电火花线切割机恒张力控制系统的研究.doc

电火花线切割机恒张力控制系统的研究第六图书馆为了提高电火花线切割机电极丝运动的平稳性,通常需要对其施加张紧力。张紧力的大小和张紧方式对加工质量、效率和断丝有重要影响。提出了一种新型的双贮丝筒走丝恒张力控制系统,该系统采用磁粉制动器作为张力执行元件,通过张力传感器检测张力,实现张力闭环控制。实验表明该张力控制系统对提高加工质量、减少断丝发生具有明显效果。为了提高电火花线切割机电极丝运动的平稳性,通常需要对其施加张紧力。张紧力的大小和张紧方式对加工质量、效率和断丝有重要影响。提出了一种新型的双贮丝筒走丝恒张力控制系统,该系统采用磁粉制动器作为张力执行元件,通过张力传感器检测张力,实现张力闭环控制。实验表明该张力控制系统对提高加工质量、减少断丝发生具有明显效果。电火花线切割机恒张力控制系统的研究陈 剑，滕向阳，贾志新(北京科技大学机械工程学院，北京100083)摘要：为了提高电火花线切割机电极丝运动的平稳性，通常需要对其施加张紧力。张紧力的大小和张紧方式对加工质量、效率和断丝有重要影响。提出了一种新型的双贮丝筒走丝恒张力控静】系统，该系统采用磁粉制动器作为张力执行元件，通过张力传感器检测张力，实现张力闭环控制。实验袁明该张力控制系统对提高加工质量、减少断丝发生具有明显效果。关键词：电火花线切割加工；张力控制；磁粉制动器；闭环控制中图分类号：TG661Study on the Constant Tension Tontrol System of W EDM M achine ToolChen Jian，Teng Xiangyang，Jia Zhixin(University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China)Abstract：In order to improve the movement stability of the W EDM machine tool，the tensionforce is usually applied to the wire electrodeThe amplitude and the way of tension play an importantrole in machining quality，machining efficiency and wire breakageA new kind of constant tensioncontrol system was proposed in this paper，Two magnetic powder brakes and two wire roller ale usedas the tension implement to control tension in this new constant tension control systemA tension sensor，which can measure the tension of wire electrode，realizes a closed loop control system to maintainthe constant tensionThe structure and working principle of this kind of constant tension control sys。tem are described in detailedKey words：W EDM ；tension control；magnetic powder brake；closed lcop control高速走丝电火花线衄割机的主要优点是生产率高、加工成本低，但在使用中也存在一定的问题。由于高速走丝线切割机采用单贮丝筒循环走丝方式，电极丝张力大小通常由上丝时丝的拉力决定。然而，上丝过程通常是人工操作，丝的张力是非恒定的。这势必影响电极丝的运动平稳性。大量研究表明：电极丝的振动对高速走丝线切割加工精度和表面粗糙度影响很大2-4。而低速走丝线切割机正是由于电极丝走丝速度低，单向运动不需换向，电极丝运动平稳，振动小，才能做到加工精度高，表面粗糙度值低。如高速走丝线切割机运丝平稳性收穑日期：200610一O8基金项目：北京市自然科学基金资助项目(3062013)第一作者简介：陈剑，男，1981年生，硕士研究生。提高，其加工精度和加工表面质量必将提高。目前，专用的高速走丝线切割机的上丝装置多为机械摩擦式，即在上丝的时候，其与作为放丝端的丝盘连接，提供摩擦力，使电极丝在缠绕过程存在一定的张力。但是加工过程中电极丝由于振动、热伸长和放电损耗，致使丝径变细和电极丝张力下降，且得不到及时的补偿，这样松弛的电极丝偏离理想的切割位置，使加工过程不稳定，轻则影响加工质量和生产率，重则造成断丝 。因此，高速走丝电火花线切割机必须配备张力控制系统。目前国产高速走丝电火花线切割机配备的张力控制系统主要有重锤式和机电式 J，但是由于采用单贮丝筒走丝装置，这两种张力控制在加工过程中都存在一些缺点。因此，本文提出了一种新型恒张力控制系统。1 新型恒张力控制系统的构成 2 恒张力的控制原理图1是新型恒张力控制系统组成和工作原理示意图。该恒张力控制系统采用了双贮丝筒走丝装置，即由两套完全相同的走丝装置(1，3，4，5，6)构成。在加工过程中，其中一套装置收卷电极丝，另套放卷电极丝，两套装置在卷丝和放丝两种状态间切换，达到循环往复走丝目的。1同步带2张力传感器3贮丝简4，电机5磁粉制动器6丝杠7电极丝图1 双贮丝筒走丝恒张力控制系统组成示意图如图1所示，当上贮丝筒处在卷丝状态时，上电机4工作，提供动力转矩，上磁粉制动器5断电不工作，而对应的下贮丝筒为放丝端，下电机断电，通过电极丝7拖动贮丝筒转动，磁粉制动器电工作，提供阻力转矩，使电极丝具有张力。当放丝端电极丝放丝完毕后，切换为收丝端，原来收丝端变为放丝端。其中，电机4采用双伸轴式，一端通过联轴器与贮丝筒3相连，另一端与磁粉制动器5相连。贮丝筒3通过同步带1与丝杠6相连，按一定传动比运动，保证贮丝筒的排丝整齐，与目前普通高速走丝线切割机走丝装置相同。如采用多层排丝可考虑使用双向丝杠。通过张力传感器2检测电极丝张力的大小，通过控制器组成直接张力闭环控制。为得到良好的制动性能和控制性能，选用磁粉制动器作为张力控制的执行元件。磁粉制动器是一种新型的自动控制执行元件。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，激磁电流(，)和转矩(M)在一定范围内成线性关系。当激磁电流不变，转矩将会稳定输出，不受滑差速度( )的影响。磁粉制动器的选择，主要根据系统所需转矩范围，转矩上限受电磁容量及机械机构限制，最高使用转矩为磁粉制动器额定转矩。考虑到转矩稳定性、可调性等，下限一般为额定转矩的10。选用磁粉制动器在其额定转矩满足要求的同时，还应保证使用的实际滑差功率小于其允许滑差功率7。放卷时系统的实际滑差功率为 ，)一P=一2-KM X =T (1)式中：P为功率，W；T为电极丝张力，N； 为电极丝线速度，ms；M 为磁粉制动器转矩，Nm；iv为转速，rmin。因此，电极丝张力的大小可用下式计算：M +，T (2)式中：R为放丝端贮丝筒半径，m；J为贮丝筒转动惯量，kgm ；t0为贮丝筒角速度，rads。由式(2)可知，调节磁粉制动器的制动转矩M大小，就可得到不同的电极丝张力。收丝端电机输出转矩为，M1=TR1 (3)式中：M】为电机输出的拖动转矩，Nrll；R1为收丝端贮丝筒半径，rll；如单层排丝R=R1，则多层排丝RRl。综上所述，恒张力控制系统见图2。一62 一图2 恒张力控制系统闭环控制原理图力丁 第六图书馆工艺装备 电加工与模具)2007年第1期本控制系统采取恒张力闭环张力控制，引入PI控制器，可从理论上实现无静差调节张力值。PI控制器传递函数为_8 J：G ( )： (4)。式中：K 为比例增益值；r为积分时间常数。磁粉制动器可看作带滞后的一阶惯性环节：G1(s)= (5)J式中：K。为磁粉制动器增益；TJ为磁粉制动器电流时间常数；Td为磁粉制动器滞后时间常数。电极丝在放电加工过程中存在多种扰动。有些因素是随机出现的，且很快消失，属于扰动信号，没有调节的意义。例如走丝装置引起的振动，电极丝与工件产生的放电力引起丝的高频振动，这些扰动应去除。所以，抗扰动环节采用串联时滞环节，其传递函数为：G2(s)=e (6)式中：r为延迟时间。除了上述扰动外，加工过程中还存在一些影响电极丝张力变化的因素，即系统内部参数的变化，采用闭环反馈可取得很好的控制效果。如贮丝筒采用多层排丝时。贮丝筒半径的变化引起张力持续变化，即可在闭环系统中使张力保持恒定。另外。由上下两套走丝装置的制造误差引起的电极丝在两个贮丝筒间的空间几何位置的变化，或多层排丝时两个贮丝筒的转速不同时造成上下丝杠排丝时，使两个贮丝筒位移不同后，造成电极丝在竖直方向上存在夹角，从而引起的张力值变化，也可在闭环中消除。由于采用了双贮丝筒的走丝装置，系统需对两台电机和两套磁粉制动器进行控制。收丝端电机提供电磁转矩，拖动放丝端贮丝筒运动。电极丝的走丝速度取决于卷绕贮丝筒的转速叫：=叫R1 (7)由式(3)和式(7)可得到，如发生变化时，M，和73都发生变化。若要保持走丝速度的恒定和张力恒定的情况，电机输出功率不变，需对电机进行恒功率调速，即P=Ml =T (8)由于交流电机和直流电机的恒功率调速范围较小，控制方式复杂，且电极丝的直径通常在018021 mm之间，变化引起的走丝速度变化对加工的影响不大。所以，可采用直流电机转速电流双闭环调速或交流电机矢量控制调速，调节转矩输出，保证电机不过载 J。综上所述，可采用可编程控制器PLC为硬件搭建控制系统。通过AD扩展接口读入张力传感器的反馈模拟信号，与设定张力值比较，调用PLC内部PID指令，完成计算，并通过DA扩展接口，把输出值给定传到磁粉制动器，实现闭环控制。另外，收丝和放丝状态的切换、电机、磁粉制动器的通断、互锁、启动和停止的时间，都可通过PLC内部程序和外部接线实现。式(4)(6)中各传递函数的参数，应按照系统静态和动态性能指标设定，必要时还可引入校正环节，使系统全面地满足所要求的性能指标引。3 结论电极丝往复走丝运行时，由于张力不均匀引起空间位置发生变化，是影响高速走丝线切割机加工质量的重要因素。所以在高速走丝线切割机中加入恒张力控制系统具有很大的现实意义。本文提出的一种新形式双贮丝筒的恒张力控制系统，通过对电极丝的直接张力闭环控制，保持张力的恒定，从而能实现提高加工质量的目的。参考文献：1 王至尧电火花线切割工艺M北京：原子能出版社，19872】Purl A BBhattaeharyya B+Modelling and analysis of the wiretoolvibration in wire-cut EDMJJournal of Materials Proceing Technology2003141：2953013 Beltrami I，Bertholds ADauw DA simplified post process forwire cut EDMJJournof Materials processing Technology。1996，58：3853894 Guo zN，LeeTeetal，A studyofultrasonicaidedwire electrical dis