（机械制造及其自动化专业论文）回转式电火花展成加工控制技术的研究.pdf

摘要 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3 b 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p c 机加下位单片机控制模块的主从式两缴控制结构，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及伺服策略的研究，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，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p c 机和下位机软件( 即单片机控制程序) 的设计；并按符合r s 2 3 2 标准的串 行异步通讯，制定了上位p c 机与下位机之间通讯的通讯协议。其中上位p c 机软 件采用v i s u a lb a s i c6 o 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，伺服控制，模糊控制 查三些奎兰三耋塑圭耋! 圣墼三 a b s t r a c t r e v o l v i n ge l e c t r i cd i s c h a r g eg e n e r a t i n gm a c h i n i n g ( r e d g m ) i san e w s t y l e t e c h n o l o g yo fe d m ，a n di t sc h a r a c t e r i s t i ci sr e v o l v i n go fd o u b l ea x e s a i m i n g a tt h a t a c t u a lc o n t r 0 1t e c h n 0 1 0 9 yo fr e d g mi sl o w 一1 e v e la n dn o ta l l - p u r p o s e ，t h ec o n t r o l t e c h n o l o g yo fr e d g m w a ss t u d i e da n dau n i v e r s a lc o n t r o ls y s t e mo fr e d g mw a s d e v e l o p e di n t h i sd i s s e r t a t i o n ，a n dt h i s s t u d yw o u l db eo fm o m e n t o u s c u 盯e n t s i g n i f i c a n c ef o rr a i s i n gp e r f o r m a n c ea n dd e v e l o p i n gc o n t r o lt h e o r yo fr e d g m a tf i r s t ，b a s i n go nt h em a c h i n i n gp r i n c i p l eo fr e d g m ，d r i v i n gp r o j e c to fa x e s w a sa n a l y z e d ，a n dt h r o u g hd e t e c t i n ga c t u a lr o t a t es p e e d ，i tw a sf i x e do nt h a ts t e p p i n g m o t o r ，w h i c hd i v i d e dd r i v i n g ，w a sc h o s e na sd r i v e r st od r i v ea x e s t h r o u g ha n a l y z i n g c o n t r o lo ft h es h a p e dm o v e m e n t si np r o c e s s i n g ，t h ec o n t r o lt e c h n o l o g yo ft h es h a p e d m o v e m e n t s ，w h i c ha d o p t e dp o i n t - b y p o i n ti n t e r p o l a t i o nv i a3 bc o d e ，w a si n t r o d u c e d a n db a s i n go nt h e s e ，t h e c o n t r o l - s y s t e m ， w h i c hi n c l u d e d u p p e rp ca n db a s e s i n g l e c h i pc o n t r o l m o d u l e ，w a sd e s i g n e d i no r d e rt os e r v oc o n t r o lr e d g mv a l i d l y ，b a s i n go nt h es e r v oc h a r a c t e r i s t i co f r e d g ma n di t ss e r v om e t h o d ，t h et e c h n i q u ei nw h i c ht i m ew a sc u m u l a t e dw a su s e d t od e t e c tg a pd i s c h a r g es t a t e ，a n dt h ec i r c u i to fd e t e c t i n gb r e a kd o w nw a sd e s i g n e d a n da d o p t i n gt h em e t h o di nw h i c hi n c l u d i n gp e r i o d i c a ld e t e c t i n ga n d1 0 c a ld e t e c t i n g o fg a pd i s c h a r g es t a t e ， t h es e r v of e e d c o n t r o l s y s t e mb a s e do nf u z z yc o n t r o l t e c h n o l o g yw a sd e s i g n e d i na d d i t i o n ，i no r d e rt oh a v ec o n t r 0 1s y s t e mt ow o r k i n ga v a i l a b l y ，u p p e rp c c o n t r o l s o f t w a r ea n db a s es o f t w a r e ( s i n g l e c h i pc o n t r o l p r o g r a m ) w e r ed e s i g n e dw i t h t h e c o n c e p t o fm o d u l e a n da c c o r d i n gt or s 2 3 2s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ， c o m m u n i c a t i o n a g r e e m e n t b e t w e e n u p p e r p ca n db a s ec o n t r o l 。m o d u l ew a s e s t a b l i s h e d a n da l s o ，t h eu p p e rp cc o n t r o l s o f t w a r ea n dt h eb a s es o f t w a r ew e r e d e v e l o p e dw i t h s u a lb a s i c6 0a n da s s e m b l yl a n g u a g er e s p e c t i v e l y a tl a s t ，u s i n gt h eh o m e m a d ee q u i p m e n to fr e d g ma n dc o n t r o ls y s t e mt h a tw a s d e s i g n e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ee x p e r i m e n t so fc o n t r o ls y s t e ma n dt h em a c h i n i n g e x p e r i m e n to ft y p i c a lp a r tw e r ec a r r i e do u t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o ls y s t e m c a nc o n t r o l p r o c e s s i n go fr e d g ma v a i l a b ly a n dt h ec o n t r 0 1s y s t e mh a sb e t t e r u n i v e r s a l k e y w o r d s ：e d m ，r e v o l v i n g ，g e n e r a t i n gm a c h i n i n g ，s e r v oc o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l i 第一章绪论 第一章绪论 1 1电火花加工技术的现状与发展趋势 电火花加工( e 1 e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ，简称e d m ) 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。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2 0 世纪4 0 年代前苏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3 ，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2 0 世纪9 0 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 新发展以及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、电极损耗增大等负而影响。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“1 。 目前，国内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a g i em o n d 0 3 0 或s f l l o 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1 ；重庆大学的周忆等利用自制的电火花内螺旋齿轮加工装置， 工具电极螺旋进给加工内螺旋齿轮3 ；南京航空航天大学的云乃彰利用回转工具 广东工业大学工学硕士学位论文 电极展成加工出小模数渐开线齿轮”1 ；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“1 。而且已有研究表明，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卜“。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及其特点 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“，如图卜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。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及工具 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。 + 上+ 图1 1 回转式电火花展成加工原理图 f i g 1 一ls c h e m a t i co fr e v o l v i n ge l e c t r i cd i s c h a r g eg e n e r a t i n gm a c h i n i n g 1 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n “： 2 第一章绪论 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，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 断回转以及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( 内圆或外圆) 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、轮胎模及某些特殊材料的回 转类工件的加工等。 1 3 国内外研究现状 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) 股份有限公司的孙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，在国内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 3 广东工业大学工学硕士学位论文 加工机床h 钉 1 。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。 其中通用性较强的有j n 型展成式精密电火花加工机床，其运动系统如图卜2 所示，该机床可分别实现三种回转运动( ，皑) 和四种直线运动( x ，x ， x ，z ) ，并可灵活组成多种复合运动。以，以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。0 1 ，n 两轴线平行或按一定角度 设置或辅以绕识轴转动( 双) ，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、共轭曲面及多种组合型面等；并能方便地加工薄壁、小孔及微小型零件， 精度达微米级，表面粗糙度达r a 0 0 4 0 3 2 “m ：还可以在多种型面较大面积( 如 大于o1 5 0 m m 圆平面、圆球面等的表面积) 上实现电火花镜面加工。 d 图1 2j n 型展成回转式机床运动系统示意图“ 1 f i g 1 2s c h e m a t i co f o v e m e n t ss y s t e mo fj nr e v o l v i n gg e n e r a t i n gm a c h i n et o o l 。 2 哈尔滨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，如图卜3 所示n “。 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 4 第一章绪论 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内腔，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。 z 轴进结步迸电机 图1 3 加工装置机械结构示意图“7 1 f i g 1 3s c h e m a t i co fm a c h i n ee q u i p m e n ts t r u c t u r e 1 “ 3 为适应生产和教学的迫切需要，清华大学金工教研室于1 9 9 0 年成功地研制 出了旋转电火花加工机床一一d k 6 8 2 5 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，如图卜4 所示“。该机床具有普通 工具磨床在加工中的多样性和灵活性，加工范围广，可以加工平面、外圆、孔及 螺旋槽等表面。 图1 4d k 6 8 2 5 数控旋转电加工机床示意图“” f i g 1 4s c h e m a t i co f d k 6 8 2 5n cr o t a r ye d m m a c h i n et o o l 1 8 4 北京科技大学的贾志新等在水平双轴回转电火花加工装置( 如图卜5 所示) 上进行了水平双轴回转电火花加工实验研究n 。分析了水平双轴回转电火花加 工中影响加工速度、电极相对损耗及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。 5 广东工业大学工学硕士学位论文 图1 5 水平双轴回转电火花加工装置简图“ f i g 1 5s c h e m a t i co f h o r i z o n t a l t w i na x e sr o t a t i n ge d me q u i p m e n t 1 9 】 5 华南理工大学的杨钢等则根据国内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d e l p h i 6 o 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。 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上印“叫2 ，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一一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 由于工艺的特殊性及其放电的复杂性，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： l _ 少部分回转式电火花展成加工的控制仍采用手动调节。如南京航空航天大 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”“；北京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阻，如图卜6 所示；华南理工大学 的杨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： 。 6 二丑 图1 6电火花在位、动态修形装置。” f i g 1 6e q u i p m e n tw i t ho n ，s i t ed y n a m i ce d m 2 5 2 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。如南京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2 “：重庆大学的周忆、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内螺旋齿轮盯( 如图卜7 所示) ：中国农业大学的张桂香等改进放电间隙识别方法，也是采用普通电火花加 工的伺服进给控制技术进行电火花磨削加工的研究阻“。 图1 7内螺旋齿轮加工原理图” f 塘1 7s c h e m a t i co fm a c h i n i n gh e l i xg e a r 2 8 1 3 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，北京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：哈尔滨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 7 广东工业大学工学硕士学位论文 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。但是，这些控制技术都还只是针对某一特定 类型或某一特定零件的加工，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、主要研究内容 1 4 1课题来源 佛山市科技发展专项资金项目( 编号：0 3 0 3 0 0 9 1 ) ：陶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范围、推动 回转式电火花展成加工技术的发展具有较大的现实意义。 1 4 3 课题研究的主要内容 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 花展成加工的放电问隙状态检测方法研究和进给控制算法研究两方面的内容。 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、 硬件设计及控制软件的编写三方面的内容。 5 回转式电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，并加工出卜2 种典型的零件，如直齿圆柱齿轮等。 8 第二章成形运动控制及控制系统的结构设计 第二章成形运动控制及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及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， 保证工具电极和工件电极的角相位对应关系，即 q r + 研o = 哆r + 晚o + 2 七万 式中：q 一一工具电极的实际角速度 纸一一工件电极的实际角速度 必须严格 ( 2 1 ) 丁一一工具电极与工件电极回转时的同步周期 一一工具电极的初始角相位 一一工件电极的初始角相位 t 一一整数 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 仡= f q 出= f ( q 。+ 瓦协= q 一+ f 屯。疵 ( 2 _ 2 ) 欢= f 吐出= f ( + 瓦：础= 哆。f + f 氏：出 ( 2 3 ) 式中：破一一工具电极的角位移 欢一一工件电极的角位移 9 广东工业大学工学硕士学位论文 q 。一一工具电极的名义角速度 一一工件电极的名义角速度 氏。一一工具电极的角速度误差 吒：一一工件电极的角速度误差 ，一一加工时间 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： 矿2 识一欢= ( q 。一吐。) + f ( 屯一既：渺 ( 2 4 ) 所以，经过一段时间f 后，工具电极与工件电极的角相位累积误差为： 岛= f ( 氏一瓦：胁 ( 2 5 ) 由此可知，如果角速度误差也、瓦：是稳定不变或呈单方向变化的，即使 ( 瓦，一吒：) 很小，当f _ o 。时，角相位累积误差皖o 。 从以上分析可知，在实际加工过程中可以对既进行在线检测，并通过反馈控 制对q 、吨进行实时在线调节，分别使它们尽可能地接近q 。、鸭。，从而把回转 轴间的角相位误差控制在允许的范围内。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。 而如果角速度误差瓦、瓯。的符号( + 或一) 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皖= o 。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 f 瓦疵= o ( 2 6 ) 式中：r 一步进电机的回转周期 瓦一步进电机的角速度误差 此外，在驱动脉冲频率较高的情况下，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，在驱动脉冲频率相同的情况下，其主 轴之间的角位移误差在某一时间段( 同步周期) 内的累积为o 。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。 1 0 第二章成形运动控制及控制系统的结构设计 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。“。步进电机细分驱动技术是7 0 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口“。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“。如图2 1 所示，图2 一l ( a ) 、( b ) 分别为无细分驱动和采用细分驱动且转速 相同时步进电机的实际测量转速曲线图( 为角速度，f 为时问) 。 ( a ) 无细分，驱动频率1 2 0 h z ( b ) 2 5 细分，驱动频率3 0 0 0 h z 图2 1步进电机的转速曲线图 f 堙2 一lr o t a t es p e e dc u r v eo fs t e p p i n gm o t o r 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 1 1 广东工业大学工学硕士学位论文 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不意图 f i g 2 2s c h e m a t i co fr e v o l v i n ge l e c t r i cd i s c h a r g eg e n e r a t i n gm a c h i n i n ge q u i p m e n t 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 轴之问的 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 第二苹成形运动控制及控制系统的结构设计 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，当蜥：，l ，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，斜率为七= h ，唧的射 线0 a ，如图2 3 所示。 y ( p ) o 图2 3p 轴与t 轴的转速比关系图 f i g 2 3d i a g r a mo fr o t a t i o n a ls p e e dr a t i ob e t w e e np a x i sa n dt _ a x i s 由图2 3 可知，射线石五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。 ：7 丁( ! 矿k 。 图2 _ 4 t 轴与r 轴的联动关系图 f i g 2 _ 4d i a g r 帅o fm o v e 眦n tb e t w e e nt _ a x i sa n dr - a x i s 广东工业大学工学硕士学位论文 因此，本文从编程简单、传送方便、容易实现等方面出发，采用3 b 代码编程 “，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，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”“。 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一一伺服进给运动，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( 分别是p ，t ，l ，r 四个轴的驱动电机) 的运动，以及对加工状态 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 轴及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 处理一一判别检测周期内间隙放电状态。然后发出伺服控制信号，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。 1 4 第二章成形运动控制及控制系统的结构设计 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，p c 机逐步进入 控制领域，极大地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。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p c 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。 控制核心部分驱动与功放部分加工装置部分 r _ - 一一一l 一一一一ll 一一一一一 上位p c 机 呻行通 电缆 各轴电机驱 动模块 电机驱动电源 放电状态检测 电路 各轴电机 电 火 花 机 床 脉 冲 电 源 图2 5 控制系统硬件结构框图 f l g 2 。5b l o c kd l a g r a mo fc o n t r o ls y s t e mh a r d w a r es t r u c t u r e 其中系统中的上位p c 机具有丰富的系统资源和强大的运算能力，主要完成人 机交互及数据处理功能。上位p c 机通过r s 2 3 2 串行口与下位控制模块进行通信， 上位p c 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 p c 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内容分别执行相应 的执行模块。因而实际加工时操作上位p c 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 p c 机中运算并显示出来。 块一转动制块一 模一匣运控模一 # 空 位|服给制块 f一伺进控模一 广东工业大学工学硕士学位论文 2 3 3 下位控制模块的设计 由图2 5 可知，在下位控制模块的设计中把下位控制模块分成两个独立的控 制模块：一个是回转运动控制模块i 另一个是伺服进给控制模块。 其中在设计伺服进给控制模块时，考虑用3 个片内定时计数器分别记录短路 时间、放电时间以及产生波特率，所以选用一块型号为a t 8 9 s 5 2 的单片机作为模 块的c p u ，单片机的p 1 口均用作信号输出口，如图2 6 所示：p 1 3 和p 1 7 分别 输出l 轴电机驱动信号、l 轴电机转向信号；而外部中断输入端p 3 2 ( w 丁0 ) 和 p 3 3 ( ，丁1 ) 分别作为放电状态检测中放电、短路状态信号的输入：另外，p 3 0 ( r x d ) 与p 3 1 ( t x d ) 用作串行输入输出口，通过r s 2 3 2 串行接口与上位p c 机 实现通讯。 r s 2 3 2 $ h 行接ohl ”m m ) 1 f t x d l p 07 p 32 ( ! 竺) n p 2o 掣”娶妄j p 35 巴 p 1 o 隰陛 p 36 ( 里) 烈 阳7 ( r d )p 13 一 i 检测l j 电路i l 电机 信号 电机 信号 图2 6 伺服进给控制模块结构原理图 f 堙2 6s c h e m a t i co fs e r v of e e dc o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r e i 墅阢 渐i p 3 l f t xd 1 p 07 p ) 2 ! ! 塑) n p 2o - j 8 r a m 嚣y ”謇品， l 丽，刮 9 35 芒 p 1o- 一r 轴电机驱动信号 ”囤荆 一t 轴电机驱动信号 一p 轴电机驱动信号 m p 37 ( r d ， p l3 一r 轴电机转向信号 1 t 轴电机转向信号 一p 轴电机转向信号 图2 7 回转运动控制模块的结构原理图 1 6 第二章成形运动控制及控制系统的结构设计 为方便模块的集成，在回转运动控制模块的设计中也选用一块型号为 a t 8 9 s 5 2 的单片机作为c p u ，并扩展了一片6 2 6 4 外部数据存储器，以供存储加工 代码程序。另外单片机的p 1 口均用作信号输出口，p l _ 0 p 1 2 依次输出r 轴电 机驱动信号、t 轴电机驱动信号、p 轴电机驱动信号，p 1 4 p 1 6 依次输出r 轴 电机转向信号、t 轴电机转向信号、p 轴电机转向信号：而p 3 o ( r x d ) 与p 3 1 ( t x d ) 用作串行输入输出口，通过r s 2 3 2 串行接口与上位p c 机实现通讯。该模 块的结构原理图如图2 7 所示。 2 3 4 步进电机及其驱动器的选型 从前文的分析可知，本文中各驱动轴的驱动电机采用步进电机。通常在选择 步进电机时，希望步进电机的输出转矩大，启动频率和运行频率高，步距误差小， 性价比高。但增大转矩与快速运行存在一定矛盾，高性能与低成本存在矛盾。因 此实际选用时，必须全面考虑。 首先，应考虑系统的精度和速度的要求。为了提高精度，希望脉冲当量( 每输 入一个脉冲使被控对象产生的位移) 小。但脉冲当量太小，要求的减速比大，而最 高速度将受到步进电机的最高运行频率的限制，故应兼顾精度与速度，在精度允 许的情况下，尽量提高速度。 步进电机的一个显著特点是：步距角固定，如每转2 4 步的电机，其固有步 距角为1 5 。；每转2 0 0 步的电机，其固有步距角为1 8 。但与其它执行机构一 样，不可避免的存在这样那样的误差。动态工作时还出现虽不影响最终位置，但 影响运动质量的动态误差。选择步进电机时，应使静态定位误差、动态误差都满 足系统要求。 其次，选择步进电机时应考虑负载状况。如果电机容量选得过小，带不动负 载会造成失步；如果容量选得过大，造成资源浪费。因此选择步进电机时，应以 生产厂家给出的矩频特性曲线作为依据，使各段频率上的转矩小于特性曲线上的 转矩，并留有一定的余量。 从以上几个方面考虑，因步进电机主要有反应式、混合式、永磁式等几种， 而用的较多的是反应式和混合式。但混合式步进电机的动态特性要比反应式步进 电机的动态特性好，且输出转矩大，步距角小。因此，本研究中选用深圳白山机 1 7 广东工业大学工学硕士学位论文 电一体化有限公司生产的8 6 系统二相混合式步进电机( b s 8 6 h b 8 0