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基于模糊神经网络的慢走丝恒张力系统的研究 摘要 本文是结合慢走丝电火花线切割机床开发的课题而进行的研究。走丝机构 的恒张力控制是衡量慢走丝线切割机床性能的一项重要指标，直接影响着工件 的加工精度和加工表面质量。随着近年来微细、高精度加工的发展需要，对走 丝系统的稳定性也提出了很高的要求，因此对走丝系统的研究具有重要意义。 本文通过查阅大量国内外有关慢走丝线切割加工技术的文献，综述了慢走 丝线切割机床及走丝系统的发展状况，在对慢走丝线切割机张力系统的结构、 工作原理进行分析和研究基础上，建立了以直流力矩电机控制为执行部件的闭 环张力控制系统。根据慢走丝线切割机的张力控制条件，选择走丝系统各组成 部件的型号。建立走丝系统的精确数学模型并对它进行动态特性分析。 构建了模糊神经网络控制器，其推理系统采用t a k a g i s u g e n o 模型。根据 恒张力系统的性能要求选择控制器的各个参数，将模糊神经网络控制器应用到 慢走丝线切割机张力控制系统中。在不同的误差信号输入下，对系统进行仿真 分析。 关键词：慢走丝模糊神经网络恒张力仿真设计 t h es t u d yo fl o ws p e e dw i r ew a l k i n gc o n s t a n tt e n s i o ns y s t e m b a s e df u z zn e dn e t w o r k b a s e d o nv u z z yh i e u r a l a b s t i 醯c t t h i sd i s s e r t a t i o ni sm a i n l ya b o u tt h er e s e a r c h o nt h ed e v e l o p m e n t a b o u tl o ws p e e dw i r ew a l k i n gc o n s t a n tt e n d i o ns y s t e m t h ea b i 上1 t y t o c o n t r 0 1t h ec o n s t a n tt e n s i o ni so n eo ft h ei m p o r t a n tt a r g e t st 0e v a l u a t e t h ed e r f o r m a n c eo fl o ws p e e dw i r ew a l k i n g m a c h i n et o o l ， w h i c hw i l l d i r e c t l ya f f e c tt h em a c h i n i n gp r e c i s e a n dm a c h i n e ds u r f a c eq u a l i t y w i t h t h ed e v e l o p i n gn e e d so nm i c r oa n dh i g hp r e c i s em a n u f a c t u r et h e s ey e a r s ， m o r er e q u e s t s o nt h es t a b i l i t yo fw i r e f e e d i n gs y s t e m a r ec a 上l e do n _ t h e r e f o r e ， i th a sp r o f o u n dm e a n i n g s t or e s e a r c ho nt h ew i r e - f e e d i n g s y s t e m t h en e wd e v e l o p m e n t so f1 0 ws p e e dw i r ew a l k i n gm a c h i n et o o la n dt h e w i r e - f e e d i n gs y s t e mf o rl o ws p e e dw i r ew a l k i n g m a c h i n et o o la r es t a t e d f i r s ti nt h i sp a p e ro nb a s i so fl o t so fd o m e s t i ca n do v e r s e a s t e c n n l q u e l i t e r a t u r eo ni o ws p e e dw i r ew a l k i n gm a c h i n et o o l a f t e ra n a l y z i n g a n d r e s e a r c h i n go nt h ew o r k i n gt h e o r yo fm a c h i n e t o o l st e n s i o ns y s t e m ， am e t h o dt oc o n t r o lc l o s el o o pt e n s i o nu s i n gd c t o r q u em o t o rc o n t r o l i sp r e s e n t e d a c c o r d i n gt ot h eq u a l i f i c a t i o n o ft h e 1 0 ws p e e dw l r e w a l k i n gm a c h i n et o o l s t e n s i o nc o n t r o l ，t h i sp a p e rc h o o s e st h e m o d e i o ft h ew i r es y s t e mc o m p o n e n t s a n d i te s t a b l i s h e d a na c c u r a t e 髓t h e m a t i c a l m o d e lo ft h e w i r es y s t e m a n ds t u d i e di t sd y n a m l c c h a r a c t e r is t i c s t h i sd i s s e r t a t i o nu s e st h ei n f e r e n c et a k a g i s u g e n om o d e lc o n s t r u c t af u z z yn e u r a ln e t w o r kc o n t r o l l e r o nt h eb a s i so fc o n s t a n t t e n s i o n s y s t e mp e r f o r m a n c ed e m a n d s ， i ts e l e c t st h ev a r i o u sp a r a m e t e r s o ft h e f u z z vn e u r a l n e t w o r kc o n t r o l l e ra n da p p l i e d f u z z yn e u r a l n e t w o r k c o n t r o l l e ri n t oc o n s t a n tt e n s i o nc o n t r o ls y s t e m a tl a s t ，i t s i m u l a t e s t h ec o n s t a n tt e n s io i ls y s t e mi nd i f f e r e n t e r r o ri n p u t s k e y 帅r d s ：l o ws p e e dw i r ew a l k i n g ； f u z z yn e u r a ln e t w o r k ；c o n s t a n tt e n s i o n ； s i m u l a t i o nd e s i g n 3 插图清单 图表2 1 电火花线切割加工的应用领域7 图表2 2 慢走丝线切割加工机床外形图8 图表2 3 慢走丝电火花线切割机床结构图9 图表3 一l 模糊控制器的基本结构1 4 图表3 2 简化的神经元结构1 5 图表3 3 神经模糊控制系统框图1 7 图表3 4 模糊神经网络1 8 图表3 5t a k a g i - s u g e n o 推理模糊神经网络2 0 图表4 1 慢走丝系统走丝路径简图2 3 图表4 2 直流力矩电机数学模型2 5 图表4 3 张力系统的模型2 6 图表4 4k 。= 1 时系统开环频率特性曲线2 9 图表4 5k 。= 1 4 1 2 5 3 9 时系统开环频率特性曲线2 9 图表4 6k ，= 1 7 0 时系统开环频率特性曲线3 0 图表4 7k , = 1 7 0 时系统闭环频率特性曲线3 0 图表5 一i 偏差信号隶属函数分布3 2 图表5 2 偏差变化信号隶属函数分布3 3 图表5 3 模糊规则表3 3 图表5 4 模糊控制器恒张力仿真结构图3 8 图表5 5t - s 推理控制器的仿真结构3 8 图表5 6t - s 控制器系统对阶跃误差信号的仿真信号输出3 9 图表5 7 模糊控制系统对阶跃误差信号的仿真信号输出3 9 图表5 8t - s 控制系统对正弦波输入误差的仿真曲线4 0 图表5 9 模糊控制系统对正弦信号误差的仿真曲线4 0 图表5 一1 0t - s 控制系统对输入的随机信号的响应曲线4 1 图表5 一1 1 模糊控制器对输入的随机信号的响应曲线4 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金卫王些盔堂 或其他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已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：宰裤殳又 签字日期：2o l 口年f 月1 1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 金壁王些盔 ! l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 导师戳：鼢 导师签名：f 墅功 j ，川刁 签字日期：宗秘年纠。月r 日 l1 签字日期：? 卵。年f 月jf 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 本文是在导师丁曙光教授的细心指导下完成的，无论从论文选题，还是收集资 料，论文成稿，都倾注了丁老师的心血，在此，谨向丁老师表示崇高的敬意和衷心的 感谢! 丁老师广博的学识、严谨的治学作风、诲人不倦的教育情怀是我一生的精神财 富，必将使我受益无穷。 本人在两年多的硕士研究生生涯中，自始至终得到了机械设计教研室高荣慧老 师、黄康老师、翟华老师、赵小勇老师及全体老师的关照，在此向他们表示深深的谢 意! 感谢他们对我的学业上的指导和提供了一个很好的学习环境。 我要感谢我的师兄吴卫平，这两年半里他给了我极大的帮助和支持。在此 向他表示深深的谢意! 我还要感谢和我一起工作、学习的实验室同学和夏艳、 李松恩等同学。感谢他们对我学习上和生活上的支持与鼓励! 最后感谢我的家人，感谢他们对我的无私的支持与爱1 4 作者：宋祥双 2 0 1 0 年4 月 第一章绪论 1 1 研究课题的来源和研究目的及意义 本课题来自企业委托的慢走丝线切割数控系统的开发项目。 自1 9 5 6 年前苏联生产出第一台电火花线切割机床至今已有半个多世纪了。 在此期间无论国外还是国内电火花线切割加工都经历了巨大的变化，从最初的 靠模电火花线切割机床到光电控制电火花线切割机床，到数控电火花切割机床 以及一系列加工技术、工艺方法的改进，使得电火花线切割加工成为一种应用 广泛的特种加工方法，愈来愈受到人们的关注u 1 。 电火花线切割是利用电极丝( 一般为铜丝或钼丝) 与工件之间的相对运动， 产生火花放电，使工件切割成型。由于电极丝的运动轨迹能够被恰当的控制， 电极丝通电放电加工也成为一种非常精确的加工方法。然而这种加工方法会出 现轮廓误差和工件的鼓形现象，这些问题经分析主要是由于电极丝弯曲和震动 所引起的。而电极丝张力是使电极丝产生弯曲和震动的最大因素之一，直接影 响着加工精度和表面粗糙度等。 电火花线切割机按电极丝传送速度不同分为高速走丝电火花线切割机 ( h s - w e d m ) 和低速走丝电火花线切割机床( l s - w e d m ，又称慢走丝线切割机床) 。 慢走丝线切割机以其加工精度高、生产效益好和应用领域广泛等特点，在国内 外制造业中占有非常重要的地位。据统计，目前国内外的线切割机床约占电加 工机床的6 0 9 6 以上，约有8 0 9 6 左右的电火花线切割机床用于模具加工，e d m 机床 已成为模具制造中不可缺少的重要装备，随着电火花线切割的发展，它在模具 工业中的作用和地位将不断攀升心1 。但是精密模具的加工还是要求助于国外， 国内主要从事中低档模具的加工。此外，它还主要用于加工成型电极和零件， 对所加工的微小电极和零件的要求也是极为苛刻。所以控制电极丝的恒张力、 减小其弯曲和振动、提高加工精度和加工表面质量是非常重要且急需解决的难 题。 电极丝在加工过程中产生弯曲和振动的原因是电极丝受放电作用力、静电 引力、电磁力以及走丝过程中摩擦力等的影响，其张力很难保持一定。电极丝 张力的变化会引起电极丝的振动，导致加工精度以及加工表面质量的恶化，慢 走丝线切割机床上电极丝的弯曲和振动目前是不可能完全避免的，它是一种复 杂的组合型振动。其中的低频成分对加工质量的不利影响较大，而其高频成分 则有利于加工状态及加工质量的改善。对电极丝张力的控制主要是进行电极丝 运行速度和所受张力的稳定性进行控制，这样在加工时可以获得很高的加工精 度和较高的表面质量，所以电极丝的恒张力控制对加工精度重要意义呤4 1 。 ( 1 ) 对电极丝进行恒张力控制，可减少形状误差，提高加工精度。电极 丝在走丝加工时，由于放电力对电极丝产生的放电压力，使电极丝产生弯曲变 形，弯曲变形的电极丝在线切割时复制在工件表面上，便形成工件的形状误差， 切圆柱出现腰鼓形或马鞍形，切平面出现平面度误差哺q 3 。在电极丝不断丝的前 提下，保持较大的电极丝张力能够有效减小电极丝的振动幅度。在电极丝走丝 过程中保持电极丝张力的恒定，能够大大减小加工工件的形状误差砷1 。 ( 2 ) 对电极丝进行恒张力控制，可降低表面粗糙度，明显地消除切割条 纹，改善表面质量n 州。当电规准确定后，电极丝抖动对表面粗糙度影响较大。 对走丝系统进行恒张力控制，由于电极丝始终被张紧，丝抖动小，切割过程中 跟踪性好，加工过程稳定。 ( 3 ) 对电极丝进行恒张力控制，可减少断丝次数，提高生产率，有明显的 经济效益。断丝的原因较多，其中主要原因是电极丝张力不恒定，松弛的丝继 续切割，抖动严重而造成短路断丝，被迫中断切割，严重的影响加工质量和生 产率，造成经济损失，并且增加了劳动强度。 1 2 慢走丝线切割机走丝系统控制发展现状 早期，为了解决电极丝弯曲和振动问题，给走丝系统加恒张力控制器对电 极丝的张力进行控制，形成恒张力控制系统。但是由于受技术水平及设备装置 的限制，大多数张力控制系统采用模拟量控制，而控制方法也多采用电流电势 复合控制。通过此种方式实现的系统，由于采用模拟器件，系统的可靠性较差， 在进行实时运算时的计算精度很低，使系统的控制精度低，动态补偿效果差， 不能满足产品日益增长的高精度要求。随着计算机技术的发展，特别是微处理 器技术的不断成熟，很多企业将数字技术引入到张力控制系统中，于是出现了 模拟一数字混合张力控制系统，采用的控制方法都是外环( 位置环或张力环) 结 合速度环和电流环，对于要求不高的系统，有时只需要外环即可。另外，随着 控制理论的不断发展，一些新的控制思想和控制手段也被引入到张力控制系统 中，如最优控制，自适应控制，鲁棒控制，神经网络控制等，这使控制系统的 精度愈来愈高，控制方式也更加灵活多变卜口引。 对电极丝张力的控制主要包括两个方面：一个是张力大小的精确控制；一 个是张力分布的均匀性。张力太大将引起断丝，张力太小会引起电极丝弯曲从 而影响加工精度。我们的目标是使电极丝在强度极限下维持尽可能高而稳定的 张力，保证加工放电的爆炸力下有最小的滞后弯曲，并且合适的张力能减小丝 的振动幅度。但在现有的张力控制系统中张力控制器，如弹力张力器和重力张 力器等等，它们虽然都对电极丝起张紧作用，但其响应速度太慢，张力并不能 始终保持恒定，常发生断丝，这主要由它们的结构所决定的。因此，提高走丝 系统恒张力控制器的响应速度是一个技术难点n 2 1 引。 现在对走丝控制系统的研究的要求是张力和丝速的控制范围变大、控制精 度要高，反映更灵敏。随着更粗电极丝( 如巾0 3 3 m m ) 的使用，张力最大值从2 5 n 2 提高到3 0 n ，或使用更细的电极丝( 如巾0 0 2 r n m ) ，要求达到r a o 0 5 | lm 的表面 粗糙度，能够追踪微小的张力干扰，即使是使用极细微的电极丝，也能够稳定 地移动，这是对走丝和其控制系统提出更高的要求。 1 2 1 国外的研究现状 在国外，电火花加工在2 0 世纪四十年代初发明并于2 0 世纪六十年代达到 全盛时期，而电火花线切割技术则是在七十年代获得了突飞猛进的发展。随着 数控技术的发展，瑞士首先研制了数控线切割机床，并与1 9 6 8 年在美国芝加 哥国际机床展会上首次展出了d e m 一1 5 型线切割机床，从此数控线切割机床飞 速发展。目前日本生产的数控线切割机床最多，其次是瑞士n 钔。著名的生产厂 家有瑞士的夏米尔和阿奇公司，日本三菱电机、沙迪克和牧野公司n 卜”1 ，他们 自2 0 世纪7 0 年代研制成功并生产低速走丝线切割机床，现在基本占领了大部 分国际市场u 引。 随着电火花线切割加工技术的不断进步，对工件的加工精度和表面粗糙度 的要求越来越苛刻，对走丝系统的要求也越来越高。有一些研究已经集中在电 极丝张力的研究上n 9 。2 。日本三菱公司为了实现高的加工效率和加工稳定性， 采用稳定的电机伺服闭环恒张力控制系统，比过去的磁粉阻尼张力系统具有更 高的抗干扰能力，抗干扰调整时间由原来的4 s 降到1 5 s ；高灵敏度a c 伺服间 隙控制系统( h g 2 ) 最小驱动单位0 0 5 l m ，最高送进速度为1 3 0 0 m m m i n ( 高刚性 机械结构和高分辨率a c 马达作保证) “6 f 。瑞士夏米尔公司的双丝系统，除了能 保证加工过程稳定及自动穿丝等传统的要求之外，还能在保证加工精度的前提 下，提高加工的效率。瑞士的阿奇公司对电极丝的张力也进行了很好的控制， 加工精度已达到了1 5um ，加工表而粗糙r a o 1pm ，加工速度已达到 3 5 0 m m 2 m i n 以上。双丝系统能实现在一台机床上自动交换两种材质、直径都不 同的电极丝，从而解决了高精度与高速度加工的矛盾。粗加工时，采用直径较 大的电极丝进行加工，可以把张力值设定的大一些，因此可选择电流较大的工 艺规准进行加工，提高加工速度。精加工时，选择直径小的电极丝，把张力值 设定的小一些，用精规准进行加工，确保良好的形状精度与尺寸精度。这种系 统获得了大量真正用于加工的时间，提高了加工效率和加工零件的形状精度和 表面质量2 2 2 3 3 。 电火花线切割加工技术与其相关技术的发展紧密结合。而且，未来电火花 线切割加工技术的进步，必将围绕着满足更高的生产效率、更高的加工精度及 更高效的生产组织形式而发展，这就不可避免地要研究电极丝的恒速恒张力控 制技术。 1 2 2 国内的研究现状 我国慢走丝线切割机床的研制与生产直到2 0 世纪8 0 年代才开始5 1 。现在 具有代表性的有苏州沙迪克三光机电有限公司、北京阿奇工业电子有限公司、 苏州电加工机床研究所、汉川机床厂等。这些制造厂商自行开发生产，年产 量达3 0 0 多台。这些机床性能好，价格还不到进口机床的一半，深受国内用户 的欢迎。台湾电加工机床是比较活跃一支生力军。据有关资料介绍，台湾电加 工机床制造厂大约有5 0 家，其中庆鸿、亚特、群基、台一规模相对大些，在 大陆的影响也较大。 随着我国慢走丝线切割机床技术的不断进步，各个领域恒张力控制系统也 获得了很大的发展，张力控制系统至今大致经历了三个发展时期，即机械式、 电控式和计算机控制张力器。 机械式张力器是通过机械结构来实现张力控制的。如早期的“c t c ( c o m p e n s a t i v et e n s i o nc o n t r o l l e r ) ，是一种力平衡式自动补偿张力器，其 制动阻力矩是靠刹车带与制动轮的摩擦产生，制动阻力矩的调节由调节刹车弹 簧的变形量实现。机械式张力器的缺点是张力值不能自动设置，控制精度比较 低。 电控式张力器出现于7 0 年代后期。这类张力器通常使用张力传感器测试 张力，反馈给控制器，与设定值进行比较，通过控制算法进行校正输出控制信 号，经放大后驱动电机或电磁离合器，使张力保持在一定范围内。其缺点是控 制精度较低，可靠性差。 随着电子技术的飞速发展，高性能价格比的微处理器的出现，使计算机控 制张力器达到了实用阶段。微处理器成为控制系统的核心，减少了电子控制系 统复杂的硬件电路，使系统大大简化，可靠性更高，同时也为使用各种先进的 控制方式提供了前提条件。微机控制张力器既可单独工作，又可同主机连接通 信，张力可以被记录、显示和自动设定，因而这种控制得到了广泛的应用心5 | 。 对于快走丝电火花线切割机来说，实现恒张力控制主要采用重锤式和弹簧 式机构。机械重锤式恒张力机构虽然有多种不同的结构形式，但是在加工过程 中电极丝长度发生变化以及张力的不均匀等会引起导论( 重物) 的上下移动，导 致电极丝的张力不是一个恒定的值。弹簧式张力机构中，对导轮的拉力来自一 个弹簧，后者使导轮以支撑臂为直径运动，补偿电极丝长度并起一定的恒张力 作用。由于弹簧力自身的不恒定以及电极丝位置、方向和支撑臂摆角的变化， 电极丝的张力也不是一个恒定的值瞳引，不能满足越来越高的加工要求。徐州师 范大学提出了双贮丝筒可调电极丝恒张力控制装置，能够克服机械重锤式恒张 力机构存在的缺点，而且张力的调节和穿丝都非常方便，实现了从机械式张力 控制到电气式张力控制的飞跃，并且便于实现电极丝张力的自动调节。为了使 高速走丝系统的电极丝张力恒定，华中理工大学开发了一种快走丝线切割机钼 丝恒张力伺服系统心7 1 。这些改进走丝系统电极丝张力状态的控制方案对于慢走 丝线切割来说都是很好的借鉴。 在慢走丝线切割机床电极丝的恒速恒张力控制方面，清华大学、北京邮电 4 大学、苏州三光科技股份有限公司等都做了深入的研究。苏州沙迪克三光机电 有限公司开发生产的锥度切割装置可以稳定切割7 2 b 的锥形零件，机床的运丝 系统由日本进口的伺服马达、磁粉离合器、收丝马达等组成，可准确地调整因 微小抖动而带来的走丝系统的不稳定，保证电极丝的平稳运行。驱动系统采用 交流伺服系统、编码器的半闭环控制，彻底消除了直流驱动的热变形、电刷损 耗、电机过热、需定期维护的弊端。汉川机床股份有限公司的线切割机的导轮 由高精度宝石导轮和高精度球轴组成，导丝机构精度很高，运丝平稳，走丝机 构实现了五级调速，能适应不同厚度的材料加工引。这表明近几年来我国走丝 系统的研制和控制方而有了一定的进展。 目前已进入实际应用阶段的计算机控制式张力器多以磁粉离合器和力矩 电机为执行元件。在张力控制系统中，力矩电机主要采用永磁式电枢控制方式。 力矩波动小，机械特性和调节特性好，反应速度快，直流力矩电机的机电时间 常数小，能在堵转和低速下运行，在堵转情况下能产生足够大的转矩而不损伤 自身，且低速下能稳定运行，但是张力控制不稳定、线性不好。磁粉制动器是 一种自动控制执行元件。它根据电磁原理，利用磁粉来传递转矩，所传递的转 矩在其额定转矩内通过激磁电流可任意调节，张力稳定性比力矩电机稍强，适 用范围比力矩电机广，但是需要调速单元( 如变频器、直流调速器) 及张力控制 仪，增加成本，而且磁粉制动器、磁粉离合器的可靠性差、发热严重，功率大 的还需要冷却水，因此故障率高，维修成本大( 经常需要更换磁粉) h 引。近年来 随着电流变流体研究的深入，电流变流体阻尼器( e r 阻尼器) 也被用作张力系统 的控制执行元件，但因其对电源要求很高，使其实际应用受到限制。 1 3 论文研究的主要内容 本课题总结了慢走丝线切割加工机床和恒张力走丝控制的发展现状和趋 势，设计开发了基于模糊神经网络的慢走丝张力控制系统。 主要工作有： ( 1 ) 设计慢走丝线切割机走丝系统结构并建立恒张力走丝系统的数学模 型。根据慢走丝线切割机床的张力控制要求，选择走丝系统的各组成部件，建 立走丝系统准确的数学模型。并对恒张力走丝系统的模型进行动态性能的分 析。 ( 2 ) 根据模糊神经网络理论和方法，建立了基于t - s 推理的模糊神经网 络控制器，根据系统张力控制要求，选择模糊神经网络控制器的各参数。同时， 建立一个模糊控制器，并将它们用到慢走丝线切割机恒张力控制系统中。 ( 3 ) 恒张力系统仿真研究。对不同误差输入信号时的t - s 模糊神经网络 恒张力系统和模糊控制恒张力系统进行仿真，对仿真结果进行分析比较，得出 结论。 第二章慢走丝线切割机床基础 2 1 电火花线切割加工设备的分类、特点及应用 所谓电火花线切割，就是以移动着的细丝( 直径约在0 5 m m 以内) 为电极， 在电极丝与工件之间产生火花放电，并同时按所要求的形状驱动工件进行加 工。 1 )电火花线切割加工设备的分类 电火花线切割加工设备主要有机床、控制系统和脉冲电源三大部分组成。 电火花线切割加工设备种类很多，通常分类如下： 按切割轨迹的控制方式：可分为靠模仿形控制、光电跟踪控制以及现在 广泛应用的计算机数字控制等电火花线切割加工设备； 按加工范围：可分为微型、小型、中型和大型电火花线切割加工设备； 按加工设备的功能与特点：可分为直壁加工型、带斜度加工型和带旋转 坐标型等线切割加工设备； 按走丝速度：可分为快走丝( 2 5 m s ) 、慢走丝( 2 5 m s ) 等电火花 线切割加工设备。 快走丝电火花线切割机床是我国独创的，国内主要生产这类机床；国外主 要生产慢走丝电火花线切割机床，目前我国也开始和国外合作生产这类机床。 快走丝机床是指线状工具电极沿自身方向作高速往复运行，走丝速度一般为 7 ll m s ；慢走丝机床是指工具线状电极沿自身方向作低速单方向运行，走丝 速度一般为o 2 1 5 m m i n 。 2 ) 电火花线切割加工的特点 电火花线切割加工归纳起来有以下一些特点： ( 1 ) 它以0 0 3 m m 一0 3 5 m m 的金属线为电极工具，不需要制造特定形状的 电极。 ( 2 ) 虽然加工的对象主要是平面形状，但是除了有金属丝直径决定的内 侧脚步的最小直径r ( 金属丝半径+ 放电间隙) 这样的限制外，任何复杂的形状 都可以加工。 ( 3 ) 轮廓加工所需加工余量少，能有效地节约贵重的材料。 ( 4 ) 可无视电极丝损耗( 高速走丝线切割采用低损耗脉冲电源；低速走 丝线切割采用单向连续供丝，在加工区总是保持新电极丝加工) ，加工精度高。 ( 5 ) 依靠微型计算机控制电极丝轨迹和间隙补偿功能，同时加工凸凹两 种模具时，间隙可任意调节。 ( 6 ) 采用乳化液或去离子水的工作液，不必担心发生火灾，可以昼夜无 人连续加工。 ( 7 ) 无论被加工工件的硬度如何，只要是导体或半导体的材料都能实现 加工。 6 ( 8 ) 任何复杂形状的零件，只要能编制加工程序就可以进行加工，因而 很适合小批量零件和试制品的生产加工，加工周期短，应用灵活。 ( 9 ) 采用四轴联动，可加工上、下面异形体，形状扭曲曲面体，变锥度 和球形体等零件。 3 )电火花线切割加工的应用 1 试制新产品 在新产品开发过程中需要单件的样品，使用线切割直接切割出零件，无需 模具，这样可以大大缩短新产品出发周期并降低试制成本。如在冲压生产时， 未开出落料模时，先用线切割加工的样板进行成形等后续加工，得到验证后在 制造出落料模。 2 加工特殊材料 切割某些高硬度、高熔点的金属时，使用机加工的方法几乎是不可能的， 而采用线切割加工既经济又能保证精度。 图表2 1 电火花线切割加工的应用领域 平面形状的金属模加工冲模、粉末冶金模、拉拔模、挤压模的加 工 电 立体形状的金属模加工冲模用凹模的退刀槽加工、塑料用金属压 模、塑料膜等分离加工 火 电火花成形加工用电极制形状复杂的微细电极的加工、一般穿孔用 花 作电极的加工、带锥度型模电极的加工 线 试制品及零件加工试制零件的直接加工、批量小品种多的零 切 件加工、特殊材料的零件加工、材料试件 割 的加工 加 工 轮廓量规的加工 各种卡板量具的加工、凸轮及模板的加工、 成形车刀的成形加工 微细加工化纤喷嘴加工、异形槽和窄槽加工、标准 缺陷加工 3 加工模具零件 电火花线切割加工主要应用于冲模、挤压模、塑料模、电火花型腔模的电 极加工等。由于电火花线切割加工机床加工速度和精度的迅速提高，目前已达 到可与坐标磨床相竞争的程度。例如，中小型冲模，材料为模具钢，过去用分 开模和曲线磨削的方法加工，现在改用电火花线切割整体加工的方法，制造周 期可缩3 4 - - - 5 4 ，成本降低2 3 3 4 ，配合精度高，不需要熟练的操作工人。 因此，些工业发达国家的精密冲模的磨削等工序，已被电火花和电火花线切 割加工所代替。表2 1 表示电火花线切割加工的应用领域。 2 2 慢走丝电火花线切割加工 慢走丝( ( 25 m s ) 电火花线切割机床的发展极为迅速，在加工精度、表 面粗糙度、切割速度等方面的研究已有较大的突破如加工精度可达00 0 1 m m ， 切割速度最高可达5 0 0 m m2 m ir l ，经过多次精修加工后工件表面粗糙度良好，可 达r a o0 5 ；* m 。这样使慢走丝电火花线切割机床的生产和应用在电加工机床中占 据了重要的地位广泛应用于精密冲模、粉末冶金压模、样板、成形刀具及特 殊零件加工等。它与快走丝电火花线切割加工相比，具有加工精度高，切割锥 度表面平整、光靖等特点。 组成慢走丝电火花线切割机床的主要部分是机床本体、脉冲电源、数控系 统和工作掖系统。图22 是慢走丝电火花线切割机床外形图。本节主要介绍慢 走丝电火花线切割加工机床组成，重点介绍慢走丝线切割加工机床的走丝系 统。 图表22 慢走丝线切 0 加t 机床外形图 2 2l 慢走丝电火花线切割加工机床结构 慢走丝电火花线切割机床的机械结构各不相同，世界上具有代表性的是瑞 士生产的r o b o f l l 系列和日本生产的a p 、a q 系列，下面就以这两种系列的产 品为例介绍机床的结构。 图23 是慢走丝电火花线切割机床的结构图，机床主要由床身、立柱、x y 坐标工作台、z 轴升降机构、u v 坐标轴、走丝系统、夹具、工作液系统电器控 制系统等组成。 图表2 3 慢走丝电火花线切割机床结构圈 22 2 慢走丝机床走丝系统结构 慢走丝电火花线切割机床的走丝系统的机械原理和结构各不相同，但都在 寻求一个共同的目标：使电极丝在加工区能够精确定位，能保持恒定张力，能 恒速运行，能够自动穿丝。 ( 1 ) 电极丝恒张力控制机构 电极丝的恒张力对切割工件的加工精度、表面粗糙度、转角精度有很大的 影响，应在不断丝的前提下，尽量提高电极丝的张力，电极丝的张力一般控制 在2 2 驯为直。 张力伺服控制装置工作原理：张力轮由伺服电机控制其阻力，并可正反两 个方向旋转，为了得到预定的张力，张力传感器将电极丝张力信号传给驱动器， 驱动器将张力偏差值指令给伺服电机，使张力轮产生不同的阻力，这样的张力 轮与排丝轮之间的电极丝产生恒定的张力。可通过伺服电机全团环控制电极丝 张力大小，抑制各种外部干扰所造成的张力变化，起到恒定张力的作用；正常 情况下，张力轮朝电极丝送出方向旋转，一旦电极丝松弛，电机使张力轮减速 或反转，产生阻力拉紧电极丝，如断丝，张力轮会反转，重新穿丝。 ( 2 ) 导丝器、喷嘴 导丝器的形状。导丝器一般有v 形导丝器和圆形导丝器两种，v 形 导丝器为双v 组件，分别用进电块将电极丝压靠在导丝器上，共同决定电极丝 的位置。 a 上下均为圆形导丝器。圆形导丝器安装较简单、使用方便，价格较v 形 导丝器便宜。电极丝直接穿入导丝器，给自动穿丝带来了一定的难度。为便于 自动穿丝，上导丝器可设计成拼合导丝器，其精度取决于活动部件导向精度， 下导丝器仍为圆形导丝器。 b 上下均为v 形导丝器。这种形状的导丝器结构和安装较复杂，自动穿丝 方便可靠，电极丝与导丝器之间无间隙配合，在加工时可得到很高的加工精度； 但导向面小易磨损，而且导丝器制造成本较高，大锥度( 大于3 。) 切割时， 电极丝与锥面的接触面积减少，使得切割出的锥面精度降低。 导丝器、喷嘴的安装。电极丝先穿入上导丝器的蓝宝石导丝模1 电极丝 压在硬质合金的进电块上，当进电块磨损后，可以调整进电块的位置，再经过 用蓝宝石做的拼合导丝器。拼合导丝器在穿丝时由气缸带动分开，通过调整z 轴升降，来调整喷嘴与工件的间隙，下喷嘴是浮动的，可以调整与工件的间隙。 用喷嘴与工件间的间隙的大小来控制水的流量和压力，一般间隙为0 0 5 m m 。电 极丝进入下导丝模2 ，在由下进电块进电，完成上下进电，再进入导丝模3 。 ( 3 ) 排丝机构 排丝机构的作用是使张力轮与排丝轮之间的电极丝产生恒定张力和恒速 运丝，并将用过的电极丝排到废丝箱内。 压力调整装置通过调整弹簧压力使压力轮与主动轮之间产生压力，两轮夹 着电极丝做排丝转动。主动轮由电机驱动，并通过齿轮带动压力轮同速旋转； 电机根据需要变频调速，使走丝速度可调。电极丝调节排出嘴导向到废丝桶。 吸引器起到吸引电极丝和将电极丝上附着的水分吸掉的作用。在排丝机构后面 可以加装切碎装置，将用过的电极丝切成小段，使废丝体积小，便于回收。 ( 4 ) 自动穿丝机构 自动穿丝机构具有智能化自动快速穿丝功能，穿丝的丝经为西0 0 3 0 3 m m 。电极丝导入送丝轮，再穿入导丝管，然后导入穿丝专用的拉力轮，导 丝管上下两侧接入加热专用进电块通电，给两进电块之间的电极丝加热，因送 丝轮与拉力轮旋向相反，可将加热变红的电极丝在指定点拉伸变细，尖端细化、 拉断、喷液冷却，电极丝变硬，完成以上动作后，加热进电块和拉力轮自动退 回原位，再由高压喷流将丝穿过导丝器，并启动自动搜索程序，搜索穿丝孔或 断丝原位进行穿丝，穿丝时间约2 0 s 。 2 3 走丝系统控制方法 慢走丝线切割机床的张力控制方法有三种：开环控制、闭环控制和复合控 制。 ( 1 ) 开环控制 在加工过程中，若没有将任何中间量或输出结果进行反馈，称这种控 制方法为开环控制。开环控制系统结构比较简单，成本较低，由于没有从系统 输出到输入的反馈回路，其控制精度不高、适应性不强；扰动补偿虽然能够对 特定量进行补偿控制，但在要求较高的场合需要对多个扰动量进行控制，开环 控制方法就不能够实现了。 ( 2 ) 闭环控制 1 0 在加工过程中，将过程量或输出量进行反馈，并按偏差产生控制信号， 用以减小或消除偏差的控制方法称为闭环控制方法。闭环控制系统不但抗干扰 能力强，而且控制精度高，所以成为人们常用的控制方法。闭环控制系统可引 入的反馈信号很多，如引入速度反馈、张力反馈等，这两种控制方法称为直接 闭环控制。这里仅仅讨论将张力引入反馈的闭环系统，即直接张力闭环控制系 统。其原理是将张力即控制量转换成反馈信号，并与张力的设定值相减得到张 力偏差量，然后将张力偏差做为控制器的输入，经过控制器的调节作用后将控 制信号作用到被控对象上，使偏差尽可能的小，甚至为零，这样，位于张力环 内的干扰均可以很好地得到抑制和补偿。 ( 3 ) 复合控制 为了更好的获得控制精度和更好的动态过程，有时可采用复合控制方法。 在控制过程中，不仅设置有扰动补偿开环控制，同时还有张力闭环控制等其他 控制方式，这样的控制效果较一般的单一控制方式而言，效果会好一些，但是 由于成本较高，而且控制起来也很复杂，所以常常用于要求高的场合。口叼 2 4 慢走丝机床的张力控制 2 4 1 张力控制的要求 慢走丝电火花线切割加工机床走丝系统的要求主要有： ( 1 ) 走丝系统工作稳定。需要从走丝机构的设计、张力的精确控制等方面尽量 避免电极丝运动中的不稳定现象。 ( 2 ) 张力控制精确。张力的精确控制包括两个方面：一个是张力大小的精确控 制；一个是张力分布的均匀性。一般要求电极丝的张力应该控制在2 、2 5 n ，张力太大 容易断丝，太小影响加工精度。 ( 3 ) 走丝系统灵敏度高，稳定性好。当电极丝的张力大于或小于最佳张力时， 应立即得到调节响应。在切割过程中受到的不受或者少受除张力变化以外的其他因素 干扰，使电极丝保持在最佳张力范围内。 ( 4 ) 走丝机构的高可靠性。可靠性主要是针对走丝机构各部件的使用寿命而言， 慢走丝电火花线切割加工走丝机构各部件无论尺寸精度还是装配精度都有很高的要 求，因此对工作环境、操作过程以及维护都有许多严格的要求，否则会减少走丝系统 的使用寿命，或降低走丝系统工作的可靠性。 ( 5 ) 穿丝方便可靠。要求走丝系统结构简单，维护方便，穿丝方便。 总的来讲，走丝系统应使电极丝在加工区能精确定位，能保证恒定张力，能 恒速运行，能够自动穿丝。 2 4 2 张力控制的常用方式 慢走丝线切割机床电极丝的张力控制装置经过不断发展，经历了由简单到 复杂的发展过程，目前主要的慢走丝张力控制装置有三种：机械式、电磁式和 电机式。 ( 1 ) 机械式：机械式又分为弹簧式、重锤式和弹簧重锤式。这种类型结 构简单，价格低廉，但其张力恒定性差，各自存在诸多缺陷。 ( 2 ) 电磁式：又分为磁粉离合器和磁粉制动器两种。其特点是传递转矩 与励磁电流近似成线性关系，当励磁电流保持不变时，会稳定地传递转矩。现 在大部分的慢走丝线切割机床都是采用的这种装置。缺点是在刹车期间粒子之 间的磨擦要产生热量，导致稳定性下降，再现性差，以至于出现残余拖拉。另 外由于粉末制动器激磁和阻尼不是线性关系，而且随使用时间会有所变化，故 需定期检测。 ( 3 ) 电机式：也称为双电机转速差加载式。它利用排丝电机和送丝电机 微小的速度差来产生张力。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码 器保证，其为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部 构成位置环和速度环，一般不会出现电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为 可靠。交流伺服电机运转还非常平稳，即使在低速时也布会出现振动现象，因 为它具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析 机能( f f t ) ，可检测出机械的共振点，便于系统调整。另外交流伺服电机加速 性能较好、响应灵敏、为恒力矩输出，即在其额定转速( 一般为2 0 0 0 r p m 或 3 0 0 0 r p m ) 以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。用它来实 现恒张力控制，效果较好，但是成本较高。 2 5 本章小结 本章简略介绍了电火花加工的特点、用途，以及慢走丝线切割机的外形和 主要构造。 介绍了慢走丝线切割机走丝系统的主要控制方法。 第三章模糊控制及神经网络概述 3 1 模糊控制 模糊控制系统是一种以模糊数学、模糊语言形式表示和模糊逻辑的规则 推理为理论基础，采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环结构的 数字控制系统。模糊控制的核心部分是模糊控制器，模糊控制器的规律由计算 机的程序实现。实现一步模糊控制算法的过程如下：微机经过中断采样获取被 控制量的精确值，然后将此量与给定值比较得到误差信号e ，一般选误差信号e 和误差变化e 。作为模糊控制器的输入量，对它们进行模糊化生成模糊量。误差 信号e 和误差变化e 。的模糊量可用相应的模糊语言表示，得到误差e 和误差变化 e 。模糊语言集合的一个子集e 和e 。( e 和e 。是模糊矢量) ，再由e 和e o 模糊控制规则 r ( 模糊算子) 根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量u ，再对u 解 模糊，便可得到精确的控制量u 。 3 1 1 模糊控制的特点 模糊控制与常规控制相比较有以下优点： ( 1 ) 模糊控制系统不依赖于系统精确的数学模型，特别适宜于复杂系统与 模糊性对象等采用，其控制结构简单，鲁棒性好。 ( 2 ) 模糊控制系统的核心是模糊控制器，而模糊控制器都是以计算机( 微 机、单片机、数字信号处理器等) 为主体，因此它兼有计算机控制系统的特点， 如具有数字控制的精确性与软件编程的柔软性等。 模糊控制的主要缺点是： ( 1 ) 信息简单的模糊处理等将导致系统的控制精度降低和动态品质变差。 若要提高精度，则必须要增加量化级数，从而导致规则搜索的范围扩大，降低 决策速度，甚至不能进行实时控制。 ( 2 ) 模糊控制的设计尚缺乏系统性，无法定义控制目标。控制规则的选择、 论域的选择、模糊集的定义、量化、比例因子的选择等采用凑试法，这时复杂 系统的控制是难以实现的。 3 1 2 模糊控制器的基本结构和组成 模糊控制器的基本结构如图3 - 1 所示，模糊控制器主要由以下四部分组成。 ( 1 ) 模糊化 这部分的作用是将输入的精确量转化成模糊化量。其中输入量包括外界的 参输入，系统的输出过状态等。模糊化的具体过程如下： 首先对这些输入量进行处理以变成模糊控制器要求的输入量。例如， 常见的情况是计算e =