（機(jī)械制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)論文）慢走絲線切割機(jī)床走絲系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā).pdf

摘要 摘要 本文是結(jié)合低速走絲電火花線切割機(jī)床的開(kāi)發(fā)而進(jìn)行的研究，相對(duì) 低速走絲線切割機(jī)床而言，走絲系統(tǒng)的重要性不言而喻，可以說(shuō)低速走 絲線切割機(jī)床就是圍繞電極絲在做文章，走絲系統(tǒng)上的各個(gè)環(huán)節(jié)都體現(xiàn) 了機(jī)床的水平與質(zhì)量，走絲速度和張力控制是否合適，直接影響加工工 件的表面質(zhì)量。尤其是近年來(lái)，隨著微細(xì)、高精度加工的需要，對(duì)低速 走絲電火花線切割機(jī)床的走絲系統(tǒng)提出了更高的要求，因此研制走絲系 統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)的意義。 本文在查閱了大量國(guó)內(nèi)外相關(guān)低速走絲線切割加工文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上， 分析了電火花線切割加工的理論基礎(chǔ)，綜述了低速走絲線切割機(jī)床及其 走絲系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r。在對(duì)走絲機(jī)構(gòu)的工作原理進(jìn)行分析和研究的基礎(chǔ) 上，提出了絲速采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制，絲張力采用磁粉制動(dòng)器加載式 開(kāi)環(huán)控制的整體設(shè)計(jì)方案；建立了以p c 機(jī)為主控制單元，以基于p c i 總線 的運(yùn)動(dòng)控制卡和基于i s a 總線的d a 輸出卡建立的功能模塊為轉(zhuǎn)換輸入輸 出，以磁粉制動(dòng)器為張力執(zhí)行元件、步進(jìn)電機(jī)為絲速控制系統(tǒng)的執(zhí)行元 件的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)；分析了走絲控制系統(tǒng)主要組成元件的工作原理，建 立走絲控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，得出了張力控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。 設(shè)計(jì)并制作了走絲系統(tǒng)的機(jī)械裝置，在關(guān)鍵部件研制上，設(shè)計(jì)了張 力輪和張力壓緊輪之間的壓緊力自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，以及收絲輪和收絲壓力 輪的壓緊力調(diào)節(jié)裝置。 設(shè)計(jì)并調(diào)試了控制系統(tǒng)的穩(wěn)壓電路、磁粉制動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí) 基于v b 6 o 編寫(xiě)了實(shí)時(shí)控制程序，實(shí)現(xiàn)了走絲系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。 對(duì)走絲系統(tǒng)內(nèi)、外進(jìn)行了參數(shù)設(shè)定后，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)調(diào)試。經(jīng)測(cè)試， 走絲控制系統(tǒng)能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，證明本方案可行。 關(guān)鍵詞：低速走絲電火花線切割機(jī)床；走絲系統(tǒng)；機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；恒速恒張 力控制。 奎：! ；些查蘭；：蘭翟圭謄竺堡蘭 a b s t r a e t t h i sa r t j c l e m a i n l ya b o u t t h er e s e a r c ho nt h e d e v e l o p m e n t0 ft h e w e d m - l s ，t ow e d m l s ，t h ew i r e f e e ds ys t e mi sv e r yi m p o r t a n t e v e r y p a r to ft h ew i r e f e e d s ys t e mh a sr e f l e e t e d t h el e v e la n dq u a l i t yo ft h e m a c h i n et 0 0 1 t h es p e e do ft h ew i r ea n dt h et e n s i o ni n f l u e n c et h es u r f a c e q u a l i t yo fp r o c e s s i n gw o r kp i e c ed i r e c t l y w i t ht h ed e v e l o p i n go fm i c r oa n d h i g hp r e c i s em a n u f a c t u r e ，m o r er e q u e s t so nt h es t a b i l i t yoft h ew i r e - f e e d i n g s ys t e ma r ec a l l e do n ，t h e r e f o r e ，i th a sr e a l i s t i cm e a n i n g st or e s e a r c ho nt h e w i r e - f e e d i n gs y s t e m t h en e wd e v e l o p m e n t so fw e d m l sa n dw i r e - f e e d i n g s y s t e m f o r w e d m l sa r es t a t e df i r s t l yi nt h i sp a p e ro nb a s i so fal o to fd o m e s t i ca n d o v e r s e a st e c h n i q u el i t e r a t u r eo nw e d m l s a f t e ra n a l y z e da n dr e s e a r c h i n g o nt h ew o r k i n gt h e o r yo fw i r e f e e d i n gd e v i c e ，am e t h o dt oc o n t r o io p e nl o o p t e n s i o nu s i n gm a g n e t i cp o w d e rb r a k ea n dw i r ef e e d i n gs p e e da d o p t i n gs t e p m o t ora r ep u t t e df o r w a r d ；aw i r e - f e e d i n gs y s t e misr e s e a r c h e dw i t hp ca s m a i nc o n t r o l l i n gu n i t ，t h ek i n e t i cc o n t r 0 1c a r do fp c ib u sa n dd ao u t p u t c a r d0fi s ab u sa sc o n v e r t i n gi o ，t h em a g n e t i cp o w d e rb r a k ea sp e r f o r m i n g d e v i c ea n dt h es t e pm o t o ra st h ew i r ef e e d i n gm o t o r ；t h ew o r k i n gt h e o r yo f m a i n p a r t o ft h ew i r e f e e d i n gs y s t e ma r ea n a l y z e d ，am a t hm o d e lo f w i r e - f e e d i n gs y s t e m i ss e t u p a n da s y s t e mt r a n s f o r m i n g f u n c t i o ni s p r e s e n t e d t h em e c h a n i cp a r t0 fw i r e - f e e d i n g s y s t e m i s d e v e l o p e d o nt h e r e s e a r c ho fk e yp a r t s ，t h ed e v i c et o a u t o m a t i c a l l ya d j u s tp r e s s u r eb e t w e e n t h et e n s i o np u l l e ya n dt h et e n s i o np r e ss i n gp u l l e y ，a n dt h ed e v i c et oa d j u s t t h ep r e s s u r eb e t w e e nt h er e c o v e r yp u l l e ya n dt h e p r e s s i n gp u l l e y a r e d e s i g n e d t h ec o n t e n tv o l t a g ec i r c u i ta n dc i r c u i tt od r i v em a g n e t i cp o w d e rb r a k e i i a r ed e s i g n e da n dd e b u g g e d ，ar e a l t i m ec o n t r 0 1s o f t w a r eb a s e do nv b 6 0 h a sb e e nw r i t t e n ，t h ew i r e - f e e d i n gs y s t e mi sc o n t r o l l e da u t o m a t i c a l l yh a v e r e a l i z e d a f t erc o n f i r m i n gt h ei n s i d ea n do u t s i d ep a r a m e t e r so ft h ew i r e - f e e d i n g s y s t e m ，t h eg e n e r a ld e b u g g i n gisc a r r i e d t h r o u g ht e s t i n g ，t h ew i r e - f e e d i n g c o n t r o l l i n gs y s t e mc anc a r r yo nr e a l - t i m ec o n t r 0 1a n dc o n t r 0 1m e t h o di s c o n f i r m e d k e y w o r d ：l o w - s p e e dw e d m ，w i r ef e e d i n gs y s t e m ，m e c h a n i s md es i g n s ， c o n t e n ts p e e da n dt e n s i o nc o n t r o1 i i i 獨(dú)創(chuàng)性聲明 獨(dú)創(chuàng)性申明 秉承學(xué)校嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)與優(yōu)良的科學(xué)道德，本人聲明所呈交的論文是我個(gè)人在 導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果盡我所知，除了文中特別加以 標(biāo)注和致謝的地方外，論文不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，不包含 本人或其他用途使用過(guò)的成果與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均 已在論文中作了明確的說(shuō)明，并表示了謝意 本學(xué)位論文成果是本人在廣東工業(yè)大學(xué)讀書(shū)期間在導(dǎo)師的指導(dǎo)下取得的，論 文成果歸廣東工業(yè)大學(xué)所有 申請(qǐng)學(xué)位論文與資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任，特此聲明。 6 1 師簽疊嘶 ，、i 論文作者簽字：皆專(zhuān)、蔓邛 2 0 0 7 年5 月2 0 日 1 1 引言 第一章緒論 1 9 4 3 年，前蘇聯(lián)學(xué)者拉扎連珂夫婦發(fā)明了電火花加工【l 】，2 0 世紀(jì)5 0 年代初傳 入我國(guó)，我國(guó)開(kāi)始研究和應(yīng)用電火花加工技術(shù)6 0 年代初期，我國(guó)研制成功靠模 仿型電火花線切割加工設(shè)備，能夠切割尺寸小，形狀復(fù)雜、材料特殊的沖模和零 件 經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，電火花加工技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航天、航空、電子、 原子能、計(jì)算機(jī)技術(shù)、儀器儀表、電機(jī)電器、精密機(jī)械、汽車(chē)拖拉機(jī)、輕工等行 業(yè)。在加工過(guò)程中，電極和工件之間不直接接觸，幾乎沒(méi)有切削力，因此在加工 高強(qiáng)度、高熔點(diǎn)、高硬度、高脆性、高韌性等難于切削新材料顯示了極強(qiáng)的優(yōu)越 性電火花加工主要分為成型加工和線切割加工。兩者都是利用工具電極與工件 產(chǎn)生火花放電，蝕除工件，不同的是電火花成型加工需要設(shè)計(jì)和制造工具電極， 放電加工后，工件被蝕除出與工具電極嚴(yán)格一致的型腔；而電火花線切割是利用 電極絲( 一般為銅絲或鉬i t ) 與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生火花放電，使工件切割 成型【2 1 。 1 1 1 電火花線切割機(jī)床簡(jiǎn)介 電火花線切割機(jī)按電極絲傳送的速度不同分為高速走絲和低速走絲兩種，近 年來(lái)，也有在高速和低速的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的中速和高低速?gòu)?fù)合走絲機(jī)床以及自 旋式電火花線切割機(jī)床，但由于起步較晚，這些機(jī)床還不普遍p j 一般情況下，我 們把送絲速度高于8 m s 稱(chēng)為高速線切割機(jī)床( h s w e d m ) ，這是我國(guó)主要的機(jī) 種，而低于1 5 m m i n 稱(chēng)為低速走絲線切割機(jī)床( l s w e d m ) ，這是國(guó)外生產(chǎn)的主 要機(jī)種高速走絲線切割機(jī)電極絲采用的是上下循環(huán)輪流送絲方式，電極絲重復(fù) 使用，電極絲導(dǎo)向采用紅寶石導(dǎo)輪，工作時(shí)電極絲與導(dǎo)輪高速摩擦而逐漸變細(xì)，進(jìn)而 廣東丁業(yè)大學(xué)t 學(xué)碩十學(xué)位論文 導(dǎo)致電極絲與導(dǎo)輪之間的間隙過(guò)大，加之電極絲的傳送速度高引發(fā)電極絲發(fā)生抖 動(dòng)所以采用高速走絲線切割加工的模具其型面比較租糙，r a 值一般在1 ，5 2 5u m 之間。但由于其走絲速度快，有利于排屑，適合大厚度、大電流切割。低速走 絲線切割機(jī)其導(dǎo)絲嘴采用耐磨的金剛石材料，它與電極絲的配合間隙僅為 o 0 0 1 0 0 0 2 m m ，同時(shí)電極絲的傳送為單向輸送不循環(huán)一次性使用，因而低速走絲 線切割不存在電極絲變細(xì)的情況；又由于低速走絲速度相對(duì)較慢，電極絲抖動(dòng)幅極 小【3 】；而且低速走絲線切割的脈沖電源各個(gè)參數(shù)調(diào)節(jié)范圍寬；伺服進(jìn)給系統(tǒng)一般 為四軸聯(lián)動(dòng)甚至為五軸聯(lián)動(dòng)，能切割錐面，上下異形面，扭轉(zhuǎn)曲面。帶尖角內(nèi)角 過(guò)渡曲面，切割過(guò)程中要求實(shí)時(shí)更新伺服進(jìn)給速度，以達(dá)到與工件蝕除速度基本 同步，因此低速走絲機(jī)適用于精密模具和精密機(jī)械零件的加工，所加工的模具型 腔最佳表面粗糙度值低，加工尺寸精度可控制在幾個(gè)微米之內(nèi)1 4 l 。 1 2 低速走絲電火花線切割技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究概況 1 2 1 國(guó)外研究現(xiàn)狀【5 i 國(guó)外低速走絲線切割機(jī)床主要的生產(chǎn)廠家有瑞士的阿奇、夏米爾公司，日本 三菱和沙迪克公司，目前他們的產(chǎn)品基本占領(lǐng)了大部分國(guó)際市場(chǎng) ( 1 ) 最大加工效率國(guó)外l s w e d m 的最大加工效率停留在3 0 0 m m 2 m i n 已 有多年。國(guó)外的脈沖電源都采用無(wú)電阻高效節(jié)能型窄脈寬高峰值電流脈沖電源， 這種脈沖電源低能耗，低損耗，加工精度高，表面質(zhì)量好。最大加工效率依賴(lài)于 窄脈寬高峰值電流脈沖電源的開(kāi)發(fā)，國(guó)外在窄脈寬的情況下，其最大峰值電流 ；1 2 0 0 a ，高峰值電流與其它條件配合( 各種控制方式、供液條件、復(fù)合電極絲 等) ，可使最大加工效率達(dá)到4 0 0 5 0 0 t a r a 2 r a i n 。例如，瑞士阿奇公司的a g i e c u t p r o g e s s 機(jī)床采用數(shù)字化的i p g 智能電源，用0 0 3 3 m m 的電極絲，其最大加工效 率可達(dá)5 0 0 r a m 2 r a i n 以上；日本三菱電機(jī)公司的f a v 機(jī)床，采用m o 3 6 m m 的電極絲， 加工效率也可達(dá)到5 0 0 m m 2 m i n ：日本沙迪克公司開(kāi)發(fā)的l q 3 3 w 新電源，在a q 3 2 5 l 機(jī)床上，用心o 3 0 r a m 的復(fù)合電極絲，加工效率可達(dá)4 0 0 r a m 2 r a i n 等等?？傊瑖?guó)外 目前最大加工效率在4 0 0 5 0 0 m m 2 m i n ，又有了新進(jìn)展目前最有價(jià)值的最大加工 2 第一章緒論 效率要數(shù)瑞士阿奇公司的a g i ec u tp r o g e s s 機(jī)床，該機(jī)床開(kāi)發(fā)的電源使用標(biāo)準(zhǔn) 電極絲在加工效率達(dá)到3 5 0 5 0 0m m 2 m i n 的情況下，r a 可達(dá)到0 8 t t m ，這種高效粗 加工，對(duì)于最終實(shí)現(xiàn)精密加工的多次切割來(lái)說(shuō)，可節(jié)省約5 0 的加工時(shí)間，減少 約4 0 的濾芯消耗，4 0 的樹(shù)脂消耗，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益 ( 2 ) 變截面加工效率 日本三菱公司的f a 系列機(jī)床采用了加工電源控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由工件厚度檢 測(cè)器、加工狀態(tài)檢測(cè)器和脈沖能量輸出控制器等部分組成，以適應(yīng)加工截面的變 化，尤其適合臺(tái)階形、中空形、薄形等零件加工，能有效防止斷絲，提高加工效 率最大能晟控制專(zhuān)家系統(tǒng)只要輸入電極絲直徑和類(lèi)型、工件材料即可自動(dòng)進(jìn)行 最佳加工。根據(jù)加工過(guò)程中不同的加工厚度自動(dòng)增減加工能量，以保持最高加工 效率。應(yīng)用這種專(zhuān)家系統(tǒng)效率一般能提高3 0 左右 ( 3 ) l s w e d m 加工表面質(zhì)量的新突破 l s w e d m 的加工表面質(zhì)量是影響l s w e d m 發(fā)展的關(guān)鍵，也就是l s w e d m 能否 直接進(jìn)入精密加工領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。加工表面質(zhì)量除表面粗糙度和幾何形貌( 尺 寸精度) 外，在l s w e d m 中還應(yīng)包括二個(gè)方面：一是l s w e d m 加工表層的化學(xué)、 物理、力學(xué)性能，主要包括表層金相組織、表層的顯微硬度、殘余應(yīng)力及宏觀和 微觀裂紋等，即所謂表面“變質(zhì)層”；二是由于l s w e d m 采用水質(zhì)工作液，在脈沖 電源的作用下產(chǎn)生的電化學(xué)反應(yīng)在工件表面形成的表面“軟化層”，也稱(chēng)表面“變質(zhì) 層”這二個(gè)方面的“變質(zhì)層”直接影響模具壽命和性能( 耐磨性、酎腐蝕性、疲勞 強(qiáng)度) 等。隨著l s w e d m 的發(fā)展，表面質(zhì)量的改善有了新的突破，其技術(shù)進(jìn)步主 要體現(xiàn)在以下二個(gè)方面。 優(yōu)化放電能量的新型電源 電火花加工時(shí)，金屬材料蝕除分為熔化和氣化二種，寬脈寬( 放電時(shí)間長(zhǎng)) 易造成熔化放電加工，使加工表面形貌變差、“變質(zhì)層”加厚、內(nèi)應(yīng)力加大，易產(chǎn) 生裂紋；而當(dāng)脈寬小到一定值時(shí)，易成為氣化放電加工，氣化放電加工變質(zhì)層很 小，內(nèi)應(yīng)力也減小，并可避免表面裂紋的產(chǎn)生，改善了表面質(zhì)量因此為了保持 相同的加工效率，在放電能量相同的原則下，采取壓縮放電時(shí)間和增大峰值電流 的方法，這種優(yōu)化脈沖能量的方法，使表面質(zhì)量得到很大改善 防電解( a e ) 脈沖電源 優(yōu)化放電能量只能改善一個(gè)方面的表面質(zhì)量，如表面粗糙度、形貌、內(nèi)應(yīng)力、 廣東i j 業(yè)大學(xué) ：學(xué)碩十學(xué)位論文 裂紋等等。不過(guò)l s w e d m 采用水質(zhì)工作液，雖然采用的是“去離子”水，但還存 在一定數(shù)量離子，在脈沖電源的作用下產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)工件接正極時(shí)，在電 場(chǎng)的作用下，氫氧根負(fù)離子( o h ) 會(huì)在工件上不斷沉積，使鐵、鋁、銅、鋅、 鈦、碳化鎢等材料氧化、腐蝕，造成所謂的“軟化層”。在使用硬質(zhì)合金工件時(shí)， 硬質(zhì)合金中的結(jié)合劑鈷成為離子狀態(tài)溶解在水中，同樣形成“軟化層”。 開(kāi)發(fā)的a e 脈沖電源。一系列的生產(chǎn)實(shí)踐證明是控制工件表面電化學(xué)反應(yīng)最有 效的方法。a e 電源是其交變脈沖使平均電壓為零的脈沖電源，由于交變脈沖使o h 離子在工作液中處于振蕩狀態(tài)。不趨向于工件及電極絲，這樣可防止工件表面的 銹蝕氧化，硬質(zhì)合金的鈷結(jié)合劑也不會(huì)流失，與優(yōu)化放電能量配合，可使表面“變 質(zhì)層”控制在1 m 以下，這樣l s w e d m 加工的硬質(zhì)合金模具壽命可達(dá)到機(jī)械磨削的 水平。 ( 4 ) 機(jī)床結(jié)構(gòu) 典型的精密機(jī)床結(jié)構(gòu)要數(shù)瑞士阿奇公司的a g i ec u tv e r t e x 機(jī)床。該機(jī)床采 用了類(lèi)似三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的三點(diǎn)吸振支撐結(jié)構(gòu)，各軸的運(yùn)動(dòng)不影響其它軸的精度； 各運(yùn)動(dòng)軸采用直線光柵尺與編碼器雙測(cè)量反饋伺服系統(tǒng)，其位置檢測(cè)控制精度達(dá) 到o 1 t t m 。機(jī)床上所有的發(fā)熱源都安裝了溫度傳感器，具有循環(huán)氣冷、水冷或熱 隔離結(jié)構(gòu)，消除了溫升對(duì)機(jī)床精度的影響。機(jī)床不但熱容量大，而且剛性好，因 此載荷的變化對(duì)機(jī)床精度影響極小。機(jī)床的x 、y 、u 、v 軸的平均定位精度允差 p a 為o 8 t t m ，平均重復(fù)定位精度允差p s 為o 4 t t m 該機(jī)床具有雙絲自動(dòng)交換系統(tǒng)， 最細(xì)電極絲為0 0 0 2 r a m ，可進(jìn)行精確自動(dòng)穿絲，穿絲孔的直徑只需比電極絲大5 t t m 即可。為了滿(mǎn)足0 0 0 2 r a m 電極絲的精密切割加工，機(jī)床上設(shè)置了兩個(gè)電極絲探測(cè) 器檢測(cè)絲的運(yùn)行狀態(tài)，以精確控制絲的張力、吸收振動(dòng)和隔絕外界干擾等。機(jī)床 還能自動(dòng)調(diào)整上下導(dǎo)向器的偏移量來(lái)自動(dòng)補(bǔ)償加工中電極絲上下?lián)p耗不同，以及 沖液造成的垂直度偏差。該機(jī)床還推出了錐度切割新功能，有效地提高錐度切割 精度等等。日本s o d i e k 公司在電火花線切割機(jī)床的伺服系統(tǒng)上使用直線馬達(dá)驅(qū)動(dòng)， 使精加工脈沖的利用率大幅度提高。直線運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向也采用了與直線電機(jī)高響應(yīng) 速度相適應(yīng)的滾動(dòng)導(dǎo)軌，這些措施的綜合使用。實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的精密控制和長(zhǎng)期的精 度保持性。 ( 5 ) 細(xì)絲切割加工技術(shù) 細(xì)絲切割屬于精密加工技術(shù)過(guò)去的細(xì)絲切割絲直徑為m o 0 5 r a m ，現(xiàn)在已 4 第一章緒論 達(dá)到0 0 0 2 r a m 細(xì)絲切割加工中的自動(dòng)穿絲功能十分重要，目前已能對(duì)o o 0 2 m m 的細(xì)絲進(jìn)行自動(dòng)穿絲在沖壓模加工中。細(xì)絲用于內(nèi)清角加工，用o o 0 2 m m 的 細(xì)絲，可加工出內(nèi)角半徑為1 5 t i m 的內(nèi)清角。在i c 行業(yè)中，集成電路框架模的 細(xì)絲切割加工，有其重要的應(yīng)用價(jià)值目前集成電路引線腳已多達(dá)l o o 根以上。 其引線的線腳間距很小，模具材料一般為硬質(zhì)合金，所以適合細(xì)絲加工其它如 微型接插件，微型馬達(dá)鐵芯、微型齒輪等模具加工 另外，瑞士阿奇公司已將數(shù)據(jù)通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到線切割加工，遠(yuǎn)程計(jì)算 機(jī)可以通過(guò)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)登陸到本地機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各種文件傳輸并能實(shí)際 操作機(jī)床，實(shí)行遠(yuǎn)程切割加工 1 2 2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國(guó)低速走絲線切割機(jī)床的研制與生產(chǎn)都比較晚，直到2 0 世紀(jì)8 0 年代才開(kāi)一 始，生產(chǎn)廠家很少，代表性的廠家是蘇州三光科技有限公司、北京阿奇夏米爾工 業(yè)電子有限公司、蘇州電加工機(jī)床研究所、漢川機(jī)床股份有限公司等 蘇州三光科技有限公司，在機(jī)床本體部分，采用工作臺(tái)固定而立柱移動(dòng)的形 式，由于伺服電機(jī)的負(fù)荷變成了恒定負(fù)載，提高了運(yùn)行的定位精度。運(yùn)絲系統(tǒng)由 日本進(jìn)口的伺服馬達(dá)、磁粉離合器、收絲馬達(dá)等組成，可準(zhǔn)確地調(diào)整因微小抖動(dòng) 而帶來(lái)的走絲系統(tǒng)的不穩(wěn)定，保證走絲系統(tǒng)的平穩(wěn)送絲部分用的是日本進(jìn)口反 向可逆電機(jī)，防止在正常加工狀態(tài)下由于突然斷絲而帶來(lái)的電極絲纏繞。收絲系 統(tǒng)采用導(dǎo)管式收絲結(jié)構(gòu)，穿絲時(shí)通過(guò)高壓液體的快速流動(dòng)導(dǎo)引電極線方便、快速 地完成穿絲工作，可靠性高，長(zhǎng)期使用無(wú)磨損上下噴嘴本體采用大理石和陶瓷 件固定，消除熱變形同時(shí)可有效防止由于操作員粗心撞壞線架而帶來(lái)的重大損失， 僅僅更換下臂頭部即可恢復(fù)。導(dǎo)向部分采用金剛石導(dǎo)向器，保證了加工精度及耐 磨性通過(guò)上、下同軸式噴流結(jié)構(gòu)，改善了排屑及冷卻的效果，獲得極高的加工 效率伺服系統(tǒng)由進(jìn)口高精度直線光柵尺和進(jìn)口交流伺服電機(jī)構(gòu)成，采用基于 c p l d 的全閉環(huán)控制技術(shù)，直接檢測(cè)導(dǎo)軌的實(shí)際位移量，通過(guò)反饋系統(tǒng)對(duì)機(jī)床進(jìn)行 動(dòng)態(tài)螺距補(bǔ)償。使機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度更高且持久不變立柱部分采用中心負(fù)重的形式， 形成左右對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)，將熱變形對(duì)機(jī)床精度影響降到最小，并便于工件的安裝和 輔助操作1 6 1 。 廣東i ：業(yè)大學(xué)1 i 學(xué)碩+ 學(xué)位論文 北京阿奇工業(yè)電子有限公司生產(chǎn)的低速走絲線切割機(jī)床主機(jī)剛性強(qiáng)，熱穩(wěn)定 性好，自動(dòng)沖液采用變頻控制，切割效率高。它所生產(chǎn)的c a 2 0 浸水式精密數(shù)控慢 走絲線切割機(jī)床，最佳表面粗糙度r a i 一，這時(shí)磁粉制動(dòng)器的輸出轉(zhuǎn)矩不 再隨著激勵(lì)電流的增大而線性增大，這是因?yàn)榧?lì)電流飽和而形成飽和區(qū)，當(dāng)激 勵(lì)電流下降時(shí)，轉(zhuǎn)矩不是沿著原始曲線下降，而是沿著另一條略高于原始曲線的 1 7 廣東工業(yè)大學(xué)t 學(xué)碩+ 學(xué)位論文 曲線下降，這是因?yàn)閷?dǎo)磁材料有剩磁和磁滯特性。 2 5 2 滑差工作特性 當(dāng)激勵(lì)電流保持不變時(shí)，轉(zhuǎn)矩將會(huì)穩(wěn)定的傳達(dá)( 如圖2 4 ) 。不會(huì)受滑差速 度( 主動(dòng)組件與從動(dòng)組件之間的差速) 所影響。這就是磁粉制動(dòng)器的恒轉(zhuǎn)矩特性。 磁粉制動(dòng)器在滑差工作時(shí)，扭矩的傳遞主要是靠磁粉之間的摩擦力轉(zhuǎn)化的剪切 力。也就是說(shuō)，磁粉制動(dòng)器的靜摩擦轉(zhuǎn)矩與動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩?zé)o分別，因此可穩(wěn)定地傳 達(dá)恒定的轉(zhuǎn)矩此特性用在張力控制上，用戶(hù)只需調(diào)整激勵(lì)電流便能準(zhǔn)確地控制 傳達(dá)的轉(zhuǎn)矩，從而有效地控制卷料的張力。 滑差工作狀態(tài)是磁粉制動(dòng)器應(yīng)用得最多的工作狀態(tài)，此外，磁粉制動(dòng)器還有 兩種工作狀態(tài)，即“同步”工作狀態(tài)和“全滑差”工作狀態(tài)。 2 5 3 動(dòng)作特性 2 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 0 泔差速度v m p 激磁電漉( 1 0 0 ) 激磁電流( ) 激磁電流( 6 魄) 激磁電流( 4 幃) 激磁電流( 2 脯) 圖2 4 力矩一一滑差速度曲線 f i g2 4t h ec u f v eo ft o r q u e - - s l i ps p e e d 磁粉制動(dòng)器的動(dòng)作特性主要是指勵(lì)磁線圈加階躍電壓之后的激勵(lì)電流以及 轉(zhuǎn)矩等的過(guò)渡過(guò)程。圖2 5 是磁粉制動(dòng)器的動(dòng)作特性圖。磁粉制動(dòng)器的激勵(lì)電流 的過(guò)渡過(guò)程是由于激磁回路中存在著線圈電阻，電源的內(nèi)阻以及線圈本身的電感 量。當(dāng)磁粉線圈加一階躍的電壓之后，由于本身電感的存在，激勵(lì)電流不可能一 下子發(fā)生突變，所以有一個(gè)逐漸增大的過(guò)程。電流增大越快，制動(dòng)器的快速性就 加 o 薹|田霹 蘭三主彗蘭! 蟄士堅(jiān)耋圣鑒主墊至蠶竺 越好激勵(lì)電流根據(jù)由激勵(lì)線圈電感量l 和電阻r 共同決定時(shí)間t ( t = l r ) ，按 指數(shù)函數(shù)上升，與滑差轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)轉(zhuǎn)矩的過(guò)渡過(guò)程雖然在電流建立初始階段，由 于漏磁以及靜特性的非靈敏區(qū)的影響，有一小段時(shí)間基本不動(dòng)作，但是其后就隨 著電流、磁通的增長(zhǎng)也近似按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng) ， i 室薯囊矗 l 衛(wèi)猷疊m ，r 刪 m 刁曲幢。 一 k f 羊鬯， 耐一 計(jì)t 呷螽 一 ”一 l 時(shí)- _ 拉嘲一t 蠢曩譬舛 圖2 5 磁粉制動(dòng)器的動(dòng)作特性曲線 f i g2 5p e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e 此特性配合制動(dòng)器熱容量大的特點(diǎn)，對(duì)緩沖停止、高速停止具有較為理想的 特性t 特別是要求快速制動(dòng)時(shí)，可通過(guò)在激勵(lì)線圈上串聯(lián)電阻，以減少時(shí)間常數(shù)， 或者只在扭矩時(shí)間常數(shù)的時(shí)問(wèn)內(nèi)施加額定電壓的2 3 倍電壓進(jìn)行過(guò)激勵(lì)，可加速 扭矩的啟動(dòng)。 2 6 磁粉離合器和制動(dòng)器的選用 選定磁粉離合器制動(dòng)器時(shí)，需計(jì)算所使用的扭矩、轉(zhuǎn)速和滑差功率( 發(fā)熱量) ， 并確認(rèn)所有指標(biāo)都在允許值范圍內(nèi) ( 1 ) 扭矩 需計(jì)算使用扭矩的最大值、最小值，并確認(rèn)計(jì)算值是否在可控制的范圍內(nèi)。 磁粉離合器制動(dòng)器的扭矩可控制范圍在額定扭矩到產(chǎn)品窆轉(zhuǎn)扭矩的范圍之間 ( 額定扭矩的1 0 1 0 0 ) ( 2 ) 轉(zhuǎn)速 最高轉(zhuǎn)速無(wú)論是磁粉離合器還是制動(dòng)器都需要控制在允許轉(zhuǎn)速以下此外， 1 9 廣東工業(yè)大學(xué)1 = 學(xué)碩十學(xué)位論文 磁粉制動(dòng)器的最低轉(zhuǎn)速一般要控制在1 5 r r a i n 以上，磁粉離合器其輸入和輸出轉(zhuǎn) 速之差也需要設(shè)置在1 5 r r a i n 以上( 即無(wú)論磁粉離合器還是磁粉制動(dòng)器滑差轉(zhuǎn)速 都需要在1 5 r r a i n 以上) 。滑差轉(zhuǎn)速較低，會(huì)使內(nèi)部磁粉分布惡化，導(dǎo)致無(wú)法得 到穩(wěn)定的扭矩性能，或者會(huì)延長(zhǎng)啟動(dòng)后達(dá)到規(guī)定扭矩所需的時(shí)間。 ( 3 ) 滑差功率( 發(fā)熱量) 由于磁粉離合器制動(dòng)器通常是在連續(xù)滑差狀態(tài)下使用，受滑差熱影響，磁粉 離合器制動(dòng)器的溫度會(huì)上升。溫度上升值受使用零部件耐熱溫度的限制，因此 一般廠家都根據(jù)不同機(jī)型規(guī)定了允許連續(xù)滑差功率( 發(fā)熱量的允許值) 即，在 該允許值范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，可以在長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的狀態(tài)下使用磁粉離合器制動(dòng)器。 相反，超過(guò)該允許連續(xù)滑差功率使用，會(huì)導(dǎo)致磁粉離合器制動(dòng)器損壞 滑差功率( 發(fā)熱量) p ( w ) 計(jì)算公式： p = 三竺r m ( w ) ( 2 2 ) 6 0 式中，t ：扭矩( n m ) ； n r ：磁粉離合器制動(dòng)器的滑差轉(zhuǎn)速( r r a i n ) 。 當(dāng)用于間歇工作狀態(tài)下，且每次動(dòng)作的滑差功率為已知時(shí)，可按下式換算成 平均滑差功率來(lái)選擇： p 劃肇凈( 2 _ 3 ) 式中p ：磁粉制動(dòng)器額定功率 p ，：t i 時(shí)間內(nèi)的滑差功率，w ； 2 , t 2 時(shí)間內(nèi)的滑差功率，w ； 孔 動(dòng)作周期。 2 7 本章小結(jié) 本章詳細(xì)闡述了電火花線切割加工的基本原理和特點(diǎn)以及張力執(zhí)行元件磁 粉制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)原理和特性，在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了電火花加工工藝及其影響 加工工藝的因素和磁粉制動(dòng)器的選用方法。 第四章裝各軟硬件設(shè)計(jì) 第三章裝置的方案設(shè)計(jì) 走絲系統(tǒng)是低速走絲電火花線切割機(jī)床的重要組成部分，加工時(shí)，走絲系統(tǒng) 即要保證電極絲運(yùn)行過(guò)程中不發(fā)生振動(dòng)和斷絲，還要保證穿絲快捷，滿(mǎn)足高效生 產(chǎn)的要求。 3 1 走絲系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 低速走絲電火花線切割加工機(jī)床走絲系統(tǒng)的要求主要有： l 走絲系統(tǒng)工作穩(wěn)定需要從走絲機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、張力的精確控制等方面盡量 避免電極絲運(yùn)動(dòng)中的不穩(wěn)定現(xiàn)象。 2 張力控制精確張力的精確控制包括兩個(gè)方面：一個(gè)是張力大小的精確控 制；一個(gè)是張力分布的均勻性。一般要求電極絲的張力應(yīng)該控銅在2 2 0 n ，張力 太大容易斷絲，太小影響加工精度。 3 走絲機(jī)構(gòu)的高可靠性?？煽啃灾饕轻槍?duì)走絲機(jī)構(gòu)各部件的使用壽命而 言，低速走絲電火花線切割加工走絲機(jī)構(gòu)各部件無(wú)論尺寸精度還是裝配精度都有 很高的要求，因此對(duì)工作環(huán)境、操作過(guò)程以及維護(hù)都有許多嚴(yán)格的要求，否則會(huì) 減少走絲系統(tǒng)的使用壽命，或降低走絲系統(tǒng)工作的可靠性 4 穿絲方便可靠要求走絲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，穿絲方便 總的來(lái)講，走絲系統(tǒng)應(yīng)使電極絲在加工區(qū)能精確定位，能保證恒定張力，能 恒速運(yùn)行，能夠自動(dòng)穿絲 裝置控制系統(tǒng)主要對(duì)電極絲運(yùn)行速度和張力的穩(wěn)定性進(jìn)行控制。在低速走絲 線切割時(shí)，電極絲的走絲速度直接影響著加工工件的形狀和精度絲速較慢，絲 用量減少，成本降低，但容易斷絲，切割速度下降，工件直線度差；絲速較快， 絲的使用量增加，成本增加速度輪電機(jī)決定了電極絲運(yùn)行速度的穩(wěn)定性，因此 需要對(duì)速度輪電機(jī)進(jìn)行恒速控制：在加工過(guò)程中，電極絲受到放電作用力、電磁 力、靜電引力以及摩擦力等的影響，張力會(huì)有波動(dòng)，影響加工精度，因此需要對(duì) 電極絲進(jìn)行恒張力控制。 2 l 廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩七學(xué)位論文 在結(jié)合實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)低速走絲電火花線切割加工特點(diǎn)的分析， 設(shè)計(jì)并制作了一套走絲系統(tǒng)，如圖3 1 所示： 圖3 1 裝置總體圖 f i g3 it h ed i a g r a mo fw i r e - f e e d i n gs y s t e m 該裝備主要分為機(jī)械本體和電氣兩大部分，機(jī)械本體部分主要有：放絲機(jī)構(gòu)， 張力輪機(jī)構(gòu)、導(dǎo)絲部分、收絲輪機(jī)構(gòu)以及一些輔助裝置部分：電氣部分包括核心 控制系統(tǒng)、恒張力走絲控制電路等，如圖3 2 所示： 裝置總體設(shè)計(jì) 機(jī)械部分 電氣部分 【 放絲機(jī)構(gòu) 張力輪機(jī)構(gòu) 導(dǎo)絲部分 收絲輪部分 l 輔助裝置 核心控制部分 走絲控制電路 圖3 2 裝置各部分組成 f i g3 2c o m p o n e n t so fs e t u p 走絲系統(tǒng)的工作過(guò)程：電極絲從儲(chǔ)絲簡(jiǎn)被抽出，經(jīng)導(dǎo)向輪部分牽入張力輪 機(jī)構(gòu)，形成張力，再經(jīng)由上下導(dǎo)絲嘴，最后的廢絲經(jīng)收絲輪拉出到廢絲處理機(jī) 構(gòu) 第四章裝備軟硬件設(shè)計(jì) 3 2 低速走絲線切割機(jī)床張力裝置及種類(lèi) 低速走絲線切割加工中，走絲系統(tǒng)的控制方法可分為直接張力控制和間接 張力控制，前者是用張力傳感器等張力元件直接測(cè)出絲的張力，并作為張力反 饋元件，構(gòu)成閉環(huán)控制，后者是用間接的方式測(cè)出張力，通過(guò)對(duì)張力模型進(jìn)行 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的分析，找出張力變化的因素，然后通過(guò)對(duì)這些因素進(jìn)行控制，間 接實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的恒張力控制 低速走絲線切割機(jī)床的電極絲張緊加載常見(jiàn)有以下幾種【2 l ； ( 1 ) 磁粉制動(dòng)器加載式 當(dāng)電極絲由硬特性的系統(tǒng)拖動(dòng)勻速走絲時(shí)，一個(gè)磁粉制動(dòng)器在后面加載， 將電極絲繃緊，達(dá)到要求的張力 2 6 1 激磁電流和傳遞轉(zhuǎn)矩基本成線性關(guān)系，通 過(guò)改變激磁電流的大小可以任意調(diào)節(jié)和控制轉(zhuǎn)矩的大小。磁粉制動(dòng)器具有響應(yīng)速 度快、價(jià)格相對(duì)便宜、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)沖擊、無(wú)振動(dòng)、無(wú)噪音、無(wú)污染、控制簡(jiǎn)單 等優(yōu)點(diǎn)( 如圖3 3 ) 。 圖3 3 磁粉制動(dòng)器加載式簡(jiǎn)圖 f i g3 3d i a g r a mo fm a g n e t i cp a r t i c l ed e t e n tl o a dm a n n e r 圖中：1 絲筒2 、3 、導(dǎo)絲輪4 張力輪5 磁粉制動(dòng)器6 張力檢測(cè)輪7 上 導(dǎo)絲嘴8 加工件9 下導(dǎo)絲嘴1 0 拉絲輪 ( 2 ) 雙機(jī)轉(zhuǎn)速差加載式。 圖3 4 為雙電機(jī)轉(zhuǎn)速差式恒張力走絲系統(tǒng)原理示意圖采用兩個(gè)調(diào)速電機(jī)， 分別聯(lián)接在放絲輪和拉絲輪上，利用兩個(gè)電機(jī)微弱的速度差來(lái)形成張力，放絲電 機(jī)速度較慢，即每轉(zhuǎn)少放出電極絲的長(zhǎng)度等于該張力下相當(dāng)于張力輪周長(zhǎng)的電極 廣東工業(yè)大學(xué)t 學(xué)碩士學(xué)位論文 絲的伸長(zhǎng)量。這個(gè)速度差與電極絲的材質(zhì)、直徑和電極絲要求的張力有關(guān)，所以 在走絲過(guò)程中加了一個(gè)張力傳感器，當(dāng)加工過(guò)程中出現(xiàn)張力跳動(dòng)時(shí)，安裝在走絲 3 4 雙機(jī)轉(zhuǎn)速差式恒張力走絲系統(tǒng)原理圖 f i g3 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f d o u b l em o t o r sr o t a t i o n a ls p e e dd i f f e r e n c et y p e c o n s t a n tt e n s i o nw i n d i n gs y s t e m 機(jī)構(gòu)中的張力傳感器就會(huì)檢測(cè)出來(lái)，把信號(hào)傳給走絲控制電路，由走絲控制電路 來(lái)控制電機(jī)1 和電機(jī)2 的轉(zhuǎn)速，從而控制電極絲的移動(dòng)速度和張力大小，實(shí)現(xiàn)電極 絲的恒張力控制。 ( 3 ) 電機(jī)加載式 永磁式直流電機(jī)是一種能夠長(zhǎng)期處于啟動(dòng)( 堵轉(zhuǎn)) 狀態(tài)下工作得控制電極， 是由伺服電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)結(jié)合起來(lái)而成的特殊電機(jī)。其工作原理和直流電機(jī) 相同。利用力矩電機(jī)具有能長(zhǎng)期工作在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)的性能。可由堵轉(zhuǎn)力矩提供卷繞 材料張力，通過(guò)控制堵轉(zhuǎn)力矩大小來(lái)控制張力。在結(jié)構(gòu)上，直流力矩電機(jī)為了能 在相同的體積和電樞電壓下產(chǎn)生較大的力矩和較低的轉(zhuǎn)速，一般都做成扁平形。 定子是由軟磁性材料做成的帶槽的圓環(huán)，槽中鑲?cè)胗谰么配撟鳛橹鞔艌?chǎng)源。轉(zhuǎn)子 鐵心由導(dǎo)磁沖片疊壓而成，槽中防治電樞繞組，槽楔由銅板做成，兩端伸出槽外， 一段用于電樞繞組接線，另一端兼作換向片，電刷裝在電刷架上。 與其他張力執(zhí)行元件相比，直流力矩電機(jī)的主要特點(diǎn)是： 反應(yīng)速度快，直流力矩電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)小，約十幾毫秒至幾十毫 秒； 能在堵轉(zhuǎn)和低速下運(yùn)行，堵轉(zhuǎn)情況下能產(chǎn)生足夠大的轉(zhuǎn)矩而不損傷： 機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好； 可以不經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，從而避免了傳動(dòng)誤差，提高可傳動(dòng) 第四章裝備軟硬件設(shè)計(jì) 精度 低速走絲電火花線切割在加工是以半柔性的極細(xì)金屬絲作為工具電極，并通 過(guò)電極與工件之間的脈沖放電作用來(lái)進(jìn)行加工的，電極絲在加工區(qū)受放電力、電 磁力等作用，會(huì)沿加工進(jìn)給的反方向彎曲并產(chǎn)生一定的繞度。如圖3 5 所示，如 電極絲張力不恒定，則加工過(guò)程中繞度值是變化的且繞度值的變化將隨張力的 減小而增大。這種絲的彎曲偏移隨 著走絲時(shí)張力的變化而飄動(dòng)，造成 加工尺寸誤差和切割表面凸凹不 平同時(shí)由于機(jī)床制造和安裝精度 等問(wèn)題，也會(huì)使得電極絲運(yùn)行時(shí)張 力不均勻，產(chǎn)生振動(dòng)研究表明， 電極絲的張力對(duì)工件的質(zhì)量和切 割速度影響很大，在其它條件不變 的情況下，張力越大，加工表面質(zhì)量 就越好。分析其原因，一方面是增大 圖3 5 電極絲的實(shí)際位置 f i g3 5t h er e a lp o s i t i o no f w i r e 電極絲的張力可減小動(dòng)態(tài)電極絲的繞度值另一方面，增大張力可提高電極絲的 固有頻率，避開(kāi)走絲系統(tǒng)其它部件的振動(dòng)頻率，防止共振，減少電極絲橫向和縱 向振幅。 因此，走絲控制系統(tǒng)要求在運(yùn)動(dòng)中能有效控制電極絲的張力，保持張力始終 恒定，本裝備張力控制采用響應(yīng)速度快、價(jià)格便宜、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)沖擊、無(wú)振動(dòng)、 無(wú)噪音、無(wú)污染、控制簡(jiǎn)單磁粉制動(dòng)器加載式 3 3 控制系統(tǒng)方案 低速走絲線切割機(jī)床因?yàn)榫芗庸さ囊?，要求走絲控制系統(tǒng)應(yīng)具備精度 高、反應(yīng)靈敏等特點(diǎn)本裝備速度控制方案是步進(jìn)電作為走絲電機(jī)，開(kāi)環(huán)控制的 方式：恒張力控制采用磁粉制動(dòng)器加載式控制系統(tǒng)的整體方框圖如圖3 6 示。 本裝備控制系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為主控單元；運(yùn)動(dòng)控制卡d m c l 0 0 0 控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 器輸出脈沖，從而控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)；d a 轉(zhuǎn)換器輸出模擬電壓信號(hào)控制磁粉 制動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電路電壓的變化，實(shí)現(xiàn)恒張力的控制；采用v b 6 0 作為軟件的開(kāi)發(fā) 廣東工業(yè)大學(xué)t 學(xué)碩十學(xué)位論文 工具，開(kāi)發(fā)配合加工的控制軟件。 由圖可以本控制系統(tǒng)的主要組成部分有： ( 1 ) p c 機(jī)； ( 2 )運(yùn)動(dòng)控制卡 ( 3 )步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器 ( 4 )d ，a 輸出卡 ( 5 )磁粉制動(dòng)器 3 6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 f i g3 6t h ef r a m eo fc o n t r o ls y s t e m 磁粉制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)、原理以及它的特性在第二章已做介紹，下面對(duì)控制系 統(tǒng)的其它主要組成部分作一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹，并說(shuō)明其主要的選擇原則 3 3 1 控制系統(tǒng)主控單元的選擇 控制系統(tǒng)的性能如何、是否實(shí)用、能否有擴(kuò)展的可能，很大程度取決于主 要控制單元的選擇。所以選擇適當(dāng)?shù)目刂茊卧情_(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)的第一步?？梢宰?為控制單元的主要有單片機(jī)、d s p 、和工控機(jī)，這幾種方式各有優(yōu)缺點(diǎn) 2 v 1 第四章裝備軟硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)較易實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，成本低、尺寸小。結(jié)構(gòu)易布置但開(kāi)發(fā)周期相對(duì) 較長(zhǎng)，且對(duì)于一些比較復(fù)雜的控制，計(jì)算量往往很大，直接影響控制精度，一般 用于下位機(jī)和小型控制l 同時(shí)單片機(jī)易受外界的干擾，以及強(qiáng)電、磁場(chǎng)、電脈沖 工作環(huán)境的影響 d s p 是一種獨(dú)特的微處理器，它適合用于數(shù)字信號(hào)的處理，強(qiáng)調(diào)運(yùn)算處理 的實(shí)時(shí)性，具有精確、可靠性好、體積小，功耗低等優(yōu)點(diǎn)但其硬件研發(fā)成本高、 開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、延續(xù)性差、對(duì)用戶(hù)軟硬件能力要求高等缺點(diǎn)基于p c 機(jī)構(gòu)建的控 制平臺(tái)恰恰能滿(mǎn)足這一要求其強(qiáng)大的數(shù)值運(yùn)算于實(shí)時(shí)處理能力。為走絲控制系 統(tǒng)性能的提高提供了可靠的保障，使用p c 機(jī)的控制平臺(tái)主要優(yōu)點(diǎn)是【2 ； l o 友好界面，p c 平臺(tái)控制系統(tǒng)受到機(jī)器操作員的普遍歡迎與單片機(jī)和 p l c 方案的界面相比，p c 機(jī)( 顯示器、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)，通訊端口、硬盤(pán)，軟驅(qū)等) 具有無(wú)可比擬的輸入輸出能力 2 0 功能強(qiáng)大，由于p c 機(jī)的強(qiáng)大功能控制卡的先進(jìn)技術(shù)，基于p c 機(jī)的運(yùn)動(dòng) 控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)和p l c 系統(tǒng)所無(wú)法應(yīng)付的無(wú)數(shù)高級(jí)功能 3 0 開(kāi)發(fā)便利，用戶(hù)可使用v b 、v c 、c + + b u i d c r 等高級(jí)編程語(yǔ)言，快速開(kāi) 發(fā)人機(jī)界面、調(diào)用成熟可靠的運(yùn)動(dòng)函數(shù)，在幾天或幾周時(shí)間內(nèi)完成強(qiáng)大控制軟件 的開(kāi)發(fā)。修改和添加功能十分便利，而且開(kāi)發(fā)好的軟件極易移植到類(lèi)似的機(jī)器中。 4 0 成本優(yōu)勢(shì)，由于p c 機(jī)成本持續(xù)下跌且一般控制卡具有很高的性?xún)r(jià)比， 使得由此構(gòu)成的基于p c 機(jī)和控制卡的控制系統(tǒng)在大多數(shù)運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)合中具有 良好的綜合成本優(yōu)勢(shì)當(dāng)然，p c 機(jī)平臺(tái)在體積、抗環(huán)境干擾地穩(wěn)定性上，相 對(duì)單片機(jī)和d s p 平臺(tái)有一定的劣勢(shì)。但是就研究階段作為控制器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)而 言，是很好的選擇。 3 3 2 運(yùn)動(dòng)控制卡 運(yùn)動(dòng)控制卡是一種安裝在p c 機(jī)中專(zhuān)門(mén)用于電機(jī)控制的板卡，它與p c 機(jī)構(gòu)成主 從式控制結(jié)構(gòu)：p c 機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)界面的管理和其它管理工作( 如鍵盤(pán)和鼠標(biāo)的輸 入、圖形顯示、網(wǎng)絡(luò)通訊等) ；而控制卡負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制方面的所有細(xì)節(jié)( 如升降 速處理、脈沖輸出、直線圓弧插補(bǔ)等) 控制卡原理結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3 7 本控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制卡采用深圳雷賽d m c l 0 0 0 型運(yùn)動(dòng)控制卡，走絲系統(tǒng)所 廣東丁業(yè)大學(xué)【= 學(xué)碩士學(xué)位論文 有的運(yùn)動(dòng)控制，都是以該卡作為基礎(chǔ)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。該卡直接連接到計(jì)算機(jī)的p c i 總線上，通過(guò)配套的6 8 針電纜線和接線板連接到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，能同時(shí)控制l 一4 軸運(yùn)動(dòng)，輸出脈沖范圍為l 4 0 0 k p p s ，能實(shí)現(xiàn)圓弧和直線插補(bǔ)，可編程中斷源， 多軸 圖3 7 運(yùn)動(dòng)控制卡結(jié)構(gòu)原理圖 f i 9 3 7s c h e m a t i cd i a g r a mo fk i n e t i cc o n t r o la p p a r a t u s 同時(shí)起停，運(yùn)動(dòng)中可實(shí)時(shí)變速，高集成、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足本裝備的運(yùn) 動(dòng)控制要求該卡的驅(qū)動(dòng)程序中配有函數(shù)庫(kù)模塊，在v b 編程中，只要添加該模 塊，即可在其內(nèi)部函數(shù)庫(kù)中調(diào)用函數(shù)，在相關(guān)的函數(shù)中輸入?yún)?shù)，如驅(qū)動(dòng)軸號(hào)、 起動(dòng)速度、加速時(shí)間、驅(qū)動(dòng)速度、加速模式( 梯形加速或s 形加速) 、運(yùn)動(dòng)模式 等，即可實(shí)現(xiàn)各軸不同運(yùn)動(dòng)控制 3 3 3 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的是一種控制用的特種電 機(jī)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度( 稱(chēng)為“步距角”) 一步一步運(yùn)行的，其特點(diǎn)是只有 周期性的誤差而沒(méi)有積累誤差，所以廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)控制。其運(yùn)行由步進(jìn)電 機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)器把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移，控 制系統(tǒng)每發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器就能夠使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，因 而可以通過(guò)控制脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同 時(shí)還可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，達(dá)到調(diào)速的目的。 因而在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈 第四章裝備軟硬件設(shè)計(jì) 沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距 角。使用、控制步進(jìn)電機(jī)必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng)，其方框 圖如圖3 8 所示【2 9 卜1 3 0 i i 圖3 8 步進(jìn)電機(jī)控制方框圖 f i 9 3 8t h ef r a m eo fc o n t r o l l i n gs t e pm o t o r 與伺服電機(jī)相比。步進(jìn)電機(jī)的控制精度較低。在高速驅(qū)動(dòng)時(shí)力矩下降，起 點(diǎn)速度過(guò)高時(shí)容易丟步，在本演示裝備中，起動(dòng)、驅(qū)動(dòng)速度低，所需力矩也不 大，所以步迸電機(jī)所具有的缺點(diǎn)不突出，且其價(jià)格便宜 本裝備選用的是日本東方u p k 5 9 6 一n a 型步進(jìn)電機(jī)，它的保持轉(zhuǎn)矩是 2 i n m ，驅(qū)動(dòng)器為u d k 一5 1 1 4 n ，它具有半步細(xì)分功能，最少輸出步距是o 3 6 度 3 3 4d a 模塊 d a 轉(zhuǎn)換器就是將離散的數(shù)字編碼信號(hào)轉(zhuǎn)化為連續(xù)的模擬信號(hào)的裝置。目前 常見(jiàn)的d a 模塊中，有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)d a 、倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)d a 、權(quán)電流型d a 、權(quán) 電容網(wǎng)絡(luò)d a 轉(zhuǎn)換器以及開(kāi)關(guān)樹(shù)型d a 等幾種類(lèi)型【3 1 1 此外，在d a 模塊數(shù)字量 的輸入方式上，又