回轉式電火花展成加工控制技術的研究畢業(yè)論文

1、廣東工業(yè)大學工學碩士學位論文回轉式電火花展成加工控制技術的研究梁小流二00六年五月二十一日71 / 88分類號：學校代號： 11911 U D C：密級：學號：2240301009廣東工業(yè)大學學位論文回轉式電火花展成加工控制技術的研究梁小流指導老師：葉樹林 教授 科學技術學院昕 教授 廣東工業(yè)大學機電工程學院學科門類：工學 專業(yè)名稱：機械制造與其自動化 申請學位級別： 碩士 論文完成日期： 二00六年五月 論文答辯日期： 二00六年五月 學位授予單位： 廣東工業(yè)大學 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摘要回轉式電火花展成加工是一種以雙軸回轉運動為特征的新型電火花加工技術，本文針對目前回轉式電火花展成加工控制技術的水平較低、缺乏通用性等特點，開展了回轉式電火花展成加工控制技術的研究，開發(fā)出了一種通用性能較強的回轉式電火花展成加工控制系統(tǒng)。本課題的研究對提高回轉式電火花展成加工的性能和豐富其控制理論都具有較大的現(xiàn)實意義。本文首先根據

4、回轉式電火花展成加工的原理，對各回轉軸的驅動方案進行了研究，并通過轉速檢測實驗的驗證，確定了選用步進電機作為各回轉軸的驅動元件并采用細分驅動技術驅動；同時結合對實際加工中成形運動控制的分析，提出了采用3B代碼編程，利用逐點比較法插補原理的成形運動控制技術。在此基礎上，采用上位PC機加下位單片機控制模塊的主從式兩級控制結構，設計了回轉式電火花展成加工的控制系統(tǒng)。為了有效地實現(xiàn)對回轉式電火花展成加工的伺服控制，通過對回轉式電火花展成加工的伺服特點與伺服策略的研究，提出了采用時間累積法對放電間隙狀態(tài)進行檢測，并設計了放電間隙狀態(tài)檢測電路。在此基礎上，采用控制周期總體間隙狀況和局部短路的伺服控制策略，

5、建立了基于模糊控制技術的回轉式電火花展成加工伺服進給控制系統(tǒng)。此外，為了使控制系統(tǒng)能有效地工作，采用模塊化的設計方法，分別進行了上位PC機和下位機軟件（即單片機控制程序）的設計；并按符合RS232標準的串行異步通訊，制定了上位PC機與下位機之間通訊的通訊協(xié)議。其中上位PC機軟件采用Visual Basic 6.0設計，而下位機軟件則采用匯編語言設計。最后，采用本文研制的回轉式電火花展成加工裝置和控制系統(tǒng)，進行了控制系統(tǒng)的性能實驗研究和典型零件的加工實驗研究。研究結果表明，本文設計的控制系統(tǒng)能精確有效地實現(xiàn)對回轉式電火花展成加工過程的控制，而且具有較強的通用性。關鍵詞：電火花加工，回轉，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目錄摘要IABSTRACTII第一章緒論11.1 電火花加工技術的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢11.2回轉式電火花展成加工的原理與其特點21.2.1 回轉式電火花展成加工的原理21.2.2 回轉式電火花展成加工的特點21

14、.3 國外研究現(xiàn)狀31.3.1回轉式電火花展成加工的研究現(xiàn)狀31.3.2回轉式電火花展成加工控制技術的研究現(xiàn)狀61.4 本課題的來源、研究目的與意義、主要研究容81.4.1 課題來源81.4.2課題的研究目的與意義81.4.3 課題研究的主要容8第二章成形運動控制與控制系統(tǒng)的結構設計92.1回轉軸驅動方案的研究92.2成形運動控制技術的研究122.3控制系統(tǒng)的總體結構設計142.3.1功能分析142.3.2總體結構設計152.3.3 下位控制模塊的設計162.3.4步進電機與其驅動器的選型172.4 本章小結18第三章伺服進給控制技術的研究193.1回轉式電火花展成加工的伺服控制過程與其伺服特

15、點193.2回轉式電火花展成加工間隙放電狀態(tài)檢測原理213.3放電狀態(tài)檢測電路的設計233.4基于模糊技術的回轉式電火花展成加工伺服進給控制原理253.4.1回轉式電火花展成加工的伺服運動253.4.2基于模糊技術的伺服控制結構263.4.3劃分輸入輸出變量的模糊區(qū)間293.4.4模糊規(guī)則的建立與控制量的清晰化323.5本章小結33第四章控制系統(tǒng)軟件設計344.1控制系統(tǒng)軟件的功能需求分析344.2軟件結構設計與功能模塊劃分344.3通訊協(xié)議的制定364.4上位PC機軟件的設計374.4.1上位PC機軟件的操作界面384.4.23B代碼文件存儲格式與傳送模塊程序設計404.4.3數據字符編碼模

16、塊程序設計434.4.4數據校驗碼生成模塊程序設計444.4.5伺服進給控制模塊程序設計454.5下位機軟件的設計464.5.1主程序設計464.5.2回轉運動控制程序設計484.5.3數據字符解碼模塊程序設計514.5.4伺服進給控制程序設計534.6本章小結54第五章控制系統(tǒng)的實驗研究555.1實驗設備555.2控制系統(tǒng)性能實驗575.2.1實驗條件575.2.2無局部短路控制實驗575.2.3有局部短路控制實驗585.3加工實例595.3.1工藝實驗595.3.2加工實例625.4本章小結63結論64參考文獻66攻讀學位期間發(fā)表的論文70獨創(chuàng)性聲明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 緒論1.1 電火花加工技術的現(xiàn)狀與

25、發(fā)展趨勢電火花加工（Electrical Discharge Machining，簡稱EDM）又稱放電加工，是一種直接利用電能和熱能進行加工的新工藝1。電火花加工與金屬切削加工的原理完全不同，在加工過程中，工具電極與工件并不接觸，而是靠工具和工件之間不斷的脈沖性火花放電，產生局部、瞬時的高溫把金屬材料逐步熔化和氣化蝕除掉。自20世紀40年代前聯(lián)學者拉扎連科夫婦開創(chuàng)了利用電腐蝕原理去除金屬材料的電火花加工時代以來2，歷經半個多世紀的發(fā)展，電火花加工己成為先進制造技術領域不可缺少的重要組成部分。尤其是進人20世紀90年代后，隨著控制技術、航空和航天技術、材料科學技術等高新技術的發(fā)展，電火花加工技術

26、也朝著更深層次、更高水平的方向發(fā)展。雖然一些傳統(tǒng)加工技術通過自身的不斷更新發(fā)展以與與其它相關技術的融合，在一些難加工材料加工領域有所突破，但這些技術的應用沒有也不可能完全取代電火花加工技術在難加工材料、復雜型面、模具等加工領域中的地位。相反，電火花加工技術通過借鑒其它加工技術的發(fā)展經驗，正不斷向微細化、高效化、精密化、自動化、智能化等方向發(fā)展3。然而，放電產物的產生與排除之間的矛盾始終是影響電火花加工控制過程穩(wěn)定性的主要因素，雖然采用模糊神經網絡控制、自適應抬刀、強迫排屑等技術和工藝措施可以顯著改善加工過程的穩(wěn)定性，但這些措施并不能從根本上解決問題，而且往往會帶來有效加工時間減少、電極損耗增大

27、等負面影響。如果改變現(xiàn)有電火花加工的成形運動形式，使加工中工具電極和工件之間的最近點始終是變化的，那將從根本上解決了上述難題4。目前，國外許多電火花加工機床在成形運動方式上作了一些改進，如瑞士阿奇公司生產的AGIE MONDO30或SF110型電火花加工機床能實現(xiàn)兩軸或兩軸以上的聯(lián)動加工功能5；大學的周憶等利用自制的電火花螺旋齒輪加工裝置，工具電極螺旋進給加工螺旋齒輪6；航空航天大學的云乃彰利用回轉工具電極展成加工出小模數漸開線齒輪7；另外，日本東京大學余組元博士、增澤隆久教授等通過對加工路徑的合理規(guī)劃，提出了電極等損耗概念，為電火花成形加工運動方式的改進提供了必要的理論依據3。而且已有研究表

28、明，增加工件電極或工具電極旋轉運動的電火花加工，不僅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質量813。這些創(chuàng)新性的研究也為回轉式電火花展成加工的發(fā)展打了下良好的實踐與理論基礎。1.2回轉式電火花展成加工的原理與其特點1.2.1 回轉式電火花展成加工的原理所謂回轉式電火花展成加工是指在加工過程中工具電極和工件毛坯分別繞各自的軸線作回轉運動14，如圖1-1所示。當工具電極與工件毛坯的轉速比為整數時，則在加工過程中工具電極上某一固定角方位和工件毛坯上某個或某幾個固定角方位嚴格保持對應關系。當工具電極相對于工件毛坯作徑向進給時，在工具電極和工件毛坯之間將會產生脈沖性火花放電蝕除。

29、隨著放電蝕除的連續(xù)進行，工具電極不斷地向工件毛坯進給，從而在工件毛坯上展成加工出具有一定形狀、尺寸和表面質量的工件。只要合理地選擇工具電極與工件毛坯的轉速比以與工具電極的形狀尺寸，就可以展成加工出符合預定加工要求的工件。圖1-1 回轉式電火花展成加工原理圖Fig.1-1 Schematic of revolving electric discharge generating machining1.2.2 回轉式電火花展成加工的特點回轉式電火花展成加工由于在成形運動上與普通電火花加工存在較大的區(qū)別，因而表現(xiàn)出如下特點14：1.在加工過程中，由于工具電極和工件電極的回轉運動使得放電加工點不斷變化，

30、從而避免了電火花加工中的集中放電；而且隨著工具電極和工件電極的不斷回轉以與由此造成的液流擾動，使得電蝕產物也比較容易被徹底地帶出加工區(qū)域。因此，回轉式電火花展成加工從根本上解決了電火花加工中排屑困難、放電集中的問題，大大提高了加工過程的穩(wěn)定性和加工效率。2.該方法不僅可以在圓周(圓或外圓)上進行成形加工，還可以在平面上進行成形加工(當工具電極作回轉運動而工件固定在回轉臺上時，可以在平面上進行成形加工)；而且對于在圓周上加工多個型腔時,還可以省去回轉分度裝置，減少了輔助操作時間。3.由于加工時工具電極和工件電極之間存在相對運動，有利于表面粗糙度的改善。此外，加工時工具電極和工件電極的有效相對面積

31、很小，從而使得極間電容很小，而不象成形加工所采用的整體型面對合那樣存在較大的極間電容，以至造成當加工區(qū)實際發(fā)生的單個脈沖放電能量壓縮到某一界限后就不能再進行有效的壓縮。因此該方法能夠利用很小的單個脈沖能量進行精加工和超精加工，比普通的電火花加工可以達到更好的表面質量。但同時也應該看到，回轉式電火花展成加工也有其自身的局限性。例如，它只能解決部分特殊零件的加工，如特殊齒輪狀工件、輪胎模與某些特殊材料的回轉類工件的加工等。1.3 國外研究現(xiàn)狀1.3.1回轉式電火花展成加工的研究現(xiàn)狀雖然目前回轉式電火花展成加工的發(fā)展較慢，且應用領域局限性較大；但憑借其獨特的加工優(yōu)點，還是取得了一定的成績。在我國，對

32、于回轉式電火花展成加工技術的研究已取得了不少的成果：1. 江南光電（集團）股份的昌樹等在對機械行業(yè)中模具、刃具、產品和設備精密零件中的各種難加工類型分析的基礎上，通過對數百種實際生產中常見工件的電火花加工可行性探討，在國率先提出了以雙軸回轉運動為特征的回轉式電火花展成加工技術，并在此基礎上研制出了新型的回轉式電火花展成加工機床1516。屬于通用型的如：共軛回轉式、展成回轉式、行星回轉式加工機等。屬于專用型的如：精密螺紋、硬質合金刀具、小孔、齒輪模具加工機等。其用性較強的有JN型展成式精密電火花加工機床，其運動系統(tǒng)如圖1-2所示，該機床可分別實現(xiàn)三種回轉運動（，）和四種直線運動（，），并可靈活組

33、成多種復合運動。，可按差動方向回轉或按同步、倍角、比例差動共軛方向回轉。工具電極（或工件）可沿直線作軸向或徑向進給運動，并可組合成斜向、螺旋、等速旋轉、空間等速螺旋方向進給，也可按轉角方向進給。加工過程中同時還可作多種輔助運動。，兩軸線平行或按一定角度設置或輔以繞軸轉動（），因而加工成形功能很豐富。該機床可以在硬質合金、淬硬鋼等難加工材料和特種結構工件上加工出許多種精密型面，如各種回轉曲面、共軛曲面與多種組合型面等；并能方便地加工薄壁、小孔與微小型零件，精度達微米級，表面粗糙度達Ra0.040.32；還可以在多種型面較大面積（如大于150mm圓平面、圓球面等的表面積）上實現(xiàn)電火花鏡面加工。圖1

34、-2 JN型展成回轉式機床運動系統(tǒng)示意圖15Fig.1-2 Schematic of movements system of JN revolving generating machine tool152.工業(yè)大學的夏繼強等利用電火花角相位重合回轉加工原理，在利用現(xiàn)有的數控電火花線切割機床的基礎上研制出了一種新型的數控電火花加工裝置，如圖1-3所示17。該裝置是在對數控線切割機床作相應的改造后，在機床上加裝了兩個具有主軸回轉功能的附件：一個附件是安裝在電火花線切割機床基體上，另一個附件安裝在X、Y工件臺上。其中工具電極回轉主軸和工件回轉主軸分別由一個五相十拍的步進電機直接驅動，縮短了傳動鏈，把

35、由于傳動鏈造成的回轉誤差降到最低限度。工具電極向工件的進給運動，由線切割機床工作臺Y方向的運動來實現(xiàn)。另外經加工實驗表明，利用該裝置不僅成功地加工出了靜壓氣浮軸承腔， 而且結合電解加工方法還可以在各種淬過火的模具材料，甚至在硬質合金上實現(xiàn)不同曲率半徑的凸凹球面零件模具的加工。圖1-3 加工裝置機械結構示意圖17Fig.1-3 Schematic of machine equipment structure173.為適應生產和教學的迫切需要，清華大學金工教研室于1990年成功地研制出了旋轉電火花加工機床DK6825數控旋轉電加工機床。該機床主要由機床主機、脈沖電源和微機數控系統(tǒng)三部分組成，如圖1

36、-4所示18。該機床具有普通工具磨床在加工中的多樣性和靈活性，加工圍廣，可以加工平面、外圓、孔與螺旋槽等表面。圖1-4 DK6825數控旋轉電加工機床示意圖18Fig.1-4 Schematic of DK6825 NC rotary EDM machine tool184.科技大學的賈志新等在水平雙軸回轉電火花加工裝置（如圖1-5所示）上進行了水平雙軸回轉電火花加工實驗研究19。分析了水平雙軸回轉電火花加工中影響加工速度、電極相對損耗與加工表面粗糙度的主要因素, 為加工實踐提供了一定的依據。圖1-5 水平雙軸回轉電火花加工裝置簡圖19Fig.1-5 Schematic of horizont

37、al twin axes rotating EDM equipment195.華南理工大學的鋼等則根據國現(xiàn)階段回轉式電火花展成加工過程中需要先制造出工件電極，然后通過電火花加工制造工具電極，最后利用工具電極展成加工出工件的情況。針對矩形齒、梯形齒和列表曲線齒，提出采用齒廓法線法，分析其回轉式電火花展成加工的成形運動方式，建立數學模型；并在Delphi6.0環(huán)境下進行計算機模擬驗證，得到工具電極的輪廓數據點。然后利用數控機床加工出工具電極，并在自制加工裝置上進行了回轉式電火花展成加工實驗驗證4。在國外，對于電火花加工技術成形運動方式的創(chuàng)新優(yōu)化主要還是表現(xiàn)在單獨地增加工件主軸或者工具主軸的回轉運動

38、上2023，而對于包含兩個或兩個以上回轉軸的新型電火花加工工藝回轉式電火花展成加工技術的研究還鮮見于相關文獻或報告中。1.3.2回轉式電火花展成加工控制技術的研究現(xiàn)狀由于工藝的特殊性與其放電的復雜性，回轉式電火花展成加工對其控制系統(tǒng)，特別是伺服進給控制部分有著其特殊的要求。目前對于回轉式電火花展成加工控制技術的研究現(xiàn)狀主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1.少部分回轉式電火花展成加工的控制仍采用手動調節(jié)。如航空航天大學的高長水等為加工微細電極與微細軸，設計了采用手動調節(jié)的電火花線電極磨削機構24；工業(yè)大學的關佳亮等采用手動微調的方法進行了金屬結合劑超硬磨料砂輪動態(tài)電火化精密修形技術的研究25，如圖1-6所

39、示；華南理工大學的鋼在回轉式電火花展成加工的研究中采用手動調節(jié)來控制加工4。圖1-6電火花在位、動態(tài)修形裝置25Fig.1-6 Equipment with on-site dynamic EDM252.大部分回轉式電火花展加工沿用普通電火花加工伺服進給控制技術或在普通電火花加工控制技術的基礎上稍作改進。如航空航天大學的宋小中、云乃彰等人在數控電火花加工機床上采用普通電火花加工伺服進給控制技術分別進行了水射流鉆曲面導流輪和小模數漸開線齒輪的加工2627；大學的周憶、梁錫昌等采用普通電火花加工伺服進給控制技術控制加工螺旋齒輪28(如圖1-7所示)；中國農業(yè)大學的桂香等改進放電間隙識別方法，也是采

40、用普通電火花加工的伺服進給控制技術進行電火花磨削加工的研究29。圖1-7螺旋齒輪加工原理圖28Fig.1-7 Schematic of machining helix gear283.開始有了針對回轉式電火花展成加工的特點，研究專用的伺服進給控制系統(tǒng)。如針對電火花磨削的特點，航空航天大學的耿春明等在研究電火花磨削加工伺服控制技術時,提出了基于周期性和局部性特點的間隙放電狀態(tài)檢測的伺服策略30；工業(yè)大學的夏繼強等提出在回轉式電火花展成加工中少量的短路能自動消除的觀點，采用周期性脈沖計數實現(xiàn)對放電間隙的伺服控制，并設計了專用的放電狀態(tài)檢測模塊18。但是，這些控制技術都還只是針對某一特定類型或某一特

41、定零件的加工，其專用性太強，缺乏必要的通用性和柔性。1.4 本課題的來源、研究目的與意義、主要研究容1.4.1 課題來源市科技發(fā)展專項資金項目(編號：03030091)：瓷拋光機磨頭中變螺旋角齒輪的電火花展成加工技術研究1.4.2課題的研究目的與意義本課題針對目前回轉式電火花展成加工控制技術的水平較低，缺乏通用性等特點，在分析回轉式電火花展成加工特征的基礎上，系統(tǒng)研究回轉式電火花展成加工的控制技術，開發(fā)出一種通用性能較強的回轉式電火花展成加工控制系統(tǒng)。本課題的研究有助于提高回轉式電火花展成加工的性能，有助于豐富回轉式電火花展成加工的控制理論，對進一步擴大回轉式電火花展成加工的應用圍、推動回轉式

42、電火花展成加工技術的發(fā)展具有較大的現(xiàn)實意義。1.4.3 課題研究的主要容1.對回轉式電火花展成加工的特征進行研究分析。根據電火花加工的基礎理論，并部分結合實驗觀察的手段，對回轉式電火花展成加工的特征進行研究分析，為實現(xiàn)加工控制提供依據。2.分析回轉式電火花展成加工所需的成形運動，并對成形運動的控制方法進行研究，以消除加工過程中成形運動的累積誤差。3.對回轉式電火花展成加工的進給控制技術進行研究，主要包括回轉式電火花展成加工的放電間隙狀態(tài)檢測方法研究和進給控制算法研究兩方面的容。4.研制出回轉式電火花展成加工的控制系統(tǒng)。主要包括控制系統(tǒng)的結構設計、硬件設計與控制軟件的編寫三方面的容。5.回轉式電

43、火花展成加工的加工實驗研究。通過加工實驗對控制系統(tǒng)的性能進行驗證和評估，并加工出1-2種典型的零件，如直齒圓柱齒輪等。第二章 成形運動控制與控制系統(tǒng)的結構設計在回轉式電火花展成加工中，其控制系統(tǒng)必須具備以下功能：成形運動控制、放電狀態(tài)檢測、加工時的主要狀態(tài)參數顯示以與為使操作更加靈活方便的其它一些輔助功能，為此，本章在研究回轉式電火花展成加工成形運動控制技術的基礎上，進行了回轉式電火花展成加工的控制系統(tǒng)的結構設計。2.1回轉軸驅動方案的研究由回轉式電火花展成加工原理可知，在回轉式電火花展成加工中，必須嚴格保證工具電極和工件電極的角相位對應關系，即（2.1）式中：工具電極的實際角速度工件電極的實

44、際角速度工具電極與工件電極回轉時的同步周期工具電極的初始角相位工件電極的初始角相位整數又在回轉式電火花展成加工時，其加工效率比較低，因而工件的成形是一個較長的持續(xù)過程。如果分別對各軸的轉速進行單獨控制，即使回轉軸間的角速度誤差很小，其經過很長一段時間后所積累的角相位誤差也會變得很大，從而產生致命性的錯誤，導致加工失敗。這一點可采用下列公式來分析，即（2.2） （2.3）式中：工具電極的角位移工件電極的角位移工具電極的名義角速度工件電極的名義角速度工具電極的角速度誤差工件電極的角速度誤差加工時間聯(lián)合式（2.2）、（2.3）可得工具電極與工件電極間的角位移差為：（2.4）所以，經過一段時間后，工具

45、電極與工件電極的角相位累積誤差為：（2.5）由此可知，如果角速度誤差、是穩(wěn)定不變或呈單方向變化的，即使很小，當時，角相位累積誤差。從以上分析可知，在實際加工過程中可以對進行在線檢測，并通過反饋控制對、進行實時在線調節(jié)，分別使它們盡可能地接近、，從而把回轉軸間的角相位誤差控制在允許的圍。目前大部分的回轉同步都是采用此方法，但該方法控制較為復雜，而且成本較高。而如果角速度誤差、的符號（或）是呈周期性變化的，則誤差可產生抵消，也即可能出現(xiàn)角相位累積誤差0。這一特性與步進電機在驅動脈沖頻率穩(wěn)定不變時的實時轉速的特性是一致的，即（2.6）式中：步進電機的回轉周期步進電機的角速度誤差此外，在驅動脈沖頻率較

46、高的情況下，由于慣性的作用，步進電機的轉速較均勻。而且對于兩個同一類型的步進電機，在驅動脈沖頻率一樣的情況下，其主軸之間的角位移誤差在某一時間段（同步周期）的累積為0。因此，采用步進電機可以較容易抑制回轉軸間回轉誤差的膨脹。但是因步進電機是以步進的方式運轉的，如果采用傳統(tǒng)的步進電機驅動方法，由于電機的步距角較大，使得電機運轉不連續(xù)，而且每走一步都會產生一定的振動和噪聲，這一點在低頻工作時尤為明顯，這樣就會影響加工的穩(wěn)定性和精度。要使步進電機運轉平滑、提高對執(zhí)行機構的控制精度，減小步進電機的步距角是行之有效的方法。減小步距角可以通過選擇小步距角的步進電機來實現(xiàn)，但小步距角步進電機的制造受機械加工

47、的限制，使成本大大提高。減小步距角的另一種方法是改變電機繞組中的電流狀態(tài)數，也就是采用細分驅動技術來實現(xiàn)這一目的31。步進電機細分驅動技術是70年代中期發(fā)展起來的一種可以顯著改善步進電機綜合使用性能的驅動控制技術32。其設計的基本原理是：將步進電機繞組中的電流進行細分，即把常規(guī)的矩形波供電改為階梯波供電，使繞組中的電流經過N個(N為細分級數)階梯才能達到額定值，且以同樣的方式從額定值下降到零33。如圖2-1所示，圖2-1(a)、(b)分別為無細分驅動和采用細分驅動且轉速一樣時步進電機的實際測量轉速曲線圖（為角速度，為時間）。(a)無細分，驅動頻率120HZ(b)25細分，驅動頻率3000HZ圖

48、2-1步進電機的轉速曲線圖Fig.2-1 Rotate speed curve of stepping motor從圖2-1中可以看出，步進電機在低速運行且無細分驅動時，運轉不連續(xù)且振動明顯（如圖2-1(a)所示）；而在同樣的運行速度，但采用細分驅動時，轉速明顯變得平穩(wěn)且消除了明顯的振動（如圖2-1(b)所示）。因此，本文中選用步進電機作為各回轉軸的驅動電機，并采用細分驅動技術驅動各軸電機。2.2成形運動控制技術的研究同樣根據加工原理可知，回轉式電火花展成加工與普通電火花加工不同。因普通電火花加工時工具電極的形狀與被加工工件的形狀基本一致，加工時只是簡單地把工具電極的形狀“復印”到工件上；而回

49、轉式電火花展成加工時工件的成形是依靠各個成形運動協(xié)調完成的。因此在回轉式電火花展成加工中，除了工具、工件兩個電極的回轉運動外，一般還存在其它一些運動要求。例如本研究中采用的自制的變螺旋角齒輪的回轉式電火花展成加工裝置，其結構如圖2-2所示。圖2-2 回轉式電火花展成加工裝置結構示意圖Fig.2-2 Schematic of revolving electric discharge generating machining equipment圖2-2中P軸、T軸依次為工件和工具電極主軸，并分別由P軸電機和T軸電機驅動；而L軸則由L軸電機驅動，實現(xiàn)工具電極在回轉運動的徑向方向上進給/回退。另外，當

50、加工特殊零件（如漸變螺旋角齒輪）時，還需要通過R軸電機驅動R軸，從而實現(xiàn)T軸在回轉的同時隨搖臂按一定的規(guī)律擺動。在實際加工時，為滿足加工不同表面形狀的工件的需要，P軸與T軸之間的回轉還要根據工件與工具電極的直徑不同而設定不同的整數轉速比，并始終保持工件與工具電極回轉的方向相反。根據本文第一章中介紹的回轉式電火花展成加工的原理可知，當為整數時，在加工過程中工具電極上某一固定角方位和工件上某個或某幾個固定角方位嚴格保持對應關系。如果把T軸的回轉運動看作沿直角坐標系中X軸的直線運動，把P軸的回轉運動看作沿直角坐標系中Y軸的直線運動，則P軸與T軸運動的合成就是一條從原點出發(fā)，斜率為的射線，如圖2-3所

51、示。圖2-3 P軸與T軸的轉速比關系圖Fig.2-3 Diagram of rotational speed ratio between P-axis and T-axis由圖2-3可知，射線在數控系統(tǒng)中可以很方便地采用直線插補的方法插補出來。所以，P軸和T軸之間的定比回轉運動控制完全可以考慮采用數控技術中的插補原理來實現(xiàn)。同理，對于需要增加T軸與R軸聯(lián)動的加工場合，R軸的擺動與T軸的回轉之間也要符合嚴格固定的規(guī)律，也就是說R軸的擺動位置與T軸的旋轉位置之間也有嚴格固定的對應關系，而且R軸的擺動周期與T軸的回轉周期之間是成整數比的關系。所以，如果把T軸的回轉運動和R軸的擺動分別看作直角坐標系中

52、的X軸和Y軸，則T軸與R軸的聯(lián)動將是直角坐標系中具有穩(wěn)定周期的曲線或折線，如圖2-4所示（此處以正弦曲線為例）。這樣一來，也可采用直線或圓弧的插補原理進行T軸與R軸的聯(lián)動控制。圖2-4 T軸與R軸的聯(lián)動關系圖Fig.2-4 Diagram of movementbetween T-axis and R-axis因此，本文從編程簡單、傳送方便、容易實現(xiàn)等方面出發(fā)，采用3B代碼編程34，利用插補原理來實現(xiàn)對P軸和T軸之間的定比回轉、T軸與R軸聯(lián)動的控制。而隨著數控技術的發(fā)展，插補原理日趨成熟，且類型眾多，所以要實現(xiàn)本文中的插補控制，可選的插補類型有多種。但考慮到P軸、T軸和R軸運動的實時性要求較高

53、，因而從控制算法的簡易程度考慮，采用逐點比較法是比較合理的35。以上分析的是回轉式電火花展成加工成形運動中的回轉運動，而至于成形運動中的另外一個運動伺服進給運動，是一個相對獨立的運動。該運動與P軸、T軸和R軸的運動都無直接的關聯(lián)，由伺服進給控制系統(tǒng)根據放電狀態(tài)信號控制L軸電機實現(xiàn)。2.3控制系統(tǒng)的總體結構設計控制系統(tǒng)要實現(xiàn)其各項控制功能，必須具備完善的硬件結構作支撐。但另一方面，控制系統(tǒng)硬件結構的設計又要根據控制系統(tǒng)的控制功能，因為只有這樣設計出來的硬件結構才能合乎控制系統(tǒng)的實際控制需求。2.3.1功能分析由圖2-2可知，采用自制的回轉式電火花展成加工裝置進行加工時，所要控制的是4個電機(分別

54、是P，T，L，R四個軸的驅動電機)的運動，以與對加工狀態(tài)信號的監(jiān)控。因此在實際加工時，控制系統(tǒng)必須具備以下控制功能：1.實現(xiàn)對各回轉軸的控制。在進行一般的回轉式電火花展成加工時，工具電極無需作往復的擺動，也即R軸電機不工作，此時只需控制P軸、T軸和L軸電機的運動；而在進行特殊零件（如漸變螺旋角齒輪）的回轉式電火花展成加工時，不但要控制P軸、T軸與L軸電機的運動，同時還要控制R軸電機的運動，以實現(xiàn)工具電極的往復擺動。2.實現(xiàn)對加工狀態(tài)的快速檢測。加工時實時檢測工件與工具電極之間的間隙放電狀態(tài)（放電，短路，開路和脈沖間隔），并快速地對間隙放電狀態(tài)信號進行處理判別檢測周期間隙放電狀態(tài)。然后發(fā)出伺服控

55、制信號，伺服進給控制系統(tǒng)則根據該信號控制伺服進給驅動電機（L軸電機）的運動。2.3.2總體結構設計由于隨著計算機技術、基礎電子技術的快速發(fā)展和廣泛應用，PC機逐步進入控制領域，極豐富了控制系統(tǒng)的軟硬件資源，有利于實現(xiàn)總線式、模塊化、開放化的控制系統(tǒng)，使其具有很高的性能價格比36。因此，根據控制系統(tǒng)的功能分析，本文研制的回轉式電火花展成加工控制系統(tǒng)采用上位PC機加下位控制模塊的主從式兩級控制結構，如圖2-5所示，它由控制核心部分、驅動與功放部分、加工裝置部分等部分組成。圖2-5 控制系統(tǒng)硬件結構框圖Fig.2-5 Block diagram of control system hardware

56、structure其中系統(tǒng)中的上位PC機具有豐富的系統(tǒng)資源和強大的運算能力，主要完成人機交互與數據處理功能。上位PC機通過RS232串行口與下位控制模塊進行通信，上位PC機把規(guī)定的命令控制字符或數據字符串傳送給下位控制模塊。下位控制模塊是系統(tǒng)構成的基礎與關鍵，它采用單片機控制。在接收到上位PC機發(fā)出的控制指令或數據字符串后，單片機則根據接收到的容分別執(zhí)行相應的執(zhí)行模塊。因而實際加工時操作上位PC機軟件即可控制下位控制模塊實現(xiàn)成形運動控制、數據字符串的接收等一些實時性和可靠性比較高的操作，同時，下位控制模塊把當前的加工信息（如當前的加工狀態(tài)信號、各軸的位置）傳輸到上位PC機中運算并顯示出來。2.3.3 下位控制模塊的設計由圖2-5可知，在下位控制模塊