回转式电火花展成加工控制技术的研究毕业论文

1、广东工业大学工学硕士学位论文回转式电火花展成加工控制技术的研究梁小流二00六年五月二十一日71 / 88分类号：学校代号： 11911 U D C：密级：学号：2240301009广东工业大学学位论文回转式电火花展成加工控制技术的研究梁小流指导老师：叶树林 教授 科学技术学院昕 教授 广东工业大学机电工程学院学科门类：工学 专业名称：机械制造与其自动化 申请学位级别： 硕士 论文完成日期： 二00六年五月 论文答辩日期： 二00六年五月 学位授予单位： 广东工业大学 Class Index: University Number: 11911UDC: Secret Class: Student

2、Number: 2240301009Thesis for MasterDegreeGuangdongUniversity of TechnologySTUDY ON THE CONTROL TECHNOLOGY OF REVOLVING ELECTRIC DISCHARGE GENERATING MACHININGLiang XiaoliuSupervisor : Prof. Ye Shulin, Prof. Wei XinCourse : EngineeringSpecialty: Mechanical Manufacturing and AutomationDegree Class of

3、Application: Master in EngineeringSubmission Date: May, 2006Answer Date: May, 2006Degree Conferrer: GuangdongUniversity of technology摘要回转式电火花展成加工是一种以双轴回转运动为特征的新型电火花加工技术，本文针对目前回转式电火花展成加工控制技术的水平较低、缺乏通用性等特点，开展了回转式电火花展成加工控制技术的研究，开发出了一种通用性能较强的回转式电火花展成加工控制系统。本课题的研究对提高回转式电火花展成加工的性能和丰富其控制理论都具有较大的现实意义。本文首先根据

4、回转式电火花展成加工的原理，对各回转轴的驱动方案进行了研究，并通过转速检测实验的验证，确定了选用步进电机作为各回转轴的驱动元件并采用细分驱动技术驱动；同时结合对实际加工中成形运动控制的分析，提出了采用3B代码编程，利用逐点比较法插补原理的成形运动控制技术。在此基础上，采用上位PC机加下位单片机控制模块的主从式两级控制结构，设计了回转式电火花展成加工的控制系统。为了有效地实现对回转式电火花展成加工的伺服控制，通过对回转式电火花展成加工的伺服特点与伺服策略的研究，提出了采用时间累积法对放电间隙状态进行检测，并设计了放电间隙状态检测电路。在此基础上，采用控制周期总体间隙状况和局部短路的伺服控制策略，

5、建立了基于模糊控制技术的回转式电火花展成加工伺服进给控制系统。此外，为了使控制系统能有效地工作，采用模块化的设计方法，分别进行了上位PC机和下位机软件（即单片机控制程序）的设计；并按符合RS232标准的串行异步通讯，制定了上位PC机与下位机之间通讯的通讯协议。其中上位PC机软件采用Visual Basic 6.0设计，而下位机软件则采用汇编语言设计。最后，采用本文研制的回转式电火花展成加工装置和控制系统，进行了控制系统的性能实验研究和典型零件的加工实验研究。研究结果表明，本文设计的控制系统能精确有效地实现对回转式电火花展成加工过程的控制，而且具有较强的通用性。关键词：电火花加工，回转，展成加工

6、，伺服控制，模糊控制ABSTRACTRevolving Electric Discharge Generating machining (REDGM) is a new-style technology of EDM, and its characteristic is revolving of double axes. Aiming at that actual control technology of REDGM is low-level and not all-purpose, the control technology of REDGM was studied and a univ

7、ersal control system of REDGM was developed in this dissertation, and this study would be of momentous current significance for raising performance and developing control theory of REDGM.At first, basing on the machining principle of REDGM, driving project of axes was analyzed, and through detecting

8、 actual rotate speed, it was fixed on that stepping motor, which divided driving, was chosen as drivers to drive axes. Through analyzing control of the shaped movements in processing, the control technology of the shaped movements, which adopted point-by-point interpolation via 3B code, was introduc

9、ed. And basing on these, the control-system, which included upper PC and base singlechip control-module, was designed.In order to servo control REDGM validly, basing on the servo characteristic of REDGM and its servo method, the technique in which time was cumulated was used to detect gap discharge

10、state, and the circuit of detecting break down was designed. And adopting the method in which including periodical detecting and local detecting of gap discharge state, the servo feed control-system based on fuzzy control technology was designed.In addition, in order to have control system to workin

11、g availably, upper PC control-software and base software (singlechip control-program) were designed with the concept of module. And according to RS232 serial communication, communication agreement between upper PC and base control-module was established. And also, the upper PC control-software and t

12、he base software were developed with Visual Basic 6.0 and assembly language respectively. At last, using the homemade equipment of REDGM and control system that was designed in this dissertation, the experiments of control system and the machining experiment of typical part were carried out. The res

13、ults show that the control system can control processing of REDGM availably, and the control system has better universal.Keywords: EDM, Revolving, Generating machining, Servo control, Fuzzy control目录摘要IABSTRACTII第一章绪论11.1 电火花加工技术的现状与发展趋势11.2回转式电火花展成加工的原理与其特点21.2.1 回转式电火花展成加工的原理21.2.2 回转式电火花展成加工的特点21

14、.3 国外研究现状31.3.1回转式电火花展成加工的研究现状31.3.2回转式电火花展成加工控制技术的研究现状61.4 本课题的来源、研究目的与意义、主要研究容81.4.1 课题来源81.4.2课题的研究目的与意义81.4.3 课题研究的主要容8第二章成形运动控制与控制系统的结构设计92.1回转轴驱动方案的研究92.2成形运动控制技术的研究122.3控制系统的总体结构设计142.3.1功能分析142.3.2总体结构设计152.3.3 下位控制模块的设计162.3.4步进电机与其驱动器的选型172.4 本章小结18第三章伺服进给控制技术的研究193.1回转式电火花展成加工的伺服控制过程与其伺服特

15、点193.2回转式电火花展成加工间隙放电状态检测原理213.3放电状态检测电路的设计233.4基于模糊技术的回转式电火花展成加工伺服进给控制原理253.4.1回转式电火花展成加工的伺服运动253.4.2基于模糊技术的伺服控制结构263.4.3划分输入输出变量的模糊区间293.4.4模糊规则的建立与控制量的清晰化323.5本章小结33第四章控制系统软件设计344.1控制系统软件的功能需求分析344.2软件结构设计与功能模块划分344.3通讯协议的制定364.4上位PC机软件的设计374.4.1上位PC机软件的操作界面384.4.23B代码文件存储格式与传送模块程序设计404.4.3数据字符编码模

16、块程序设计434.4.4数据校验码生成模块程序设计444.4.5伺服进给控制模块程序设计454.5下位机软件的设计464.5.1主程序设计464.5.2回转运动控制程序设计484.5.3数据字符解码模块程序设计514.5.4伺服进给控制程序设计534.6本章小结54第五章控制系统的实验研究555.1实验设备555.2控制系统性能实验575.2.1实验条件575.2.2无局部短路控制实验575.2.3有局部短路控制实验585.3加工实例595.3.1工艺实验595.3.2加工实例625.4本章小结63结论64参考文献66攻读学位期间发表的论文70独创性声明71致72CONTENTSABSTRAC

17、T(Chinese)IABSTRACT(English)IIChapter 1Preface11.1 State and development trend of art EDM11.2Theory and characteristic of revolving electric discharge generating machining(REDGM)21.2.1 Theory of the REDGM21.2.2 Characteristics of the REDGM21.3 Review31.3.1Review of the REDGM31.3.2Review of the REDGM

18、 of control technology61.4 Source,research of purposes and research of object81.4.1 Source of project81.4.2Research purposes81.4.3 Research object8Chapter 2Control of shaped movements and design of the control-system structure92.1Study on the axess driving project92.2Study on the control technology

19、of shaped movements122.3Design of the control-system structre142.3.1Analysis of function142.3.2Design of structure152.3.3 Design of base control-module162.3.4Choose of stepping motors and its drivers172.4 Summary18Chapter 3 Study on the control technogoly of shaped movments193.1Servo control of the

20、REDGM and its servo characteristic193.2Detecting break down of the REDGM213.3Circuit of detecting break down233.4 Servo feed control principle based on fuzzy technology253.4.1 Servo movement of tool electrode in the REDGM253.4.2 Servo control structure based on fuzzy technology263.4.3 Division of fu

21、zzy interal for input and output variables293.4.4 EStablishment of fuzzy rules and definition of control quantities323.5Summary33Chapter 4Design of the control-system344.1Software functional requirement analysis of control system344.2Software structure and its function modules344.3Communication agre

22、ement.364.4Design of the upper PC softwae374.4.1Frame of the upper PC384.4.2Storage format of 3B code and design of its transitting program404.4.3Design of data coding program434.4.4Design of check code generating program444.4.5Design of the servo feed control program454.5Design of the base singlech

23、ip software464.5.1Design of main program464.5.2Design of the reolving movements program484.5.3Design of decoding module program514.5.4Design of servo feed program534.6Summary54Chapter 5Experiments research of control-system555.1Experiment equipments555.2Performance of control-system575.2.1Experiment

24、 condition575.2.2Experiments without part short control575.2.3Experiment with part short control585.3Example of machining595.3.1Experiments of machining595.3.2Example of machining625.4Summary63Conclusions64Refferences66Publication during postgraduate study70Declaration71Thanks72第一章 绪论1.1 电火花加工技术的现状与

25、发展趋势电火花加工（Electrical Discharge Machining，简称EDM）又称放电加工，是一种直接利用电能和热能进行加工的新工艺1。电火花加工与金属切削加工的原理完全不同，在加工过程中，工具电极与工件并不接触，而是靠工具和工件之间不断的脉冲性火花放电，产生局部、瞬时的高温把金属材料逐步熔化和气化蚀除掉。自20世纪40年代前联学者拉扎连科夫妇开创了利用电腐蚀原理去除金属材料的电火花加工时代以来2，历经半个多世纪的发展，电火花加工己成为先进制造技术领域不可缺少的重要组成部分。尤其是进人20世纪90年代后，随着控制技术、航空和航天技术、材料科学技术等高新技术的发展，电火花加工技术

26、也朝着更深层次、更高水平的方向发展。虽然一些传统加工技术通过自身的不断更新发展以与与其它相关技术的融合，在一些难加工材料加工领域有所突破，但这些技术的应用没有也不可能完全取代电火花加工技术在难加工材料、复杂型面、模具等加工领域中的地位。相反，电火花加工技术通过借鉴其它加工技术的发展经验，正不断向微细化、高效化、精密化、自动化、智能化等方向发展3。然而，放电产物的产生与排除之间的矛盾始终是影响电火花加工控制过程稳定性的主要因素，虽然采用模糊神经网络控制、自适应抬刀、强迫排屑等技术和工艺措施可以显著改善加工过程的稳定性，但这些措施并不能从根本上解决问题，而且往往会带来有效加工时间减少、电极损耗增大

27、等负面影响。如果改变现有电火花加工的成形运动形式，使加工中工具电极和工件之间的最近点始终是变化的，那将从根本上解决了上述难题4。目前，国外许多电火花加工机床在成形运动方式上作了一些改进，如瑞士阿奇公司生产的AGIE MONDO30或SF110型电火花加工机床能实现两轴或两轴以上的联动加工功能5；大学的周忆等利用自制的电火花螺旋齿轮加工装置，工具电极螺旋进给加工螺旋齿轮6；航空航天大学的云乃彰利用回转工具电极展成加工出小模数渐开线齿轮7；另外，日本东京大学余组元博士、增泽隆久教授等通过对加工路径的合理规划，提出了电极等损耗概念，为电火花成形加工运动方式的改进提供了必要的理论依据3。而且已有研究表

28、明，增加工件电极或工具电极旋转运动的电火花加工，不仅提高了加工的可靠性，也提高了工件材料的去除率和改善了加工表面质量813。这些创新性的研究也为回转式电火花展成加工的发展打了下良好的实践与理论基础。1.2回转式电火花展成加工的原理与其特点1.2.1 回转式电火花展成加工的原理所谓回转式电火花展成加工是指在加工过程中工具电极和工件毛坯分别绕各自的轴线作回转运动14，如图1-1所示。当工具电极与工件毛坯的转速比为整数时，则在加工过程中工具电极上某一固定角方位和工件毛坯上某个或某几个固定角方位严格保持对应关系。当工具电极相对于工件毛坯作径向进给时，在工具电极和工件毛坯之间将会产生脉冲性火花放电蚀除。

29、随着放电蚀除的连续进行，工具电极不断地向工件毛坯进给，从而在工件毛坯上展成加工出具有一定形状、尺寸和表面质量的工件。只要合理地选择工具电极与工件毛坯的转速比以与工具电极的形状尺寸，就可以展成加工出符合预定加工要求的工件。图1-1 回转式电火花展成加工原理图Fig.1-1 Schematic of revolving electric discharge generating machining1.2.2 回转式电火花展成加工的特点回转式电火花展成加工由于在成形运动上与普通电火花加工存在较大的区别，因而表现出如下特点14：1.在加工过程中，由于工具电极和工件电极的回转运动使得放电加工点不断变化，

30、从而避免了电火花加工中的集中放电；而且随着工具电极和工件电极的不断回转以与由此造成的液流扰动，使得电蚀产物也比较容易被彻底地带出加工区域。因此，回转式电火花展成加工从根本上解决了电火花加工中排屑困难、放电集中的问题，大大提高了加工过程的稳定性和加工效率。2.该方法不仅可以在圆周(圆或外圆)上进行成形加工，还可以在平面上进行成形加工(当工具电极作回转运动而工件固定在回转台上时，可以在平面上进行成形加工)；而且对于在圆周上加工多个型腔时,还可以省去回转分度装置，减少了辅助操作时间。3.由于加工时工具电极和工件电极之间存在相对运动，有利于表面粗糙度的改善。此外，加工时工具电极和工件电极的有效相对面积

31、很小，从而使得极间电容很小，而不象成形加工所采用的整体型面对合那样存在较大的极间电容，以至造成当加工区实际发生的单个脉冲放电能量压缩到某一界限后就不能再进行有效的压缩。因此该方法能够利用很小的单个脉冲能量进行精加工和超精加工，比普通的电火花加工可以达到更好的表面质量。但同时也应该看到，回转式电火花展成加工也有其自身的局限性。例如，它只能解决部分特殊零件的加工，如特殊齿轮状工件、轮胎模与某些特殊材料的回转类工件的加工等。1.3 国外研究现状1.3.1回转式电火花展成加工的研究现状虽然目前回转式电火花展成加工的发展较慢，且应用领域局限性较大；但凭借其独特的加工优点，还是取得了一定的成绩。在我国，对

32、于回转式电火花展成加工技术的研究已取得了不少的成果：1. 江南光电（集团）股份的昌树等在对机械行业中模具、刃具、产品和设备精密零件中的各种难加工类型分析的基础上，通过对数百种实际生产中常见工件的电火花加工可行性探讨，在国率先提出了以双轴回转运动为特征的回转式电火花展成加工技术，并在此基础上研制出了新型的回转式电火花展成加工机床1516。属于通用型的如：共轭回转式、展成回转式、行星回转式加工机等。属于专用型的如：精密螺纹、硬质合金刀具、小孔、齿轮模具加工机等。其用性较强的有JN型展成式精密电火花加工机床，其运动系统如图1-2所示，该机床可分别实现三种回转运动（，）和四种直线运动（，），并可灵活组

33、成多种复合运动。，可按差动方向回转或按同步、倍角、比例差动共轭方向回转。工具电极（或工件）可沿直线作轴向或径向进给运动，并可组合成斜向、螺旋、等速旋转、空间等速螺旋方向进给，也可按转角方向进给。加工过程中同时还可作多种辅助运动。，两轴线平行或按一定角度设置或辅以绕轴转动（），因而加工成形功能很丰富。该机床可以在硬质合金、淬硬钢等难加工材料和特种结构工件上加工出许多种精密型面，如各种回转曲面、共轭曲面与多种组合型面等；并能方便地加工薄壁、小孔与微小型零件，精度达微米级，表面粗糙度达Ra0.040.32；还可以在多种型面较大面积（如大于150mm圆平面、圆球面等的表面积）上实现电火花镜面加工。图1

34、-2 JN型展成回转式机床运动系统示意图15Fig.1-2 Schematic of movements system of JN revolving generating machine tool152.工业大学的夏继强等利用电火花角相位重合回转加工原理，在利用现有的数控电火花线切割机床的基础上研制出了一种新型的数控电火花加工装置，如图1-3所示17。该装置是在对数控线切割机床作相应的改造后，在机床上加装了两个具有主轴回转功能的附件：一个附件是安装在电火花线切割机床基体上，另一个附件安装在X、Y工件台上。其中工具电极回转主轴和工件回转主轴分别由一个五相十拍的步进电机直接驱动，缩短了传动链，把

35、由于传动链造成的回转误差降到最低限度。工具电极向工件的进给运动，由线切割机床工作台Y方向的运动来实现。另外经加工实验表明，利用该装置不仅成功地加工出了静压气浮轴承腔， 而且结合电解加工方法还可以在各种淬过火的模具材料，甚至在硬质合金上实现不同曲率半径的凸凹球面零件模具的加工。图1-3 加工装置机械结构示意图17Fig.1-3 Schematic of machine equipment structure173.为适应生产和教学的迫切需要，清华大学金工教研室于1990年成功地研制出了旋转电火花加工机床DK6825数控旋转电加工机床。该机床主要由机床主机、脉冲电源和微机数控系统三部分组成，如图1

36、-4所示18。该机床具有普通工具磨床在加工中的多样性和灵活性，加工围广，可以加工平面、外圆、孔与螺旋槽等表面。图1-4 DK6825数控旋转电加工机床示意图18Fig.1-4 Schematic of DK6825 NC rotary EDM machine tool184.科技大学的贾志新等在水平双轴回转电火花加工装置（如图1-5所示）上进行了水平双轴回转电火花加工实验研究19。分析了水平双轴回转电火花加工中影响加工速度、电极相对损耗与加工表面粗糙度的主要因素, 为加工实践提供了一定的依据。图1-5 水平双轴回转电火花加工装置简图19Fig.1-5 Schematic of horizont

37、al twin axes rotating EDM equipment195.华南理工大学的钢等则根据国现阶段回转式电火花展成加工过程中需要先制造出工件电极，然后通过电火花加工制造工具电极，最后利用工具电极展成加工出工件的情况。针对矩形齿、梯形齿和列表曲线齿，提出采用齿廓法线法，分析其回转式电火花展成加工的成形运动方式，建立数学模型；并在Delphi6.0环境下进行计算机模拟验证，得到工具电极的轮廓数据点。然后利用数控机床加工出工具电极，并在自制加工装置上进行了回转式电火花展成加工实验验证4。在国外，对于电火花加工技术成形运动方式的创新优化主要还是表现在单独地增加工件主轴或者工具主轴的回转运动

38、上2023，而对于包含两个或两个以上回转轴的新型电火花加工工艺回转式电火花展成加工技术的研究还鲜见于相关文献或报告中。1.3.2回转式电火花展成加工控制技术的研究现状由于工艺的特殊性与其放电的复杂性，回转式电火花展成加工对其控制系统，特别是伺服进给控制部分有着其特殊的要求。目前对于回转式电火花展成加工控制技术的研究现状主要体现在以下几个方面：1.少部分回转式电火花展成加工的控制仍采用手动调节。如航空航天大学的高长水等为加工微细电极与微细轴，设计了采用手动调节的电火花线电极磨削机构24；工业大学的关佳亮等采用手动微调的方法进行了金属结合剂超硬磨料砂轮动态电火化精密修形技术的研究25，如图1-6所

39、示；华南理工大学的钢在回转式电火花展成加工的研究中采用手动调节来控制加工4。图1-6电火花在位、动态修形装置25Fig.1-6 Equipment with on-site dynamic EDM252.大部分回转式电火花展加工沿用普通电火花加工伺服进给控制技术或在普通电火花加工控制技术的基础上稍作改进。如航空航天大学的宋小中、云乃彰等人在数控电火花加工机床上采用普通电火花加工伺服进给控制技术分别进行了水射流钻曲面导流轮和小模数渐开线齿轮的加工2627；大学的周忆、梁锡昌等采用普通电火花加工伺服进给控制技术控制加工螺旋齿轮28(如图1-7所示)；中国农业大学的桂香等改进放电间隙识别方法，也是采

40、用普通电火花加工的伺服进给控制技术进行电火花磨削加工的研究29。图1-7螺旋齿轮加工原理图28Fig.1-7 Schematic of machining helix gear283.开始有了针对回转式电火花展成加工的特点，研究专用的伺服进给控制系统。如针对电火花磨削的特点，航空航天大学的耿春明等在研究电火花磨削加工伺服控制技术时,提出了基于周期性和局部性特点的间隙放电状态检测的伺服策略30；工业大学的夏继强等提出在回转式电火花展成加工中少量的短路能自动消除的观点，采用周期性脉冲计数实现对放电间隙的伺服控制，并设计了专用的放电状态检测模块18。但是，这些控制技术都还只是针对某一特定类型或某一特

41、定零件的加工，其专用性太强，缺乏必要的通用性和柔性。1.4 本课题的来源、研究目的与意义、主要研究容1.4.1 课题来源市科技发展专项资金项目(编号：03030091)：瓷抛光机磨头中变螺旋角齿轮的电火花展成加工技术研究1.4.2课题的研究目的与意义本课题针对目前回转式电火花展成加工控制技术的水平较低，缺乏通用性等特点，在分析回转式电火花展成加工特征的基础上，系统研究回转式电火花展成加工的控制技术，开发出一种通用性能较强的回转式电火花展成加工控制系统。本课题的研究有助于提高回转式电火花展成加工的性能，有助于丰富回转式电火花展成加工的控制理论，对进一步扩大回转式电火花展成加工的应用围、推动回转式

42、电火花展成加工技术的发展具有较大的现实意义。1.4.3 课题研究的主要容1.对回转式电火花展成加工的特征进行研究分析。根据电火花加工的基础理论，并部分结合实验观察的手段，对回转式电火花展成加工的特征进行研究分析，为实现加工控制提供依据。2.分析回转式电火花展成加工所需的成形运动，并对成形运动的控制方法进行研究，以消除加工过程中成形运动的累积误差。3.对回转式电火花展成加工的进给控制技术进行研究，主要包括回转式电火花展成加工的放电间隙状态检测方法研究和进给控制算法研究两方面的容。4.研制出回转式电火花展成加工的控制系统。主要包括控制系统的结构设计、硬件设计与控制软件的编写三方面的容。5.回转式电

43、火花展成加工的加工实验研究。通过加工实验对控制系统的性能进行验证和评估，并加工出1-2种典型的零件，如直齿圆柱齿轮等。第二章 成形运动控制与控制系统的结构设计在回转式电火花展成加工中，其控制系统必须具备以下功能：成形运动控制、放电状态检测、加工时的主要状态参数显示以与为使操作更加灵活方便的其它一些辅助功能，为此，本章在研究回转式电火花展成加工成形运动控制技术的基础上，进行了回转式电火花展成加工的控制系统的结构设计。2.1回转轴驱动方案的研究由回转式电火花展成加工原理可知，在回转式电火花展成加工中，必须严格保证工具电极和工件电极的角相位对应关系，即（2.1）式中：工具电极的实际角速度工件电极的实

44、际角速度工具电极与工件电极回转时的同步周期工具电极的初始角相位工件电极的初始角相位整数又在回转式电火花展成加工时，其加工效率比较低，因而工件的成形是一个较长的持续过程。如果分别对各轴的转速进行单独控制，即使回转轴间的角速度误差很小，其经过很长一段时间后所积累的角相位误差也会变得很大，从而产生致命性的错误，导致加工失败。这一点可采用下列公式来分析，即（2.2） （2.3）式中：工具电极的角位移工件电极的角位移工具电极的名义角速度工件电极的名义角速度工具电极的角速度误差工件电极的角速度误差加工时间联合式（2.2）、（2.3）可得工具电极与工件电极间的角位移差为：（2.4）所以，经过一段时间后，工具

45、电极与工件电极的角相位累积误差为：（2.5）由此可知，如果角速度误差、是稳定不变或呈单方向变化的，即使很小，当时，角相位累积误差。从以上分析可知，在实际加工过程中可以对进行在线检测，并通过反馈控制对、进行实时在线调节，分别使它们尽可能地接近、，从而把回转轴间的角相位误差控制在允许的围。目前大部分的回转同步都是采用此方法，但该方法控制较为复杂，而且成本较高。而如果角速度误差、的符号（或）是呈周期性变化的，则误差可产生抵消，也即可能出现角相位累积误差0。这一特性与步进电机在驱动脉冲频率稳定不变时的实时转速的特性是一致的，即（2.6）式中：步进电机的回转周期步进电机的角速度误差此外，在驱动脉冲频率较

46、高的情况下，由于惯性的作用，步进电机的转速较均匀。而且对于两个同一类型的步进电机，在驱动脉冲频率一样的情况下，其主轴之间的角位移误差在某一时间段（同步周期）的累积为0。因此，采用步进电机可以较容易抑制回转轴间回转误差的膨胀。但是因步进电机是以步进的方式运转的，如果采用传统的步进电机驱动方法，由于电机的步距角较大，使得电机运转不连续，而且每走一步都会产生一定的振动和噪声，这一点在低频工作时尤为明显，这样就会影响加工的稳定性和精度。要使步进电机运转平滑、提高对执行机构的控制精度，减小步进电机的步距角是行之有效的方法。减小步距角可以通过选择小步距角的步进电机来实现，但小步距角步进电机的制造受机械加工

47、的限制，使成本大大提高。减小步距角的另一种方法是改变电机绕组中的电流状态数，也就是采用细分驱动技术来实现这一目的31。步进电机细分驱动技术是70年代中期发展起来的一种可以显著改善步进电机综合使用性能的驱动控制技术32。其设计的基本原理是：将步进电机绕组中的电流进行细分，即把常规的矩形波供电改为阶梯波供电，使绕组中的电流经过N个(N为细分级数)阶梯才能达到额定值，且以同样的方式从额定值下降到零33。如图2-1所示，图2-1(a)、(b)分别为无细分驱动和采用细分驱动且转速一样时步进电机的实际测量转速曲线图（为角速度，为时间）。(a)无细分，驱动频率120HZ(b)25细分，驱动频率3000HZ图

48、2-1步进电机的转速曲线图Fig.2-1 Rotate speed curve of stepping motor从图2-1中可以看出，步进电机在低速运行且无细分驱动时，运转不连续且振动明显（如图2-1(a)所示）；而在同样的运行速度，但采用细分驱动时，转速明显变得平稳且消除了明显的振动（如图2-1(b)所示）。因此，本文中选用步进电机作为各回转轴的驱动电机，并采用细分驱动技术驱动各轴电机。2.2成形运动控制技术的研究同样根据加工原理可知，回转式电火花展成加工与普通电火花加工不同。因普通电火花加工时工具电极的形状与被加工工件的形状基本一致，加工时只是简单地把工具电极的形状“复印”到工件上；而回

49、转式电火花展成加工时工件的成形是依靠各个成形运动协调完成的。因此在回转式电火花展成加工中，除了工具、工件两个电极的回转运动外，一般还存在其它一些运动要求。例如本研究中采用的自制的变螺旋角齿轮的回转式电火花展成加工装置，其结构如图2-2所示。图2-2 回转式电火花展成加工装置结构示意图Fig.2-2 Schematic of revolving electric discharge generating machining equipment图2-2中P轴、T轴依次为工件和工具电极主轴，并分别由P轴电机和T轴电机驱动；而L轴则由L轴电机驱动，实现工具电极在回转运动的径向方向上进给/回退。另外，当

50、加工特殊零件（如渐变螺旋角齿轮）时，还需要通过R轴电机驱动R轴，从而实现T轴在回转的同时随摇臂按一定的规律摆动。在实际加工时，为满足加工不同表面形状的工件的需要，P轴与T轴之间的回转还要根据工件与工具电极的直径不同而设定不同的整数转速比，并始终保持工件与工具电极回转的方向相反。根据本文第一章中介绍的回转式电火花展成加工的原理可知，当为整数时，在加工过程中工具电极上某一固定角方位和工件上某个或某几个固定角方位严格保持对应关系。如果把T轴的回转运动看作沿直角坐标系中X轴的直线运动，把P轴的回转运动看作沿直角坐标系中Y轴的直线运动，则P轴与T轴运动的合成就是一条从原点出发，斜率为的射线，如图2-3所

51、示。图2-3 P轴与T轴的转速比关系图Fig.2-3 Diagram of rotational speed ratio between P-axis and T-axis由图2-3可知，射线在数控系统中可以很方便地采用直线插补的方法插补出来。所以，P轴和T轴之间的定比回转运动控制完全可以考虑采用数控技术中的插补原理来实现。同理，对于需要增加T轴与R轴联动的加工场合，R轴的摆动与T轴的回转之间也要符合严格固定的规律，也就是说R轴的摆动位置与T轴的旋转位置之间也有严格固定的对应关系，而且R轴的摆动周期与T轴的回转周期之间是成整数比的关系。所以，如果把T轴的回转运动和R轴的摆动分别看作直角坐标系中

52、的X轴和Y轴，则T轴与R轴的联动将是直角坐标系中具有稳定周期的曲线或折线，如图2-4所示（此处以正弦曲线为例）。这样一来，也可采用直线或圆弧的插补原理进行T轴与R轴的联动控制。图2-4 T轴与R轴的联动关系图Fig.2-4 Diagram of movementbetween T-axis and R-axis因此，本文从编程简单、传送方便、容易实现等方面出发，采用3B代码编程34，利用插补原理来实现对P轴和T轴之间的定比回转、T轴与R轴联动的控制。而随着数控技术的发展，插补原理日趋成熟，且类型众多，所以要实现本文中的插补控制，可选的插补类型有多种。但考虑到P轴、T轴和R轴运动的实时性要求较高

53、，因而从控制算法的简易程度考虑，采用逐点比较法是比较合理的35。以上分析的是回转式电火花展成加工成形运动中的回转运动，而至于成形运动中的另外一个运动伺服进给运动，是一个相对独立的运动。该运动与P轴、T轴和R轴的运动都无直接的关联，由伺服进给控制系统根据放电状态信号控制L轴电机实现。2.3控制系统的总体结构设计控制系统要实现其各项控制功能，必须具备完善的硬件结构作支撑。但另一方面，控制系统硬件结构的设计又要根据控制系统的控制功能，因为只有这样设计出来的硬件结构才能合乎控制系统的实际控制需求。2.3.1功能分析由图2-2可知，采用自制的回转式电火花展成加工装置进行加工时，所要控制的是4个电机(分别

54、是P，T，L，R四个轴的驱动电机)的运动，以与对加工状态信号的监控。因此在实际加工时，控制系统必须具备以下控制功能：1.实现对各回转轴的控制。在进行一般的回转式电火花展成加工时，工具电极无需作往复的摆动，也即R轴电机不工作，此时只需控制P轴、T轴和L轴电机的运动；而在进行特殊零件（如渐变螺旋角齿轮）的回转式电火花展成加工时，不但要控制P轴、T轴与L轴电机的运动，同时还要控制R轴电机的运动，以实现工具电极的往复摆动。2.实现对加工状态的快速检测。加工时实时检测工件与工具电极之间的间隙放电状态（放电，短路，开路和脉冲间隔），并快速地对间隙放电状态信号进行处理判别检测周期间隙放电状态。然后发出伺服控

55、制信号，伺服进给控制系统则根据该信号控制伺服进给驱动电机（L轴电机）的运动。2.3.2总体结构设计由于随着计算机技术、基础电子技术的快速发展和广泛应用，PC机逐步进入控制领域，极丰富了控制系统的软硬件资源，有利于实现总线式、模块化、开放化的控制系统，使其具有很高的性能价格比36。因此，根据控制系统的功能分析，本文研制的回转式电火花展成加工控制系统采用上位PC机加下位控制模块的主从式两级控制结构，如图2-5所示，它由控制核心部分、驱动与功放部分、加工装置部分等部分组成。图2-5 控制系统硬件结构框图Fig.2-5 Block diagram of control system hardware

56、structure其中系统中的上位PC机具有丰富的系统资源和强大的运算能力，主要完成人机交互与数据处理功能。上位PC机通过RS232串行口与下位控制模块进行通信，上位PC机把规定的命令控制字符或数据字符串传送给下位控制模块。下位控制模块是系统构成的基础与关键，它采用单片机控制。在接收到上位PC机发出的控制指令或数据字符串后，单片机则根据接收到的容分别执行相应的执行模块。因而实际加工时操作上位PC机软件即可控制下位控制模块实现成形运动控制、数据字符串的接收等一些实时性和可靠性比较高的操作，同时，下位控制模块把当前的加工信息（如当前的加工状态信号、各轴的位置）传输到上位PC机中运算并显示出来。2.3.3 下位控制模块的设计由图2-5可知，在下位控制模块