硕士学位论文-复合加工机床开放式控制系统与脉冲电源的研制与开发.pdf

山东大学硕士学位论文复合加工机床开放式控制系统与脉冲电源的研制与开发姓名：李磊申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：路长厚2002.11.16山东大学硕士学位论文摘要本文对超声一放电复合加工数控机床的控制系统和脉冲电源进行了研究与开发。基于PMAC卡开发了复合加工机床开放式交流伺服控制系统。以PC机作为控制系统平台，采用VC+语言编写了人机界面，完成加工程序编写、加工参数设定以及加工状态显示加工程序下载至PMAC卡，完成相应的交流伺服运动控制。整体设计以模块化方式进行设计，可方便用户对系统进行定制，使系统具有更好的适应性。，研制开发了与复合加工机床配套的单片机控制的电火花脉冲电源。|在线完成放电电流、电压，放电脉冲宽度、间隔的参数设定与控制。对于间隙工作状态检测，采用了F转换设定阀值进行加工电流比较的新型测量方法，解决了间隙工作状态判定的快速性和准确性。在电路设计中，利用光电隔离、FlY转换等措施，解决了脉冲电源的可靠性问题。对运动控制系统进行了各种运动动作调试，达到了预期效果。对脉冲电源进行了初步放电实验，得到了一组实验结果；实验结果表明：新型脉冲电源原理正确，能够满足复合加工机床的使用要求。一、，一、关键词：皂丝壬苣加工超声_皇奎蕉塞盒加工曼垒箩卡苎窭壁!|l电源，享鎏够电机第lIl页山东大学硕士学位论文ABSTRACTThecontrolsystemandpulsepowersupplyofelectrodischargemachining(EDM)combinedwitlIultrasonicmachiningrUSM)numericalmachinetoolarestudiedanddevelopedinthispaperTheopenACservocontrolsystemofthecomplexmachinetoolisdevelopedonthebaseofPMACByusingthegeneralPCastheplatofcontrolsystemandVC+languageforprogrammingthehaman-machineCanaccomplishthecompilingofmachiningprogram，thesettingofmachiningparametersandthedisplayofmachiningconditionsBydownloadingthemachiningprogramstoPMACthecorrespondingACservomotioncontrolofthemachinetoolisachievedThedesignbasedonmodulesmakesiteasierfortheuserstooperateTherefore，theWholesystemownsmuchbetterflexibilityApulsepowersupplycontrolledbythesinglechipmicro-computerisresearchedanddevelopedforcomplexmachinet001Thedischargecurrentandvoltageandthepulsewidthandintervalofthepowerc锄besetandcontrolledonlineInthedetectingoftheworkingconditionofdischarginggapF，VconveneriSusedtosetthresholdSOthemachiningcurrentcanbecomparedAndthequicknessandexaetnessproblemissettledDuringthedesigningofthecircuittheoptooouplerandF，vconverterareusedtoenhancethereliabilityofthepowersupplyThemotioncontrolsystemiStestedbythemovementdebuganditachievestheidealresultsAndforthepulsepowersupplythedischargingexperimentsaredone，andagroupofdataisgainedTheexperimentalresultsshowthatthetheoryofthepulsepowersupplyisfightanditCanmeetthebasicdemandscomplexmachinet001Keywords：EDMCompllectric-dischargeofultrasonicPMACMachinetoolPulsepowersupplyAC-servomotor第1V页山东大学硕士学位论文第1章绪论伴随着难加工材料及复杂盐面加工丽逐步发展成熟起来的特种加工技术，在计算机技术、现代电力电子技术、网络技术及航天、航空、模具制造等高新技术的推动及市场牵引下，正朝着更深层次发展。电火花加工(EDM)和超声加工(USM)作为特种加工的两种重要方法也得到了快速充分的发展。而把两者有机结合起来的超声波电火花复合加工方法是近几年来新出现的光整加工技术。它充分利用了电火花加工和超声加工的优点，通过在电极上附加超声振动，就可以使电极端面频繁进入合适的放电间隙，提高火花击穿的概率；同对由于超声的空化作用和泵吸作用，可以增大被加工材料的去除量，加速工作液循环，改善间隙放电条件，从而提高加工稳定性、生产率和脉冲电源的利用率，并且在振幅得到良好控制的情况下，可以获得更高的加工精度旺，。11超声一电火花复合加工的提出电火花加工是利用处于液体介质中的工具电极和工件电极闯的火花放电所产生的高热，熔化、汽化、蒸发蚀除工件材料。适合于导电性材料的加工，由于加工中的材料的去除是靠放电时的电热作用实现的材料的可加工性主要取决予材料的导电性及其热学特性，几乎与其力学性能无关。这样就可以用软的工具加工坚韧的工件。电火花加工也可以加工特殊及复杂形状的零件，加工中工具电极和工件不直接接触，没有机械加工的宏观的切削力，因此适宜加工低刚度工件及微细加工。又可以简单的将工具电极形状复制到工件上，因此特剐适用于复杂表面形状工件的加工，并且易于实现数控。但是电火花加工也存在一定的局限性，例如，主要用于加工导电性材料，电极损耗影响加工精度。超声加工是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工脆硬材第l页山东大学硕士学位论文料的一种成型方法口1。与电火花加工、电解加工、激光加工等特种加工技术相比，超声加工时既不依赖于材料的导电性又没有热物理作用，这决定了超声加工技术在硬脆材料尤其是在非金属硬脆陶瓷材料加工方面的广泛应用。但是超声加工本身的效率较低，因此其单独用于加工的场合并不多，但是超声振动带来的一系列力学效应却是不容忽视的。一些学者通过研究发现在电火花加工过程中加入超声振动，可以综合发挥各自方法的优点，提高加工效率和加工精度，实现了较好的加工效果。12超声一电火花复合加工研究现状121国外研究现状1986年，印度Madras工业大学的VSRMufti和PKPhilip使用扫描电子显微镜对火花间隙中超声辐射对电火花加工碎屑的影响进行了详细的研究【l1。其实验条件为：开路电医40V，放电间隙01mm，电极的超声振动频率22KHz，振幅3um。结果显示，大部分碎屑呈现轻微椭圆度的球形，除有个别的中空结构外，其余均为实体结构。电源的脉冲特性明显影响到形成碎屑的尺寸，在超声的作用下碎屑颗粒的椭圆度减小，颗粒尺寸、铜电极的蚀除量和碎屑碰撞的剧烈程度均有明显的增加：同时，实验者指出放电间隙中附加超声辐射场对电火花加工将产生下面的影响：1)空化作用加。剧，增大了放电区中颗粒碰撞的随机性和剧烈程度，使形成碎屑颗粒的尺寸变大；2)放电区中颗粒的受力更复杂，增加了超声场辐射力的作用；3)放电区中声流场交替地变化加速了电解液的循环和扰动效果【2】。英国的RODEYJ等人在1990年申请了电火花超声复合穿孔的专利。主要用于加工在导电基上有非导电层的零件，例如：在金属基上涂有压电陶瓷层的零件。整个加工过程分两个阶段进行：首先用超声振动将非导电层去除掉，当传感器感知金属层出现时，再改用电加工的方法进行加工或电火花与超声复合的方法进行加工。该装置在电火花加I(EDM)的基础上第2页山东大学硕士学位论文附加超声jJil212(USM)，有效地解决了具有导电层和非导电层零件的加工问题。罗马尼亚PolytechnicInstituteofBucharest的STEnache等人对工具电极在振动力作用下的电火花加工进行了研究。建立了电极在外力振动情形下的数学模型。直接预示了超声一电火花复合加工必将改善电火花加工的加工性能。法国的DKremer，JLLebrun等系统的研究了超声振动对电火花加工性能的影响哼1030他们认为电极的超声振动改善加工过程的主要原因是：1)电极表面的高频振动加速了工作液的循环，使间隙充分消电离；2)间隙间很大的压力变化导致更有效的放电，这样就能从弧坑中去除更多熔化的金属，使热影响层减小，热残余应力降低，微裂纹减小。日本的Yashihilo等人研究了压电高频响应驱动器对电火花加工速度的影响，指出高频振动对使用工作液的精加工、高光滑面和0240an微孔的加工速度可提高1525倍。122国内研究现状80年代初，中国纺织工业大学的贺庆华等人进行了超声在精微小孔电火花加工中的应用和超声回转微孔电火花加工的研究。他们指出，采用超声RC非独立式脉冲电源比单纯采用RC非独立式脉冲电源其最大加工速度提高4倍左右，可加工孔深增加。加工效率提高的原因是由于超声空化作用使电火花加工中的电蚀产物从放电间隙中细化并抛出，从而提高了脉冲电源的利用率41。哈尔滨工业大学的郭永丰在国内首次提出了超声电火花同步复合jjn-r小孔技术，使超声复合电火花加工速度提高了21PA50，并提出了放电概率闻隙的概念【5l。他认为，若使电极端面的超声振动与电火花脉冲放电同步起来，电极端面的超声振动引起间隙随超声振动周期性地减小和增大，每经过一次超声振动，间隙变化次，在间隙减小到最小间隙之前，产生一次电火花瞬时击穿放电，理论上间隙每周期性地变化一次，就能引起一篇3丽山东大学硕士学位论文次电火花放电的超声一电火花复合加工。南京航空航天大学的钱军等人进行了工件激振式复合电火花微细孔加工的研究。它跟以往的超声电火花复合加工的不同之处在于，通过工件的微幅激振改善微细电火花加工工作液的循环，进而提高微细电火花加工的脉冲利用率和微细孔加工的深径比。哈尔滨工业大学的金长善等人，对喷丝板超声波电火花磨料复合加工进行了研究，在一定程度上解决了生产率与表面粗糙度之问的矛盾泊1。山东工业大学张建华教授等人提出了基于机械脉冲放电原理的超声间隙脉冲放电加工新技术。将超声波加工与电火花加工有机的结合，摆脱了超声加工与电火花加工简单叠加的局限性，使用普通的直流电源，通过极阳J侧隙的周期变化实现材料的去除，使脆硬材料的加工速度大大提高哺1。哈尔滨工业大学杜松岩进行了方波电源超声电火花复合加工研究。他指出，窄脉宽精徽anT时，超声振动不仅起到促进排屑作用，而且使电蚀产物在电极间分布均匀，使击穿延时缩短，最主要的是大幅度提高了脉冲的利用率，从而显著她提高加工速度；特别适用于微小孔、窄缝的加工。13超声波一电火花复合加工设备现状及发晨趋势131电火花加工设备的发展状况电火花放电加工是超声波电火花复合加工方法的重要组成部分，对电火花放电加工技术的发展进行回顾分析是极为必要的。(1)电火花加工系统的发展过程电火花加工技术发明于1943年。在发明后的十几年时间里，电火花加工技术得到迅猛发展，发达国家相继研制出了电火花穿孔机床。50年代，电火花加工技术走出实验室进入初期使用阶段。1954年在意大利举办的欧洲机床博览会上首次展出了电火花加工机床。1956年，我国研制出第一批商品电火花加工设备。第4页山东大学硕士学位论文60年代，电火花加工设备使用的脉冲电源由电子管、晶闸管式结构向可控硅、晶体管式结构过渡，而伺服系统以液压伺服为主流，但是开始向电动机伺服方向发展，使电加工机床的可靠性、控制灵活性得到很大程度的提高。在这个阶段，平动头和石墨电极的使用，使电火花加工技术日益完善。另外，中小规模集成电路的出现，使电火花加工机床控制初步数控化。国外，1968年，研制出了初步适应控制系统的电火花加工设备，1969年，推出了数控电火花加工机床。国内，研制出了电脉冲机床、电火花成型机床、光电跟踪和数控电火花线切割机床以及快速走丝电火花线切割机床，值得一提的是，当时我国的电火花线切割机上应用数字程序控制技术要比瑞士AGIE公司早6年左右。70年代至80年代，随着大规模集成电路与超大规模集成电路制造技术的成熟，数控电火花加工机床不断涌现；脉冲电源的性能、功能得以逐步提高。1972年，国际上首次展出了计算机控制的屯火花线切割机床，1973年又展出了直接数字控制电火花线切割机床。而国内在进行大型电火花线切割机床工艺的研究、冲模加工以及异型孔加工研究的同时，非常注重脉冲电源性能提高研究，研制了高频脉冲电源、可控硅低损耗电源、复式晶体关脉冲电源等，取得了一些重大科研成果。这个时期研制的电火花加工机床，可以完成切割、精密冲模加工、喷丝板异型孔加工等加工工艺。进入80年代以至90年代，电火花数控加工技术得到迅猛发展。世界上发达国家，如瑞士、日本等国，相继推出了先进的数控电火花加工设各，这些设备基本上代表了现代电火花加工的技术方向和水平。比较有代表性的产品有：日本SODICK公司生产的MARKEXCELLENCE21电源系统、瑞士CHARMILLS公司生产的ROBO30系列、31系列以及100系列电火花加工机床、AGIE公司生产的AGIETRONC系列电火花加工机床等；其中，ROBO30系列、31系列电火花成型机床，配有最新的专家系统，可按照CRT上所显示的电极三维立体图形自动生成加工程序、设定最佳加工规准系列：而这些加工规准可掇据放电面积、加工深度等变化随时自动调整；新型电火花铣床ROBOMIL200，可以接受CAD系统传来的三维图形，自动生成粗、精加工的轨迹和规准。这些厂家依靠其精密机械制造的雄厚实力，通过两轴、第5页山东大学硕士学位论文三轴或多轴数控系统从根本上鳃决了工艺技术中的定位精度问题：通过采用工具自动交换系统，对简化工具电极和变革成形工艺方法起到了关键性作用；通过采用数控或机械式多方向伺服平动、摇动方案，在优化加工性能方面获得了良好的效果：通过高性能、多参数适应控制，推动了机器操作无人化。(2)电火花加工控制系统电火花加工的控制系统是电火花加工技术的核心。伺服进给控制系统和脉冲电源加工规准的选择及调整直接关系到产品的质量、加工效率和加工稳定性。在控制系统中，加工间隙的放电状态检测是电火花加工控制系统的关键环节【12】。1)模糊控制技术电火花加工技术虽得到了不断地发展完善，但由于对火花放电间隙的放电机理不十分清楚，外部的影响因素较多，因此，对电火花加工过程难以精确地建立起理论模型。在这种情况下，传统的经典控制方法及现代控制理论都很难达到预期的控制效果，而模糊控制技术则是解决电火花加工控制技术难题的主要途径之一。电火花加工的模糊控制系统是一个反馈控制系统。主要由电火花模糊控制器、被控对象及加工状态检测装置组成131。模糊控制器原理采用模糊控制技术能够减少加工质量对操作者技术的依赖，使得系统操作简单、控制方便，只需简单地输入少量的加工条件，便可得到满意的加工质量，并且在加工过程中可进行各加工参数的优化，自动化程度较高。因此，与无模糊控制技术的电火花加工相比，加工速度可提高2030。模糊控制技术特别适合对深槽、筋板、多胶复杂形状零件的电火花加工。模糊控制技术被广泛地应用在新型电火花加工机床上，如瑞士的夏米尔公司、阿奇公司，日本的三菱电机公司、沙迪克公司在市场上都有成熟的产品。目前，电火花加工中的模糊控制技术在国产电火花加工机床上也得到了应用。2)自适应控制技术自适应控制技术是当今电火花加工系统过程控制的主流技术。利用自适应控制技术的系统，即为自适应控制系统。自适应控制系统是一种自身第6页山东大学硕士学位论文结构、参数、环境干扰等都存在某种不确定性的非线性控制系统，它在运行期间能够在线的累积有关的控制信息，并利用这些信息自行修正系统的结构、参数和控制作用，使系统处于要求的或者接近最优状态。常用的自适应控制系统有：随机自适应控制系统和模型参考自适应控制系统两种。许多电火花加工试验和电火花加工系统以不同的物理量为检测对象，作了电火花加工过程自适应控制研究。比利时鲁文大学的RsONEYs教授等以间隙放电延时为检测量，以材料去除率为控制目标，控制伺服参考电压和脉冲间隔时间，进行了“登山寻优法”的自适应优化控制研究C18。英国伯明翰大学的SKBhattacharyya等人以火花放电高频分量为间隙放电状态检测量，研制出防电弧的自适应微机控制系统9列。美国的KPRajurkar等人以相对放电率为检测量，以相对放电率构造了线性函数作为评价标准，研制了防电弧自适应控制系统，材料去除率提高40212230国内苏州电加工机床研究所的王恩济等人通过监测非正常火花放电状态，对脉冲电源参数，伺服参考电压以及平动头进行自适应控制，研制了SPD0c系统。哈工大的赵万生教授进行了电火花加工过程控制自适应抬刀控制研究。132超声加工设备发展现状超声加工设备包括超声发生器、超声振动系统、机床本体和磨料工作液循环系统。超声发生器的作用是将工频交流电转变为有一定功率输出的超声频电振荡，以提供工具端面往复振动和去除被加工材料的能量，它主要由振荡级电路、电压放大电路、功率放大级电路以及电源四部分组成。声学部件的作用是将高频电能转变为机械能，使工具端面做高频率小振幅的振动以进行加工。机床本体除了作为声学部件的支架和工作台面外，还为工件进给机构提供可以调节的静压力。目前，一些先进的超声波加工系统已经借鉴了数控加工设备的功能、特点，出现了超声波加工设备数控化的趋势。较有代表性的是美国ExtrudeHoneCorp生产了Sonex300超声波加工设备，功率1KW，超声波频率20KHZ，可以进行三轴联动的静态或旋转加工，利用一个简单工具即可以加工出复第7页山东大学硕士学位论文杂的型面：其加工软件编制、系统操作在WINDOWS环境下进行实现了多任务操作。，133超声波电火花复合加工设备发展现状和趋势超声波电火花复合加工系统，指的是既能实现单独超声波加工、单独电火花加工，又能完成超声波电火花复合加工的加工设备。目前，较高水平的超声波电火花复合加工数控成品设备还未见报道。哈工大的杜松岩、郭永丰分别作了方波脉冲电源和超声波简单叠加、RC脉冲电源与超声波同步复合加工的实验研究，但是都没有数控化；我校首次提出了机械脉冲复合加工技术概念，利用特制砂轮的旋转产生脉冲，进行放电磨削复合加工，还作了RC脉冲电源与超声波复合加工陶瓷材料的实验和生产实际应用研究。需要指出的是，RC脉冲电源简单，但电极损耗快、过程不可控。可见较高性能的复合加工设备目前还是一个空白。此外，电火花加工过程中，金属工件和工具的局部发生急剧熔化和气化，同时工件与工具加工间隙之间的绝缘介质也迅速蒸发分解，因此电火花加工过程中排放烟雾的成分与工具、工件、绝缘介质的材料、粘性等性质有关。这些烟雾对人体神经系统、心血管系统、呼吸系统、视力、皮肤组织等都有一定程度的危害。此外，电火花加工过程的电磁辐射以电磁波的形式在空间传播，不仅影响脉冲电源本身和周围电器工作的可靠性，而且人体在一定强度的电磁场作用下，可能导致中枢神经系统功能失调，甚至导致心血管系统出现某些异常情况们。电火花加工过程的电磁辐射包括两部分内容。一部分是放电过程的电磁辐射。观测电火花加工过程中脉冲电源的电压和电流输出波形，其中含有大量的高频分量，且输出电压和电流中的高频分量已经作为鉴别电火花放电状态的检测信号【17l。另一部分是脉冲电源的电磁干扰脉冲电源内部的功率管工作在开关状态，且工作频率越来越高。高频功率开关管和二极管以及功率转换变压器中电流、电压值的高速变化，构成了电磁干扰，最高等效开关频率能达到几兆次数量级。电源内部元件，如功率开关管的存储时间，大电流开关二极管的反向恢复时第8页山东大学硕士学位论文间，将会造成回路瞬间短路，产生很大的短路电流，此电流值往往要比正常工作电流大很多倍。凡是短路电流回路中的导线、变压器和电感都是产生噪声的干扰源。因此，有人提出了绿色电火花rot的概念。绿色电火花加工的研究内容包括：(1)高效节能脉冲电源的研制；(2)提高脉冲电源的电磁兼容性：(3)处理“三废”。高效节能电火花加工脉冲电源节能绿色化的脉冲电源层出不穷。全新主回路结构和全新控制方式的高效节能脉冲电源技术日益成熟，正逐步取代电源效率低于25的传统脉冲电源。电火花加工脉冲电源的电磁兼容性电磁兼容性(ElectromagneticCompatibility，简称EMC)的含义是：设备或系统在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。电火花加工气体处理和防火防爆对于在电火花加工中散发的气体，一方面采取通风或者排气处理等措施，保证操作环境清新；另一方面选用产生有害气体成分少、浓度低、工艺性能良好的液体介质作工作液，例如水介质，其有害气体相对减少【16】。综上所述，随着对加工精度和加工效率要求的提高，以及人们环保意识的增强，对超声波电火花复合加工机床的要求也就越来越高，因此综合应用数控技术、多媒体技术、以及绿色电火花加工技术是复合加工机床的必然趋势。14本课墨研究的意义及主要工作141本课置研究的意义随着生产发展和科技的进步，很多工业部门，尤其是国防工业部门要第9页山东大学硕士学位论文求尖端科学技术产品向高精度、高速度、高温、高压、大功率、小型化等方向发展，它们所使用的材料愈来愈难加工，零件形状愈来愈复杂，表面精度、粗糙度和某些特殊要求也愈来愈高。仅依靠传统的切削加工方法很难实现，甚至根本无法实现。而采用特种加工则可以轻松进行加工，目前国内使用的特种加工机床有瑞士的阿奇，日本的沙迪克等。这些机床虽然具有很高的加工精度和加工效率，但是它们价格昂贵，并且维护起来非常麻烦。我国的电火花及其复合加工机床在数控化方面也有了很大的发展，已经制造出性能稳定的单轴或多轴联动的数控机床，它们的自动化程度和实际加工的工艺水平也有了很大提高。但是，由于我国数控机床总体发展水平不高，在很大程度上制约了电火花复合加工机床的数控化水平的提高。因此，开发出一种具有高性价比的特种加工机床是很有必要的。本课题提出的超声振动一间隙脉冲放电复合加工技术结合了超声波加工、电火花加工的优点，适合于对难加工材料进行高效率、高质量的成型加工，其研究成功将具有很高的经济效益。142本课曩主要研究的工作(1)基于PMACI控制板组建超声一电火花复合加工设备的伺服控制系统(2)开放性数控系统程序和界面的开发(3)开发加工用数字脉冲电源(4)初步实验调试第10页山东大学硕士学位论文第2章基于PMAC开放型数控系统构建随着计算机技术的飞速发展，采用通用PC机发展开放式数控系统，已成为数控系统技术发展的最新潮流。从目前研究来看，开放式数控系统体系结构还没有统一、明确的概念，实现技术还处于百家争鸣的阶段。IEEE定义开放式系统为“一个开放式系统应能使得各种应用系统可以有效地运行于不同供应商提供的不同平台之上；可以与其它应用系统相互操作，并具有风格一致的用户交互界面【l”。一般来说，对于开放式数控系统都强调五个方面的性能特征：即插即用Qlugplay)：数控功能采用模块化的结构且各模块具有即插即用的能力，以满足具体控制功能要求。可移植性(portability)：功能模块可运行于不同的控制系统内。可扩展性(expandability)：功能相似、接口相同的模块之间可相互替换，有随技术进步而更新硬软件的可能。可缩放性(sealability)：控制系统的大小(模块的数量与实现)可根据具体的应用增减，成为规模化系列产品。互操作性(interoperability)-模块之间能相互协作(交换数据)，容易实现和其他自动化设备互连。因此，一个完全开放的数控系统应该是：以分布式控制原则，采用系统、子系统和模块分级式的控制结构，其构造应该是可移植的和透明的：系统的拓扑结构和性能应是可缩放的，以便根据需要可方便实现重构、编辑，实现一个系统多种用途。即可实现CNC、PLC、RC(RobotContr01)和CC(CellContr01)等控制功能：系统中各模块相互独立，在此平台上，系统厂、机床厂及最终用户都可很容易地把一些专用功能和其它有个性的模块加入其中，进行系统开发设计时，允许各模块进行独立开发，为此要有方便的支撑工具，各模块接口协议应明确，具有一种较好的通信和接口协议，以便各相对独立的功能模块通过通信实现信息交换，通过信息交换满足实第11页山东大学硕士学位论文时控制要求；同时使来自不同供应商的模块之间具有相互操作性。只有这样j能保证机床厂、用户对系统作补充、扩展或者修改ll”。特种加工系统(特别是电火花)适于进行开放式模块化设计，其中一个重要的原因是：人们对于一些特种加工(如电火花放电加工)机理和规律至今还没有完全、彻底的掌握，多数加工过程控制都是凭借加工操作人员的经验进行的，较为先进的模糊自适应控制方法也是参照熟练操作人员的经验制定的251。因此，目前许多先进电火花加工机床还没有发挥出应有的加工效率、达到最好的加工质量。随着对电火花加工机理和规律认识的逐步深入和提高，一些现有的加工设备还可以进行二次功能开发，即追加一些新功能或替换一些旧的功能模块。对特种加工数控机床的数控系统进行开放式设计，改变了原有加工系统封闭、功能不可扩展以及不相互兼容的局限性，可以大量的节约制造商自主开发的人力和物力投入：用户通过对现有加工设备的功能开发，增加了设备的通用性和灵活性，设备易于推广应用。总之，特种加工数控机床进行开放式设计，是加工制造业发展的必然趋势，具有巨大的经济意义和深远的社会意义。21超声波一电火花复合加工设备结构组成本章设计的超声电火花复合加工机床主要完成导电性超硬脆材料的型孔、型腔以及槽加工。实现了以下功能：1)电火花放电加工及其回转加工：2)超声波电火花复合加工及其回转加工复合JDT设备主要由数控系统、机床本体以及超声波发生器和电火花脉冲电源组成。数控系统用于加工程序编制、加工过程控制，并进行加工状态显示等；机床本体是实现工具装夹、工具加工运动的基础部分；而超声波发生器和电火花脉冲电源提供超声波振动和脉冲放电的能源。机床本体是超声波电火花复合加工机床的最基础的部分，它主要用于支撑、固定工件和电极，提供加工过程所需要的各种运动。为了实现孔加工、型槽加工以及型腔加工，复合加工机床的本体，选用台型立式结构如第12页山东大学硕士学位论文图2-1所示。能够完成：图2-1超声波电火花加工机床总体结构图1)工具电极的伺服进给运动2)工具电极的旋转运动3)工具电极的超声振动4)工作台x方向移动5)工作台Y方向移动其中，工具电极的进给运动是实现孔加工必须的基本运动，而工具电极的旋转运动是实现圆孔加工或型腔加工的辅助运动。工具电极的超声波振动是为进行超声波电火花复合jn-c而添加的运动形式。工作台X方向和Y方向移动是为了便于工件装夹、找正定位以及加工坐标孔、型槽和型腔而设计的。22基于嗽CI控制卡实现伺服运动控制由于课题时间紧，任务重为了缩短开发周期，在综合考虑了运行速度、控制精度各方面的因素之后，决定采用PC机和开放式运动控制器PMACI-LITE来构成数控系统。而伺服驱动系统则采用松下公司的MINASA系第13页山东大学硕士学位论文列驱动器和交流伺服电机。数控系统结构原理图如图2-2所示。221PUACI-LITE简介电机圈2-2数控系统结构原理图PMAC(ProgrammableMulti-AxisController)运动控制器是美国DeltaTau公司生产的世界上功能最强的运动控制器之一。它借助于Motorola的DSP5600156002数字信号处理器，可同时实现8轴控制。既可以单独执行存储于内部的程序，也可以执行运动程序和PLC程序，并可进行伺服环更新及以串口、总线两种方式与上位机进行通信。PMAC还可自动对任务优先级进行判别，从而进行实时多任务处理。这一功能使得它在处理时间和第14页山东大学硕士学位论文任务切换这两方面大大减轻了主机和编程器的负担，提高了熬个控制系统的运行速度和控制精度u”“。本系统使用的是PMACILITE卡，它通过ISA总线实现与主机的通讯。此外，该卡还选用了备选件2双端口RAM，可以实现PMAC和主机之间的高速重复不需握手的数据通信。一方面，双端口RAM向PMAC写数据时，在实时状态下能够快速地将位置数据信息或程序信息进行重复下载：另一方面，双端口RAM从PMAC中读取数据时，可以快速重复地获取系统的状态信息。譬如，交流伺服电动机的状态、位置、速度、误差，脉冲电源的状态信息等数据可以不停地被查询、更新，并且能够被PMAC写入双端口RAM。由于双端口RAM的数据存取不需要经过通信口发送命令和等待响应，所以提高了系统的响应速度和加工精度，同时也方便了控制系统中各模块之间的快速通讯。PMAC具有扩展输入和输出能力，能够实现模拟的数字的，特殊功能和一般功能的输入和输出。下面主要介绍一下在系统中用到的一些接口。JMACH(J11)接口主要功能如下：(1)正交编码器输入PMAC可接受O一5V的数字正交编码器输入。对于每个编码器通道PMAC都有差动输入接收线，它既能接受单端输入(每个通道一根信号线)也可接受差动输入(每个通道两根信号线，主线和辅线)，是通过每个编码器的跳线(E18-E21和E24E27)进行设置的。(2)光电隔离专用数字输入标志在JMACH的接口上，每个通道有四个专用的数字输入：+LIMn-LIMn(行程限制)，HMFLn(回零标志)和FAUml(放大器出错标志)(3)专用数字输出标志PMAC的每个通道有两个专用数字输出：放大器使能，方向信号(AENADIRn)和比较相等信号(EQUn)。(4)光电隔离模拟输出PMAC在JMACHIZl上能够提供高精度的模拟输出，它作为一个速度命令，个扭矩命令或一个相电流命令来控制伺服放大器。每个通道提供互补的由16位数模转换器得到的DAC或DAC输出。每个DAC输出范围为10V至lJ+10V，分辨率为300uv位。通用数字输入和输出(JOPlD)口第15页山东大学硕士学位论文PMAC的JOPTO(J5)口，提供了八个普通用途的数字输入和八个普通用途的数字输出。在相对的列上每个输入和输出都有它自己的响应地。这些输入和输出通常使用定义M变量用软件进行读取。在M变量定义中，变量M1到M8分别用于读取输出1到8，MIl到M18分别用于读取输入l到8。该口进入内存的地址为Y：$FFC2。此外，PMAC还提供了像多路拨码开关IO口(JTHW)，控制面板IO口(JPAN)，显示输出口(JDISP)“。222松下伺服简介在该系统中采用了松下公司的MINASA系列交流电机和驱动器。它的速度频率响应能够达到500I-IZ，定位超调时间短，具有共振抑制和控制功能。可以实现高速定位，具有两种自动增益调整模式。具体型号为MSDA043A1A，和MSDA083A1A，它们的输出功率分别为400W和750W，具有2500Pr的增量式旋转编码器。223硬件连接(1)伺服驱动器和电机之间的连接在进行PMAC和伺服驱动器的连接之前，要先将驱动器的主电路和电机编码器连接好这其中包括伺服驱动器的主电路以及驱动器和编码器之间的连接。由于在加工过程中有着强烈电磁干扰所以在主电路中必须考虑到噪声干扰以及电路本身的电磁兼容性问题，因此在主电路中必须采取一定的措施来去除干扰。主电路连接示意图如图23所示。其中，非熔丝断路器(NFB)用来保护电源线，过电流时切断电路；噪声滤波器(NF)用来防止外部杂波进入电源线，并减轻伺服电机产生的杂波对外界的干扰：磁力接触器(MC)用来接i酊断开伺服电机主电源；浪涌吸收器用来吸收外界干扰和电路本身产生的干扰信号；电抗器(L)用来减少主电源中的谐波。电机的编码器要连接到驱动器的CNSiG接口。电机编码器为2500Pr增量第16页山东大学硕士学位论文式编码器，共有1l根引出线。为了减少编码器信号所受外界信号干扰，在连接过程中使用了双绞屏蔽电缆。编码器连接示意图如图2-4所示。在连接完驱动器主电路和编码器之后，为了验证接线是否正确，要对电机进行无负载情况下的试运转。这需要用到JOG功能，如果在JOG下能够正常运转，说明电机和驱动器的状态良好，而且它们之间的连接也是正确的。可以进行下一步的PMAC和驱动器的连接。图2-3驱动器主电路示意图第17页山东大学硕士学位论文IIIIII!|!E!自j寰!自|目!目!目!目自自!E自!E!皇!s!自篁19。ZZZZ旦j竺B!堕!c、!一B4(D)r10口。“。一”一B1A)7AA一2(8)8一一。1。1爿12IR)18斛默llP)【j17RxRx13fH)4犏玛嚣哇+5V+5V0V(G)j20V-+jV“0VFG!型IL!1FG1)电机舅连接屯缠驱动嚣侧图2-4编码器连接示意图(2)伺服驱动器和PMAC之间的连接在进行PMAC和驱动器的连接时，要通过一根扁平电缆将PMAC的儿1口连接到附件8P(ACCSP)，在附件8P上完成连接Jll接1：3包括四个通道的：模拟输出，增量编码器输入，相关的输入和输出捕捉信号电源。由于我们闭合了跳线E85、E87、E88取消了光电隔离，模拟输出可以直接从总线上供电，因此不需要为模拟输出提供独立的电源。PMAC不为电机换向，它只需要一个模拟输出通道来控制电机，对于采用单端控制的驱动器，如通道l的单端控制，只需要把，DACl(针43)连接到驱动器的控制第18页山东大学硕士学位论文输入上，而把PMAC的AGND线(针58)接在驱动器的控制信号返回线上即可，单端控制中DACl针悬空即可，不可接地。根据控制的要求和特点决定使用驱动器的速度控制方案。其具体连接请见图2-5。CHAl252lOA+厂、CHAl，27V220AnCHBl21480B+CHBl，23V490B，、CHCl17230Z+CHCl，19V240ZDACl43，、14SPRAGND5815GNDVGND325GND+L【MI518CWLLIMl539CCWL7COM+29SRVoN4lCOM图25PlqLaLC与驱动器CNIF口的连接(3)PMAC与主机的连接与通讯将PlVbC插入计算机的ISA槽中即可建立PIVIAC与主机之间的连接。通过设定跳线E91E92，E66-E71确定PIVlAC在PC的gO端口中的位置。在设定通讯地址时要注意，不要与计算机中别的硬件的地址产生冲突。在系统中设定通讯地址为528(十六进制为2lOH)。为了方便的配置、控制和调试PUAC系统，DeltaTau公司为PMAC卡配套开发了一套基于Windows操作系统的控制软件PEWIN。它是建立和管理PUAC应用系统的开发工具，提供给用户一个友好的面向PiAC的终端界面和一个用来编辑PMAC运动程序及PLC程序的文本编辑器。此外，还提供了电第19页山东大学硕士学位论文机驱动界面、各种变量配置界面、坐标系设置界面、用于观察各种PMAC变量和状态寄存器的窗口等。224P_AC的软件设置(1)PMAC变量结构PMAC卡的I变量是卡、电机和编码器的参数变量，用于设置电机的速度，精度，回零等数值，以及坐标系的状态，还包括编码器的反馈形式。P变量为卡的全局变量，从P0到P1023：M变量是PMAC卡的地址指针变量其定义格式为：擀一地址，偏置地址，宽度，方向。M变量的功能为存取PMAC的内存和Io点，M变量可以是一位的，也可以是一个字节或者是一个24位的字，48位浮点双字。在实际的应用中M变量一般又可分别用作：定义通用输入输出、定义控制面板输入位、定义编码器有关的寄存器、定义坐标系状态位、定义电机轴定义寄存器以及定义DPRAM寄存器旺们。M变量定义示例如下：M1一Y$FFC2，8，1；定义了机器输出l，在Y内存中地址为0FFC2H，偏置地址为8，宽度为1。r全局变量IfI变量l电机变量l编码器变量lIPMAc变量L坐标系变量lP变量IM变量IQ变量(2)PMAC命令结构第20页山东大学硕士学位论文f篙黧竺：令Il：兰薏蓄：喜缓冲区控制命令件一唯量三I【在线电机命令丁：芸蠹兰：报告命令Il缓冲区控制命令PMAC命令JII轴特征命令运动特征龠令I运动程序命令1变赋值命令程序逻辑控制ll混合明令(3)电机的软件配置L动作第2l页山东大学硕士学位论文套I变量，在这里用1号电机的几个比较重要的I变量作为例子来进行说明。首先，要使一台电机能够接收输入的命令必须设置电机为激活状态，也就是说要设定1100=l：由于驱动器能够进行电机的换向，PMAC不需要给电机换向，必须设定1101=O，并且我们无须理会换向I变量11701183。变量1102确定在每一周期里电机的给定输出放在哪一个寄存器中，在此设定其为$C003，它是一个数模转换寄存器。变量1103决定电机从那个寄存器获得它的实际位置信息，从而在每一次伺服周期闭上位置环。变量1104决定电机从那个寄存器获得它的实际位置信息。对于单反馈系统负载上没有编码器，必须设定I104等于1103。标准的PMAC控制器提供一个PID位置环伺服滤波器，该滤波器的设置是通过设置每个电机的适当的I变量来调节的。比例增益(P-If30)提供系统的硬度；微分增益(D1131)提供稳定需要的阻尼：积分增益(I-1133)消除稳态误差。1134决定积分增益是全程有效还是只是在控制速度为0时有效。另外，速度前馈增益(1132)减小由于阻尼引入的跟随误差，加速度前馈增益(1135)减小或消除由于系统惯性带来的跟随误差。PID+陷波滤波器的结构如图2-6所示。陷波滤波器是一个防谐振的滤波器，用来抵消共振的影响。在此设置一个轻阻尼的带阻滤波器，其中心频率约为共振频率的90，一个大阻尼带通滤波器，其通频带要高于共振频率。PMAC陷波滤波器的系统形式为：监：!盟!：兰：!丝：兰：D(z)l+D1+z4+D2+z一2分子N(z)为带阻滤波器，分母D(z)为带通滤波器。陷波滤波器对PID滤波器本身的输出起作用。PMAC是用四个变量制定整个陷波滤波器系统：1136(N1)和1137(N2)，1138(D1)和1139(D2)。在分析过程中用到的参数为：自然频率()：无阻尼时的中心频率；等于口，f(162)阻尼频率()：有阻尼时的中心频率：等于+sqrt(1一b2)；阻尼系数(b)：范围由0(无阻尼)到l(临界阻尼)；等于12Q；Q因子(Q)：范围由l(临界阻尼)到无穷(无阻尼)；等于12b；第22页山东大学硕士学位论文经测定机械连接的共振频率为50HZ。为了消除它，决定加入一个小阻尼的带阻滤波器(阻尼系数为O2，自然频率为50HZ，和一个大阻尼的带通滤波器(阻尼系数为O8，自然频率为80HZ)来限制滤波器的高频增益。伺服更新时间为442毫秒。带阻滤波器首先计算带阻滤波器的分子。S平匾根：S。d=一b+co。=-02【2+厅50】=-628sec。1Z平面根S，。“=-con+sqrt(1一b2)=垃+石50+squt(1一O04)=+3078see。接着计算匹配的Z平面根：z“=exp(-628+0000442)+cos(3078+O000442)=O964Z，镕=exp(一628+O000442)+sin(3078+O0042)=O132Z的系数为一=l1928z一1+094624滤波器的直流增益为11928+0946=0018带通滤波器S平面根Sw=一b+con=-02【2IT80】-4021see。1S。=+co。sqrt(162)=2石80+squt(1一O04)=：t：3014see。1Z平面根Zw=exp(-4021+0000442)+cos(3014+O000442)=O830Z=exp(_4021+O000442)sin(3014+O0042)=O1ll系数D=11660z一+O701z一2直流增益=I(11660+0701pI0041=2448陷波滤波器的净增益为O0182448=0441。为了不影响整个滤波器的直流增益必须用大小为I0441=227的因子作为补偿。为了构成带阻滤波器使用滤波器的“N”部分。构成带通滤波器使用滤波器的“D”部分。因此第23页山东大学硕士学位论文1136=19281137=09461138=一16601139=07011130=227000厂Hi一酊9lIl图2-6PMACPID+陷波伺服滤波器(4)设置坐标系设置好了电机的I变量之后就需要为电机设置坐标系来运行运动程序。坐标系指的是一个或者一组为了同步运动的目的而组织起来的电机。一个坐标系能运行一个运动程序，而一个电机不行。一个坐标系要通过轴定义语句为电机分配轴来建立。轴是坐标系的一个元素，它类似予电机，但不是同一事物。在本课题中定义坐标系是这样定义的：l：定义坐标系1#1-10000X；分配1号电机给X轴#2-10000Y；分配2号电机给Y轴#3-10000Z：分配3号电机给Z轴2；定义坐标系2#4-10000C；分配4号电机给C轴(5)运动程序与PLC程序的编制在完成了对电机的I变量设置和坐标系设置之后就可进行运动程序和PLC程序的编制。PMAC一次可装入256个程序。任何坐标系在任何时刻第24页山东大学硕士学位论文都可以运行这些程序，即使同一程序正在另一坐标系中运行。一个运动程序町以把其它任何运动程序作为子程序调用。PMAC运动程序语言是介于高级语言(如BASIC，PASCAL)与G代码(RS247)之间的一种编程语言。它可以接受G代码，具有计算功能和逻辑结构。数值在程序中可以是常量或表达式。在一个运动程序中，PMAC用WHILE循环和IFELSE分支实现程序的流程控制。这两个结构可以无限嵌套。此外，GOTO语句的参数可以是常量或表达式。GOSUB语句可以实现程序内的子程序调用，CALL语句可以将其它程序作为子程序调用。调用子程序的入口不必在子程序的开始，如CALL20150