùn)用PID算法的控制策略能有效的減小進(jìn)給速度的波動(dòng)范圍，利于保障加工過程以及氣膜形態(tài)的穩(wěn)定性。

圖6 PID算法控制策略下采集的信號(hào)

3.4 微槽加工實(shí)驗(yàn)

在搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，分別將“進(jìn)給-靜止-回退”和PID控制算法應(yīng)用到系統(tǒng)中，對石英玻璃進(jìn)行了微槽加工實(shí)驗(yàn)?！斑M(jìn)給-靜止-回退”策略下，力區(qū)間設(shè)定為0.01～0.03N，進(jìn)給速度設(shè)為50μ m/s；PID控制策略下，目標(biāo)作用力設(shè)定為0.03N。加工實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。兩種策略下的控制框圖如圖7所示。

表1 基于力信號(hào)反饋的WECDM實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖7 兩種進(jìn)給策略的控制框圖

圖9為兩種策略下加工深度為1mm的微槽的進(jìn)給軸時(shí)間位移曲線，采樣周期為5s。圖8為開始加工的前50s內(nèi)PMAC PlotPro2采集到的時(shí)間位移曲線，采樣周期為0.1s。

“進(jìn)給-靜止-回退”控制策略下用時(shí)310s，運(yùn)用PID算法控制策略下用時(shí)280s，與前者相比效率提高了約10%?？梢钥闯?，“進(jìn)給-靜止-回退”控制策略下，加工效率在淺槽部分加工效率較高，之后隨著加工深度的增加而稍有降低。因?yàn)樵跍\槽部分，供液充分，加工效率較高；隨著加工深度增加，供液變得困難，進(jìn)給軸過多的進(jìn)給和回退會(huì)導(dǎo)致供液的不穩(wěn)定，影響加工的穩(wěn)定性，所以加工效率下降。而運(yùn)用PID算法的控制策略下，如圖9(b)所示，進(jìn)給軸的速度波動(dòng)明顯減小，使供液更加穩(wěn)定，加工過程更加穩(wěn)定，故加工效率基本沒有變化。

圖8 兩種策略下進(jìn)給軸的時(shí)間位移曲線

圖9 兩種策略下采集的進(jìn)給軸位移曲線

圖10分別為開環(huán)控制以及閉環(huán)兩種控制策略下的加工工件圖。開環(huán)加工進(jìn)給速度為5μ m/s，深度約0.9mm，槽寬約200μ m。在淺槽部分，因?yàn)楣┮撼浞郑庸ば瘦^高，開環(huán)控制下，無法根據(jù)加工效率調(diào)節(jié)進(jìn)給速度，故存在倒角現(xiàn)象；隨著深度的增加，加工效率逐漸下降，加工到深槽區(qū)域會(huì)出現(xiàn)明顯的壓絲狀況，工件與電極絲緊密貼合，加工長期處在“電化學(xué)反應(yīng)階段”，加工效率低下，且加工表面質(zhì)量不佳，從而被迫停止加工。

閉環(huán)控制加工中，根據(jù)力反饋信號(hào)對進(jìn)給軸進(jìn)行控制，“材料去除狀態(tài)”結(jié)束時(shí)進(jìn)給，出現(xiàn)壓絲時(shí)立刻回退，故不存在上述問題，有效的改善了槽兩側(cè)和頂端的加工表面質(zhì)量。加工的微槽深度均為1mm?！斑M(jìn)給-靜止-回退”控制策略下加工的微槽表面存在過切現(xiàn)象，槽寬約200μ m；運(yùn)用PID算法控制策略下加工的微槽的槽寬約180μm，并改善了加工表面質(zhì)量，減少了熱影響區(qū)域。

4 結(jié)論

本文在搭建的基于力信號(hào)反饋控制進(jìn)給的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，通過分析材料去除的三個(gè)階段，分別提出了 “進(jìn)給-靜止-回退”控制策略和運(yùn)用PID算法的控制策略，對進(jìn)給軸速度和力信號(hào)進(jìn)行了采集分析，并通過調(diào)節(jié)PID參數(shù)，達(dá)到了較好的控制效果。相對于前者，PID算法控制策略下的進(jìn)給軸速度波動(dòng)范圍變小，進(jìn)給更加平穩(wěn)，利于保障加工過程以及氣膜形態(tài)的穩(wěn)定性。

圖10 加工工件圖

在此基礎(chǔ)上，對石英玻璃進(jìn)行了WECDM加工實(shí)驗(yàn)，對比了開環(huán)控制與兩種閉環(huán)控制策略對加工的影響。開環(huán)控制的加工到了深槽區(qū)域會(huì)出現(xiàn)壓絲狀況，導(dǎo)致加工無法繼續(xù)，且加工表面質(zhì)量不佳；“進(jìn)給-靜止-回退”控制策略下，加工效率隨著加工深度的增加而逐漸降低；在運(yùn)用PID算法的控制策略下，加工效率基本不變，而且運(yùn)用PID算法的控制策略可以有效提高加工效率，并利于改善加工表面質(zhì)量。