（机械电子工程专业论文）电火花线切割机间隙状态控制系统研究.pdf

摘要 摘要 电火花加工是适应生产和科技发展的迫切需要在近几十年来发展起来的一 种特种加工，它要求其加工向高效率、高精度、智能化方向发展。电火花线切割 加工是特种加工技术一个重要的研究方向，主要解决各种难加工材料和复杂形 状零件加工的问题。对于电火花线切割加t 来说，放电间隙控制技术是一项十 分重要的技术，它的性能好坏直接影响到加工过程的稳定性和加工质量。在此 研究背景下，本论文对电火花线切割机间隙状态控制系统进行了研究设计。 本文通过阐述电火花线切割加工原理，对电火花线切割机间隙状态检测的 现状进行了研究，并对间隙状态控制技术的发展及趋势进行了介绍，提出了电 火花线切割机间隙状态控制系统的总体设计方案。 本控制系统包括硬件和软件两大部分。 控制系统的硬件设计了控制电路模拟电源部分、间隙平均脉宽电压检测电 路、电压信号比较电路部分、a d 与d a 转换电路以及单片机a t 8 9 c 5 1 外围电 路；详细介绍并分析了各电器元件组成及其相应芯片；介绍了i s a 总线结构的 特点。 在软件方面，研究了线切割加工间隙状态控制算法，对间隙状态控制程序 进行了设计；为解决本控制卡与上位机通信的问题，充分利用上位机的资源， 设计了基于w i n d o w s2 0 0 0w d m 模型的线切割机间隙状态控制系统的驱动程 序。 关键词：电火花线切割机；间隙状态：间隙控制 a b s t r a c t a b s t r a c t e l e c t r i cd i s c h a r g em a c h i n i n g ( e d m ) i san e wt y p eo fn o n t r a d i t i o n a lm a c h i n i n g a n dh a sb e e nd e v e l o p i n gf o raf e wd e c a d e s n o we d mi sh e a d i n gt o w a r d sh i i g h e f f i c i e n c y , h i g ha c c u r a c y a n di n t e l l i g e n c e w r i r e c u t t i n ge l e c t r i c a ld i s c h a r g e m a c h i n i n g ( w e d m ) i sa ni m p o r t a n tr e s e a r c hf i e l do fn o n - t r a d i t i o n a lm a c h i n i n g ， w h i c hd e a l sw i t hm a t e r i a l st h a ta l ed i f f i c u l tt om a c h i n ea n dw o r kp i e c e 、 ，i t h c o m p l i c a t e ds u r f a c e f o rw e d m ，t h ed i s c h a r g eg a pc o n t r o lt e c h n o l o g yi s av e r y i m p o r t a n tt e c h n o l o g y , w h i c hh a sad i r e c ti m p a c to nt h ep e r f o r m a n c eo f t h ep r o c e s so f s t a b i l i t ya n dp r o c e s s i n gq u a l i t y u n d e rt h i sr e s e a r c hb a c k g r o u n d ，t h ep r e s e n tp a p e r h a sc a r r i e do nt h er e s e a r c hd e s i g nt ot h ew e d m g a ps t a t ec o n t r o ls y s t e m b a s e do nw e d m p r i n c i p l e ，t h i sa r t i c l eh a ss t u d i e dt h ed e t e c t i o ns t a t u si nq u oo f t h ew e d mg a ps t a t e ，a n dh a sp r e s e n t e dt h ec o n t r o lt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ta n dt h e t e n d e n c y , p r o p o s e dt h ec o n t r o ls y s t e mo v e r a l lp r o j e c td e s i g n t 1 1 ec o n t r o ls y s t e mc o n s i s t so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h ec o n t r o ls y s t e mh a r d w a r eh a sd e s i g n e dt h ep o w e rs i m u l a t i o np a r t ，t h ev o l t a g e d e t e c t i o nc i r c u i t ，t h ec o m p a r i s o nc i r c u i to fv o l t a g e ，t h ec i r c u i to fa n a l o g - t o - d i g i t a la n d d i g i t a l - t o - a n a l o g ，a n dt h em i c r o c o n t r o l l e ra t 8 9 c 5 1s y s t e m ；a n a l y z e di nd e t a i lv a r i o u s e l e c t r i c a le q u i p m e n tc o m p o n e n tc o m p o s i t i o na n dt h e i rc o r r e s p o n d i n gc h i p ；i n t r o d u c e d t h ei s ab u ss t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c s i nt h ef i e l do ft h es o f t w a r e ，t h ep a p e rh a sr e s e a r c h e dt h ew e d mg a ps t a t e c o n t r o la l g o r i t h ma n dc a r r i e do nt h ed e s i g nt ot h eg a ps t a t ec o n t r o lp r o c e d u r e s ；t o r e s o l v et h ec o n t r o lc a r da n dp cc o m m u n i c a t i o np r o b l e m s ，m a k ef u l lu s eo fp c r e s o u r c e s ，h a v ed e s i g n e dt h eg a ps t a t ec o n t r o ls y s t e md r i v e r so w i n gt ow i n d o w s 2 0 0 0w d mm o d e l k e yw o r d s ：w e d m ；g a ps t a t e ；g a pc o n t r o l i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌文学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ： 同磬衫 签字日期：弘臻磊哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌文学有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权南昌文学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 靴敝蒿掰副： 槲期骖石侈日 签字醐矿伪够日 导师签名( 手写) ： 跏墀 签字日期：，、，、。多年月，弓日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 电火花线切割j m - r 原理概述 电火花加工又称放电加工( e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g 简称e d m ) ，是 电加工行业中应用最为广泛的一种加工方法，约占该行业的9 0 。按工具电极 和工件相对运动的方式不同电火花加工又分为电火花成形加工，电火花线切割 加工、电火花高速小孔加工，电火花磨削、电火花同步共轭回转加工和电火花 表面强化与刻字等六种。其中线切割加工占了电火花加工的6 0 ，电火花成型 加工占了3 0 。随着电加工工艺的蓬勃发展，线切割加工就成了先进工艺制作 的标志【。 电火花线切割加工是在电火花成形加工基础上发展起来的。它的基本原理 ( 图1 1 ) 是用细金属丝( 钼丝或铜丝) 作电极，线切割加工时，线电极一方面 相对于工件不断地移动( 慢速走丝是单向移动，快速走丝是往返移动) ，另一方 面，装夹工件的十字工作台，由数控伺服电动机驱动，在x 、y 轴方向实现切割 进给，使线电极沿加工图形的轨迹运动对工件进行切割加工。 电极丝 图1 1 电火花线切割加工原理图 电火花线切割加工的特点是：适合于机械加工方法难于加工的材料的加工， 如淬火钢、硬质合金、耐热合金等；以金属线为工具电极，节约了电极设计、 制造费用和时间，能方便地加工形状复杂的外形和通孔，能进行套料加工；冲 模加工的凸凹模间隙可以任意调节。但是其被加工材料必须导电而且不能加工 盲孔。 1 第1 章绪论 电火花线切割加工机床根据电极丝运行速度不同分为快走丝和慢走丝两种 机床。快走丝电火花线切割机床( w h d m h s ) 的电极丝作高速往复运动，走丝 速度可达8 - 1 0 m s ，这是我国生产的主要机种；慢走丝电火花线切割机床 ( w h d m l s ) 的电极丝作低速单向走丝运动，切害- u j a 工时一般走丝速度低于 0 2 m s ，这是国外生产的主要机种。虽然同为线切割机，但二者有着质的差别： 快走丝电火花线切割机加土精度低，脉冲电源和数控系统的开发相对比较容易： 而慢走丝电火花线切割机加工精度高，开发要难得多，主要是因为脉冲电源和 数控系统难于开发，脉冲电源各个参数调节范围要求宽，窄脉宽，大电流【2 】。电 火花线切割机床组成主要包括： _ 机床主体：包括床身、坐标工作台、走丝机构等； 一脉冲电源：把交流电流转换成一定频率的单向脉冲电流； 控制系统：控制机床运动； 一工作液循环系统：提供清洁的、有一定压力的工作液。 1 2 电火花线切割机间隙状态检测方法的研究和应用现状 实现电火花加工，必须使工具电极和工件间维持合理的距离，在该距离范 围内，既可满足脉冲电压不断击穿介质，产生火花放电，又可适应在火花通道 熄灭后介质消电离( 消除电离子影响) 及排出蚀除产物的要求。这段距离称之 为“加工间隙”或“放电间隙 。间隙是否合理受到脉冲电压、火花通道的能 量及介质的介电系数等因素的制约。一般情况下，电火花加工的放电间隙在数 微米到数百微米范围内。且在一定时间范围内脉冲放电集中在某一区域；在另 一段时间内，则应转移到另一区域。只有如此，才能避免积碳现象，进而避免 发生电弧和局部烧伤。因此，放电间隙是控制的主要对象。目前在许多机床上 采用间隙电压作为反映间隙大小的传感信号。这样，加工过程中不可连续测量 的放电间隙大小就可用连续测量加工间隙电压的方法来获得。但是，间隙电压 与其它控制参数之间的交互作用很大。因此准确检测电火花放电间隙状态已成 为不可回避的问题。 要实现放电间隙的调整与控制，似乎需检测实际间隙值的大小，但间隙值 的测量对放电间隙的调整与控制并没有太大的意义。其原因在于随着加工过程 的进行，加工介质的温度及介质中碎屑的浓度等在不断变化，致使加工介质的 2 第1 章绪论 介电性能不稳定，把当前放电间隙值调整为其他稳定t j , - r 时刻的间隙值，并不 一定能保证加工过程继续稳定进行。 电火花加工过程中单个脉冲波形的“放电状态 有五种基本形态，即正常 放电、过渡电弧( 可恢复性不稳定电弧) 、电弧放电、短路、开路( 空载) ， 如图1 2 所示。它们的特点是【3 】： 域 电 电 豫 u | v 鹱 电 电 流 i a l 冗漆 f 稳定咆甄 i 扶7 已ll i 毽 i l 乏常 糍绥垮 l始出 ：气 l 1乜鬣艘咆 0 嘲棚、 l 锈龉 l l 嘴2 铲：3 0 0 4 g o钧a6 穰，7 0 0掰o 0j 蚴一 lli +t l 一一艘恕叼醚t 哪毒 lii ill l ii，lli l i iliilt l iiiiiii 路 ；正驴嚣鬻：；糖嫱： l 、| i ：硼 j l i 、i _ - k 、一i 屺 l l 蹦i i v 1 电 i 敦瞧时阚彳j ，羹轼 图1 2 放电状态和脉冲类型 ( 1 ) 正常放电：放电期间放电电压波形上有高频杂波分量出现，峰值大， 有击穿延时现象。而在形成火花放电过程中，电流波形平直，规律性整齐。 ( 2 ) 过渡电弧：放电期间放电电压波形上，高频杂波分量几乎没有，击穿 延时也不明显，波形无规律。这种波形可通过伺服控制恢复为正常火花放电， 也可因间隙状态变化而自行恢复为正常火花放电。因此它是作为理论研究提出 的，实际加工控制过程中不需要专门测量。 ( 3 ) 电弧放电( 不可恢复烧伤性稳定电弧)：在间隙放电条件恶劣的情 况下，如深孔加工时，稳定电弧形成而烧伤工件，这时工具电极及工件表面都 3 飘 馘 蝤矗m 矗 飘 o 2 2 第1 章绪论 会形成局部凸包或凹坑，电压及电流波形都很光滑，形成烧弧后，如不擦除黑 斑，加工过程不可能自行恢复正常。 ( 4 ) 短路：电压很低，电流波形光滑。虽然短路本身不蚀除工件，也不损 伤电极，但在短路处造成了一个热点，当短路消除时易引发拉弧。 ( 5 ) 开路：间隙过大时，脉冲电源电压不能击穿间隙形成放电脉冲，间隙 电压值为脉冲电源电压值，间隙中没有放电电流，波形中没有高频分量；它对 工件没有去除作用，属于无效放电脉冲。 常用的电火花线切割间隙状态控制原理是通过对电极丝与工件之间的间隙 放电状态进行检测、采样，然后通过一定的反馈增益和控制算法来调节加工速 度和进给速度以保持最佳加工间隙和间隙放电状态。到目前为止常用的有以下 几种检测方法。 1 2 1 间隙电压与电流平均值检测法1 4 i 目前普遍使用放电间隙电压或电流平均值检测法对放电间隙状态进行检 测。通过估算与经验得知，在工具、工件材料、工作液介质及脉冲参数等确定 的情况下，放电加工过程稳定进行时，其间隙电压或电流平均值应处于一个区 间中，如超出了这个范围，加工过程则处于非正常加工状态：间隙电压平均值 超出范围上限( 或间隙电流平均值低于范围下限) 时，放电加工过程趋于空载 加工状态，而间隙电压平均值低于范围下限( 或间隙电流平均值超出范围上限) ， 加工过程则趋于电弧放电或短路状态。 图1 3 是两种放电间隙电压平均值检测法实现方法原理示意图，利用电阻、 电容组成的滤波电路获取间隙电压平均值，由电位器提取电压信号进行输出。 只要r l 、c 、w 选值适当，在电容c 上能获取间隙平均电压值信息。d 2 主要用作 防止电容c 通过r l 迅速放电，稳压二极管d l 的作用是阻击短路脉冲或稳定电弧 放电脉冲通过，在它们接连出现时，电容c 因没有充电电流补充而使电压迅速下 降，尽快输出放电间隙趋向短路的讯号。图1 3 瘌图1 3 b 的区别在于后者多了一 个增强稳定性兼具滤波作用的电阻凡。 4 第1 章绪论 v + ( a )( b ) 图1 3 间隙电压平均值检测法 放电间隙电流平均值检测法与放电间隙电压平均值检测法的实质完全一 样。它们具有电路实现简单、实用的特点，但对短路脉冲或稳定电弧放电脉冲 的反应灵敏度较低。 1 2 2 放电脉冲有效火花数检测法 有效火花数检测法是把施加于工具电极与工件之间一定数量的放电脉冲所 产生的有效放电脉冲、无效放电脉冲和有害放电脉冲的数量分别统计、分析后， 对放电间隙状态进行判别的一种方法。其原理是：当电火花放电加工过程稳定 进行时，有效放电脉冲数量应处于一定范围之内，如果偏离了这个范围就处于 非正常加工状态。具体表现分为两个方面：一方面就是有效放电脉冲数量偏少， 这时如果空载脉冲数量偏多，放电加工过程就趋于空载加工状态，如果短路脉 冲或有害放电脉冲数量偏多，放电加工过程则趋于短路或电弧脉冲放电状态； 另一方面是有效放电脉冲数量偏多，这时加工过程往往不能稳定进行。值得指 出的是，通过设计控制规则，对有害放电脉冲数进行监控，当有害放电脉冲数 连续发生达到一定数量时，可马上向脉冲电源及间隙调整控制器发出警报，立 刻做出相应的调整与控制，可以达到较高的灵敏度【4 】。 实现有效火花数检测首先面临的是如何区分有效放电脉冲、无效放电脉冲 及有害放电脉冲。目前对放电脉冲进行分类鉴别使用较多的主要有两种方法， 即放电脉冲峰值电压或电流检测法与脉冲波形中高频分量检测法，而放电击穿 延迟时间检测法在脉冲鉴别中也曾研究使用过。 放电脉冲峰值电压或电流检测法是利用不同类型的放电脉冲在峰值电压或 电流上的差异对放电脉冲进行区分鉴别的一种方法，峰值电压与峰值电流检测 法的实质相同。放电脉冲峰值电压检测法是较为常用的鉴别放电脉冲的检测方 法，实现电路相对简单，但不能对过渡电弧放电脉冲和稳定电弧放电脉冲做出 5 第1 章绪论 区分。 高频检测法是通过对间隙电压上高频分量的检测来区分火花放电与电弧放 电的，因为在火花放电时，间隙电压存在着强而稳定的高频分量( 频率从几兆 至几十兆) ，而电弧放电时，间隙电压的高频分量很弱甚至不存在，因此可将间 隙电压上的高频信号进行提取、放大、比较，作为区分火花放电和电弧放电的 依据。当放电电压较高时，且存在高频信号，则为正常火花放电状态：当放电 电压较低，有少量的低频信号时，为不稳定性电弧：无高频信号时，则为稳定 性电弧和短路状态。该方法的优点是不仅可区分火花放电与电弧放电，而且还 可将电弧放电进一步区分为稳定电弧放电或过渡电弧放电，这种方法为判别加 工状态的好坏提供了一种较可靠的方法，但是该方法难以对单个脉冲的放电状 态进行判别。当加工中有较强的干扰时，其识别的准确性将受到影响，且需通 过和峰值检测法配合才能得到综合鉴别结果，因此主要用于要求较高的放电加 工系统中。 放电击穿延迟时间检测法是利用火花放电脉冲具有击穿延迟特性对火花脉 冲进行鉴别的方法。这个方法曾是研究的热点，通过检测放电延迟的平均时间， 对火花放电脉冲的频度或数量进行判定，进而识别间隙的状态。但后续大量研 究结果表明，电弧放电脉冲有时也存在放电击穿延时现象，这样把有击穿延时 的放电脉冲统统归为火花放电脉冲，显然严重影响了间隙状态检测的准确性。 目前在放电脉冲鉴别方面已很少用这种方法了。放电击穿延迟时间检测法如图 1 4 所示。 抠i 剥 译 i 码 rc p 一比l 器d 触发器 霹 嚣l d 砭 q 图1 4 放电击穿延迟时间检测法示意图 把间隙电压和电流与参考电压和电流进行比较，对比较结果进行译码，可 将放电状态划为开路、短路、脉冲间隔与放电( 包括火花放电、电弧放电) 4 种 状态。 6 第1 章绪论 为了进一步区分火花放电和电弧放电，通过对这两种放电状态的进一步分 析发现，一般情况下，如果在脉冲间隔状态后出现一个开路状态( 即击穿延时) ， 再进入放电状态，则该放电状态为火花放电，而从脉冲间隔状态直接进入放电 状态，则该放电状态为电弧放电。因此设计中采用时序数字电路将放电状态的 前面状态引入，作为进一步区分火花放电与电弧放电的依据【5 】。 在图1 4 中，d 触发器的复位端接译码器的“脉冲间隔 输出端，触发脉冲 c p 端接译码器的“开路”输出端，d 端与q 端短接。当出现脉冲间隔状态时，d 触发器被复位，q = o ，d = q = i 。当发生电弧放电时，译码器的“放电输出有 效，由于在此之前“开路 输出无效，即没有触发脉冲，d 触发器状态保持不变， 此时与门l 被关闭，与门2 打开，“电弧放电一( 即与i - 2 输出) 有效；当发生火花 放电时，先是“开路 输出有效，d 触发器被触发，q = 1 ，d = q = 0 ，此时与 门1 被打开，与门2 被关闭，接着“放电输出有效，经与门l 使“火花放电输 出有效。由于d 触发器可以选用高速器件，因此即使火花放电的击穿延时很短( 如 几十纳秒) ，也可被检测出来。 1 2 3 间隙平均脉宽电压检测 这种方法的基本思路是去除脉间阶段零电压对平均电压的影响，而只对间 隙脉宽阶段的电压进行平均，原理如图1 5 所示。这种检测方法的优点在于消除 了脉冲占空比的影响，可以较好地反映间隙状态的变化。这种检测利用电阻r 和 电容c 构成的低通滤波电路对脉宽阶段的电压进行了平均。但是需要增加一个采 样开关，因而检测结果受采样开关本身特性的影响比较大，并且采样开关的高 频通断会引入高频的干扰，对检测结果不利【6 】。 皿 脉 冲 嘉 放电状态 比较电路 图1 5 间隙平均脉宽电压检测法电路原理 1 2 4 间隙脉宽电压数字平均法 数字平均脉宽电压检测的基本思想与间隙平均脉宽电压检测一致。如图1 6 所示，利用高速的a d 转换芯片对间隙脉宽阶段的电压进行采样与a d 转换， 7 第1 章绪论 用与脉冲电源同步的脉冲控制使得在脉间阶段不进行采样和a d 转换。再将多 次采样的值进行数字平均，得到的电压与伺服电压进行比较，指导伺服运动。 这种方法能够非常有效地滤除脉间阶段的零电压或负电压对检测结果的影响。 而且不会有图1 5 所示检测方法受采样开关频率特性的影响问题【7 1 。 旧搿和b 多次脉宽 刊名嬲 la d 转换广叫 采样值数 字平均 图1 6 数字平均脉宽电压检测原理 1 2 5 脉冲电压积分法 脉冲电压积分法的指导思想是即使脉冲宽度为纳秒级，但其四种放电状态 的电压波形与时间轴所包围的面积值依然有明显的差异，因此可对每一次的脉 冲电压积分后采样再进行分类。该方法的优点是可较全面反映放电波形的信息， 但它有一个重大的缺陷：积分后的值随脉冲宽度的变化而成倍的变化，则对应 的积分电路要能对每一种脉冲宽度自动调整其积分常数，这势必导致电路的复 杂化。而且在每一种脉冲宽度时，放电情况并不相同，则必须对每一组脉冲宽 度和脉冲间隔的加工进行实验，从而确定其区别各种放电状态的门槛电压，这 是一个庞大的数据库，需要进行大量的工艺实验。因此这种方法对要求大范围 内调整电气参数时是不合适的【9 1 。 1 2 6 其他间隙状态检测方法 上述的检测方法是目前电火花加工中经常使用的间隙状态检测方法，除此 之外还有利用参数进行间隙状态检测的方法，如平均放电时间、有效脉冲频率、 脉冲利用率、相对放电时间、平均相对放电时间、放电效率、平均放电效率、 放电功率、平均放电功率等，但它们实现的基础都需对间隙电压、间隙电流或 脉冲类别进行检测或识别。 8 第1 章绪论 电火花加工正向着高精度、高效率及其综合的方向发展，应力求避免在加 工过程中短路及稳定电弧脉冲的发生，因此要求间隙状态检测方法具有较高的 检测灵敏度，能对单个放电脉冲的效果实现鉴别，但正确的检测结果还需配合 平均值检测法才能实现，因此，间隙状态检测正向着脉冲效果识别与平均值检 测两者并重的方向发展。 1 3 电火花线切割机间隙状态控制技术的发展及趋势 自从上世纪5 0 年代线切割机床诞生以来，线切割机床的控制系统不断发展 变化。世界上最早的一台线切割机床于1 9 5 5 年研制成功，它是依靠投影仪，沿 着轮廓手动控制加工轨迹以实现切割加工的。在这以后，线切割加工经历了靠 模仿形、光电跟踪、简易数控直到今天的计算机数字控制( c n c ) 。 计算机数控引入到线切割加工领域后，随着计算机技术的发展，电火花线 切割控制系统也在不断更新换代。在硬件方面，从单片机到主从结构的p c 机控 制，计算机群控等。在软件方面，主要经历了一下三个阶段： 5 0 年代，线切割控制正处于靠模仿形、光电跟踪时期，采用手动、半自动 加工简单的工件。此时，控制软件正处于准备阶段。 6 0 ，7 0 年代，微型计算机、数字控制等技术开始出现并迅速应用到制造业 线切割机床逐步实现了从n c 到c n c 控制，从理论上为单件小批量高精度复杂工 件的加工提供了自动化手段。 自8 0 年代以来，数控线切割机床的硬件功能日益完善，自适应控制、全自 动化无人操作己逐步实现。 正像其他工业过程一样，w e d m 要想实现其间隙状态自动控制必须建立一 个数学模型，以描述实际过程中各物理量之间的关系。由于w e d m 过程到目前 尚没有一个非常好的数学模型来描述。故应用一般控制技术，如p i d 控制技术 不易达到良好的控制效果。因此，在这种情况下，现代控制中的自适应控制首 先被应用到w e d m 间隙状态控制技术中，以期能对w e d m 间隙状态进行有效 的自动控制。世界各国专家学者在这方面做了广泛的探索研究工作。学者们所 做的种种努力都是为了实现一个目标：在满足表面粗糙度、电极损耗及加工稳 定性要求的前提下优化蚀除速度，使生产率尽量提高。他们研制的w e d m 间隙 状态控制系统尽管自动化程度已经较高，然而这些控制方法基本上都是控制单 9 第1 章绪论 一变量，或是互相分离地控制几个变量。至于变量之间的耦合问题还未涉及到， 如工况不同时，许多参数仍需人为设定或事先设定。有些甚至还需操作者在加 工中一面观察加工情况一面调整参数。更重要的是e d m 自适应控制不能仅仅满 足于避免短路及有害电弧产生，而是应如何在没有短路和电弧产生的基础上优 化加工参数获得更高的工艺指标【l o l 。 为此，有学者将模糊控制理论运用到电火花线切割间隙状态控制技术当中， 我国的学者邓聚龙教授又提出了灰色控制理论等。但是这些方法仍然处于理论 和探索阶段，需要进一步的实践和研究。 专家系统是研究电火花加工控制的方式之一，该系统是指在某个领域内能 够起到人类专家的作用，具有大量的知识和经验的智能程序系统。它通过某种 知识获取手段，把人类专家的领域知识和经验技巧移植到计算机中，并且模拟 人类专家的推理、决策过程，表现出求解复杂问题的人工智能。由于专家系统 是一种基于知识的系统，面临的主要是各种非结构化问题，尤其能处理定性的、 启发式或不确定的知识信息，经过各种推理过程达到系统的任务目标，而不需 要精确的模型，这为解决现代控制理论的局限性提供了重要启示。另外，知识 库保存了领域专家的知识和能力，使得人类的技术知识得到了保存，具有继承 性；而且，专家系统往往汇集众多专家的经验和解决问题的能力，因而在实际 的操作中可以超过单个专家的能力。专家系统的强大功能使它非常适合应用在 电火花加工的控制系统中，国外许多研究机构及厂家在这方面做了深入的研究。 相对来说，这方面的工作国内做得较少。 由j h h o l l a n d 教授提出的遗传算法g a ( g e n e t i ca l g o r i t h m ) ，是一类借鉴 生物界自然选择和自然遗传机制的随机的搜索算法，现已广应用于计算机科学、 人工智能、信息技术及工程实践。该算法借助于计算机编程，一般是将待求问 题表示成串( 或染色体)，即为二进制码或数码串，从而构成一群串，并将它 们置于问题的求解环境中，根据适者生存的原则，从中选择出适应环境的串进 行复制，且通过交换、变异两种基因操作产生新的一代更适应环境的串群，经 这样一代代地不断变化，最后收敛到一个最适应环境的串上而求得问题的最优 解。该算法采用的是群体搜索策略，而不依赖梯度信息，所以特别适用于传统 搜索算法难以解决的、复杂的非线性问题；而且具有并行运算的特点，优化速 度很高，适用于实时系统参数的优化。在电火花加工中，由于电参数对加工工 艺效果难以用精确的数学模型描述，为了确定最优加工条件，提高电火花加工 1 0 第1 章绪论 效率，基于工艺数据库，采用遗传算法，能够有效地生成经过优化的、加工时 间最短或接近最短的加工条件，从而在实用的水平上有效地解决了电火花加工 条件优化的问题。 人工神经网络是一种新兴技术，用计算机对人类大脑的功能进行某种抽象 简化和模拟，构成一个具有高度非线性的超大规模连续时间动力系统，适合解 决复杂的非线性问题。而电火花加工正是这种具有高度非线性的系统，难以用 具体的数学表达式来描述加工的工艺规律。采用神经网络控制能达到很好的效 果，也必然是一个重要的发展趋向。 需要指出的是，上述提到的各种控制技术在电火花加工过程中的应用并不 是相互独立的。由于各自都存在着无法自我克服的缺陷，采用单一控制方式对 于电火花加工过程很难获得满意的控制效果。因此，它们之间需要取长补短， 在充分发挥自身优势的同时，通过相互结合取得联合增值效应。如：对神经网 络来说，知识抽取和知识表达比较困难，而模糊信息处理方法对此却很有效； 另一方面，模糊推理很难从样本中直接学习规则，且在模糊推理过程中会增加 模糊性，但神经网络却能进行有效的学习，并因采用联想记忆而降低模糊熵。 国内外学者对混合控制方法进行了广泛研究，提出了模糊控制与神经网络的结 合、神经网络与遗传算法的结合、模糊控制与遗传算法的结合、模糊控制与灰 色预测的结合等混合智能控制理论。 近年来，随着计算机技术的迅猛发展，加上混合智能控制技术的诸多优点， 在复杂的电火花加工过程中，系统控制应用混合智能技术已成为必然趋势，但 是目前这方面的研究才刚刚起步，实际应用还较少，大部分停留在实验室仿真 阶段。在今后的研究中应该继续加强这方面的研究，与此同时，还需对电火花 加工机理和工艺规律进行深入研究。 1 4 选题背景及依据 在线切割放电加工中，电极与工件之间必须保持适宜的放电间隙。间隙过 大或过小都将使加工过程不稳定：工件在不断被蚀除的同时电极也会有一定的 损耗，间隙会不断扩大。如果电极不能及时的进给补偿，放电过程就会因间隙 过大而停止；反之，间隙过小又会引起拉弧烧伤或短路。又因为放电间隙变化 范围很小，维持适宜的放电间隙就必须靠自动控制系统来完成。 第1 章绪论 可见，间隙状态的控制是线切割机床n - r 控制的一个重要环节，控制系统 根据放电间隙大小和放电状态自动控制伺服系统的进给速度，使进给速度与工 件材料的蚀除速度相平衡。在电火花加工中，放电间隙状态的检测和控制算法 是间隙状态控制的关键组成部分，它的性能好坏直接影响到加工过程的稳定性 和加工质量。 对于电火花线切割加工来说，放电间隙状态控制技术是一项十分重要的技 术，对间隙状态控制技术的研究有以下重要意义：能加强它的实时性；有效防 止断丝，提高加工效率；保证线切割机床加工质量。 1 5 本文研究的主要内容 本文对电火花线切割间隙状态控制技术做以下的研究工作： 1 、电火花线切割机间隙状态控制系统总体设计。通过电火花线切割加工原 理，电火花线切割机间隙状态检测方法的现状进行分析，提出了本控制系统的 总体设计方案； 2 、电火花线切割机间隙状态控制系统硬件设计。设计了控制电路模拟电源、 间隙平均脉宽电压检测电路、电压信号比较电路、a d 与d a 转换电路以及利 用单片机a t 8 9 c 5 1 对硬件系统进行了设计；详细分析各电器元件组成； 3 、电火花线切割机间隙状态控制系统软件设计。研究了线切割加工间隙状 态控制算法，对间隙状态控制程序进行了编写；为解决本控制卡与系统机通信 的问题，编写了基于w i n d o w s2 0 0 0w d m 模型的线切割机间隙状态控制系统的 驱动程序； 4 、对该系统进行初步试验，对硬件和软件进行了调试，同时对结果进行分 析，总结了课题的经验和收获，提出了今后研究的方向。 1 2 第2 章电火花线切割机间隙状态控制系统总体设计 第2 章电火花线切割机间隙状态控制系统总体设计 2 1 引言 在电火花线切割加工中，电极与工件必须保持一定的间隙。由于工件不断 被蚀除，电极也有一定损耗，间隙将不断加大。如果电极不及时进给补偿，放 电过程会因间隙过大而停止。反之，间隙过小又会引起拉弧烧伤或短路，这时 电极必须迅速离开工件，待短路消除后再重新调节到适宜的放电间隙。因为放 电间隙变化范围很小，维持适宜的放电间隙必须靠自动控制系统来完成【儿】。 在电火花加工设备中，自动控制系统占有很重要的位置，它的性能直接影 响加工稳定性和加工效果。优良的自动控制系统可以最大限度的发挥脉冲电源 和机床的功能，提高脉冲利用率，有效的防止拉弧烧伤，使电火花线切割加工 获得较好的工艺指标。 本文设计的线切割机间隙状态控制系统( 又可以称为自动进给调节系统) 的任务在于通过改变、调节进给速度，使进给速度接近并等于蚀除速度以维持 一定的“平均 放电间隙6 ，保证电火花加工正常而稳定的进行，获得较好的 加工效果。 2 2 间隙控制系统的功能 在设计线切割机间隙状态控制系统时，系统的功能能满足如下要求： ( 1 ) 有较高的速度调节范围。为适应各种加工情况，控制系统必须有较宽 的速度调节范围。 ( 2 ) 检测电路对间隙电压信号的采集要具有实耐性；同时系统可以根据不 同的加工条件提供不同的参考电压。 ( 3 ) 检测的电压信号要实时的通过模数转换，为后期的数据处理发出最初 的控制信号。 ( 4 ) 有较高的稳定性和抗干扰能力。在电火花加工中，系统不可避免的会 遇到各种干扰，为了保证加工质量，控制系统必须有较高的稳定性和抗干扰能 力。 1 3 第2 章电火花线切割机间隙状态控制系统总体设计 2 3 间隙状态检测方法的选择 因为在电火花线切割加工中，直接测量放电间隙s 及其变化是很困难且不 现实的。常用的方法都是采用测量与放电间隙成比例关系的电参数来直接反映 放电间隙的大小。测电压是比较实用的一种。当间隙较大、开路时，间隙电压 也较大或接近脉冲电源的峰值电压；当间隙为零、短路时，间隙电压为零。它 们之间虽不完全成线性正比的关系，但却有一定的相关性。 本课题对线切割放电间隙状态的检测采用间隙平均脉宽电压检测法，这种 检测方法原理简单且工作稳定可靠，其检测思想是：用平均值法检测出平均脉 宽电压后，记录刚检测到的平均脉宽电压信号，对后面的脉冲间隔信号不检测， 等到下一个脉宽到来时再接着检测平均脉宽电压。也就是说，将脉冲间隔电压 波形剔除在外，相当于将一系列脉宽电压波形连接起来，然后滤波取其平均值 作为检测出的电压信号。间隙平均脉宽电压检测法的电路原理图如图2 1 。 脉 冲 电 源 放电状态 比较电路 图2 1i 司隙平均脉宽电压检测法电路原理图 需要说明的是采样开关受与间隙脉冲同步的控制脉冲控制，只允许脉宽期 间的电压信号通过。通过的( 即被采样的) 脉宽电压信号，经r c 电路滤波后将 其平均值贮存在电容c 的两端，由于在脉冲间隔期间采样开关是断开的，电容c 的两端将一直保持这一电压数值。这样在电容c 两端的电压将始终反映一段时间 内的平均脉宽电压的大小，即实现了平均脉宽电压的检测。调节电阻r 或电容c 的大小可改变平均脉宽电压的取样长度( 时间常数) 。 2 4 系统的结构设计 2 4 1 系统硬件结构设计 本文设计的线切割机间隙状态控制系统的硬件部分主要包括间隙电压检 测、电压信号调理、电压信号比较器、a d 与d a 转换器、单片微机外围电路等。 在系统的设计中，要使硬件完成系统的要求，同时也要考虑有效解决不同信号 1 4 第2 章电火花线切割机间隙状态控制系统总体设计 之间的干扰问题，采取抗干扰措施，抑制干扰源，阻断干扰传输通道。由此本 控制系统的硬件结构框图如图2 2 所示。 图2 2 硬件系统结构框图 各种元器件的选择要能满足线切割机的加工性能，其中电压检测电路中模 拟开关的设计，其频率要与间隙脉冲保持同步。这样才能剔除脉间的干扰，输 出的脉宽信号更好地反映加工状态。在模数转换的设计上，并没有选取独立的 采样保持器，而是选用了自带采样保持器的芯片。这样可提高系统抗干扰能力， 简化硬件同时也提高了系统的速度和可靠性。 间隙电压的检测点并不在加工间隙附近的电极丝与工件之间，因此检测到 的即所讨论的间隙电压高于实际的间隙电压，所以在检测电路中，须考虑到这 一点，并作出一定的校正。因此检测电路并不是孤立存在的，它是控制电路的 一部分，设计时应兼顾后级电路，以提高整体性能。 为使系统具有较强的灵活性，硬件系统中的参考电压由系统机提供，这样 可以根据不同的加工条件提供不同的参考电压。 2 4 2 系统软件结构设计 本控制系统软件部分的功能比较单一。软件主要是单片微机程序的编程， 任务就是进行数据的接收、根据加工策略进行数据的处理、判断并输出相应的 控制指令。由于硬件还要通过i s a 插槽与系统机连接，为了能使本控制系统与 系统机很好的通讯，编写了基于w i n d o w s 2 0 0 0w d m 模型的驱动程序，这样才 1 5 第2 章电火花线切割机间隙状态控制系统总体设计 能更有效的利用系统机的资源。 此软件包括了系统的初始化及对采集的数据进行处理两个方面，分别在主 程序和定时器中断服务程序操作中进行。控制系统主程序框图如图2 3 所示。 图2 3 主程序框图 主程序结构就是首先程序初始化，初始化后并设置各个参数和电压给定值， 然后等待中断，在原地等待定时器中断响应，执行相应的中断服务程序。 软件的间隙状态控制，目前主要完成短路回退、开路进给和原位正常加工3 种操作。正常进给速度的选定关系到正常加工和生产效率的问题，通常的进给 速度应略低于工件蚀除速度( 工具电极相对也有蚀除) ，这样，加工状态容易保 持而不致产生异常放电，进给速度的快慢还应根据电极对材料的不同、电规准 的强弱、排屑条件的好坏以及机床机构的判别能力等因素来决定。 1 6 第3 章电火花线切割机间隙状态控制系统硬件设计 第3 章电火花线切割机间隙状态控制系统硬件设计 线切割机间隙状态控制系统的硬件设计主要完成对电极间隙电压信号的采 集，用采集的电压信号和设置的参考电压进行比较，把比较的结果送入单片机 进行处理，其处理过程是由系统的软件来完成的。 3 1 控制电路的模拟电源 在控制电路中所用到的信号不仅有数字量还有模拟量，而且所用到的电压 也包括了士1 5 v 在内，所以有必要使用电压转换电路。 为了得到电路中所需要的模拟电压+ 1 5 v ( 主要用于运放电路) 和+ 5 v ，还 有特殊需要的1 2 v 、1 0 v ，在电路中使用了l m 7 8 1 5 、l m 7 8 1 2 、l m 7 8 1 0 、l m 7 8 0 5 和l m 7 9 1 5 、l m 7 9 0 5 。它们都属于三端口电压调整器。 l m 7 8 x x 、l m 7 9 x x 系列是美国半导体公司的固定输出三端稳压器集成 电路。我国和世界各大集成电路生产商均有同类产品可供选用，是使用极为广 泛的一类串连集成稳压器。 l m 7 8 x x 系列的芯片，其管脚分布如下：1 - i n p u t ( 输入：正电压) ；2 - g r o u n d ( 接地) ；3 - o u t p u t ( 输出：正电压) 。它们具有如下特性：输出电流1 5 a 以 上；内置过热保护电路；无需外部元件；输出晶体管安全范围保护；内置短路 电流限制电路；可选用铝壳t o 3 封装、t o 2 2 0 塑料封装1 1 2 】。 v 缸 + 7 5 3 il l f f 7 8 r xv o u t = + s v v o u t g n d 图3 1l m 7 8 x x 系列三端稳压器典型电路 l m 7 9 x x 系列的芯片，其管脚分布如下：1 一g r o u n d ( 接地) ；2 - i n p u t ( 输 入：负电压) ；3 - o u t p u t ( 输出：负电压) 。它们具有如下特性：输出电流1 5 a 1 7 第3 章电火花线切割机间隙状态控制系统硬件设计 以上；内置过热保护电路；无需外部元件；输出晶体管安全范围保护；内置短 路电流限制电路；高纹波抑制比；同样有铝壳t o 3 封装、t o 2 2 0 塑料封装【1 2 】。 哪9 x x 图3 2l m 7 9 x x 系列三端稳压器典型电路 系统中控制电路模拟电源的发生电路如图3 3 所示。 图3 3 控制电路模拟电源发生 3 2 间隙平均脉宽电压检测电路的设计 3 2 1 采样开关的设计 在进行间隙平均脉宽电压检测电路的设计时，要用到采样开关。采样开关 受与间隙脉冲同步的控制脉冲控制，只允许脉宽期间的电压信号通过。本设计 中采样开关使用的是电子式模拟开关，其传输或切换的是模拟信号，要使开关 1 8 第3 章电火花线切割机间隙状态控制系统硬件设计 不失真地传输模拟信号，要求模拟开关具有高精度和高速度。 模拟开关是一种三稳态电路，它可以根据选通端的电平，决定输人端与输 出端的状态。当选通端处在选通状态时，输出端的状态取决于输人端的状态； 当选通端处于截止状态时，则不管输人端电平如何，输出端都呈高阻状态。模 拟开关在电子设备中主要起接通信号或断开信号的作用。由于模拟开关具有功 耗低、速度快、无机械触点、体积小和使用寿命长等特点，因而，在自动控制 系统和计算机中得到了广泛应用【1 3 】。 如图3 4 所示，模拟开关电路由两个或非门、两个场效应管及一个非门组成。 模拟开关的真值表见表3 1