電火花線切割機(jī)恒張力控制系統(tǒng)的研究

1、電火花線切割機(jī)恒張力控制系統(tǒng)的研究第六圖書館為了提高電火花線切割機(jī)電極絲運動的平穩(wěn)性,通常需要對其施加張緊力。張緊 力的大小和張緊方式對加工質(zhì)量、效率和斷絲有重要影響。提出了i種新型的雙 貯絲筒走絲恒張力控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用磁粉制動器作為張力執(zhí)行元件,通過張 力傳感器檢測張力，實現(xiàn)張力閉環(huán)控制。實驗表明該張力控制系統(tǒng)對提高加工質(zhì) 量、減少斷絲發(fā)生具冇明顯效果。為了提高電火花線切割機(jī)電極絲運動的平穩(wěn)性, 通常需要對其施加張緊力。張緊力的大小和張緊方式對加工質(zhì)量、效率和斷絲有 重要影響。提出了一種新型的雙貯絲筒走絲恒張力控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用磁粉制 動器作為張力執(zhí)行元件，通過張力傳感器檢測張力，實現(xiàn)

2、張力閉環(huán)控制。實驗表明 該張力控制系統(tǒng)對提高加工質(zhì)量、減少斷絲發(fā)生具有明顯效果。電火花線切割機(jī)恒張力控制系統(tǒng)的研究陳劍，滕向陽,賈志新(北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京100083)摘要：為了提高電火花線切割機(jī)電極絲運動的平穩(wěn)性,通常需要對其施加張緊力。 張緊力的大小和張緊方式對加工質(zhì)量、效率和斷絲有重要影響。提出了一種新型 的雙貯絲筒走絲恒張力控靜】系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用磁粉制動器作為張力執(zhí)行元件， 通過張力傳感器檢測張力，實現(xiàn)張力閉環(huán)控制。實驗袁明該張力控制系統(tǒng)對提高 加工質(zhì)量、減少斷絲發(fā)生具有明顯效果。關(guān)鍵詞：電火花線切割加工；張力控制；磁粉制動器；閉環(huán)控制中圖分類號:tg661study on

3、 the constant tension tontrol system of w edm m achine tool chen jian, teng xiangyang, jia zhixin(university of scienee and technology beijing, beijing 100083, china) abstract： tn order to improve the movement stabi 1 ity of the w edm machine tool, the tensionforce is usually applied to the wire ele

4、ctrode the amplitude and the way of tension play an importantrole in machining quality, machining efficiency and wire breakage. a 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

5、in this new constant tension control system. a tension sensor, which can measure the tension of wire electrode, realizes a closed loop control system to meiinteiinthe constant tension the strueture and working principle of this kind of constant tension control sys。tem are described in detailedkey wo

6、rds： w edm ； tension control ； magnetic powder brake； closed loop control高速走絲電火花線覷割機(jī)的主要優(yōu)點是生產(chǎn)率高、加工成本低，但在使用屮也存 在一定的問題。由于高速走絲線切割機(jī)采用單貯絲筒循環(huán)走絲方式，電極絲張力 大小通常由上絲吋絲的拉力決定。然而，上絲過程通常是人工操作，絲的張力是 非恒定的。這勢必影響電極絲的運動平穩(wěn)性。大量研究表明：電極絲的振動對 高速走絲線切割加工精度和表而粗糙度彩響很大2-4 o而低速走絲線切割機(jī)正 是由于電極絲走絲速度低，單向運動不需換向，電極絲運動平穩(wěn)，振動小，才能 做到加工精度高，表面粗

7、糙度值低。如高速走絲線切割機(jī)運絲平穩(wěn)性 收穡 f1 期：2006-1008 基金項目：北京市口然科學(xué)基金資助項目（3062013） 第一作者簡介：陳劍，男，1981年生，碩士研究生。提高，其加工精度和加工表面質(zhì)量必將提高。目前，專用的高速走絲線切割機(jī)的 上絲裝置多為機(jī)械摩擦式，即在上絲的時候，其與作為放絲端的絲盤連接，提供 摩擦力，使屯極絲在纏繞過程存在一 定的張力。但是加工過程中電極絲出于振動、 熱伸長和放電損耗，致使絲徑變細(xì)和電極絲張力卜降，且得不到及時的補償，這 樣松弛的電極絲偏離理想的切割位置，使加工過程不穩(wěn)定，輕則影響加工質(zhì)量和 牛產(chǎn)率，重則造成斷絲因此，高速走絲電火花線切割機(jī)必須配

8、備張力控制系 統(tǒng)?？谇皣a(chǎn)高速走絲電火花線切割機(jī)配備的張力控制系統(tǒng)主要有重錘式和機(jī)電 式j(luò),但是曲于采用單貯絲筒走絲裝置，這兩種張力控制在加工過程中都存在一 些缺點。因此，本文提出了一種新型恒張力控制系統(tǒng)。1新型恒張力控制系統(tǒng)的構(gòu)成2恒張力的控制原理圖1是新型恒張力控制系統(tǒng)組成和工作原理示意圖。該恒張力控制系統(tǒng)采用了雙 貯絲筒走絲裝置，即曲兩套完全相同的走絲裝置（1, 3, 4, 5, 6）構(gòu)成。在加工過程中，其中 一套裝置收卷電極絲，另套放卷電極絲，兩套裝置在卷絲和放絲兩種狀態(tài)間切 換，達(dá)到循環(huán)往復(fù)走絲目的。1同步帶2.張力傳感器3.貯絲簡4,電機(jī)5.磁粉制動器6.絲杠7.電極絲圖1雙貯絲筒

9、走絲恒張力控制系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示，當(dāng)上貯絲筒處在卷絲狀態(tài)時，上電機(jī)4工作，提供動力轉(zhuǎn)矩，上磁粉 制動器5斷電不工作，而對應(yīng)的下貯絲筒為放絲端，下電機(jī)斷電，通過電極絲7 拖動貯絲筒轉(zhuǎn)動，磁粉制動器電工作，提供阻力轉(zhuǎn)矩，使電極絲具有張力。當(dāng)放 絲端電極絲放絲完畢后，切換為收絲端，原來收絲端變?yōu)榉沤z端。其屮，電機(jī)4 采用雙伸軸式，一端通過聯(lián)軸器與貯絲筒3相連，另一端與磁粉制動器5相連。貯 絲筒3通過同步帶1與絲杠6相連，按一定傳動比運動，保證貯絲筒的排絲整齊， 與目前普通高速走絲線切割機(jī)走絲裝置相同。如采用多層排絲可考慮使用雙向絲 杠。通過張力傳感器2檢測電極絲張力的大小，通過控制器組成直接張

10、力閉環(huán)控 制。為得到良好的制動性能和控制性能，選用磁粉制動器作為張力控制的執(zhí)行元 件。磁粉制動器是一種新型的自動控制執(zhí)行元件。它根據(jù)電磁原理，利用磁粉來 傳遞轉(zhuǎn)矩,所傳遞的轉(zhuǎn)矩在其額定轉(zhuǎn)矩內(nèi)通過激磁電流可任意調(diào)節(jié)，激磁電流（，） 和轉(zhuǎn)矩（m）在一定范圍內(nèi)成線性關(guān)系。當(dāng)激磁電流不變，轉(zhuǎn)矩將會穩(wěn)定輸出，不 受滑差速度（）的影響。磁粉制動器的選擇，主要根據(jù)系統(tǒng)所需轉(zhuǎn)矩范圍，轉(zhuǎn)矩 上限受電磁容量及機(jī)械機(jī)構(gòu)限制，最高使用轉(zhuǎn)矩為磁粉制動器額定轉(zhuǎn)矩?？紤]到 轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定性、可調(diào)性等，下限一般為額定轉(zhuǎn)矩的10%。選用磁粉制動器在其額定轉(zhuǎn)矩滿足要求的同時， 述應(yīng)保證使用的實際滑差功率小于其允許滑差功率7。放卷時系統(tǒng)

11、的實際滑差 功率為,p=2-kx =tx (1)式屮：p為功率，w； t為電極絲張力，n；為電極絲線速度，m/s； m為磁粉制 動器轉(zhuǎn)矩，ng iv/為轉(zhuǎn)速，r/min0因此，電極絲張力的大小可用下式計算: m +,t (2)式中：r為放絲端貯絲筒半徑，m； j為貯絲筒轉(zhuǎn)動慣量，kg-m ； t. 0為貯絲筒 角速度，rad / so由式(2)可知，調(diào)節(jié)磁粉制動器的制動轉(zhuǎn)矩m大小，就可得到不同的電極絲張力。 收絲端電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為，ml二txr1 (3)式屮：m】為電機(jī)輸出的拖動轉(zhuǎn)矩，nrll； r1為收絲端貯絲筒半徑，rll；如單 層排絲r二r1,則多層排絲rhr1。綜上所述，恒張力控制系統(tǒng)見

12、圖2。-62 一圖2 恒張力控制系統(tǒng)閉環(huán)控制原理圖力丁 第六圖書館工藝裝備電加工與模具)2007年笫1期木控制系統(tǒng)采取恒張力閉環(huán)張力控制，引入pi控制器，可從理論上實現(xiàn)無靜差調(diào) 節(jié)張力值。pi控制器傳遞函數(shù)為_8j： go： (4)o式中：k為比例增益值；r為積分時間常數(shù)。 磁粉制動器可看作帶滯后的一階慣性環(huán)節(jié)：gl(s)= (5)j-式中：ko為磁粉制 動器增益；tj為磁粉制動器電流吋間常數(shù)；td為磁粉制動器滯后吋間常數(shù)。電極絲在放電加工過程屮存在多種 擾動。有些因素是隨機(jī)出現(xiàn)的，且很快消失，屈于擾動信號，沒有調(diào)節(jié)的意義。例如走絲裝 置引起的振動，電極絲與工件產(chǎn)生的放電力引起絲的高頻振動，這

13、些擾動應(yīng)去除。 所以，抗擾動環(huán)節(jié)采用串聯(lián)時滯環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：g2(s)=e(6)式中：r 為延遲吋間。除了上述擾動外，加工過程屮還存在-些影響電極絲張力變化的因 索，即系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)的變化，采用閉環(huán)反饋口j取得很好的控制效果。如貯絲筒采 用多層排絲時。貯絲筒半徑的變化引起張力持續(xù)變化，即可在閉環(huán)系統(tǒng)中使張力 保持恒定。另外。由上下兩套走絲裝置的制造誤差引起的電極絲在兩個貯絲筒間的空間兒何 位置的變化，或多層排絲時兩個貯絲筒的轉(zhuǎn)速不同時造成上下絲杠排絲時，使兩個貯絲筒位移不 同后，造成電極絲在豎直方向上存在夾角，從而引起的張力值變化，也可在閉環(huán) 屮消除。由丁采用了雙貯絲筒的走絲裝置，系統(tǒng)需對兩

14、臺電機(jī)和兩套磁粉制動器 進(jìn)行控制。收絲端電機(jī)提供電磁轉(zhuǎn)矩，拖動放絲端貯絲筒運動。電極絲的走絲速 度取決于卷繞貯絲筒的轉(zhuǎn)速叫：二叫r1 (7)由式(3)和式(7)可得到，如發(fā)生變 化時，m,和7. 3都發(fā)生變化。若要保持走絲速度的恒定和張力恒定的情況，電 機(jī)輸出功率不變，需對電機(jī)進(jìn)行恒功率調(diào)速，即p=m1 - =t- (8)由于交流電機(jī) 和直流電機(jī)的恒功率調(diào)速范圍較小，控制方式復(fù)雜，月電極絲的直徑通常在 0. 180. 21 mm之間，變化引起的走絲速度變化對加工的影響不大。所以，可 采用直流電機(jī)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速或交流電機(jī)矢量控制調(diào)速，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩輸出，保 證電機(jī)不過載jo綜上所述，可采用可編程控

15、制器plc為硬件搭建控制系統(tǒng)。通過a/d擴(kuò)展接口讀入張力傳感器的反饋模擬信號，與設(shè)定張力值 比較，調(diào)用plc內(nèi)部pid指令，完成計算，并通過d/a擴(kuò)展接口，把輸出值給定傳 到磁粉制動器，實現(xiàn)閉環(huán)控制。另外，收絲和放絲狀態(tài)的切換、電機(jī)、磁粉制動 器的通斷、互鎖、啟動和停止的吋間，都可通過plc內(nèi)部程序和外部接線實現(xiàn)。 式(4)(6)中各傳遞函數(shù)的參數(shù)，應(yīng)按照系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)性能指標(biāo)設(shè)定，必要時 述可引入校正環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)全而地滿足所耍求的性能指標(biāo)引。3結(jié)論電極絲往復(fù)走絲運行時，由于張力不均勻引起空間位置發(fā)生變化，是影響高速走 絲線切割機(jī)加工質(zhì)量的重要因索。所以在高速走絲線切割機(jī)中加入恒張力控制系統(tǒng)具

16、冇很人的現(xiàn) 實意義。木文提出的一種新形式雙貯絲筒的恒張力控制系統(tǒng)，通過對電極絲的直接張力閉環(huán)控制，保 持張力的恒定，從而能實現(xiàn)提咼加工質(zhì)量的口的。參考文獻(xiàn)：1 王至堯.電火花線切割工藝m北京：原了能出版社，19872 purl a b. bhattaeharyya b+modelling and analysis of the wiretool vibration in wire-cut edmj journal of materials proceing technology. 2003. 141： 295301.3 beltrami t, bertholds a. dauw d. a simplified post process for wire cut edmj journof materials processing technology。1996, 58： 385389.4 guo zn, leete etal, a studyofultrasonic aidedwire electri cal discharge rrmchining