电火花加工放电状态的混合控制

1、电加工与模具2010年第1期设计研究电火花加工放电状态的混合控制朱轩,韩福柱,周明2(1.清华大学精密仪器及机械学系,北京100084;2.北京建筑工程学院,北京100044)摘要:传统的成形加工时,态来设置。,通过用自适应控制,随深度增大控制抬刀高度,最后通。关键词:电火花加工;放电状态;混合控制;抬刀参数中图分类号:TG661文献标识码:A文章编号:1009-279X(2010)01-0025-04HybridControlofDischargingStateDuringEDMZhuXuan,HanFuzhu,ZhouMing(1.TsinghuaUniversity,Beijing100

2、084,China;2.BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture,Beijing100044,China)Abstract:TraditionalEDMadoptsunalteredprocessingparameterswhichleadtolowefficiencyofmanufacturing.Thereasonisthattheparametersaresetaccordingtothemachiningstateinfinaldepthofworkpiececonsideringthedifficultyofreleasin

3、gdebrisoffthegap.AnewEDMcontrolsys2temwhichdirectlyregulatestheelectrodedowntimeandjumpamounthasbeendevelopedinthisstudy.ThecontrolstrategyincludesbothadaptivecontrolofdowntimeandPIDcontrolofjumpamountrespectivelybasedonthedeleteriousdischargeratioandefficientdischargefrequency.Theex2perimentsindica

4、tedthatthecontrolsystemcanimproveEDMperformances.Keywords:EDM;dischargingstate;hybridcontrol;jumpingparameter电加工是一种加工速度较慢但加工精度高、适合于难加工材料和复杂零件加工的工艺方法1无明显提高。国外的K.P.Rajurkar4等曾对电加。因工过程建模,并对脉冲间隔进行带比例积分的自调节控制,效率和稳定性有所提高,但未能使用变截面的电极加工,且加工深度较浅。此,应用自动控制技术使电火花加工机床在保证加工质量的前提下,提高加工速度,缩短加工作业周期,一直是电加工领域关注的问题。目前国

5、内外电火花成形加工的控制技术中,自适应控制理论及模糊控制理论都得到了运用。赵万生、周明等人曾分别研究抬刀和放电时间对电火花加工稳定性的影响2,31混合控制总体方案本研究针对电火花成形机加工效率低的问题,提出了一种对抬刀高度和放电时间进行混合控制的方法。该方法利用自适应控制理论对机床的放电时间进行控制,并依据有效放电频率变化随深度增大控制抬刀高度,最后使用变截面锥形电极进行深度加工,验证了控制方法的可行性。图1为加工中的抬刀和放电时间的示意图。25,实现了系统长时间稳定加工,但加工速度均收稿日期:2009-11-05基金项目:国家自然科学基金资助项目(50575115)第一作者简介:朱轩,女,1

6、984年生,硕士研究生。© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 电加工与模具2010年第1期设计研究转换后,由PC机将数据传送给电火花成形机,对加工过程进行控制。根据式(1)、式(2),控制方案可具体由图3的控制框图来表示。图1加工中的抬刀和放电示意图图2为混合控制的原理总图。图3自适应控制放电时间框图2.2抬刀高度的控制方案图4是控制抬刀高度的框图。增大抬刀高度是改善放电间隙状态、提高稳定性和加工速度的有效图2混合控制原理总图手段。本研究通过电压电流信号

7、检测有效放电频率,根据有效放电频率的变化对抬刀高度进行实时控制,最终达到提高加工速度的目的。本研究中选取放电时间和抬刀高度两个加工参数进行控制,对原机床的开环系统进行改造,建立如图2所示的闭环控制系统。通过检测极间电压与电流波形的特点识别放电状态,利用极间放电状态作反馈信号对放电时间进行自适应控制,同时利用有效放电频率作反馈信号对抬刀高度进行PID的控制。通过对这两个参数的混合控制,可使加工过程在保持稳定的基础上达到较高的加工速度。图4控制抬刀高度框图2控制方案详述2.1放电时间的自适应控制方案3控制实验设计及结果分析图5为本研究搭建的实验平台。通过采集卡采集加工时的极间电压与电流,在PC上检

8、测其波形特点识别放电状态,利用极间放电状态作反馈信号对放电时间进行自适应控制。同时根据有效放电频率对抬刀高度进行控制,PC的控制结果通过网络实时地传送给机床。实验在MakinoEDGE3S火花机上进行。选用变截面锥形黄铜电极。图6是锥形电极尺寸示意图。电火花加工是一个具有干扰的非线性确定性过程,可由时变的线性过程来近似。自适应控制放电时间的控制策略是对加工系统的模型参数进行估计,并根据放电状态实时更替控制器的控制变量值,控制放电状态跟踪指定的参考值,从而达到稳定高效的目的。首先根据文献3确定自适应控制系统模型和干扰特性。A(q)y(t)=B(q)u(t)+C(q)e(t)(1)-1式中:q为后

9、向移位算子;A(q),B(q),C(q)均为多项式。然后,根据自调整控制器的准则设计控制器如下:u(t)=yr-y(t)qBFBF(2)式中:yr为指定的放电状态,G=C-A。经以上过滤、参数估计、控制器设计,得出控制量,经D/A26图5实验平台示意图© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 电加工与模具2010年第1期设计研究实验研究中主要考虑电加工稳定性和加工速度。加工效果图分上下两部分,上部代表加工稳定性,量化参数为有害放电比率;下部代表加工速度,量化

10、参数为每秒有效放电数;横轴代表加工时间。由图7和图8的对比可看到:通过自适应控图6锥形电极示意图3.1控制放电时间的实验设计及分析制放电时间,可减少加工中拉弧出现的几率,使电加工保持在有害放电比率更小的状态下进行,尤其是在加工深度较大时,;由有效放,自适应控制放。加工屑浓度,即加工状态。当放电状态有恶化趋势时,自适应控制系统迅速缩短放电时间以减小极间加工屑浓度,降低极间短路和搭桥的出现几率,恢复良好加工状态,从而控制放电时间可得到较稳定的加工;但自适应控制放电时间可使加工更快度过瞬态阶段,且在初始加工阶段获得略高的加工速度,但随着深度增大,有效放电数与传统加工相比提高不多,因此加工速度提高不够

11、明显。3.2抬刀高度控制的实验设计及分析电源参数和电极、工件材料设置见表1。表1控制放电时间的参数设置加工参数跟踪值yr(有害放电比率)s脉宽s脉间抬刀高度mm(mm跳动速度min-1)设置0.011.2500电极工件材料铜,锥形工具钢图7和图8分别是对放电时间进行自适应控制加工和传统加工的效果图。电源参数和电极、工件材料设置见表2。表2控制抬刀加工的参数设置加工参数s脉宽s脉间放电时间s(mm跳动速度min-1)设置120300.3500电极工件材料铜,锥形工具钢控制抬刀高度的加工结果见图9和图10。图9控制抬刀高度的效果27© 1994-2010 China Academic J

12、ournal Electronic Publishing House. All rights reserved. 电加工与模具2010年第1期设计研究图10控制抬刀高度与传统加工的比较由图8和图9的对比可看到:与传统加工相比,控制抬刀高度其稳定性没有显著提高,但由于控制抬刀高度低,节省了抬刀时间,电时间所占比例增大,高,10可看出,间比传统加工可缩短约35%。3.3混合控制的实验设计及结果分析对放电时间进行自适应控制并度过加工瞬态阶段之后,在继续自适应控制放电时间的同时,根据有效放电数的变化来实时控制抬刀高度。随着加工深度的增大,在当前的抬刀高度设置下,若自适应控制放电时间已不能有效调节加工状

13、态,改善极间加工屑浓度而导致有效放电数下降超过其允许值时,需要自动增大抬刀高度以迅速改善极间排屑状况。混合控制的电源参数、电极和工件材料设置见表3。表3混合控制加工的参数设置加工参数s脉宽脉间s(mm跳动速度min-1)4结论本文提出了对电火花加工放电时间和抬刀高度进行混合控制的方法,并通过锥形电极加工实验进行了验证,得出如下结论。(1)对放电时间进行自适应控制可获得最优的加工稳定性;但放电时间的增长并不能使加工速度大幅增大。(2)单独控制抬刀高度时,可大幅缩短加工时间,加工速度可提高约35%,但其加工稳定性没有显著提高。(3)混合控制放电时间和抬刀高度时,与传统加工相比,其稳定性和加工速度都

14、有很大程度上的提高。参考文献:1曹凤国.电火花加工技术M.北京:化学工业出版社,2005.2赵万生,刘晋春.抬刀对电火花加工稳定性的影响及其自适应设置12030500电极工件材料铜,锥形工具钢图11和图12是联合控制加工与传统加工的稳定性和加工速度的对比。一方面,由图8可见,随着加工深度的增大,传统加工的有害放电率波动较大,且加工过程中加工屑短路和搭桥较多,造成加工表面烧伤,在图中表现为有害放电频率的尖刺较多。而从图11中可看出,混合控制加工能使有害放电率保持在0.03以下,且有害放电频率尖刺大幅度减少,其加工稳定性大幅提高。另一方面,由于在加工过程中同时控制抬刀高度,减小了因抬刀而浪费的加工时间。由图12可看出,加工相同深度,联合控制加工所需的加工时间比传统加工可缩短约34%。28控制J.电加工与模具,1990(1):3-8.3周明,韩福柱.电火花加工自适应