一種全閉環(huán)中走絲電火花線切割機床數控系統(tǒng)

曹建福 王 偉

（①西安交通大學機械系統(tǒng)工程國家重點實驗室，陜西西安 710049;②西安康柏自動化工程有限責任公司，陜西西安 710075）

往復高速走絲電火花線切割機床，由于結構簡單、性價比高，在我國制造企業(yè)中被廣泛使用，已成為一種必不可缺的機床。走絲速度高有利于大厚度工件和大電流切割，但也會引起走絲系統(tǒng)的振動和磨損，嚴重影響加工質量。隨著模具制造水平的發(fā)展，對高速走絲電火花線切割機提出了更高的需求，要求能消除往返切割所產生的黑白條紋，提高加工精度和表面加工質量。

為了改進高速走絲電火花線切割機床所存在的表面加工質量差和加工精度低的問題，人們對機械結構和工藝進行了研究，認為主要的途徑是采用多次切割工藝［1］。而要實現(xiàn)多次切割需要滿足下列條件:（1）走絲系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以便控制電極絲空間形位的變化;（2）多次切割工藝參數優(yōu)化，確定脈沖參數、加工軌跡補償量及電極絲移動方式和速度等［2］;（3）高精度的運動控制。人們把能實現(xiàn)多次切割的高速走絲電火花線切割機床稱為中走絲線切割機床。為了同時能兼顧加工效率和表面加工質量，中走絲線切割機床除了在機械結構上進行改進設計外，對數控系統(tǒng)也提出了一些新的要求［3－6］。

為了滿足中走絲線切割機床對加工效率和質量的要求，本文對切割過程放電過程高速采樣、高精度運動軌跡協(xié)調控制、多次切割以及脈沖電源控制等技術進行了研究，開發(fā)出了新一代中走絲線切割控制系統(tǒng)，并已成功應用于工業(yè)領域。

1 中走絲線切割機床機械本體結構與控制需求分析

中走絲線切割機床一般采用鋼性好的C型結構，使用滾珠絲杠和精密直線導軌，驅動電動機與絲杠采用直連方式。這種方式可減小傳動誤差和反向間隙，保證加工精度和加工的穩(wěn)定性。潤滑部分增加了集中式供油潤滑，運絲速度可通過變頻器實現(xiàn)無級調速，絲筒采用無觸點開關控制換向，運絲系統(tǒng)采用重力自動張絲與導絲嘴穩(wěn)絲相結合的結構，可靠性較高。冷卻液系統(tǒng)全過濾，保證了放電加工區(qū)工況穩(wěn)定。

目前市場上流行的大多數中走絲線切割機床，X、Y軸運動執(zhí)行機構采用開環(huán)控制方式，工作臺運動的定位精度100 mm范圍內為0.01 mm，重復定位精度為0.005 mm。為達到機床X、Y軸在200 mm行程范圍的定位精度0.005 mm，重復定位精度0.001 mm，本文將使用全閉環(huán)控制方式，用光柵作為位置檢測裝置，實現(xiàn)高精度閉環(huán)位置控制。

現(xiàn)在大多數電加工機床的放電采樣跟蹤使用模擬電路實現(xiàn)，在加工時固定的跟蹤參數適應范圍比較小，需要有經驗的操作人員根據放電情況手動調節(jié)跟蹤參數，影響加工效果。采用數字化采樣，通過對采樣數據的分析自動調整跟蹤系數就可以避免這個問題。由于數字電路的一致性和數據分析軟件的經驗包容性，減小了放電加工過程中人為因素的影響，提高工件加工的一致性。

2 放電過程高速數字化采樣與間隙跟蹤

電火花線切割加工是利用高速運動的鉑絲作電極對工件進行加工的，這種柔絲電極使得多種放電狀態(tài)隨機、快速和多變地出現(xiàn)，相對電火花型腔加工來說，放電狀態(tài)的主要特征為:

（1）快速走絲線切割加工狀態(tài)的放電狀態(tài)通常只有3種，即開路狀態(tài)、火花放電狀態(tài)和短路狀態(tài);

（2）短路狀態(tài)的間隙電壓較高，且短路電壓隨著短路峰值電流的增大而增大;

（3）高頻電源往往采用感性限流電阻，使波形產生了畸變和拖尾現(xiàn)象。

為了準確地測量放電狀態(tài)，本文利用高速DSP來實現(xiàn)放電狀態(tài)的分析處理，設計的單脈沖采樣電路如圖1。由于高頻放電波形的最小脈寬為1 μs以下，因此需要至少10 M的采樣頻率，要選用高速運放電路。由于TI2812內部帶有10 M的AD模塊，因此設計時沒有使用外部AD芯片，而采用DSP芯片中帶有AD模塊，這樣既節(jié)約了成本，又減少了中間數據轉換環(huán)節(jié)，滿足高速采樣頻率和實時對大量數據進行處理的要求。采集電路的響應時間可保證在100 ns以內，采集的信號送到DSP中，通過分析并識別各個單脈沖的放電類型，所具有的類型有:短路、預短路、正常放電、預開路、開路等。根據高速采樣處理的結果，控制各軸伺服運動，來對切割放電波形自動進行調整，使加工達到最佳狀態(tài)，正常穩(wěn)定加工時間達到80%左右。

由于10 M的采樣頻率所采集的大量數據需要快速處理，因此在具體采樣時，將采樣區(qū)間分成兩個時區(qū)（圖2）:采樣時區(qū)和數據處理時區(qū)，在放電狀態(tài)時對采樣的數據進行預存，在放電間隔時間內產生的數據不進行采集，而且只對前一放電波形的數據進行分析處理，調節(jié)伺服跟蹤運動。采用這種方式既能夠達到很高的采樣頻率，又能保證波形數據得到及時處理。獲得了放電狀態(tài)信息后，采用對間隙自適應跟蹤控制來保證切割時的放電效果，若放電波形是空載情況，則加快進給，縮小間隙;若放電波形是短路，則停止進給甚至回退，建立間隙。本文通過大量的加工工藝試驗，獲得了不同高頻放電脈沖對不同材料、不同工況的切削數據，利用這些數據建立了一個工藝數據庫和參數優(yōu)化控制模型。在進行放電加工時，可根據不同的材料和厚度選用合適的電參數。

中走絲線切割機使用的數字化脈沖放電電源是一個直流脈沖電源，它由整流濾波電路、脈沖發(fā)生電路、功率放大器等組成。脈沖電壓幅值為40～150 V可調，脈沖寬度為 1 ～10 μs。

3 多次切割運動控制方法

3．1 4軸協(xié)調運動控制算法

四坐標線切割機切絲運動關系如圖3a，建立了2個坐標系:下表面坐標系（OXY）和上表面坐標系（O1UV），（x，y）為工件下表面某點的坐標，（u，v）為工件上平面某點的坐標，（x'，y'）為下導輪在XY坐標系中的坐標，（u'，v'）為上導輪在UV坐標系中的坐標。圖中上下導輪距離為H，工件厚度為L，底面高度為HC。本文在進行錐度或上下異形零件加工時，采取雙平面同步插補法，即對工件上下面分別生成加工代碼、上下形成運動對應關系、計算對應段插補值。

由加工代碼可獲得每個軌跡段的下表面和上表面的起點坐標和終點坐標，則可計算出上下平面的軌跡長度l1、l2，要使上下插補段保持同步，上下平面的插補速度比值應取為v1/v2=l1/l2。采用DDA算法，計算出第i個插補周期的進給量 Δxi、Δyi、Δui和 Δvi，則可求得第i個插補周期的坐標（xi，yi）和（ui，vi）。

由圖3b可知，b=u－x，c=u'－u

利用小波變換處理故障瞬態(tài)信號UA、UB和UC，并進行三層小波分解，獲取對應的分解系數能量值作為特征參數，可獲得12個故障特征參數，如圖5、圖6和圖7所示。

對Y軸方向的進給分量，可按同樣方法求出y'和v'。若設i－1插補點的下平面坐標為（x1，y1）、上平面坐標為（u1，v1）、下導輪XY軸坐標為（x'1，y'1）、上導輪UV軸坐標為（u'1，v'1）。那么在本段差插補周期內，各軸的進給量為

絲保持垂直加工時的運動控制方法，在絲垂直情況下加工，UV軸不需要運動，XY軸采用DDA算法。圖4為協(xié)調運動軟件流程圖。

3．2 多次切割實現(xiàn)方法

刀具半徑補償是現(xiàn)代數控系統(tǒng)的基本功能，它能補償編程軌跡與刀具中心軌跡之間的偏差。使用這種補償功能后，當用戶輸入了按照零件輪廓編制的加工程序后，數控系統(tǒng)控制形成的刀具中心軌跡能自動偏移一個設定的刀具半徑值。相比B刀補，C刀補根據相鄰兩個程序段信息進行刀補計算，且能在轉接點插入過渡曲線。

本文借助成熟的C刀具半徑補償方法，來實現(xiàn)多次切割功能。當CNC控制器讀入輪廓軌跡程序后，根據設定的加工次數、每一次的補償量和放電參數，按C刀補軌跡生成若干個程序段，程序中包含有表示放電參數的E代碼和絲速代碼，這些程序段組合起來生成一個新的多次切割程序。在多次切割時，每次切割軌跡逐漸與程序輪廓軌跡靠近，每次補償值不完全相同。

4 中走絲電火花線切割數控系統(tǒng)的結構與實現(xiàn)

中走絲電火花線切割機控制系統(tǒng)，包括:CNC控制器、自適應放電脈沖電源、三相正弦波微分驅動系統(tǒng)。CNC控制器基于嵌入式系統(tǒng)，采用的操作系統(tǒng)是Windows Ce 6.0，線切割的可視化編程與控制軟件將4軸運動控制軟件和圖形化自動編程集成在一起，該編控軟件基于VectorDraw圖形控件開發(fā)。

4．1 CNC 控制器

CNC控制器由嵌入式工業(yè)計算機和運動控制器組成，電火花線切割數控系統(tǒng)硬件結構見圖5。嵌入式工業(yè)計算機完成加工數據預處理與監(jiān)控功能，運動控制器完成放電狀態(tài)采樣、4軸運動控制、加減速控制、間隙跟蹤控制等任務，兩者之間通過USB2.0接口實現(xiàn)高速信息交換。將嵌入式工業(yè)計算機、運動控制器安裝在一個獨立的機箱內，機箱防護為IP65，可以適應工業(yè)生產場合對嵌入式結構的需求，見圖6。嵌入式工業(yè)計算機采用研祥公司半長HSC－1711CLDN，使用的是 Celeron M 800 M處理器，在板256 MB RAM，外部存儲器采用30 G筆記本電腦硬盤，它提供LCD顯示器接口、10/100 Mbps網絡接口、兩個RS232/485串行通通信接口、USB接口、鍵盤和鼠標接口。

運動控制器采用32位工業(yè)控制TI公司的2812 DSP，4軸插補控制采用粗精兩級結構，粗插補器采用前文中的控制算法，硬件插補器使用FPGA實現(xiàn)。目前快走絲線切割機床基本上是采用開環(huán)系統(tǒng)，步進電動機容易失步，產生的這種隨機誤差無法用軟件方法來補償。為了實現(xiàn)高的運動控制精度，須采用閉環(huán)控制方式。若采用伺服驅動系統(tǒng)且標準閉環(huán)算法實現(xiàn)的話，成本較高。因此本文采取了一種準全閉環(huán)控制方案，控制電動機仍采用步進電動機，X、Y軸安裝了反饋補償用光柵尺。由光柵尺產生的A、B相差分信號經AM26LS32進行轉換，得到單端信號后直接送到2812 DSP的兩路正交接口。使用閉環(huán)控制策略沒有積分環(huán)節(jié)，只有比例環(huán)節(jié)，它根據反饋脈沖數對運動脈沖進行補償。

運動控制器配置4路模擬量輸入、16路開關量輸出、20路開關量輸入、與高頻電源通訊的RS232接口、手操器接口等。電源部分采用24 V DC低壓供電方式，內置20 W DC－DC電源模塊，內部電路采用了光電隔離措施。

4．2 基于Win CE的可視化編程與控制軟件

利用線切割機床進行實際切割時，需經過編制加工代碼和自動運行兩個過程，它們分別由自動編程軟件和數控系統(tǒng)控制軟件來完成。傳統(tǒng)線切割機自動編程軟件是運行在PC上，采用離線形式編程。近幾年有個別廠家基于PC平臺和運動卡，在Windows XP/NT環(huán)境上開發(fā)出了線切割機數控系統(tǒng)，而且把圖形化編程軟件與控制軟件集成在一起，軟件可視化、操作方便，但它存在基于PC數控系統(tǒng)的一些固有缺點:可靠性差、體積大、性能受限。

本文在上述嵌入式硬件平臺基礎上，基于Windows CE6．0嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)了可視化線切割機編程與控制集成軟件。該編程與控制集成軟件的主要模塊，包括圖形繪制、代碼自動生成、加工代碼管理、4軸運動控制、運動監(jiān)測、圖形仿真和間隙控制等功能，主界面如圖7所示。在圖形編輯與顯示功能實現(xiàn)時，采用了VectorDraw圖形控件。VectorDraw圖形控件是VectorDraw公司開發(fā)的基于COM的矢量圖像控件，它提供了700多種屬性、方法和事件，并能夠自定義所有的消息和對話框，支持2D/3D繪圖，是目前國際上一致認可的最優(yōu)秀的CAD控件之一。本文使用Visual C++進行編程，完成的圖形繪制功能包括基本曲線和高級曲線，基本曲線有直線、圓弧、點和矩形等圖元，高級曲線有正多邊形、橢圓、公式曲線、漸開線齒輪、矩形花鍵和漸開線花鍵等圖元。

5 現(xiàn)場切割實驗與結果分析

本研究開發(fā)的全閉環(huán)中走絲線切割機床數控系統(tǒng)，已在幾個廠家的線切割機床上實現(xiàn)了工業(yè)應用。為了分析實際切割效果，本文在某廠家的DK7740型號線切割機床上進行了切割實驗，實驗時使用直徑為0.18 mm鉬絲，水性冷卻液。

表1 大加工件測量數據

首先進行了最大效率切割試驗，實驗圖形是長距離直線，軌跡長度為2 000 mm。試驗條件:材料為45鋼，運絲速度為10 m/s。經反復實驗測試，最大加工效率≥190 mm/min。

第二進行了加工精度試驗，切割了兩個試件，大工件如圖8a，小工件如圖8b。加工材料為Cr12鋼，厚度20 mm，切割次數3次。加工精度測量數據見表1、表2。對于長距離的較大工件，由于機床本身的誤差，在開環(huán)情況下切割，大工件誤差范圍在－0.040～+0.008 mm之間，小工件誤差范圍在－0.002～+0.009 mm之間。在閉環(huán)功能打開情況下，大工件誤差范圍在－0.005～+0.013 mm之間，小工件誤差范圍在+0.001～+0.007 mm之間。由此看出在對于小工件切割時，加工誤差開環(huán)和閉環(huán)差別不大，但在加工較大工件時，閉環(huán)系統(tǒng)能夠較大幅度減小。

表2 小加工件測量數據

表3 粗糙度測試記錄

第三進行了粗糙度試驗，試驗的圖形如圖9所示，每個試件切割次數是3～4次。試驗條件:材料為Cr1 2，運絲速度為2～1 0 m/s。從測試記錄表3可以看出，表面粗糙度值Ra≤1～1.6 μm，且加工表面光澤無切割條紋，平均加工速度50 mm2/min。6個試件切割中，最佳表面粗糙度值Ra≤0.8 μm，平均加工速度40 ～50 mm2/min。

最后進行了絲損試驗，試驗圖形為長距離直線，軌跡長度2 000 mm。試驗條件:材料為45鋼，運絲速度為10 m/s。使用厚度50 mm的試件，平均切割效率為100～120 mm2/min，連續(xù)切割 2 ×105mm2，鉬絲損耗0.02 mm，加工穩(wěn)定，無斷絲現(xiàn)象。使用厚度500 mm的試件，連續(xù)切割48 h，加工穩(wěn)定，無斷絲現(xiàn)象，平均切割效率80 mm2/min。

6 結語

為了提高切割過程放電效率，本文研究了中走絲線切割機脈沖放電特性，采用數字化方法對放電過程進行高速采樣，提取出放電特征后實施間隙跟蹤，同時建立了智能型放電工藝數據庫。為改進切割精度和表面粗糙度，工作臺運動采用了一種閉環(huán)位置控制方案;基于雙平面同步插補法實現(xiàn)了4軸協(xié)調運動控制，并采用補償原理解決了多次切割控制問題。論文基于Win CE6.0嵌入式操作系統(tǒng)，設計并實現(xiàn)了可視化編程與控制集成軟件。實際切割數據顯示，采用這種數控系統(tǒng)后，中走絲線切割機床的可靠性和加工精度有了明顯提高。

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