基于多轴运动控制器的电极丝恒张力控制系统
姜永成1
任福君
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1.佳木斯大学,佳木斯,154007
2.哈尔滨理工大学,哈尔滨,150080
摘要:为解决往复走丝电火花线切割加工空间复杂曲面中电极丝张力变化影响加工精度的问题,分析了张力变化的原因及其对加工精度的影响,介绍了现有电极丝恒张力机构的不足,提出了基于功能强大的可编程多轴运动控制器的电极丝恒张力控制系统,给出了完整的系统软硬件结构。该系统可对线切割加工过程进行随动响应,保持电极丝张力恒定,改善电极丝动态定位精度。进行了恒张力线切割加工对比试验。实际测量结果表明该控制系统的加工误差明显减小,验证了恒张力控制系统的有效性。
关键词:电火花线切割;空间曲面;恒张力;多轴运动控制器;控制系统中图分类号:T G661 文章编号:1004)132X(2008)16)1920)05
Constant Tension Control System of Wire Tool in WEDM -HS Based on PMAC
Jiang Yongcheng 1 Ren Fujun 2
1.Jiamusi U niversity,Jiamusi,H eilongjiang,154007
2.H arbin University of Science and T echnology,H arbin,150080
Abstr act :The change of wire tool .s tension has an influence on machining precision in machining spatial curved surface parts in wir e electronic dischar ge machining with high speed (WEDM-H S).In order to solve this problem,the reason of change of tension and the influence on machining precision were analyzed.The shortcoming of existing constant tension mechanism of wir e tool was introduced,and a constant tension control system of wire tool and the whole str ucture of system were proposed,based on a power ful pr ogrammable multi-axis motion controller(PMAC).T he system can control the AC servo system to response the process in WEDM-H S,and keep constant tension of wire tool to impr ove the dynamic position precision.Contrast machining tests for constant tension in WEDM were carried out and the experimental results show that the error is decreased dr amatically and the constant tension control system of WEDM has a good validity.
Key words :wire electronic discharge machining(WEDM);spatial curved surface;constant tension;PMAC;control system
收稿日期:2007)07)30
基金项目:哈尔滨市科技攻关计划项目(2005AA1CG038)
0 引言
往复走丝电火花线切割机床(wire electr onic dischar ge machining with high speed,WEDM-H S)是我国首创的电加工设备,它结构简单,生产成本和使用成本低廉,广泛用于模具制造、精密零件加工和特殊材料加工领域[1]。空间曲面零件是在很多领域得到广泛应用的关键零部件,其设计和制造难度都很大。多轴联动电火花线切割加工技术是进行这些零部件加工的关键技术之一[2,3]。实践表明电极丝张力变化会对工件的加工精度尤其是复杂曲面的加工精度产生很大影响,必须对电极丝进行恒张力控制。目前WEDM-H S 电极丝恒张力机构有多种,常使用重锤式结构以使电极丝保持某一恒定的张力。但是这种结构存在一定弊端,不易实现张力的自动调整。曹凤[4]提出了一种新型恒张力机构,在贮
丝筒底部装有直线滚动导轨,导轨与水平面倾斜一个角度,一定程度上保证了电极丝张力的恒定。董广强[5]设计了一种双贮丝筒可调电极丝恒张力控制装置,该装置也对电极丝保持恒张力有一定作用。郭钟宁等[6]对线电极的动态特性进行了仿真和实验研究,为提高加工稳定性和防止断丝提供了理论依据。本文在五轴联动空间曲面电火花线切割加工中,针对电极丝张力变化对加工精度产生影响的问题,提出了基于多轴运动控制器(pr ogr ammable multi-axis motion controller,PMAC)的电极丝恒张力控制系统的设计思想,对恒张力控制系统的软硬件进行了设计,形成了基于PMAC 的复杂曲面线电火花线切割恒张力控制系统。
1张力变化对加工精度的影响
WEDM-H S 是以半柔性的细金属丝(通常
直径为0112~0125mm)作为工具电极,通过电极与工件之间的脉冲放电作用来进行加工,电极丝
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在加工过程中以6~10m/s的高速度运行,且倒向频繁(20s左右倒向一次)。在线切割中,电极丝要在强度极限下维持尽可能高而稳定的张力,才可使加工时电极丝在放电爆炸力下即保持最小的滞后弯曲,而又不会断丝。合适的张力能有效减小电极丝的振动幅度,在加工中使电极丝保持稳定。然而电极丝在加工中的热伸长和放电损耗使电极丝变细,导致电极丝的工作张力逐渐下降,如不能及时调整,电极丝的变形量必然加大。电极丝的弯曲变形在切割时体现在工件已加工表面上,从而形成被加工工件的形状误差和位置误差[7]。特别在复杂空间曲面的加工中,切割方向的变化使电极丝忽松忽紧,严重影响加工精度,因此必须对电极丝进行恒张力控制。
目前WEDM-H S采用的恒张力结构,是在线架上装导轨重力式恒张力机构,虽然上述恒张力机构结构不同,但原理基本相同。这种方式对加工区电极丝的张力有一定的稳定作用,而且经济性好,易于维护。但存在三点弊端:¹电极丝的角度和重力形成的初张力较大,造成了加工区电极丝张力的波动;º电极丝运行路线往返迂回,10m/s 的线速度使电极丝疲劳应力加大,影响电极丝寿命,也增加了电极丝纵向振动;»由于线架结构限制,导轨重力式机构行程有限,需经常停机收丝调整,由于停机后电极丝很难回到原来位置,导致加工误差加大,也延长了加工时间,降低了加工效率。
2电极丝恒张力控制系统硬件设计
2.1新型恒张力控制系统应具备的性能
在复杂曲面线切割中需要五轴联动进行加工,本文选择PMAC2-PC作为运动控制器,其与上位机共同构成开放式五轴联动电火花线切割数控系统,完成复杂曲面加工。PMAC2-PC可以同时控制8个轴的运动,具有强大的控制能力和运算能力,并提供了丰富的接口,可以连接多种电机,完成复杂运动控制[8,9]。该系统中只利用了5个轴,还有3个轴闲置,因此本文利用闲置轴的一轴来完成电极丝恒张力控制,达到提高复杂曲面加工精度的目的。新型恒张力控制系统应具备如下性能。
(1)灵敏度要高。当电极丝张力不等于设定的最佳张力时,应立即得到调整响应。本系统在硬件方面所采用的PMA C的内部数字信号处理芯片各项指标完全能满足控制系统要求。伺服控制系统采用松下伺服电机,可进行良好的PID调节,完全满足快速实时响应张力变化的要求。在软件部分,设计了PMAC下位机PLC程序,完成张力变化的高速实时控制。
(2)稳定性好。在切割过程中不受或少受除张力变化以外因素的干扰,使电极丝保持在最佳张力范围内。
(3)结构要简单,使用维修方便。
2.2恒张力控制系统的结构原理
图1为恒张力控制系统原理结构图。基于PMAC的恒张力控制系统由恒张力运丝机构、张力测量部分、控制张力部分、辅助部分组成。其中,恒张力运丝机构由标准往复走丝线切割机床的运丝机构提供。张力测量部分主要由压力传感器构成。压力传感器与张力调整轮接触,当调节杆绕着电机轴转动时,张力调整轮就随着调节杆上下运动,引起电极丝张力变化。压力传感器将张力变化值转换成电信号并由PMAC内部高速运行的张力控制PLC程序采集回来,并传回下位机控制系统的PMAC运动控制程序。由下位机控制系统判断并驱动控制张力部分,调整电极丝张力,来实现恒张力控制。辅助部分主要由固定在伺服电机轴端的调节杆组成。调节杆可伸缩,两端各有一个导丝轮,在安装时可根据机床情况及电极丝张力情况进行调节,调节好后锁紧即可
使用。
图1恒张力控制系统原理结构图
2.3恒张力控制系统硬件结构
图2为恒张力控制系统硬件结构图。本系统共用三块伺服控制接口卡,其中两块完成机床x、y两轴以及数控转摆的摆工作台的A、B两轴的摆动,另外一块接口板完成转摆的摆工作台C
轴
图2恒张力控制系统硬件结构图
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