電火花銑削加工智能化數控系統開發

0 引言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/329099.htm

　　電火花銑削加工( ED - Milling) 是20世紀90年代初才發展起來的一種新型加工工藝。它採用簡單形狀的電極,在數控系統控制下,按照一定軌跡作類似於機械銑削的成型運動。通過電極與工件之間的火花放電來蝕除金屬材料,最終獲得所需的零件形狀。它克服了傳統電火花成型加工需要製作複雜成型電極的缺點,可縮短加工周期、降低加工成本,提高加工柔性。電火花銑削加工技術的研究和應用,將為面向產品零件三維型面柔性電火花加工提供切實有效的手段,是現代製造技術的重要組成部分。

　　在電火花的不同加工階段,加工餘量、加工材料、加工極性及加工參數都不相同,其數控代碼除了有通用的G、M、T 等代碼外, 還有加工條件代碼。在加工過程中,工具電極存在顯著的損耗,特別是在精加工中工具損耗達20 %以上。另外,隨著極間放電狀態的變化,工具需要及時作進給或回退運動,以調整極間間隙。這些都是傳統切削加工數控系統所沒有的問題。可見,電火花銑削加工數控系統與機械切削加工數控系統存在明顯的區別,開發出實用的數控系統,對電火花銑削加工的應用和發展具有十分重要的價值。

1 電火花銑削加工工藝分析

　　電火花加工中工具與工件之間不直接接觸,維持一定的放電間隙。該間隙隨加工參數的變化而改變。在加工過程中,工件材料不斷被蝕除,工具電極也存在明顯損耗(在精加工中,工具損耗率達20 %以上) 。為維持一定的加工間隙,保證工件的成型精度和加工效率,工具或工件必須及時進給。進給速度要與工件的蝕除速度和工具的損耗速度平衡。電火花銑削加工中,加工速度、電極損耗和零件加工質量與峰值電流Ie 、脈衝寬度te 、脈衝間隔to 、伺服參考電壓Us 、空載電壓U 、電極轉速ω、放電面積S 、進給速度v 、電極材料、工件材料以及工作液等均有關係。通過實驗發現,這些參數對加工的影響程度各不相同。對於某個特定的加工過程,這些影響因素中如電極材料、工件材料、工作液、空載電壓和伺服參考電壓等均可設為常量。通過實驗檢驗和分析得知,對加工速度和電極損耗有重要影響的幾個因素是: 峰值電流、脈衝寬度、佔空比( = te/to) 、放電面積和進給速度。影響表面粗糙度的主要因素是峰值電流和脈衝寬度。

　　電火花加工中,通常採用體積相對損耗的θ來衡量工具耐損耗的程度,它是工具體積損耗速度與工件體積加工速度之比,其主要影響因素是脈衝寬度和峰值電流。當加工條件一定時,電極相對損耗是常數。

　　通過大量實驗得出,ED - Milling 的加工參數與加工結果之間存在很強的非線性關係,有的因素可以離線建模,而有的因素必須在線辨識,因此,很難建立加工工藝過程數學模型。而智能控制技術的興起為ED - Milling 提供了一種全新的控制策略- 智能化數控。

2 ED - Mill ing 智能化數控系統體系結構

　　智能化ED - Milling 加工數控系統將CAD/CAM、專家控制、神經網絡控制、模糊控制、伺服控制、自適應控制和動態刀具補償等技術融為一體,形成一個閉環控制系統。在數控系統中配備編程專家系統,具有參數自動優選等自適應功能。在工具損耗及補償中引入神經網絡提前預測功能,實現工具的動態實時補償。在工具進給過程中採用模糊控制策略,根據放電間隙狀態及時調整脈衝頻率和步長,提高進給系統的靈敏度和快速響應能力。其體系結構如圖1 所示。

3 數控系統的構成及工作原理

　　數控系統硬體結構如圖2 所示。整個系統由工業控制計算機、運動控制卡、極間放電狀態檢測卡、A/ D 卡和I/ O 接口卡等組成。通過ISA 總線將主機與從機和各種板卡聯繫起來。DMC300 運動控制卡由成都四通步進機電公司生產,是ISA 總線卡,可同時控制三個軸。帶有編碼器的反饋埠作為位置反饋,主要用於數字式交流伺服系統或閉環的步進電機控制系統。每軸帶有原點、減速和限位開關等接口。所有輸入/ 輸出信號都帶光電隔離,所以抗幹擾能力強。該卡帶有多軸高速線性插補功能,以及圓弧、橢圓和螺旋插補功能。脈衝輸出速度可達2. 4Mpps ,在運動中可進行變速(具有梯形和S 形加減速) ,可輸出脈衝/ 方向或雙脈衝信號,具有外部定時器中斷功能。因此,DMC300運動控制卡可保證電火花銑削加工的實時性要求,它提供了DOS 環境下C 語言運動函數庫和Windows 環境下的DLL 庫,可方便地實現主控制機與運動卡之間的通信。

　　在主機中存放通過大量實驗獲得的加工工藝資料庫。根據這些實驗得到的加工規準,通過遺傳算法實現加工參數的優選。同時,可將生產中積累的經驗加入工藝資料庫中,使工藝資料庫不斷完善和豐富。加工時,主機定時採集加工間隙放電狀態和極間電壓,並將它們輸入到設計好的模糊控制器中,分別控制進給步距和脈衝頻率。根據推理結果,將控制參數傳輸給運動控制卡,實現加工間隙和加工位置的調整。在加工過程中,根據工藝參數實時計算出電極損耗量,將預測結果傳遞到運動控制卡,實現工具電極的補償。

4 軟體設計中的幾個關鍵技術

　　4.1 基於神經網絡的電極損耗預測及補償

　　4.1.1 基於神經網絡的電極損耗預測

　　在ED - Milling 加工過程中,特別是在精加工中工具電極的損耗很大。如何檢測出工具損耗並自動進行補償,是保證加工質量的關鍵因素之一,也是實現ED - Milling 加工CAD/CAM集成的關鍵。影響ED - Milling 加工的因素很多,這些因素與電極損耗之間呈現很強的非線性,而人工神經網絡能有效地建立起各種複雜系統的關係模型。因此,本文通過建立加工參數與電極損耗之間的網絡模型,來實現加工過程中電極損耗的預測和補償。如果把所有參數都作為神經網絡輸入參數,則網絡規模大,訓練時間長。根據上述實驗結論及分析,選出對加工有重要影響的峰值電流Ie 、脈衝寬度te 、佔空比η( = te/ to) 、放電面積S 和進給速度等作為網絡的輸入。網絡的輸出為電極相對損耗θ和加工速度v 。因為含有一個隱層的前饋網絡能以任意精度逼近定義在Rn中的一個緊集上的任意非線性函數。因此本文採用三層網絡結構,如圖3所示。

　　傳統的BP 神經網絡實質是採用梯度下降法修正網絡權值,存在陷入局部極值問題。對於網絡結構的設計,一般是靠經驗和試湊。因為遺傳算法是從一個種群開始搜索,因而能以較大的概率找到最優解,本文採用遺傳算法來設計網絡權值和網絡結構。但遺傳算法存在局部搜索能力弱、收斂速度慢、過早收斂等問題,造成神經網絡訓練精度不高。要提高遺傳算法的搜索能力,避免過早收斂於局部極值點,必須設計合理的遺傳算子。

　　4.1.2 ED - Milling 加工工具補償策略

　　目前,電火花銑削加工主要有兩種方法:基於工具側面放電的側面銑削方式和基於工具底面放電的端面銑削方式。對於側面銑削加工,可近似認為工具損耗只發生在側面。這樣,只要計算出側面損耗量,即可實現工具的補償。假設工件加工餘量均勻,工具初始半徑為r0 ,加工到t 時刻的工具半徑為rt ,工具軸向長度為h ,則工具徑向損耗Δr 為:

　　根據式(1) 即可預測出不同時刻工具徑向損耗量,由此可實現電極在加工過程中的實時動態補償。對於端面銑削加工,工具端部不僅存在軸向損耗,其楞邊也會因放電腐蝕而倒圓。為保證零件形狀精度,人們期望工具端部各點的損耗量相同,這樣,通過簡單的軸向運動即可實現工具損耗的補償。這種加工技術稱為等損耗加工。為實現電極的等損耗,必須遵循以下原則: ①分層加工工件,每層的去除量很小(微米級) ; ②工具往復掃描加工; ③工具掃描路徑重疊。

　　為補償工具軸向(設為Z 軸) 損耗,每層加工後,工具必須沿軸向作進給運動。其進給量由工具軸向損耗長度和該層的平均加工深度組成。由此得出一層加工後工具軸向進給量為:

　　　　ΔZ = Lw(θSw/ Se+ 1) (1)
　　　　式中: Lw—某層平均加工深度; Sw—該層在X - Y平面內的投影面積; Se—工具橫截面積。

　　4.2 基於模糊控制技術的進給系統設計

　　電火花加工中,極間間隙的大小是影響加工生產率和精度的重要因素。合理的放電間隙可有效防止電弧放電,避免燒傷工件,保證較高的表面質量和加工速度。目前,國內生產的電火花加工工具機,最常用的是採用與極間間隙成比例的間隙電壓,作為自動進給調節系統的輸入參數,以此來調節加工間隙的大小。這種方法對調節間隙大小是可靠的。但是,加工速度和工件的表面質量不僅與間隙大小有關,更與極間放電狀態密切相關。

　　研究表明,電火花加工放電狀態可分為空載、火花放電、不穩定過渡電弧、穩定電弧和短路五種基本類型。這幾種狀態按一定概率交替出現,甚至在單個脈衝內也可能同時出現幾種狀態。哈爾濱工業大學研製的「電火花加工放電狀態檢測卡」,通過採樣一個分析周期內出現空載、火花放電、不穩定過渡電弧、穩定電弧和短路狀態的時間,將各狀態的放電時間分別與總放電時間(即採樣周期內脈寬之和) 相除,得到該分析周期內的各种放電率。根據放電率可判斷出間隙的總體狀況,放電率可客觀準確反映間隙狀態,但由於它是統計一個採樣周期內的各种放電率,是一種統計分析行為,在每個採樣周期內,存在多次放電。特別是在粗加工時,脈衝寬度大(毫秒級) ,檢測輸出的放電率就帶有較大的時延。而此時加工電流大,生產率高,如果單純採用放電率作為自動進給系統調節間隙的依據,則加工的實時性難以保證。因此,本文將極間電壓和放電率的檢測二者相結合,在微觀和宏觀兩個方面來調整加工間隙。

　　在微觀方面,定時採集間隙電壓,採用間隙電壓變化量和變化率作為微觀模糊控制器輸入參數, 調整電機進給頻率。設Us為設定的比較電壓, Ue ( t )為t 時刻檢測到的極間電壓,則間隙電壓變化量ev(t) = Ue ( t ) - Us 。間隙電壓變化率Δev ( t ) = ev(t) - ev ( t - 1) 。設f 為模糊控制器輸出的進給頻率,把兩個輸入變量均劃分為五個模糊子集:NB (負大) 、NS(負小) 、ZE(零) 、PS (正小) 、PB (正大) 。將輸出變量f 劃分為五個模糊子集:NB (負大) 、NM(負中) 、NS(負小) 、ZE(零) 、PS(正小) 、PM(正中) 、PB(正大) 。輸入和輸出模糊子集均採用三角形隸屬函數。使用下面的模糊消除策略:

　　同時,PC 機通過狀態檢測卡讀取空載率pd 、火花放電率pe、短路和電弧放電率pa三種百分比。其中只有火花放電率具有蝕除作用, 所以應儘量提高pe。但如果加工中空載率過小, 則極易產生電弧放電,說明進給速度過快。如果短路和電弧放電率過小,則說明加工處於欠跟蹤狀態, 應提高進給速度。考慮到加工的穩定性, 實際加工中pe一般在70 %285 %之間為最佳。因為空載率pd、火花放電率pe以及短路和電弧放電率pa之和等於1 ,因此,只要控制其中兩個參數, 即可實現間隙狀態的調節。這也表明當處於最佳加工過程時, 必存在一個最佳短路和電弧放電率以及最佳空載率,分別用pa0和pd0表示最佳短路和電弧放電率以及最佳空載率, 則t時刻短路和電弧放電率誤差ea( t ) = pa( t ) - pa0 ,誤差變化Δea( t) = ea ( t ) - ea( t - 1) 。t 時刻空載率誤差ed( t) = pd( t ) - pd0 , 誤差變化Δed( t ) = ed(t) - ed( t - 1) 。

　　在宏觀方面,設計的宏觀模糊控制器有四個輸入: ea( t) 、Δea( t) 、ed( t ) 和Δed( t ) 。輸出為進給步距,本文為步進電機驅動器的細分模式。將兩個輸入誤差變量ea( t ) 、ed( t ) 劃分為四個模糊子集, 誤差變化Δea( t) 、Δed( t) 劃分為三個模糊子集。均採用三角形隸屬函數。由於使用的驅動器具有八種細分模式,對應地將進給步距劃分為八個模糊集合:P0 、P1 、P2 、P3 、P4 、P5 、P6 、P7 ,採用單值模糊產生器。模糊判決方法採用最大值反模糊化法。若輸出量的隸屬函數有多個極值,則取較小極值對應的細分模式。

　　4.3 硬體驅動程序設計

　　由於Win2k 具有很好的穩定性,因此選用它作為ED - Milling 加工數控系統的軟體平臺。如圖2所示,在ED - Milling 數控系統中,需要使用運動控制卡、I/ O 卡、A/ D 卡、放電狀態檢測卡等多種硬體。其中只有運動控制卡DMC300 提供了Windows 環境下DLL 庫,實現主控制機與運動卡之間的通信。對於其他接口卡,需要開發相應的設備驅動程序。在Win2k 中,設備驅動程序必須根據Windows 驅動程序模型(WDM) 設計。WDM 提供了一種驅動程序分層的框架結構,開發者必須遵循這種結構去組織文件和數據。一個通用的設備驅動程序可由上層類過濾驅動程序、上層設備過濾驅動程序、功能驅動程序、下層類過濾驅動程序、下層設備過濾驅動程序、總線過濾驅動程序和總線驅動程序等構成。當Win32 應用程式發出一個I/O請求後,系統的I/O 管理器將它轉換為I/O請求包( IRP) ,並將它傳遞給上層設備驅動程序, IRP 逐次往下傳遞,最終由最低層的驅動程序完成與硬體的交互。每層驅動程序只完成IRP 的一部分請求。當驅動程序完成IRP的處理後, I/O管理器把數據和結果返回給Win32用戶。根據上述層次結構,開發出了ED - Milling數控系統中使用的各種板卡的驅動程序。

5 結束語

　　本文給出了一種在Windows2000上實現的電火花銑削加工智能化數控系統。該數控系統硬體由PC 機、DMC300 運動控制卡、放電狀態檢測卡、A/ D卡、I/O和脈衝電源等組成。軟體由Windows2000系統內核、硬體驅動程序、電極損耗神經網絡預測、模糊驅動系統、用戶應用程式等組成。該系統已應用在筆者研製的電火花銑削加工裝置上。實驗表明,該系統工作穩定,操作簡單,實時性好,具有較強的適用性。