【文章內(nèi)容簡介】 航天大學(xué)的宋小中、云乃彰等人在數(shù)控電火花加工機床上采用普通電火花加工伺服進給控制技術(shù)分別進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)的張桂香等改進放電間隙識別方法，也是采用普通電火花加工的伺服進給控制技術(shù)進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］，研究專用的伺服進給控制系統(tǒng)。如針對電火花磨削的特點，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,提出了基于周期性和局部性特點的間隙放電狀態(tài)檢測的伺服策略［30］；哈爾濱工業(yè)大學(xué)的夏繼強等提出在回轉(zhuǎn)式電火花展成加工中少量的短路能自動消除的觀點，采用周期性脈沖計數(shù)實現(xiàn)對放電間隙的伺服控制，并設(shè)計了專用的放電狀態(tài)檢測模塊［18］。但是，這些控制技術(shù)都還只是針對某一特定類型或某一特定零件的加工，其專用性太強，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)展專項資金項目(編號：03030091)：陶瓷拋光機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，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，對進一步擴大回轉(zhuǎn)式電火花展成加工的應(yīng)用范圍、推動回轉(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)合實驗觀察的手段，對回轉(zhuǎn)式電火花展成加工的特征進行研究分析，為實現(xiàn)加工控制提供依據(jù)。，并對成形運動的控制方法進行研究，以消除加工過程中成形運動的累積誤差。，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、硬件設(shè)計及控制軟件的編寫三方面的內(nèi)容。通過加工實驗對控制系統(tǒng)的性能進行驗證和評估，并加工出12種典型的零件，如直齒圓柱齒輪等。第二章 成形運動控制及控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計在回轉(zhuǎn)式電火花展成加工中，其控制系統(tǒng)必須具備以下功能：成形運動控制、放電狀態(tài)檢測、加工時的主要狀態(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動控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，進行了回轉(zhuǎn)式電火花展成加工的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。　回轉(zhuǎn)軸驅(qū)動方案的研究由回轉(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，必須嚴格保證工具電極和工件電極的角相位對應(yīng)關(guān)系，即　　　　　　　 　 　 　　 （）式中：——工具電極的實際角速度　　　——工件電極的實際角速度　 ——工具電極與工件電極回轉(zhuǎn)時的同步周期　——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，其加工效率比較低，因而工件的成形是一個較長的持續(xù)過程。如果分別對各軸的轉(zhuǎn)速進行單獨控制，即使回轉(zhuǎn)軸間的角速度誤差很小，其經(jīng)過很長一段時間后所積累的角相位誤差也會變得很大，從而產(chǎn)生致命性的錯誤，導(dǎo)致加工失敗。這一點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 ——加工時間聯(lián)合式（）、（）可得工具電極與工件電極間的角位移差為：　　　　　　　　　　　　　　　（）所以，經(jīng)過一段時間后，工具電極與工件電極的角相位累積誤差為：　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　?。ǎ┯纱丝芍?，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，當時，角相位累積誤差。從以上分析可知，在實際加工過程中可以對進行在線檢測，并通過反饋控制對、進行實時在線調(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（＋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。這一特性與步進電機在驅(qū)動脈沖頻率穩(wěn)定不變時的實時轉(zhuǎn)速的特性是一致的，即　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　?。ǎ┦街校骸竭M電機的回轉(zhuǎn)周期——步進電機的角速度誤差此外，在驅(qū)動脈沖頻率較高的情況下，由于慣性的作用，步進電機的轉(zhuǎn)速較均勻。而且對于兩個同一類型的步進電機，在驅(qū)動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間段（同步周期）內(nèi)的累積為0。因此，采用步進電機可以較容易抑制回轉(zhuǎn)軸間回轉(zhuǎn)誤差的膨脹。但是因步進電機是以步進的方式運轉(zhuǎn)的，如果采用傳統(tǒng)的步進電機驅(qū)動方法，由于電機的步距角較大，使得電機運轉(zhuǎn)不連續(xù)，而且每走一步都會產(chǎn)生一定的振動和噪聲，這一點在低頻工作時尤為明顯，這樣就會影響加工的穩(wěn)定性和精度。要使步進電機運轉(zhuǎn)平滑、提高對執(zhí)行機構(gòu)的控制精度，減小步進電機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電機來實現(xiàn)，但小步距角步進電機的制造受機械加工的限制，使成本大大提高。減小步距角的另一種方法是改變電機繞組中的電流狀態(tài)數(shù)，也就是采用細分驅(qū)動技術(shù)來實現(xiàn)這一目的［31］。步進電機細分驅(qū)動技術(shù)是70年代中期發(fā)展起來的一種可以顯著改善步進電機綜合使用性能的驅(qū)動控制技術(shù)［32］。其設(shè)計的基本原理是：將步進電機繞組中的電流進行細分，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(N為細分級數(shù))階梯才能達到額定值，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)分別為無細分驅(qū)動和采用細分驅(qū)動且轉(zhuǎn)速相同時步進電機的實際測量轉(zhuǎn)速曲線圖（為角速度，為時間）。(a)無細分，驅(qū)動頻率120HZ(b)25細分，驅(qū)動頻率3000HZ圖21　步進電機的轉(zhuǎn)速曲線圖 Rotate speed curve of stepping motor從圖21中可以看出，步進電機在低速運行且無細分驅(qū)動時，運轉(zhuǎn)不連續(xù)且振動明顯（如圖21(a)所示）；而在同樣的運行速度，但采用細分驅(qū)動時，轉(zhuǎn)速明顯變得平穩(wěn)且消除了明顯的振動（如圖21(b)所示）。因此，本文中選用步進電機作為各回轉(zhuǎn)軸的驅(qū)動電機，并采用細分驅(qū)動技術(shù)驅(qū)動各軸電機?！〕尚芜\動控制技術(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工具電極的形狀與被加工工件的形狀基本一致，加工時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工件的成形是依靠各個成形運動協(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、工件兩個電極的回轉(zhuǎn)運動外，一般還存在其它一些運動要求。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軸電機和T軸電機驅(qū)動；而L軸則由L軸電機驅(qū)動，實現(xiàn)工具電極在回轉(zhuǎn)運動的徑向方向上進給/回退。另外，當加工特殊零件（如漸變螺旋角齒輪）時，還需要通過R軸電機驅(qū)動R軸，從而實現(xiàn)T軸在回轉(zhuǎn)的同時隨搖臂按一定的規(guī)律擺動。在實際加工時，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，當為整數(shù)時，在加工過程中工具電極上某一固定角方位和工件上某個或某幾個固定角方位嚴格保持對應(yīng)關(guān)系。如果把T軸的回轉(zhuǎn)運動看作沿直角坐標系中X軸的直線運動，把P軸的回轉(zhuǎn)運動看作沿直角坐標系中Y軸的直線運動，則P軸與T軸運動的合成就是一條從原點出發(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的方法插補出來。所以，P軸和T軸之間的定比回轉(zhuǎn)運動控制完全可以考慮采用數(shù)控技術(shù)中的插補原理來實現(xiàn)。同理，對于需要增加T軸與R軸聯(lián)動的加工場合，R軸的擺動與T軸的回轉(zhuǎn)之間也要符合嚴格固定的規(guī)律，也就是說R軸的擺動位置與T軸的旋轉(zhuǎn)位置之間也有嚴格固定的對應(yīng)關(guān)系，而且R軸的擺動周期與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)運動和R軸的擺動分別看作直角坐標系中的X軸和Y軸，則T軸與R軸的聯(lián)動將是直角坐標系中具有穩(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原理進行T軸與R軸的聯(lián)動控制。圖24 T軸與R軸的聯(lián)動關(guān)系圖 Diagram of movement between Taxis and Raxis因此，本文從編程簡單、傳送方便、容易實現(xiàn)等方面出發(fā)，采用3B代碼編程［34］，利用插補原理來實現(xiàn)對P軸和T軸之間的定比回轉(zhuǎn)、T軸與R軸聯(lián)動的控制。而隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，插補原理日趨成熟，且類型眾多，所以要實現(xiàn)本文中的插補控制，可選的插補類型有多種。但考慮到P軸、T軸和R軸運動的實時性要求較高，因而從控制算法的簡易程度考慮，采用逐點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動中的回轉(zhuǎn)運動，而至于成形運動中的另外一個運動——伺服進給運動，是一個相對獨立的運動。該運動與P軸、T軸和R軸的運動都無直接的關(guān)聯(lián)，由伺服進給控制系統(tǒng)根據(jù)放電狀態(tài)信號控制L軸電機實現(xiàn)?！】刂葡到y(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計控制系統(tǒng)要實現(xiàn)其各項控制功能，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)計又要根據(jù)控制系統(tǒng)的控制功能，因為只有這樣設(shè)計出來的硬件結(jié)構(gòu)才能合乎控制系統(tǒng)的實際控制需求?！」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行加工時，所要控制的是4個電機(分別是P，T，L，R四個軸的驅(qū)動電機)的運動，以及對加工狀態(tài)信號的監(jiān)控。因此在實際加工時，控制系統(tǒng)必須具備以下控制功能：。在進行一般的回轉(zhuǎn)式電火花展成加工時，工具電極無需作往復(fù)的擺動，也即R軸電機不工作，此時只需控制P軸、T軸和L軸電機的運動；而在進行特殊零件（如漸變螺旋角齒輪）的回轉(zhuǎn)式電火花展成加工時，不但要控制P軸、T軸及L軸電機的運動，同時還要控制R軸電機的運動，以實現(xiàn)工具電極的往復(fù)擺動。加工時實時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），并快速地對間隙放電狀態(tài)信號進行處理——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，伺服進給控制系統(tǒng)則根據(jù)該信號控制伺服進給驅(qū)動電機（L軸電機）的運動?！】傮w結(jié)構(gòu)設(shè)計由于隨著計算機技術(shù)、基礎(chǔ)電子技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，PC機逐步進入控制領(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機加下位控制模塊的主從式兩級控制結(jié)構(gòu)，如圖25所示，它由控制核心部分、驅(qū)動與功放部分、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機具有豐富的系統(tǒng)資源和強大的運算能力，主要完成人機交互及數(shù)據(jù)處理功能。上位PC機通過RS232串行口與下位控制模塊進行通信，上位PC機把規(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，它采用單片機控制。在接收到上位PC機發(fā)出的控制指令或數(shù)據(jù)字符串后，單片機則根據(jù)接收到的內(nèi)容分別執(zhí)行相應(yīng)的執(zhí)行模塊。因而實際加工時操作上位PC機軟件即可控制下位控制模塊實現(xiàn)成形運動控制、數(shù)據(jù)字符串的接收等一些實時性和可靠性比較高的操作，同時，下位控制模塊把當前的加工信息（如當前的加工狀態(tài)信號、各軸的位置）傳輸?shù)缴衔籔C機中運算并顯示出來。 下位控制模塊的設(shè)計由圖25可知，在下位控制模塊的設(shè)計中把下位控制模塊分成兩個獨立的控制模塊：一個是回轉(zhuǎn)運動控制模塊；另一個是伺服進給控制模塊。其中在設(shè)計伺服進給控制模塊時，考慮用3個片內(nèi)定時/計數(shù)器分別記錄短路時間、放電時間以及產(chǎn)生波特率，所以選用一塊型號為AT89S52的單片機作為模塊的CPU，單片機的P1口均用作信號輸出口，如圖26所示：、L軸電機轉(zhuǎn)向信號； ()()分別作為放電狀態(tài)檢測中放電、短路狀態(tài)信號的輸入；另外，（RXD）（TXD）用作串行輸入輸出口，通過RS232串行接口與上位PC機實現(xiàn)通訊。圖26 伺服進給控制模塊結(jié)構(gòu)原理圖 Schematic of servo feed control system structure圖27 回轉(zhuǎn)運動控制模塊的結(jié)構(gòu)原理圖 Schematic of revolving control system structure為方便模塊的集成，在回轉(zhuǎn)運動控制模塊的設(shè)計中也選用一塊型號為AT89S52的單片機作為CPU，并擴展了一片6264外部數(shù)據(jù)存儲器，以供存儲加工代碼程序。另外單片機的P1口均用作信號輸出口，～、T軸電機驅(qū)動信號、P軸電機驅(qū)動信號，～、T軸電機轉(zhuǎn)向信號、P軸電機轉(zhuǎn)向信號；（RXD）（TXD）用作串行輸入輸出口，通過RS232串行接口與上位PC機實現(xiàn)通訊。該模塊