（计算机应用技术专业论文）cnc电火花加工中脉冲电源控制系统的设计.pdf

桂林工学院硕士学位论文 摘要 c n c 电火花成型磨削装置是利用工作液中的两极间脉冲放电来蚀除导电材 料的特种加工装置。脉冲电源是磨削装置的一个重要组成部分，它的性能直接 影响到装置的加工品质。本课题来源于c n c 精密成型磨削装置数控系统研制( 桂 科攻0 3 3 0 0 5 1 2 ) ，旨在为系统设计配套使用的脉冲电源控制系统。 本文首先通过分析电火花成型磨削工作机理，总结加工规律，建立工艺规 则表；其次，给出脉冲电源控制系统总体设计方案，基于单片机和复杂可编程 逻辑器件构建控制系统硬件平台。用可编程逻辑器件来代替微处理器外围设备， 既简化电路设计、增强抗干扰性，又便于系统调试。同时系统还将脉冲发生器 等硬件通过v e r i l o gh d l 语言在可编程逻辑器件中实现而将控制算法等软件用 可编程逻辑器件这一硬件来实现，使系统体现出“硬件软化，软件硬化”这一 重要设计理念；再次，基于可编程逻辑器件完成脉冲电源模糊控制器的设计。 电火花成型磨削中脉冲电源的加工日j 隙电压值具有非线性、时滞性等特点，脉 冲电源控制器设计时运用模糊控制算法，取脉冲间隙电压值，经转换得出其电 压偏差和偏差率，经模糊化处理作为模糊控制器的两个输入量，然后根据控制 规则得出控制量，换算出脉冲间隔的调整量，得到加工间隙电压智能控制模型， 形成加工状态闭环控制，系统可根据反馈的加工间隙电压状态自动调节脉冲波 形。控制器根据模糊算法在可编程逻辑器件中形成电路，取代普遍使用的硬件 资源指令序列实现方法，在执行模糊推理时指令周期少，推理速度快，因此， 能获得比通用处理器硬件系统更高的性能，比运行在操作系统上的软件性能更 高，而且应用可编程逻辑器件实现的模糊控制器，可以很方便地修改输入输出 变量及模糊规则，使用灵活，不需要硬件的改动就可以应用在不同的电火花加 工场合；最后，通过仿真对系统的控制效果进行了测试。 本文设计的脉冲电源控制系统根据加工条件推荐加工参数，加工中脉冲 间隔时间自适应调整，改变常规简单的机械操作或p i d 控制来设定加工电流的 方法，这就减轻了操作人员的工作压力，同时也减少了一些不必要的电气故障， 有利于延长数控机床的使用寿命，使电火花加工过程简单而又精确，具有一定 的推广价值。 一 关键词：计算机数控；电火花加工：成型磨削：单片机；模糊控制； 复杂可编程逻辑器件：脉冲电源 桂林工学院硕士学位论文 a b s t r a c t c n ce l e c t r i cs p a r k l ed i s c h a r g em a c h i n i n gt o o li sas p e c i a lt y p eo fm a c h i n i n ge q u i p m e n t w h i c hc o r r o d e se l e c t d c i t ym a t e d a l sm a d eu s eo f 伽et w op o l e sp u l s ed i s c h a r g ei nw e 成l i q u i d n l ep u l s ep o w e rs u p p l yi sa ni m p o r t a n tp a r ti nt 0 0 1 a n di t sc a p a b i l i t yi m p a c t st h em a c h i n i n g q u a l i t yo ft o o ld i r e c t l y t h es u b j e c ti sr o o t e di nc n cp r e c i s em o l d i n ga n dm i l l i n ge q u i p m e n t n u m e d c a lc o n t r o ls y s t e md e v e l o p m e n t 佑u a n g x is c i e t m ea n dt e c h n o l o g yt a c k l ek e yp r o b l e m 0 3 3 0 0 5 一l z ) 1 1 l ep u r p o s ei st od e s i g ni m p u l s ep o w e rs u p p l yw h i c h m a t c h e st h es y s t e m f i r s t l y t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e sw e r kt h e e r yo fe l e c t r i cm a c h i n i n g , s u mu pr u l e so f m a c h i n i n ga n de s t a b l i s hr u l et a b l eo ft e c h n i q u e s s e c o n d l y , p r e s e n t sh o l i s t i ct h ep r o j e c to f d e s i g no ft h ep u l s ep o w e rs u p p l y b a s e do nm p ua n dc p l d ，h a r d w a r ed e s i g no ft h es y s t e mi s f o r m e d m i c r o p r o c e s s o rp e r i p h e r a le q u i p m e n ti sr e p l a c e db yc p l ds ot h a td e s i g no fc i r c u i ti s p r e d i g e s t e d ，t h ec a p a b i l i t yo f a n t i - j a m m i n gi sb u i l tu p ，a n dd e b u gi sa l s op r e d i g e s t e d m o r e o v e r , w a v e so c a ：u ri m p l e m e n ti sr e a l i z e di nc p l db yv e i l i n gh d li nt h i ss y s t e m c o n t r o la r i t h m e t i ci s r e a l i z e db yc p l d i te m b o d i m e n ta ni m p o r t a n td e s i g ni d e at h a ti sh a r d w a r ea c h i e v e db y s o f t w a r ea n ds o f t w a r ea c h i e v e db yh a r d w a r e t h i r d l y , t h ef u z z yc e n t r d e ro f p u l s ep o w e rs u p p l y i sb u s e do nc p l d b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fn o n l i n e a r i t ya n dt i m el a go fm a c h i n i n g c l e a r a n c ev o l t a g ei ne d m ，t h ep u l s ep o w e rs u p p l ya d o p t sf u z z yc o n t r o lt h e o r y c h o o s e m a c h i n i n gc l e a r a n c ev o l t a g ei nd e s i g n ，c o n v e r s ev o l t a g ew a r pa n dw a r pr a t ea n dd i s p o s ef u z z i l y s ot h a t f i n da d j u s t e dv a l u eo nt h eb a s i so ft w oi n p u t sb yw a yo ff u z z yc o n t r o l l e ra n dc e n t r e l v a l u eb a s e do nc e n t r e lr u l e s af u z z yc e n t r e im e d e io fm a c h i n i n gc l e a r a n c ev o l t a g ei sb u i l t , m a c h i n i n ge s t a t ec l o s e di o o pc e n t r e ii sf o r m e d a n di m p u l s ew a v ei ss e l f - r e g u l a t e db a s e do nt h e e s t a t eo ff e e d b a c km a c h i n i n gc l e a r a n c ev o l t a g e ，t h ew i d t ho fi m p u l s eo fp o w e rs u p p l ya n d i m p u l s ec l e a r a n c ec a nb cn u m e r i c a lc o n t r o lr e g u l a t e d b ya l t e r i n g t h em e t h o do fm a c h i n i n g c u r r e n te n a c t m e n tt h r o u g hr o u t i n ea n ds i m p l em a c h i n i n go p e r a t i o ni i 0 1 t e n sw o r ks t r e s so f o p e r a t o r , r e d u c e ss o m ee l e c t r i ct r o u b l eu n n e c e s s a r i l ya n dp r o l o n g st h et o o l sl i f e t h ef u z z y c o n t r o l l e ro fp u l s ep o w e rs u p p i vi sb a s e do nc p l d i tf o r m sc i r e u i to nt h eb a s i so ff u z z y a d t h m e t i cw h i c hw i l ib er e a l i z e d t h em e t h o do fr e p l a c i n gi n s t r u c t i o ns e q u e n c eo fh a r d w a r e r e s e u r c eu s e sf e wi n s t r u c t i o nc y c l ea n dh a sar a p i di l l a t i o ns p e e ds oi tc a no b t a i nh i g h e r c a p a b i l i t yt h a nc u r r e n c yp r o c e s s o rh a r d w a r es y s t e ma n dh i g h e rc a p a b i l i t yt h a ns o f t w a r er u n n i n g i no p e r a t i n gs y s t e m f u z z yc o n t r o l l e rw h i c hc p l da p p l i e di nc a r la m e n di n p u ta n do u t p u t v a i l a b l ea n df i i z z yr u l e se x p e d i e n t l y i tc a nb eu s e df r e ea n db ea p p l i e di nd i f f e r e n te d m o c c a s i o nw i t h o u ta l t e m t i o no fh a r d w a r e l a s t l y , i th a sb e e np r o v e db ye m u l a t o re x p e r i m e n tt h a t t h ec o n t r o l l e da f f e c to f t h es y s t e m t h ec o n t r o ls y s t e mo fp u l s ep o w e rs u p p l yt h a ti sd e s i g n e di nt h i sp a p e rc a l lr e c o m m e n d p a r a m e t e r sb a s eo nc o n d i t i o n so f m a c h i n i n g p u l s ei n t e r v a lc a ns e l f - r e g u l a t e dr e p l a c et h ep r o c e s s v o l t a i cb vc h a n g e st h er o u t i n es i m p l ea n dm e c h a n i c a lh a n d l eo rt h ep i dc o n 血 o ia r i t h t a c t i c s o o p e r a t o r ss t r e s si sl i g h t e n e da n dt h en e e d l e s se l e c t r i cf a u l ti sl e 骆e n e d t h en u m e r i c a lc e n t r e l t o o l su s e dl i f e - s p a l li se x t e n d e d t h eo p e r a t i o ni ss i m p l ea n dp r e c i s e 1 1 他s y s t e mj sw o r t h yo f g e n e r a l i z e d k e yw o r d s ：c n c ；e d m ；s h a p i n gw i t hg r i n d ；m p u ；c p l d ；f u z z yc o n t r o l ；p u l s ep o w e rs u p p l y 桂林工学院硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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，也不包含为获得桂林工学院或其它教育机 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 献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 ，f 签名：硷4 塾日期：趔i ：z jp 关于论文使用授权的说明 本人完全了解桂林工学院有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 签名：垒照导师签名： 日期： 桂林工学院硕士学位论文 1 1 课题的来源 第一章绪论 本课题来源于广西科技攻关项目c n c 精密成型磨削装置数控系统研制 ( 桂科攻0 3 3 0 0 5 1 2 ) 。 c n c 精密成型磨削装置数控系统研制涉及的技术范围有：计算机数控技术、 电火花加工技术、电力电子技术、自动化检测、成型磨削工艺技术。主要工作 是充分利用电火花加工技术和计算机数控技术的优点，再结合传统的成型磨削 的特点，设计适合电火花成型磨削的c n c 系统，本课题针对应用于c n c 精密成 型磨削装置数控系统中的脉冲电源控制系统进行研究。 1 2 课题的研究背景 电火花加工( 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 ，英文简称e d m ) 是诞生 于2 0 世纪4 0 年代的一种利用电能和热能去除金属材料的精加工方法”1 1 。其基 本原理是：电火花加工时，工具电极接电源一端，工件电极接脉冲电源另一端， 两极间充满液体介质，放电间隙自动控制系统控制工具电极向工件移动，当两 极间达到一定距离时，极白j 的放电介质被击穿，产生电火花放电，瞬时形成放 电回路，很大的电流密度产生大量的热，使工件和工具电极局部产生融化和气 化，重复放电就达到了工件余量去除的目的，以满足对金属零件的尺寸、形状 及表面质量预加工的要求。 电火花加工机床自2 0 世纪5 0 年代在中国诞生以来，走过了漫长而快速的 发展道路“1 ，技术日益先进，应用越来越广泛。5 0 年代后期，电火花加工工艺 开始在模具制造中被应用。从6 0 年代初开始，两种电火花加工机床( 电火花成 形机床和电火花线切割机床) 在模具制造中的应用不断发展，促进了模具制造 技术的提高和模具工业的发展。 随着自动化技术、计算机技术、现代电子与信息技术的发展，计算机数控 桂林工学院硕士学位论文 技术在传统的机床控制中得以成功应用，实践证明它给传统的机械制造带来了 革命性的发展，使得机床的性能有了质的提高。通过计算机数控技术的应用， 可加工出原来无法加工的高复杂、高精度性零件，同时降低了机床的操作难度， 减轻了工人的劳动强度，提高了效率。 成型磨削技术是一项传统的精密成型加工技术。1 ，它是利用磨削方法对除 表面、内外圆以外的成型工件进行磨削加工，它可以利用磨轮与工件间的复杂 的相对运动来完成，也可以通过预成型的磨轮与工件间相对简单的运动，将磨 轮的形状和精度按要求的方式复制到工件上，但对超硬、特软、薄壳类、易碎 易变形类、细长型零件的磨削加工比较困难。电火花加工是利用两极间的火花 放电来蚀除被加工材料没有普通磨削加工那样明显的切削力作用，因此对普 通磨削难以加工的零件与材料的磨削加工具有优势。 电火花成型磨削是成型磨削技术与电火花加工技术的结合，通常它利用预 成型的工具电板磨轮再配合工具电极与工件间的相对运动来完成对工件的成型 磨削，主要适用于对超硬、特软材料成型磨削加工，以及薄壳类、易碎易变形 类零件的成型磨削加工。充分利用电火花加工技术和计算机数控技术的优点， 再结合传统的成型磨削的特点，无疑为解决常规方法难以解决的特殊材料、特 殊零件的成型磨削难题，提供了一种新的可行的方法。 c n c 电火花成型磨削装置中脉冲放电主要由其脉冲电源工作产生，脉冲电 源是电火花加工机床的重要组成部分，也是决定机床性能的一个重要性能指标 ”，是影响磨削工艺效果的重要因素之一，在加工过程中脉冲电源的性能直接 影响电火花成型磨削的加工效果和效率。成型磨削装置需要脉冲电源提供稳定、 高效的脉冲电流。超硬、特软等特殊材料的成型加工，给成型磨削技术提出了 新的要求，同时也给脉冲电源提出了新的要求。 本课题的研究成功，将为c n c 精密成型磨削装置提供稳定高效的电源，这 必将为特殊材料、特殊零件的精密成型加工提供一种更有效、更经济的方法， 不仅会带来直接的经济效益，也会推动相关产业的向前发展。 1 3 国内外研究现状及发展 桂林工学院硕士学位论文 为满足电火花加工的工艺要求，电火花加工脉冲电源不断发展。而脉冲电 源的发展其目的是改善工艺效果、减轻操作者的劳动强度及操作的复杂性。电 火花加工脉冲电源的发展历程“1 ：在主回路基本形式上，从晟初的不可控的r c 或者r l c 非独立式脉冲电源发展到直流电源、功率开关管、限流电阻、加工间 隙相串连的可与加工间隙之间进行导通控制的独立式脉冲电源，再发展到目前 的高效节能型脉冲电源；从电流开环控制式到电流闭环控制式的根本转变，大 幅度提高了脉冲电源的电能利用率，大幅度的降低了电源的重量、体积和成本， 在设计思想和经济效益上都是一个极大的飞跃，使多方面电火花成型磨削加工 性能取得了长足的进步。 由于新颖多样的主电路、高效快速的功率开关管、监控功能完备的专用集 成芯片等构建的新型结构脉冲电源相继研究成功并得到使用，脉冲电源性能的 提高和功能拓展，不仅显著提高了电火花加工的多项性能指标，在某些应用上 甚至提高了传统电火花加工工艺，而且一些新型的电火花加工工艺得到应用， 新型材料的电火花加工工艺方法得到确定。 对脉冲电源控制系统进行研究发现，由于电火花成型磨削加工机理非常复 杂，要建立一个严格的数学模型十分困难，虽然不同的学者从各自的角度提出 了不同的模型，但大多与实际相差甚远，故应用传统经典控制方法，如p i d 控 制，很难达到良好的控制效果。因此，现代控制理论中的自适应控制技术被应 用到电火花加工过程中，国内外专家学者在这方面做了广泛的探索研究各种 自适应控制方法的不同之处在于控制参数及评价标准的选择，监控参数有：伺 服参考电压、脉冲电源参数、抬刀周期、高频信号、脉冲上升沿、击穿延时、 火花放电、脉冲下降沿的时间占有率等。电火花加工过程自适应控制的目标是 在满足表面粗糙度、电极损耗及加工稳定性要求的前提下提高蚀除速度，使生 产率尽量提高。然而，电火花成型磨削加工过程中需要优化的参数很多，而且 各种参数之间是相互耦合的，这就需要我们从电火花成型磨削的加工机理分析 加工参数和加工效果之间的关系，运用自适应控制方法努力实现真正意义上的 最优控制效果。 传统的脉冲电源多为等频或等能量的矩形和分组脉冲信号，放电信号不随 放电加工中的间隙状态而自适应变化，加工效果不能保证，在c n c 电火花成型 桂林工学院硕士学位论文 磨削加工机床工作时，操作人员工作繁杂工作量大，且必须很熟悉加工过程、 加工工艺等，判定自j 隙电压等加工状态，手工机械式操控加工机床，这就对操 作人员要求高，而且会因为频繁的机械操作使机器寿命降低。因此研制智能化 脉冲电源的意义重大。 通过查阅资料发现，文献 1 对电火花加工的理论基础进行了详细的介绍， 包括单脉冲放电情况下脉冲参数与放电坑的几何参数的关系描述，实现高效低 损耗加工的可能途径等，但对于实际电火花加工的过程及在电火花成型磨削中 的特殊应用未作介绍；文献 5 对电火花技术在成型磨削加工中的应用进行了介 绍，并给出了在特定工件材料的成型磨削加工时，脉冲电源参数与加工效率之 间的关系的实验结果，但未介绍有关脉冲电源控制特别是智能控制方面的有关 情况；文献 6 、2 6 、2 8 、2 9 、3 2 、3 3 、3 6 、3 8 、4 8 等对电火花加工中脉冲电源 的一般使用情况进行了介绍；文献 3 4 、3 7 对模糊控制技术在电火花加工中的 应用进行了介绍，但却未涉及电火花磨削加工特别是电火花成型磨削加工中脉 冲电源参数与加工效率、表面粗糙度、工具电极损耗的相关研究，也未给出实 现电火花成型磨削用脉冲电源智能控制的具体实现方法。因此，研制智能成型 磨削脉冲电源就需作进一步的研究本课题的研究目的，就是在以上文献和电 火花成型磨削工艺实验的基础上，研制满足电火花成型磨削工艺要求的脉冲电 源智能控制系统。 研制智能化的脉冲电源，开发电火花加工的工艺数据库，使其具有自动选 取最佳脉冲参数的能力，对电加工行业的资源进行整理并实现共享，在加工过 程中对自动调整加工参数，大大提高机床的自动化程度，能减少加工过程中的 人为因素对加工零件质量的影响，使得非熟练操作者也能取得熟练操作者的加 工效果。智能脉冲电源由于在加工过程中实现了计算机控制，利用计算机技术 对控制系统实施优化，建立了综合参数自适应控制装置和知识库等，大大提高 了生产率和加工精度。因此，实现电火花加工的数控化智能化已是必然的趋势。 1 4 论文的主要内容及组织结构 充分利用电火花成型磨削技术和计算机数控技术，在结合传统的成型磨削 4 桂林工学院硕士学位论文 工艺基础上，选用相应的硬件及合适的智能控制算法，设计完成c n c 电火花成 型磨削的脉冲电源控制系统。本文研究的内容和重点是： 1 研究脉冲放电过程及其机理，结合实际的成型磨削工艺数据，建立一个 电火花成型磨削工艺数据库。根据成型磨削特点设计脉冲电源硬件电路，基于 单片机和c p l d 来设计主电路，把控制电路和脉冲产生电路以及间隙电压检测等 相关电路集成在一个控制板上，压缩整个电源的大小、重量，使之简单又高效， 做到微型化、模块化，易于封装和应用； 2 在电压闭环控制环节引用模糊控制的知识来实现对加工状态的判别及 控制，并采用软件硬化的设计思路，用硬件描述语言把模糊控制算法在c p l d 中 固化，使其能够根据工艺数据库自动实时修整脉冲间隔时间，且控制响应速度 快，真正具有智能化的特征。 。 本课题来源于c n c 精密成型磨削装置数控系统，整个数控系统由课题小组 承担，共同完成，本论文的组织结构为： 第一章主要介绍课题的来源、课题的研究背景、国内外研究现状及发展， 论文的主要内容及组织结构。 第二章脉冲电源控制系统总体设计方案，对c n c 电火花加工中放电过程进 行相关研究，根据脉冲电源系统设计要求、系统设计思路及方法，提出脉冲电 源控制系统的设计方案。 第三章成型磨削脉冲电源控制系统的硬件设计，文中给出该脉冲电源系 统硬件平台的概述，介绍了系统中所选用的主要器件及其功能，并从主控电路、 脉冲产生电路、间隙电压检测电路、模数转换电路、通讯电路等多个部分具体 描述了该系统硬件电路的设计。 第四章脉冲电源模糊控制器的设计，分析了脉冲电源加工状态及其加工参 数的特点，介绍所选的控制算法，给出设计方案，基于c p l d 设计模糊控制器， 详细描述其中各功能模块的设计，并通过仿真证明模糊控制器满足设计要求。 第五章总结全文，归纳出本课题的创新点，提出今后工作的展望。 桂林工学院硕士学位论文 第二章脉冲电源控制系统总体设计方案 电火花成型磨削加工过程中，加工参数很多。本文对脉冲放电过程进行研 究分析，总结脉冲参数对加工效果的影响以及成型磨削的工艺规律，得到合适 的被控参数，选择模糊控制，设计脉冲电源控制系统。 2 1 脉冲放电过程 电火花加工是基于电火花腐蚀原理，这脉冲性火花放电将金属的蚀除过 程大致分为以下几个阶段“1 ： ( 1 ) 极间介质的电离、击穿，形成放电通道 放电通道是有大量带正电和负电的粒子以及中性粒子组成，带电粒子高速 运动，相互碰撞，产生大量热能，使通道温度升高，通道中心温度可达到1 0 0 0 0 摄氏度以上。由于放电开始阶段通道截面很小，而通道内有高温热膨胀形成的 压力高达几万帕，高温高压的放电通道急速扩展，产生一个强烈的冲击波向四 周传播。在放电的同时还伴随着光效应和声效应，这就形成了肉眼所能看到的 电火花。 ( 2 ) 电极材料的融化，汽化热膨胀 液体介质被电离、击穿，形成放电通道后，通道间带负电的粒子奔向正极， 带正电的粒子奔向负极，粒子问相互撞击，产生大量的热能，使通道瞬间达到 很高的温度。通道高温首先使工作液汽化，进而气化，然后高温向四周扩散， 使两电极表面的金属材料开始融化直至沸腾气化。气化后的工作液和金属蒸汽 瞬间体积猛增，形成了爆炸的特性。所以在观察电火花加工时，可以看到工件 与工具电极间有冒烟现象并听到轻微的爆炸声。 ( 3 ) 电极材料的抛出 正负电极间产生的电火花现象，使放电通道产生高温高压。通道中心的压 力最高，工作液和金属汽化后不断向外膨胀，形成内外瞬间压力差，高压力处 的熔融金属液体和蒸汽被排挤，抛出放电通道，大部分被抛入到工作液中。加 6 桂林工学院硕士学位论文 工中看到的桔红色火花就是被抛出的高温金属熔滴和碎屑。 ( 4 ) 极间介质的消电离 在电火花放电加工过程中产生的电蚀产物如果来不及排除和扩散，那么产 生的热量将不能及时传出，使该处介质局部过热，局部过热的工作液高温分解、 结碳，使加工无法进行，并烧坏电极。因此为了保证电火花加工过程的正常进 行，在两次放电之间必须有足够的时间间隔让电蚀产物充分排除，恢复放电通 道的绝缘性，使工作液介质消电离。 电火花成型磨削设备结构如图2 1 所示： 成型修整刀 “一一j u 一：j i 电极 向进给 图2 i屯火花成型磨削设备结构示意图 实际上，电火花成型磨削加工过程远比上述复杂，它是电力、磁力、热力、 流体动力、电化学和胶体化学等综合作用的过程。到目前为止，人们对电火花 加工过程的了解还十分有限，这还需要一个进一步的研究过程。下文就磨削过 程中脉冲参数对加工的影响进行研究分析。 2 i 1 脉冲参数对加工效果的影响分析 桂林工学院硕士学位论文 2 i 1 i 加工效率 电火花成型磨削过程实际上是多个单脉冲放电的积累过程，加工时间内总 的蚀除量约等于此时间内单个有效脉冲蚀除量的总和。每次脉冲放电在工件及 电极表面都将产生一个放电蚀除凹坑( 少数情况下单次放电也会出现多个放电 蚀坑的情况) ，从而使得加工后的工件与电极表面由无数个大小不等的凹坑所组 成，而每个凹坑的大小与产生此凹坑时的单脉冲的放电能量大小有关，单脉冲 能量不仅与加工后加工表面质量有关，也与放电蚀除量，即加工效率有关。 从微观上看，单个脉冲放电的工件蚀除量为q 。： ，r q ，= k 。+ k ( ，) + f 。( r ) 加 2 - l 6 从宏观上看，某段时问内的工件总蚀除量q 。约等于此段时间内单个有效 脉冲蚀除量的总和，即： q 。= q 。+ 厂+ 伊， 2 2 式中：q 。一一单脉冲工件蚀除量； q 。一一一段时日j 工件总蚀除量； k 一一与电极材料、脉冲参数、工作液等有关的工艺参数； 一一放电电压； t 一一放电电流； 厂一一脉冲频率； l ，一加工时间； 一一有效脉冲利用率。 通过以上理论分析及实际的磨削工艺数据分析，可以看出在电火花成型磨 削加工中，脉冲电源对加工效率有以下影响： ( 1 ) 在稳定加工的条件下，脉冲峰值电流越大，加工效率越高： ( 2 ) 在稳定加工的条件下，脉冲持续的时间越长，加工效率越高； ( 3 ) 有效脉冲利用率越高，生产效率越高； ( 4 ) 脉冲持续时间一定的前提下，单位时间脉冲数量越多，生产效率越高。 2 桂林工学院硕士学位论文 2 1 1 2 表面粗糙度 电火花成型磨削工件表面由无数无方向的电蚀小凹坑及凸边所组成，无方 向性。在脉冲放电过程中，放电凹坑的直径、体积、加工深度等都- 与：j n - r 峰值 电流、脉冲放电持续时间有关“1 ，其中： d = o 1 5 1 1 , , o4 、o 4 2 - 3 上j 一一放电凹坑的直径( 1 a i n ) ： h d = 1 5 l 1 0 2 - 4 h 一凹坑深度； 同时d 还与材料有关： d = k d + ( p c + 乙2 盯2 ) 0 3 。 2 - 5 放电凹坑的体积v ： y p = w ；= k g f ? 1 ：1 2 - 6 推导出： v = ( 女。+ f i “l m ) 4 ) p 2 - 7 工件的表面粗糙度通常用微观不平度的平均算术偏差凡或不平度的最大 高度值凡，表示。单脉冲能量对表面租糙度影响较大，单脉冲放电能量直接形成 单个放电凹坑，当单脉冲放电能量大时，其脉冲放电的蚀除量也大，放电凹坑 既大又深，使表面粗糙度恶化。 表面粗糙度与脉冲能量之间的关系，可用如下经验公式表示： 加工深度： r 。= k r t y 1 0 “ h = ( 0 6 7 - 0 9 2 ) ( k g x + p ) 0 3 t t 。3 + ，o 。7 k g 圭3 7 4 + 1 0 4 9 l s a 式中：i m 一一峰值电流： ，i 一脉冲宽度； p 一材料密度( g c m ) ； 9 2 一1 0 2 - 1 l 2 一1 2 桂林工学院硕士学位论文 b 一一系数 粗加工：i c a = 6 3 1 0 。： 精加工：k d = 3 ，3 1 0 9 ： c 一一一比热【j ( g 丰k ) ； l 一一一骞点( k ) ； 叮一电导率( s m ) ： f 一电流宽度即放电持续时间： 足。一一与加工条件相关的常数。 深度一度被认为是电火花加工的表面粗糙度。从以上公式中可知，成型 磨削的加工精度即表面粗糙度与脉冲放电的脉冲宽度、电流宽度、峰值电流、 加工材料等因素相关。脉冲电源对加工工件表面粗糙度的影响有： ( 1 ) 放电电流宽度越大，表面越粗糙： ( 2 ) 峰值电流越大，表面越粗糙； ( 3 ) 脉冲间隔时间不影响表面粗糙度。 2 1 1 3 极性效应 在电火花加工过程中，无论是正极还是负极，都会受到不同程度的电蚀。 即使是相同材料，例如钢加工钢，正、负电极的电蚀量也是不同的。这种单纯 由于正、负极性的不同而彼此电蚀量不一样的现象叫做极性效应。 极性效应是一个较为复杂的问题，除了脉宽、脉问的影响外，还有脉冲峰 值电流、放电电压、工作液以及电极对材料等都会影响到极性效应。当采用窄 脉冲( t k 8 0 p s ) 粗加工 时，应采用负极性加工，这样可以得到较高的蚀除速度和较低的电极损耗。从 提高加工生产率和减少工具损耗的角度来看，极性效应越显著越好，故在电火 花加工过程中必须充分加以利用。当用交变的脉冲电流加工时，单个脉冲的极 性效应便相互抵消，增加了工具的损耗。因此，电火花加工一般都采用单向脉 冲电源。为了充分的利用极性效应，最大限度地降低工具电极的损耗，根据电 极对材料的物理性能、加工要求选用最佳的电参数，正确的选用极性，使工件 1 0 桂林工学院硕士学位论文 的蚀除速度最高，工具损耗尽可能小 以上分析可知，脉冲电源对电极损耗的影响有： ( 1 ) 压缩脉宽，增大电流，可以使极间效应增强； ( 2 ) 采用单向脉冲，针对不同加工环境和加工材料，利用极间效应，减少 对电极的损耗。 通过上述研究可知，脉冲电源的性能如脉冲宽度、脉冲间隔等直接影响电 火花成型磨削系统的加工效率、加工精度、电极损耗等方面。要提高电火花成 型磨削装置的加工性能，必须研制符合加工要求的脉冲电源。脉冲电源的控制 应满足： ( 1 ) 由加工时效率、粗糙度等工艺要求，确定峰值电流和脉冲宽度： ( 2 ) 在此基础上，尽量提高有效脉冲利用率，以获得较高的生产效率； ( 3 ) 在使有效脉冲利用率较高的条件下，增加单位时间内的放电次数，也 就是缩短脉冲间隔时间，在不影响表面粗糙度的基础上，可以提高效率。 2 1 2 电火花磨削的工艺规律和工艺规则 在成型磨削装置上针对不同加工情况进行多次磨削实验，得到大量电火花 成型磨削工艺数据。以往的实验结果显示，磨削硬质合金( y g l 5 ) 时，在磨削 深度为o 7 m m 、工作电压为l o o v 、脉冲宽度为1 2 1 s 时，生产效率为3 5 5 m m i n ， 最大生产效率可达6 0m 1 3 m i n 。微精磨削生产效率为4 5 唧3 m i n ，最高粗糙 度为v 8 。磨削钢结硬质合金( w g 5 0 ) 时，在磨削深度为0 4 m m 、工作电压为 l o o v 、脉冲宽度为3 0 9 s 3 6 0 i m 时，生产效率为7 1 册3 m i n ，最大生产效率可 达1 0 0m m 3 m i n ，微精度磨削生产率为5 3m m 3 m i n ，最高粗糙度为v 8 ，磨削 模具最大生产效率可达2 5 0 唧3 m i n 。 分析总结磨削工艺数据，可得下列磨削工艺规律：随着脉冲宽度和峰值电 流的增加，磨削生产效率亦增加，租糙度度却随着脉冲宽度、峰值电流的增加 而下降。磨削深度、工件面积和材料硬度的不同，磨削生产效率亦不同。详细 工艺规律曲线见附录1 。根据工艺试验的数据，建立供磨削硬质合金1 p 1 5 、 钢结硬质合金l i o - 5 0 材料的工件时选用的工艺规则表，见表2 1 和表2 2 所示 桂林工学院硕士学位论文 表2 1 磨削硬质合金( y g 1 5 ) 规则表 ( 介质液为煤油) 二 电压深度电流 山忡m 孙h 。 ( v )( m ) ( a ) ( r m 3 m i n )( v )( ps ) ( ps ) 15 00 0 24 8 ( v ) 4 5 v 8 0 51 2 26 0 0 0 5 以下 7 2 ( i v )3 v 74 1 2 38 00 29 6 ( 1 v )6 2v 7 41 2 46 0 0 0 5 以f 2 1 6 ( i i )5 3 v 6 61 2 58 00 31 9 2 ( i i i )1 4 8 v 6 63 0 61 0 00 4 3 6 ( i i )1 0 6v6下4 1 2 71 0 00 4 4 8 ( i ) 。 2 1 3 审5 上61 2 8 1 0 0 0 7 4 8 ( i )3 5 5 v 5 ，1 22 0 91 0 00 7 4 8 ( i )3 0 4v 4 2 0 3 0 l o8 00 4 3 8 4 ( i )3 0 4v 4 6 56 5 表2 2 磨削钢结硬质合金( w g - 5 0 ) 规则表 ( 介质液为煤油) 尝吾墨塞竺警纂 生产率 粗糙度脉宽 脉问 号电压深度电流 1 川皑偶忡m 孙h ( v ) ( m m )( ) ( i n n l r u i n )( v )( us ) ( us ) 15 0 0 0 24 8 ( v ) 4 5 v 80 5 1 2 28 00 42 88 ( i i ) 1 7口7 4l z 36 0 0 0 5 以下1 4 4 ( i i i )1 3 3 审7 下61 2 46 0 0 0 5 以下1 4 4 ( i i i )1 3 3v 7 下 62 0 58 00 4 2 8 8 ( i i )3 2v 5 上 2 03 0 6 1 0 0 0 4 4 8 ( i )3 5 5v 5 上 1 26 5 71 0 00 43 6 ( i ) 4 1 5 v 42 0 6 5 88 00 42 8 8 ( i i ) , 1 5 v 43 0 6 5 91 0 00 448(i)45 v 31 2 0 2 0 0 在进行材料) j n - r 时，可依据表内所列工艺规则加以适当选择。磨削一般模 具钢或其他合金钢制作的零件，其磨削工艺规范也可参考上述列表数据。根据 总结的电火花成型磨削加工规律，在表2 1 和表2 2 工艺规则表的基础上，结 1 2 桂林工学院硕士学位论文 合其他加工材料、加工情况建立符合不同加工要求的规则表作为电火花成型磨 削工艺数据库，存放到下文设计的智能脉冲电源模糊控制器的知识库中。智能 脉冲电源可以根据知识库中的规则针对不同加工要求推荐一组加工参数，用户 只要输入加工材料、磨削深度、加工精度就可以得到包括脉冲宽度、脉冲间隔 等参数，通过通讯接口传送到上位机人机交互界面供操作人员参考和使用，这 就降低了对操作人员加工熟练程度的要求。 2 2 设计任务 为了满足项目中电火花设备适应不同加工材料对放电脉冲的要求，从课题 研究背景和可行性出发，考虑多方面因素，该脉冲电源控制系统的参数如下： a ：粗中加工电源： 空载电压：1 0 0 v d c ，脉冲波形：方波； 峰值电流： o o a 程控可调： 脉冲宽度：1 0 微妙2 0 0 0 微妙程控可调； 脉冲间隔：5 0 微妙i 0 0 0 微妙程控可调。 b ：精加工电源： 空载电压：5 0 v 1 0 0 v d c 依工艺试验最后确定，脉冲波形：方波； 峰值电流：2 0 a 程控可调： 脉冲宽度：2 微妙1 0 0 微妙程控可调： 脉冲间隔：1 微妙2 0 0 微妙程控可调。 该脉冲电源系统的主要性能： ( 1 ) 依据文献 1 中效率、表面租糙度、电极低损耗条件的经验公式及电 火花成型磨削加工工艺实验的依据，并根据要求的加工工艺指标，建立一个电 火花成型磨削脉冲电源参数知识库，在磨削装置加工时，智能电源系统能够根 据加工工艺要求提供一组推荐脉冲参数，操作者在该推荐参数指导下对加工参 数进行设置，或直接使用该推荐参数进行加工操作。 ( 2 ) 通过对放电状态的实时检测，自动调整脉冲电源的参数，在不影响 加工工艺指标的条件下，提高电火花加工的生产效率。 桂林工学院硕士学位论文 2 3 系统设计思路及方法 本课题设计研制应用于电火花成型磨削c n c 控制系统中的智能化脉冲电源 控制系统，其原理框图如图2 2 所示。 复位模块 篁型垡壅j 省譬癌譬c ：、，? ? 模糊控制i i n 妊1 t 一 知库i 微处理器 、 模糊控制器 面赫i - 赢茁一：哼奄髑堑监 上在机 图2 2 脉冲电源原理框图 使用嵌入式微处理器和可编程逻辑器件等元件分模块设计脉冲电源系统。 由微处理器及复杂可编程逻辑器件c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c e ) 构成嵌入式主控制器；主控制器通过通讯接口控制与管理脉冲电源。 c p l d 集成外围电路，增强系统抗干扰性，提高控制精度，也简化系统调试。在 系统控制部分，采用电压闭环控制方法。脉冲电源模块与c n c 系统模块安装于 同一个控制柜内，构成一台完整的c n c 电火花成型磨削控制系统。可以方便修 改、增加系统功能和脉冲电源的功率，以适应系列电火花加工设备的要求。如 上所述，所设计的脉冲电源系统包括两部分：其一是脉冲电源主控的硬件电路， 其二是脉冲电源的模糊控制系统。根据设计要求该脉冲电源可以产生数控可调 的高低压放电脉冲：峰值电流数控可调；脉宽、脉问微秒级数控可调：完成间 隙状态检测等功能。电火花脉冲放电形式、脉冲参数等数据在加工之前预先计 算好并由上位机通过串行数据通信的方式存放到寄存器中；在设计电源过程中， 采用了模块化处理，加强抗干扰性与可靠性处理。电路