（机械电子工程专业论文）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 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p m a c 卡开发了复合加工机床开放式交流伺服控制系统。以p c 机 作为控制系统平台，采用v c + + 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p m a c 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、 f l y 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l i l 页 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec o n t r o ls y s t e ma n dp u l s ep o w e rs u p p l yo fe l e c t r o d i s c h a r g em a c h i n i n g ( e d m ) c o m b i n e d w i t l iu l t r a s o n i cm a c h i n i n gr u s m ) n u m e r i c a lm a c h i n et o o la r e s t u d i e da n dd e v e l o p e di nt h i sp a p e r t h e o p e n a cs e r v o c o n t r o l s y s t e m o ft h e c o m p l e x m a c h i n et o o li s d e v e l o p e do nt h eb a s eo fp m a c b yu s i n gt h eg e n e r a lp c a st h ep l a t f o r mo f c o n t r o ls y s t e ma n dv c + + l a n g u a g ef o rp r o g r a m m i n g t h eh a m a n - m a c h i n ec a n a c c o m p l i s h t h e c o m p i l i n go fm a c h i n i n gp r o g r a m ，t h es e t t i n g o fm a c h i n i n g p a r a m e t e r s a n dt h e d i s p l a y o fm a c h i n i n gc o n d i t i o n s b y d o w n l o a d i n g t h e m a c h i n i n gp r o g r a m s t op m a ct h ec o r r e s p o n d i n ga cs e r v om o t i o nc o n t r o lo ft h e m a c h i n et o o li sa c h i e v e d t h ed e s i g nb a s e do nm o d u l e sm a k e si te a s i e rf o rt h e u s e r st oo p e r a t e t h e r e f o r e ，t h ew h o l es y s t e mo w n sm u c hb e t t e rf l e x i b i l i t y a p u l s ep o w e rs u p p l yc o n t r o l l e db yt h es i n g l ec h i pm i c r o - c o m p u t e r i s r e s e a r c h e da n dd e v e l o p e df o rc o m p l e xm a c h i n et 0 0 1 t h ed i s c h a r g ec u r r e n ta n d v o l t a g ea n dt h ep u l s ew i d t ha n di n t e r v a lo f t h ep o w e rc 锄b es e ta n dc o n t r o l l e d o n l i n e i nt h e d e t e c t i n g o ft h e w o r k i n gc o n d i t i o n o fd i s c h a r g i n g g a p f ，v c o n v e n e ri su s e dt os e tt h r e s h o l ds ot h em a c h i n i n gc u r r e n tc a nb ec o m p a r e d a n d t h eq u i c k n e s sa n de x a e t n e s sp r o b l e mi ss e t t l e d d u r i n gt h ed e s i g n i n go ft h e c i r c u i t t h eo p t o o o u p l e ra n df ，vc o n v e r t e ra r eu s e dt oe n h a n c et h er e l i a b i l i t yo f t h ep o w e r s u p p l y t h em o t i o nc o n t r o ls y s t e mi st e s t e db yt h em o v e m e n t d e b u g , a n d i ta c h i e v e s t h ei d e a lr e s u l t s a n df o rt h ep u l s ep o w e r s u p p l y , t h ed i s c h a r g i n ge x p e r i m e n t sa r e d o n e ，a n d ag r o u po f d a t ai sg a i n e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h et h e o r y o ft h ep u l s ep o w e rs u p p l yi sf i g h ta n di tc a nm e e tt h eb a s i cd e m a n d sc o m p l e x m a c h i n et 0 0 1 k e y w o r d s ：e d m c o m p l e xe l e c t r i c - d i s c h a r g eo f u l t r a s o n i c p m a c m a c h i n et o o lp u l s ep o w e r s u p p l y a c - s e r v om o t o r 第1 v 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 ( e d m ) 和超声加工( u s m ) 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，。 1 1 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。 1 2 超声一电火花复合加工研究现状 1 2 1 国外研究现状 1 9 8 6 年，印度m a d r a s 工业大学的v s r m u f t i 和p k p h i l i p 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【l 1 。其实验条件为：开路电医4 0 v ，放电间隙0 1 m m ，电极的超声振 动频率2 2 k h z ，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r o d e y j 等人在1 9 9 0 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 ( e d m ) 的基础上 第2页 山东大学硕士学位论文 附加超声j j i l2 1 2 ( u s m ) ，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p o l y t e c h n i ci n s t i t u t eo fb u c h a r e s t 的s t e n a c h e 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d k r e m e r ，j l l e b r u n 等系统的研究了超声振动对电火花加工 性能的影响哼1 0 3 0 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y a s h i h i l o 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0 2 4 0 a n 微孔的加 工速度可提高1 5 2 5 倍。 1 2 2 国内研究现状 8 0 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r c 非独立式脉冲电源比单纯采用r c 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 4 1 。 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j j n - r 小孔技术，使超声复合电火花加工速度提高了2 1 p a 5 0 ，并提出了放电 概率闻隙的概念【5 l 。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a n t 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。 1 3 超声波一电火花复合加工设备现状及发晨趋势 1 3 1 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1 9 4 3 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。5 0 年代， 电火花加工技术走出实验室进入初期使用阶段。1 9 5 4 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。1 9 5 6 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 6 0 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，1 9 6 8 年，研制出了初步适应控制系统的电火花加工设备，1 9 6 9 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a g i e 公司早6 年左右。 7 0 年代至8 0 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。1 9 7 2 年，国际上首次展出了计算机控制的屯火花线切割机床，1 9 7 3 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8 0 年代以至9 0 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s o d i c k 公司生产的m a r ke x c e l l e n c e 2 1 电源系统、瑞士 c h a r m i l l s 公司生产的r o b o f o r m 3 0 系列、3 1 系列以及1 0 0 系列电火花加工 机床、a g i e 公司生产的a g i e t r o nc 系列电火花加工机床等；其中，r o b o f o r m 3 0 系列、3 1 系列电火花成型机床，配有最新的专家系统，可按照c r t 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r o b o m i l 2 0 0 ，可以接受c a d 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【1 2 】。 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 1 3 1 。 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2 0 3 0 。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r s o n e y s 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c 1 8 。英国伯明 翰大学的s k b h a t t a c h a r y y a 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k p r a j u r k a r 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4 0 2 12 2 3 0 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s p d 0 c 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。 1 3 2 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e x t r u d e h o n ec o r p 生产了s o n e x 3 0 0 超声波加工设备，功率1 k w ，超声波频率2 0 k h z ， 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w i n d o w s 环境下进行实现了多 任务操作。 ， 1 3 3 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、r c 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r c 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，r c 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【1 7l 。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r ot 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2 5 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( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ，简称e m c ) 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【1 6 】。 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。 1 4 本课墨研究的意义及主要工作 1 4 1 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。 1 4 2 本课曩主要研究的工作 ( 1 ) 基于p m a c i 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1 0 页 山东大学硕士学位论文 第2 章基于p m a c 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p c 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。i e e e 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q l u g p l a y ) ：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( p o r t a b i l i t y ) ：功能模块可运行于不同的控制系统内。 可扩展性( e x p a n d a b i l i t y ) ：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( s e a l a b i l i t y ) ：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( i n t e r o p e r a b i l i t y ) - 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c n c 、p l c 、r c ( r o b o tc o n t r 0 1 ) 和 c c ( c e l lc o n t r 0 1 ) 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1 1 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l l ”。 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 2 5 1 。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。 2 1 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j d t 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1 2 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j n - 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。 2 2 基于嗽c i 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p c 机和开放式运动控制器p m a c i - - l i t e 来构成数控系统。而伺服驱动系统则采用松下公司的m i n a sa 系 第1 3 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。 2 2 1 p u a c i - l i t e 简介 电机 圈2 - 2 数控系统结构原理图 p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i - a x i sc o n t r o l l e r ) 运动控制器是美国d e l t a t a u 公司生产的世界上功能最强的运动控制器之一。它借助于m o t o r o l a 的 d s p 5 6 0 0 1 5 6 0 0 2 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p l c 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。p m a c 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1 4 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p m a c i l i t e 卡，它通过i s a 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r a m ，可以实现p m a c 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r a m 向p m a c 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r a m 从p m a c 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p m a c 写入双端 口r a m 。由于双端口r a m 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。 p m a c 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。 j m a c h ( j 1 1 ) 接口主要功能如下： ( 1 ) 正交编码器输入p m a c 可接受o 一5 v 的数字正交编码器输入。对于 每个编码器通道p m a c 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( e 1 8 - - e 2 1 和e 2 4 e 2 7 ) 进行设置的。 ( 2 ) 光电隔离专用数字输入标志在j m a c h 的接口上，每个通道有四个专 用的数字输入：+ l i m n - l i m n ( 行程限制) ，h m f l n ( 回零标志) 和 f a u m l ( 放大器出错标志) ( 3 ) 专用数字输出标志p m a c 的每个通道有两个专用数字输出：放大器使 能，方向信号( a e n a d i r n ) 和比较相等信号( e q u n ) 。 ( 4 ) 光电隔离模拟输出p m a c 在j m a c hi z l 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1 6 位数模转换器得到的d a c 或d a c 输出。每个d a c 输出范围为1 0 v 至l j + 1 0 v ，分辨率为3 0 0uv 位。 通用数字输入和输出( j o p l d ) 口 第1 5 页 山东大学硕士学位论文 p m a c 的j o p t o ( j 5 ) 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m 1 到m 8 分别用于读取输出1 到8 ，m i l 到m 1 8 分别用于读取输入l 到8 。该口进入内存的地址为y ：$ f f c 2 。 此外，p m a c 还提供了像多路拨码开关i o 口( j t h w ) ，控制面板i o 口( j p a n ) ，显示输出口( j d i s p ) “。 2 2 2 松下伺服简介 在该系统中采用了松下公司的m i n a s a 系列交流电机和驱动器。它 的速度频率响应能够达到5 0 0 i - i z ，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 m s d a 0 4 3 a 1 a ，和m s d a 0 8 3 a 1 a ，它们的输出功率分别为4 0 0 w 和7 5 0 w ， 具有2 5 0 0 p r 的增量式旋转编码器。 2 2 3 硬件连接 ( 1 ) 伺服驱动器和电机之间的连接 在进行p m a c 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2 3 所示。其中，非熔丝断路 器( n f b ) 用来保护电源线，过电流时切断电路；噪声滤波器( n f ) 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( m c ) 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c n s i g 接口。电机编码器为2 5 0 0 p r 增量 第1 6 页 山东大学硕士学位论文 式编码器，共有1 l 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j o g 功能，如果在j o g 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p m a c 和驱动器的连接。 图2 - 3驱动器主电路示意图 第1 7 页 山东大学硕士学位论文 i i i i i i ! ! ! ! ! ! ! | ! ! ! e ! ! ! ! 自j 寰! ! ! 自| 目! ! 目! ! ! ! ! ! ! 目! ! ! ! ! ! ! 目自自! ! ! ! ! ! e 自! ! ! ! ! e ! 皇! ! s ! 自篁 1 9。 zz zz 旦j 竺 b ! 堕!c 、! 一 b 4 ( d ) r 1 0 口 。“。一”一 b 1 a )7 aa 一 2 ( 8 )? 8 一 一 。1 。1 爿 1 2 i r ) 1 8 斛默 l l p )【j 1 7 r xr x 1 3 f h )4 犏玛嚣哇 + 5 v+ 5 v 0 v ( g )j 2 0 v - + j v“ 0 v f g ! 型il ! 1 f g 1 ) 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p m a c 之间的连接 在进行p m a c 和驱动器的连接时，要通过一根扁平电缆将p m a c 的儿1 口连接到附件8 p ( a c c s p ) ，在附件8 p 上完成连接j l l 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e 8 5 、e 8 7 、e 8 8 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。p m a c 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，d a c l ( 针4 3 ) 连接到驱动器的控制 第1 8 页 山东大学硕士学位论文 输入上，而把p m a c 的a g n d 线( 针5 8 ) 接在驱动器的控制信号返回线 上即可，单端控制中d a c l 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 。 c h a l2 52 l o a + 厂、 c h a l ，2 7v2 2 0 a n c h b l2 14 8 0 b + c h b l ，2 3v4 9 0 b ，、 c h c l1 72 3 0 z + c h c l ，1 9v2 4 0 z d a c l4 3，、1 4s p r a g n d5 81 5 g n d v g n d32 5 g n d + l 【m i5 18 c w l l i m l5 39 c c w l 7 c o m + 2 9 s r v o n 4 lc o m 图2 5p l q l a l c 与驱动器c n i f 口的连接 ( 3 ) p m a c 与主机的连接与通讯