【文章內(nèi)容簡介】 航天大學(xué)的宋小中、云乃彰等人在數(shù)控電火花加工機(jī)床上采用普通電火花加工伺服進(jìn)給控制技術(shù)分別進(jìn)行了水射流鉆曲面導(dǎo)流輪和小模數(shù)漸開線齒輪的加工［26］［27］；重慶大學(xué)的周憶、梁錫昌等采用普通電火花加工伺服進(jìn)給控制技術(shù)控制加工內(nèi)螺旋齒輪［28］(如圖17所示)；中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的張桂香等改進(jìn)放電間隙識(shí)別方法，也是采用普通電火花加工的伺服進(jìn)給控制技術(shù)進(jìn)行電火花磨削加工的研究［29］。圖17　內(nèi)螺旋齒輪加工原理圖［28］ Schematic of machining helix gear［28］，研究專用的伺服進(jìn)給控制系統(tǒng)。如針對(duì)電火花磨削的特點(diǎn)，北京航空航天大學(xué)的耿春明等在研究電火花磨削加工伺服控制技術(shù)時(shí),提出了基于周期性和局部性特點(diǎn)的間隙放電狀態(tài)檢測的伺服策略［30］；哈爾濱工業(yè)大學(xué)的夏繼強(qiáng)等提出在回轉(zhuǎn)式電火花展成加工中少量的短路能自動(dòng)消除的觀點(diǎn)，采用周期性脈沖計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)放電間隙的伺服控制，并設(shè)計(jì)了專用的放電狀態(tài)檢測模塊［18］。但是，這些控制技術(shù)都還只是針對(duì)某一特定類型或某一特定零件的加工，其專用性太強(qiáng)，缺乏必要的通用性和柔性。 本課題的來源、研究目的與意義、主要研究內(nèi)容 課題來源佛山市科技發(fā)展專項(xiàng)資金項(xiàng)目(編號(hào)：03030091)：陶瓷拋光機(jī)磨頭中變螺旋角齒輪的電火花展成加工技術(shù)研究　課題的研究目的與意義本課題針對(duì)目前回轉(zhuǎn)式電火花展成加工控制技術(shù)的水平較低，缺乏通用性等特點(diǎn)，在分析回轉(zhuǎn)式電火花展成加工特征的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究回轉(zhuǎn)式電火花展成加工的控制技術(shù)，開發(fā)出一種通用性能較強(qiáng)的回轉(zhuǎn)式電火花展成加工控制系統(tǒng)。本課題的研究有助于提高回轉(zhuǎn)式電火花展成加工的性能，有助于豐富回轉(zhuǎn)式電火花展成加工的控制理論，對(duì)進(jìn)一步擴(kuò)大回轉(zhuǎn)式電火花展成加工的應(yīng)用范圍、推動(dòng)回轉(zhuǎn)式電火花展成加工技術(shù)的發(fā)展具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。 課題研究的主要內(nèi)容。根據(jù)電火花加工的基礎(chǔ)理論，并部分結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀察的手段，對(duì)回轉(zhuǎn)式電火花展成加工的特征進(jìn)行研究分析，為實(shí)現(xiàn)加工控制提供依據(jù)。，并對(duì)成形運(yùn)動(dòng)的控制方法進(jìn)行研究，以消除加工過程中成形運(yùn)動(dòng)的累積誤差。，主要包括回轉(zhuǎn)式電火花展成加工的放電間隙狀態(tài)檢測方法研究和進(jìn)給控制算法研究兩方面的內(nèi)容。主要包括控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)及控制軟件的編寫三方面的內(nèi)容。通過加工實(shí)驗(yàn)對(duì)控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)估，并加工出12種典型的零件，如直齒圓柱齒輪等。第二章 成形運(yùn)動(dòng)控制及控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在回轉(zhuǎn)式電火花展成加工中，其控制系統(tǒng)必須具備以下功能：成形運(yùn)動(dòng)控制、放電狀態(tài)檢測、加工時(shí)的主要狀態(tài)參數(shù)顯示以及為使操作更加靈活方便的其它一些輔助功能，為此，本章在研究回轉(zhuǎn)式電火花展成加工成形運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了回轉(zhuǎn)式電火花展成加工的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。　回轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)方案的研究由回轉(zhuǎn)式電火花展成加工原理可知，在回轉(zhuǎn)式電火花展成加工中，必須嚴(yán)格保證工具電極和工件電極的角相位對(duì)應(yīng)關(guān)系，即　　　　　　　 　 　 　　 （）式中：——工具電極的實(shí)際角速度　　　——工件電極的實(shí)際角速度　 ——工具電極與工件電極回轉(zhuǎn)時(shí)的同步周期　——工具電極的初始角相位　——工件電極的初始角相位　 ——整數(shù)又在回轉(zhuǎn)式電火花展成加工時(shí)，其加工效率比較低，因而工件的成形是一個(gè)較長的持續(xù)過程。如果分別對(duì)各軸的轉(zhuǎn)速進(jìn)行單獨(dú)控制，即使回轉(zhuǎn)軸間的角速度誤差很小，其經(jīng)過很長一段時(shí)間后所積累的角相位誤差也會(huì)變得很大，從而產(chǎn)生致命性的錯(cuò)誤，導(dǎo)致加工失敗。這一點(diǎn)可采用下列公式來分析，即　　　　 　　　　　　?。ǎ　　　? 　　 　　　 ?。ǎ┦街校骸ぞ唠姌O的角位移——工件電極的角位移——工具電極的名義角速度——工件電極的名義角速度——工具電極的角速度誤差——工件電極的角速度誤差 ——加工時(shí)間聯(lián)合式（）、（）可得工具電極與工件電極間的角位移差為：　　　　　　　　　　　　　　?。ǎ┧?，經(jīng)過一段時(shí)間后，工具電極與工件電極的角相位累積誤差為：　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　（）由此可知，如果角速度誤差、是穩(wěn)定不變或呈單方向變化的，即使很小，當(dāng)時(shí)，角相位累積誤差。從以上分析可知，在實(shí)際加工過程中可以對(duì)進(jìn)行在線檢測，并通過反饋控制對(duì)、進(jìn)行實(shí)時(shí)在線調(diào)節(jié)，分別使它們盡可能地接近、從而把回轉(zhuǎn)軸間的角相位誤差控制在允許的范圍內(nèi)。目前大部分的回轉(zhuǎn)同步都是采用此方法，但該方法控制較為復(fù)雜，而且成本較高。而如果角速度誤差、的符號(hào)（＋或－）是呈周期性變化的，則誤差可產(chǎn)生抵消，也即可能出現(xiàn)角相位累積誤差＝0。這一特性與步進(jìn)電機(jī)在驅(qū)動(dòng)脈沖頻率穩(wěn)定不變時(shí)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速的特性是一致的，即　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　?。ǎ┦街校骸竭M(jìn)電機(jī)的回轉(zhuǎn)周期——步進(jìn)電機(jī)的角速度誤差此外，在驅(qū)動(dòng)脈沖頻率較高的情況下，由于慣性的作用，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速較均勻。而且對(duì)于兩個(gè)同一類型的步進(jìn)電機(jī)，在驅(qū)動(dòng)脈沖頻率相同的情況下，其主軸之間的角位移誤差在某一時(shí)間段（同步周期）內(nèi)的累積為0。因此，采用步進(jìn)電機(jī)可以較容易抑制回轉(zhuǎn)軸間回轉(zhuǎn)誤差的膨脹。但是因步進(jìn)電機(jī)是以步進(jìn)的方式運(yùn)轉(zhuǎn)的，如果采用傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方法，由于電機(jī)的步距角較大，使得電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不連續(xù)，而且每走一步都會(huì)產(chǎn)生一定的振動(dòng)和噪聲，這一點(diǎn)在低頻工作時(shí)尤為明顯，這樣就會(huì)影響加工的穩(wěn)定性和精度。要使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平滑、提高對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制精度，減小步進(jìn)電機(jī)的步距角是行之有效的方法。減小步距角可以通過選擇小步距角的步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，但小步距角步進(jìn)電機(jī)的制造受機(jī)械加工的限制，使成本大大提高。減小步距角的另一種方法是改變電機(jī)繞組中的電流狀態(tài)數(shù)，也就是采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這一目的［31］。步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)是70年代中期發(fā)展起來的一種可以顯著改善步進(jìn)電機(jī)綜合使用性能的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)［32］。其設(shè)計(jì)的基本原理是：將步進(jìn)電機(jī)繞組中的電流進(jìn)行細(xì)分，即把常規(guī)的矩形波供電改為階梯波供電，使繞組中的電流經(jīng)過N個(gè)(N為細(xì)分級(jí)數(shù))階梯才能達(dá)到額定值，且以同樣的方式從額定值下降到零［33］。如圖21所示，圖21(a)、(b)分別為無細(xì)分驅(qū)動(dòng)和采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)且轉(zhuǎn)速相同時(shí)步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際測量轉(zhuǎn)速曲線圖（為角速度，為時(shí)間）。(a)無細(xì)分，驅(qū)動(dòng)頻率120HZ(b)25細(xì)分，驅(qū)動(dòng)頻率3000HZ圖21　步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線圖 Rotate speed curve of stepping motor從圖21中可以看出，步進(jìn)電機(jī)在低速運(yùn)行且無細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)不連續(xù)且振動(dòng)明顯（如圖21(a)所示）；而在同樣的運(yùn)行速度，但采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速明顯變得平穩(wěn)且消除了明顯的振動(dòng)（如圖21(b)所示）。因此，本文中選用步進(jìn)電機(jī)作為各回轉(zhuǎn)軸的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)各軸電機(jī)?！〕尚芜\(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的研究同樣根據(jù)加工原理可知，回轉(zhuǎn)式電火花展成加工與普通電火花加工不同。因普通電火花加工時(shí)工具電極的形狀與被加工工件的形狀基本一致，加工時(shí)只是簡單地把工具電極的形狀“復(fù)印”到工件上；而回轉(zhuǎn)式電火花展成加工時(shí)工件的成形是依靠各個(gè)成形運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)完成的。因此在回轉(zhuǎn)式電火花展成加工中，除了工具、工件兩個(gè)電極的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)外，一般還存在其它一些運(yùn)動(dòng)要求。例如本研究中采用的自制的變螺旋角齒輪的回轉(zhuǎn)式電火花展成加工裝置，其結(jié)構(gòu)如圖22所示。圖22 回轉(zhuǎn)式電火花展成加工裝置結(jié)構(gòu)示意圖 Schematic of revolving electric discharge generating machining equipment圖22中P軸、T軸依次為工件和工具電極主軸，并分別由P軸電機(jī)和T軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)；而L軸則由L軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工具電極在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的徑向方向上進(jìn)給/回退。另外，當(dāng)加工特殊零件（如漸變螺旋角齒輪）時(shí)，還需要通過R軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)R軸，從而實(shí)現(xiàn)T軸在回轉(zhuǎn)的同時(shí)隨搖臂按一定的規(guī)律擺動(dòng)。在實(shí)際加工時(shí)，為滿足加工不同表面形狀的工件的需要，P軸與T軸之間的回轉(zhuǎn)還要根據(jù)工件與工具電極的直徑不同而設(shè)定不同的整數(shù)轉(zhuǎn)速比，并始終保持工件與工具電極回轉(zhuǎn)的方向相反。根據(jù)本文第一章中介紹的回轉(zhuǎn)式電火花展成加工的原理可知，當(dāng)為整數(shù)時(shí)，在加工過程中工具電極上某一固定角方位和工件上某個(gè)或某幾個(gè)固定角方位嚴(yán)格保持對(duì)應(yīng)關(guān)系。如果把T軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)看作沿直角坐標(biāo)系中X軸的直線運(yùn)動(dòng)，把P軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)看作沿直角坐標(biāo)系中Y軸的直線運(yùn)動(dòng)，則P軸與T軸運(yùn)動(dòng)的合成就是一條從原點(diǎn)出發(fā)，斜率為的射線，如圖23所示。圖23 P軸與T軸的轉(zhuǎn)速比關(guān)系圖 Diagram of rotational speed ratio between Paxis and Taxis由圖23可知，射線在數(shù)控系統(tǒng)中可以很方便地采用直線插補(bǔ)的方法插補(bǔ)出來。所以，P軸和T軸之間的定比回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制完全可以考慮采用數(shù)控技術(shù)中的插補(bǔ)原理來實(shí)現(xiàn)。同理，對(duì)于需要增加T軸與R軸聯(lián)動(dòng)的加工場合，R軸的擺動(dòng)與T軸的回轉(zhuǎn)之間也要符合嚴(yán)格固定的規(guī)律，也就是說R軸的擺動(dòng)位置與T軸的旋轉(zhuǎn)位置之間也有嚴(yán)格固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而且R軸的擺動(dòng)周期與T軸的回轉(zhuǎn)周期之間是成整數(shù)比的關(guān)系。所以，如果把T軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和R軸的擺動(dòng)分別看作直角坐標(biāo)系中的X軸和Y軸，則T軸與R軸的聯(lián)動(dòng)將是直角坐標(biāo)系中具有穩(wěn)定周期的曲線或折線，如圖24所示（此處以正弦曲線為例）。這樣一來，也可采用直線或圓弧的插補(bǔ)原理進(jìn)行T軸與R軸的聯(lián)動(dòng)控制。圖24 T軸與R軸的聯(lián)動(dòng)關(guān)系圖 Diagram of movement between Taxis and Raxis因此，本文從編程簡單、傳送方便、容易實(shí)現(xiàn)等方面出發(fā)，采用3B代碼編程［34］，利用插補(bǔ)原理來實(shí)現(xiàn)對(duì)P軸和T軸之間的定比回轉(zhuǎn)、T軸與R軸聯(lián)動(dòng)的控制。而隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，插補(bǔ)原理日趨成熟，且類型眾多，所以要實(shí)現(xiàn)本文中的插補(bǔ)控制，可選的插補(bǔ)類型有多種。但考慮到P軸、T軸和R軸運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)性要求較高，因而從控制算法的簡易程度考慮，采用逐點(diǎn)比較法是比較合理的［35］。以上分析的是回轉(zhuǎn)式電火花展成加工成形運(yùn)動(dòng)中的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而至于成形運(yùn)動(dòng)中的另外一個(gè)運(yùn)動(dòng)——伺服進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)。該運(yùn)動(dòng)與P軸、T軸和R軸的運(yùn)動(dòng)都無直接的關(guān)聯(lián)，由伺服進(jìn)給控制系統(tǒng)根據(jù)放電狀態(tài)信號(hào)控制L軸電機(jī)實(shí)現(xiàn)?！】刂葡到y(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)其各項(xiàng)控制功能，必須具備完善的硬件結(jié)構(gòu)作支撐。但另一方面，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)又要根據(jù)控制系統(tǒng)的控制功能，因?yàn)橹挥羞@樣設(shè)計(jì)出來的硬件結(jié)構(gòu)才能合乎控制系統(tǒng)的實(shí)際控制需求?！」δ芊治鲇蓤D22可知，采用自制的回轉(zhuǎn)式電火花展成加工裝置進(jìn)行加工時(shí)，所要控制的是4個(gè)電機(jī)(分別是P，T，L，R四個(gè)軸的驅(qū)動(dòng)電機(jī))的運(yùn)動(dòng)，以及對(duì)加工狀態(tài)信號(hào)的監(jiān)控。因此在實(shí)際加工時(shí)，控制系統(tǒng)必須具備以下控制功能：。在進(jìn)行一般的回轉(zhuǎn)式電火花展成加工時(shí)，工具電極無需作往復(fù)的擺動(dòng)，也即R軸電機(jī)不工作，此時(shí)只需控制P軸、T軸和L軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)；而在進(jìn)行特殊零件（如漸變螺旋角齒輪）的回轉(zhuǎn)式電火花展成加工時(shí)，不但要控制P軸、T軸及L軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還要控制R軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)工具電極的往復(fù)擺動(dòng)。加工時(shí)實(shí)時(shí)檢測工件與工具電極之間的間隙放電狀態(tài)（放電，短路，開路和脈沖間隔），并快速地對(duì)間隙放電狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行處理——判別檢測周期內(nèi)間隙放電狀態(tài)。然后發(fā)出伺服控制信號(hào)，伺服進(jìn)給控制系統(tǒng)則根據(jù)該信號(hào)控制伺服進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)（L軸電機(jī)）的運(yùn)動(dòng)?！】傮w結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、基礎(chǔ)電子技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，PC機(jī)逐步進(jìn)入控制領(lǐng)域，極大地豐富了控制系統(tǒng)的軟硬件資源，有利于實(shí)現(xiàn)總線式、模塊化、開放化的控制系統(tǒng)，使其具有很高的性能價(jià)格比［36］。因此，根據(jù)控制系統(tǒng)的功能分析，本文研制的回轉(zhuǎn)式電火花展成加工控制系統(tǒng)采用上位PC機(jī)加下位控制模塊的主從式兩級(jí)控制結(jié)構(gòu)，如圖25所示，它由控制核心部分、驅(qū)動(dòng)與功放部分、加工裝置部分等部分組成。圖25 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 Block diagram of control system hardware structure其中系統(tǒng)中的上位PC機(jī)具有豐富的系統(tǒng)資源和強(qiáng)大的運(yùn)算能力，主要完成人機(jī)交互及數(shù)據(jù)處理功能。上位PC機(jī)通過RS232串行口與下位控制模塊進(jìn)行通信，上位PC機(jī)把規(guī)定的命令控制字符或數(shù)據(jù)字符串傳送給下位控制模塊。下位控制模塊是系統(tǒng)構(gòu)成的基礎(chǔ)與關(guān)鍵，它采用單片機(jī)控制。在接收到上位PC機(jī)發(fā)出的控制指令或數(shù)據(jù)字符串后，單片機(jī)則根據(jù)接收到的內(nèi)容分別執(zhí)行相應(yīng)的執(zhí)行模塊。因而實(shí)際加工時(shí)操作上位PC機(jī)軟件即可控制下位控制模塊實(shí)現(xiàn)成形運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)字符串的接收等一些實(shí)時(shí)性和可靠性比較高的操作，同時(shí)，下位控制模塊把當(dāng)前的加工信息（如當(dāng)前的加工狀態(tài)信號(hào)、各軸的位置）傳輸?shù)缴衔籔C機(jī)中運(yùn)算并顯示出來。 下位控制模塊的設(shè)計(jì)由圖25可知，在下位控制模塊的設(shè)計(jì)中把下位控制模塊分成兩個(gè)獨(dú)立的控制模塊：一個(gè)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制模塊；另一個(gè)是伺服進(jìn)給控制模塊。其中在設(shè)計(jì)伺服進(jìn)給控制模塊時(shí)，考慮用3個(gè)片內(nèi)定時(shí)/計(jì)數(shù)器分別記錄短路時(shí)間、放電時(shí)間以及產(chǎn)生波特率，所以選用一塊型號(hào)為AT89S52的單片機(jī)作為模塊的CPU，單片機(jī)的P1口均用作信號(hào)輸出口，如圖26所示：、L軸電機(jī)轉(zhuǎn)向信號(hào)； ()()分別作為放電狀態(tài)檢測中放電、短路狀態(tài)信號(hào)的輸入；另外，（RXD）（TXD）用作串行輸入輸出口，通過RS232串行接口與上位PC機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊。圖26 伺服進(jìn)給控制模塊結(jié)構(gòu)原理圖 Schematic of servo feed control system structure圖27 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制模塊的結(jié)構(gòu)原理圖 Schematic of revolving control system structure為方便模塊的集成，在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制模塊的設(shè)計(jì)中也選用一塊型號(hào)為AT89S52的單片機(jī)作為CPU，并擴(kuò)展了一片6264外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，以供存儲(chǔ)加工代碼程序。另外單片機(jī)的P1口均用作信號(hào)輸出口，～、T軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)、P軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，～、T軸電機(jī)轉(zhuǎn)向信號(hào)、P軸電機(jī)轉(zhuǎn)向信號(hào)；（RXD）（TXD）用作串行輸入輸出口，通過RS232串行接口與上位PC機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊。該模塊