曹建福 王 偉

（①西安交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710049;②西安康柏自動(dòng)化工程有限責(zé)任公司，陜西西安 710075）

往復(fù)高速走絲電火花線切割機(jī)床，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高，在我國(guó)制造企業(yè)中被廣泛使用，已成為一種必不可缺的機(jī)床。走絲速度高有利于大厚度工件和大電流切割，但也會(huì)引起走絲系統(tǒng)的振動(dòng)和磨損，嚴(yán)重影響加工質(zhì)量。隨著模具制造水平的發(fā)展，對(duì)高速走絲電火花線切割機(jī)提出了更高的需求，要求能消除往返切割所產(chǎn)生的黑白條紋，提高加工精度和表面加工質(zhì)量。

為了改進(jìn)高速走絲電火花線切割機(jī)床所存在的表面加工質(zhì)量差和加工精度低的問題，人們對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和工藝進(jìn)行了研究，認(rèn)為主要的途徑是采用多次切割工藝［1］。而要實(shí)現(xiàn)多次切割需要滿足下列條件:（1）走絲系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以便控制電極絲空間形位的變化;（2）多次切割工藝參數(shù)優(yōu)化，確定脈沖參數(shù)、加工軌跡補(bǔ)償量及電極絲移動(dòng)方式和速度等［2］;（3）高精度的運(yùn)動(dòng)控制。人們把能實(shí)現(xiàn)多次切割的高速走絲電火花線切割機(jī)床稱為中走絲線切割機(jī)床。為了同時(shí)能兼顧加工效率和表面加工質(zhì)量，中走絲線切割機(jī)床除了在機(jī)械結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)外，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)也提出了一些新的要求［3－6］。

為了滿足中走絲線切割機(jī)床對(duì)加工效率和質(zhì)量的要求，本文對(duì)切割過程放電過程高速采樣、高精度運(yùn)動(dòng)軌跡協(xié)調(diào)控制、多次切割以及脈沖電源控制等技術(shù)進(jìn)行了研究，開發(fā)出了新一代中走絲線切割控制系統(tǒng)，并已成功應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。

1 中走絲線切割機(jī)床機(jī)械本體結(jié)構(gòu)與控制需求分析

中走絲線切割機(jī)床一般采用鋼性好的C型結(jié)構(gòu)，使用滾珠絲杠和精密直線導(dǎo)軌，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)與絲杠采用直連方式。這種方式可減小傳動(dòng)誤差和反向間隙，保證加工精度和加工的穩(wěn)定性。潤(rùn)滑部分增加了集中式供油潤(rùn)滑，運(yùn)絲速度可通過變頻器實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，絲筒采用無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)控制換向，運(yùn)絲系統(tǒng)采用重力自動(dòng)張絲與導(dǎo)絲嘴穩(wěn)絲相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，可靠性較高。冷卻液系統(tǒng)全過濾，保證了放電加工區(qū)工況穩(wěn)定。

目前市場(chǎng)上流行的大多數(shù)中走絲線切割機(jī)床，X、Y軸運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用開環(huán)控制方式，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的定位精度100 mm范圍內(nèi)為0.01 mm，重復(fù)定位精度為0.005 mm。為達(dá)到機(jī)床X、Y軸在200 mm行程范圍的定位精度0.005 mm，重復(fù)定位精度0.001 mm，本文將使用全閉環(huán)控制方式，用光柵作為位置檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)高精度閉環(huán)位置控制。

現(xiàn)在大多數(shù)電加工機(jī)床的放電采樣跟蹤使用模擬電路實(shí)現(xiàn)，在加工時(shí)固定的跟蹤參數(shù)適應(yīng)范圍比較小，需要有經(jīng)驗(yàn)的操作人員根據(jù)放電情況手動(dòng)調(diào)節(jié)跟蹤參數(shù)，影響加工效果。采用數(shù)字化采樣，通過對(duì)采樣數(shù)據(jù)的分析自動(dòng)調(diào)整跟蹤系數(shù)就可以避免這個(gè)問題。由于數(shù)字電路的一致性和數(shù)據(jù)分析軟件的經(jīng)驗(yàn)包容性，減小了放電加工過程中人為因素的影響，提高工件加工的一致性。

2 放電過程高速數(shù)字化采樣與間隙跟蹤

電火花線切割加工是利用高速運(yùn)動(dòng)的鉑絲作電極對(duì)工件進(jìn)行加工的，這種柔絲電極使得多種放電狀態(tài)隨機(jī)、快速和多變地出現(xiàn)，相對(duì)電火花型腔加工來(lái)說，放電狀態(tài)的主要特征為:

（1）快速走絲線切割加工狀態(tài)的放電狀態(tài)通常只有3種，即開路狀態(tài)、火花放電狀態(tài)和短路狀態(tài);

（2）短路狀態(tài)的間隙電壓較高，且短路電壓隨著短路峰值電流的增大而增大;

（3）高頻電源往往采用感性限流電阻，使波形產(chǎn)生了畸變和拖尾現(xiàn)象。

為了準(zhǔn)確地測(cè)量放電狀態(tài)，本文利用高速DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)放電狀態(tài)的分析處理，設(shè)計(jì)的單脈沖采樣電路如圖1。由于高頻放電波形的最小脈寬為1 μs以下，因此需要至少10 M的采樣頻率，要選用高速運(yùn)放電路。由于TI2812內(nèi)部帶有10 M的AD模塊，因此設(shè)計(jì)時(shí)沒有使用外部AD芯片，而采用DSP芯片中帶有AD模塊，這樣既節(jié)約了成本，又減少了中間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，滿足高速采樣頻率和實(shí)時(shí)對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的要求。采集電路的響應(yīng)時(shí)間可保證在100 ns以內(nèi)，采集的信號(hào)送到DSP中，通過分析并識(shí)別各個(gè)單脈沖的放電類型，所具有的類型有:短路、預(yù)短路、正常放電、預(yù)開路、開路等。根據(jù)高速采樣處理的結(jié)果，控制各軸伺服運(yùn)動(dòng)，來(lái)對(duì)切割放電波形自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，使加工達(dá)到最佳狀態(tài)，正常穩(wěn)定加工時(shí)間達(dá)到80%左右。

由于10 M的采樣頻率所采集的大量數(shù)據(jù)需要快速處理，因此在具體采樣時(shí)，將采樣區(qū)間分成兩個(gè)時(shí)區(qū)（圖2）:采樣時(shí)區(qū)和數(shù)據(jù)處理時(shí)區(qū)，在放電狀態(tài)時(shí)對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)存，在放電間隔時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)不進(jìn)行采集，而且只對(duì)前一放電波形的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，調(diào)節(jié)伺服跟蹤運(yùn)動(dòng)。采用這種方式既能夠達(dá)到很高的采樣頻率，又能保證波形數(shù)據(jù)得到及時(shí)處理。獲得了放電狀態(tài)信息后，采用對(duì)間隙自適應(yīng)跟蹤控制來(lái)保證切割時(shí)的放電效果，若放電波形是空載情況，則加快進(jìn)給，縮小間隙;若放電波形是短路，則停止進(jìn)給甚至回退，建立間隙。本文通過大量的加工工藝試驗(yàn)，獲得了不同高頻放電脈沖對(duì)不同材料、不同工況的切削數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)建立了一個(gè)工藝數(shù)據(jù)庫(kù)和參數(shù)優(yōu)化控制模型。在進(jìn)行放電加工時(shí)，可根據(jù)不同的材料和厚度選用合適的電參數(shù)。

中走絲線切割機(jī)使用的數(shù)字化脈沖放電電源是一個(gè)直流脈沖電源，它由整流濾波電路、脈沖發(fā)生電路、功率放大器等組成。脈沖電壓幅值為40～150 V可調(diào)，脈沖寬度為 1 ～10 μs。

3 多次切割運(yùn)動(dòng)控制方法

3．1 4軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制算法

四坐標(biāo)線切割機(jī)切絲運(yùn)動(dòng)關(guān)系如圖3a，建立了2個(gè)坐標(biāo)系:下表面坐標(biāo)系（OXY）和上表面坐標(biāo)系（O1UV），（x，y）為工件下表面某點(diǎn)的坐標(biāo)，（u，v）為工件上平面某點(diǎn)的坐標(biāo)，（x'，y'）為下導(dǎo)輪在XY坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，（u'，v'）為上導(dǎo)輪在UV坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。圖中上下導(dǎo)輪距離為H，工件厚度為L(zhǎng)，底面高度為HC。本文在進(jìn)行錐度或上下異形零件加工時(shí)，采取雙平面同步插補(bǔ)法，即對(duì)工件上下面分別生成加工代碼、上下形成運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)關(guān)系、計(jì)算對(duì)應(yīng)段插補(bǔ)值。

由加工代碼可獲得每個(gè)軌跡段的下表面和上表面的起點(diǎn)坐標(biāo)和終點(diǎn)坐標(biāo)，則可計(jì)算出上下平面的軌跡長(zhǎng)度l1、l2，要使上下插補(bǔ)段保持同步，上下平面的插補(bǔ)速度比值應(yīng)取為v1/v2=l1/l2。采用DDA算法，計(jì)算出第i個(gè)插補(bǔ)周期的進(jìn)給量 Δxi、Δyi、Δui和 Δvi，則可求得第i個(gè)插補(bǔ)周期的坐標(biāo)（xi，yi）和（ui，vi）。

由圖3b可知，b=u－x，c=u'－u

利用小波變換處理故障瞬態(tài)信號(hào)UA、UB和UC，并進(jìn)行三層小波分解，獲取對(duì)應(yīng)的分解系數(shù)能量值作為特征參數(shù)，可獲得12個(gè)故障特征參數(shù)，如圖5、圖6和圖7所示。

對(duì)Y軸方向的進(jìn)給分量，可按同樣方法求出y'和v'。若設(shè)i－1插補(bǔ)點(diǎn)的下平面坐標(biāo)為（x1，y1）、上平面坐標(biāo)為（u1，v1）、下導(dǎo)輪XY軸坐標(biāo)為（x'1，y'1）、上導(dǎo)輪UV軸坐標(biāo)為（u'1，v'1）。那么在本段差插補(bǔ)周期內(nèi)，各軸的進(jìn)給量為

絲保持垂直加工時(shí)的運(yùn)動(dòng)控制方法，在絲垂直情況下加工，UV軸不需要運(yùn)動(dòng)，XY軸采用DDA算法。圖4為協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)軟件流程圖。

3．2 多次切割實(shí)現(xiàn)方法

刀具半徑補(bǔ)償是現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的基本功能，它能補(bǔ)償編程軌跡與刀具中心軌跡之間的偏差。使用這種補(bǔ)償功能后，當(dāng)用戶輸入了按照零件輪廓編制的加工程序后，數(shù)控系統(tǒng)控制形成的刀具中心軌跡能自動(dòng)偏移一個(gè)設(shè)定的刀具半徑值。相比B刀補(bǔ)，C刀補(bǔ)根據(jù)相鄰兩個(gè)程序段信息進(jìn)行刀補(bǔ)計(jì)算，且能在轉(zhuǎn)接點(diǎn)插入過渡曲線。

本文借助成熟的C刀具半徑補(bǔ)償方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)多次切割功能。當(dāng)CNC控制器讀入輪廓軌跡程序后，根據(jù)設(shè)定的加工次數(shù)、每一次的補(bǔ)償量和放電參數(shù)，按C刀補(bǔ)軌跡生成若干個(gè)程序段，程序中包含有表示放電參數(shù)的E代碼和絲速代碼，這些程序段組合起來(lái)生成一個(gè)新的多次切割程序。在多次切割時(shí)，每次切割軌跡逐漸與程序輪廓軌跡靠近，每次補(bǔ)償值不完全相同。

4 中走絲電火花線切割數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

中走絲電火花線切割機(jī)控制系統(tǒng)，包括:CNC控制器、自適應(yīng)放電脈沖電源、三相正弦波微分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。CNC控制器基于嵌入式系統(tǒng)，采用的操作系統(tǒng)是Windows Ce 6.0，線切割的可視化編程與控制軟件將4軸運(yùn)動(dòng)控制軟件和圖形化自動(dòng)編程集成在一起，該編控軟件基于VectorDraw圖形控件開發(fā)。

4．1 CNC 控制器

CNC控制器由嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制器組成，電火花線切割數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見圖5。嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)完成加工數(shù)據(jù)預(yù)處理與監(jiān)控功能，運(yùn)動(dòng)控制器完成放電狀態(tài)采樣、4軸運(yùn)動(dòng)控制、加減速控制、間隙跟蹤控制等任務(wù)，兩者之間通過USB2.0接口實(shí)現(xiàn)高速信息交換。將嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器安裝在一個(gè)獨(dú)立的機(jī)箱內(nèi)，機(jī)箱防護(hù)為IP65，可以適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)合對(duì)嵌入式結(jié)構(gòu)的需求，見圖6。嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)采用研祥公司半長(zhǎng)HSC－1711CLDN，使用的是 Celeron M 800 M處理器，在板256 MB RAM，外部存儲(chǔ)器采用30 G筆記本電腦硬盤，它提供LCD顯示器接口、10/100 Mbps網(wǎng)絡(luò)接口、兩個(gè)RS232/485串行通通信接口、USB接口、鍵盤和鼠標(biāo)接口。

運(yùn)動(dòng)控制器采用32位工業(yè)控制TI公司的2812 DSP，4軸插補(bǔ)控制采用粗精兩級(jí)結(jié)構(gòu)，粗插補(bǔ)器采用前文中的控制算法，硬件插補(bǔ)器使用FPGA實(shí)現(xiàn)。目前快走絲線切割機(jī)床基本上是采用開環(huán)系統(tǒng)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)容易失步，產(chǎn)生的這種隨機(jī)誤差無(wú)法用軟件方法來(lái)補(bǔ)償。為了實(shí)現(xiàn)高的運(yùn)動(dòng)控制精度，須采用閉環(huán)控制方式。若采用伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)且標(biāo)準(zhǔn)閉環(huán)算法實(shí)現(xiàn)的話，成本較高。因此本文采取了一種準(zhǔn)全閉環(huán)控制方案，控制電動(dòng)機(jī)仍采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，X、Y軸安裝了反饋補(bǔ)償用光柵尺。由光柵尺產(chǎn)生的A、B相差分信號(hào)經(jīng)AM26LS32進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到單端信號(hào)后直接送到2812 DSP的兩路正交接口。使用閉環(huán)控制策略沒有積分環(huán)節(jié)，只有比例環(huán)節(jié)，它根據(jù)反饋脈沖數(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)脈沖進(jìn)行補(bǔ)償。

運(yùn)動(dòng)控制器配置4路模擬量輸入、16路開關(guān)量輸出、20路開關(guān)量輸入、與高頻電源通訊的RS232接口、手操器接口等。電源部分采用24 V DC低壓供電方式，內(nèi)置20 W DC－DC電源模塊，內(nèi)部電路采用了光電隔離措施。

4．2 基于Win CE的可視化編程與控制軟件

利用線切割機(jī)床進(jìn)行實(shí)際切割時(shí)，需經(jīng)過編制加工代碼和自動(dòng)運(yùn)行兩個(gè)過程，它們分別由自動(dòng)編程軟件和數(shù)控系統(tǒng)控制軟件來(lái)完成。傳統(tǒng)線切割機(jī)自動(dòng)編程軟件是運(yùn)行在PC上，采用離線形式編程。近幾年有個(gè)別廠家基于PC平臺(tái)和運(yùn)動(dòng)卡，在Windows XP/NT環(huán)境上開發(fā)出了線切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，而且把圖形化編程軟件與控制軟件集成在一起，軟件可視化、操作方便，但它存在基于PC數(shù)控系統(tǒng)的一些固有缺點(diǎn):可靠性差、體積大、性能受限。

本文在上述嵌入式硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上，基于Windows CE6．0嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)了可視化線切割機(jī)編程與控制集成軟件。該編程與控制集成軟件的主要模塊，包括圖形繪制、代碼自動(dòng)生成、加工代碼管理、4軸運(yùn)動(dòng)控制、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、圖形仿真和間隙控制等功能，主界面如圖7所示。在圖形編輯與顯示功能實(shí)現(xiàn)時(shí)，采用了VectorDraw圖形控件。VectorDraw圖形控件是VectorDraw公司開發(fā)的基于COM的矢量圖像控件，它提供了700多種屬性、方法和事件，并能夠自定義所有的消息和對(duì)話框，支持2D/3D繪圖，是目前國(guó)際上一致認(rèn)可的最優(yōu)秀的CAD控件之一。本文使用Visual C++進(jìn)行編程，完成的圖形繪制功能包括基本曲線和高級(jí)曲線，基本曲線有直線、圓弧、點(diǎn)和矩形等圖元，高級(jí)曲線有正多邊形、橢圓、公式曲線、漸開線齒輪、矩形花鍵和漸開線花鍵等圖元。

5 現(xiàn)場(chǎng)切割實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本研究開發(fā)的全閉環(huán)中走絲線切割機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，已在幾個(gè)廠家的線切割機(jī)床上實(shí)現(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用。為了分析實(shí)際切割效果，本文在某廠家的DK7740型號(hào)線切割機(jī)床上進(jìn)行了切割實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)使用直徑為0.18 mm鉬絲，水性冷卻液。

表1 大加工件測(cè)量數(shù)據(jù)

首先進(jìn)行了最大效率切割試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)圖形是長(zhǎng)距離直線，軌跡長(zhǎng)度為2 000 mm。試驗(yàn)條件:材料為45鋼，運(yùn)絲速度為10 m/s。經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，最大加工效率≥190 mm/min。

第二進(jìn)行了加工精度試驗(yàn)，切割了兩個(gè)試件，大工件如圖8a，小工件如圖8b。加工材料為Cr12鋼，厚度20 mm，切割次數(shù)3次。加工精度測(cè)量數(shù)據(jù)見表1、表2。對(duì)于長(zhǎng)距離的較大工件，由于機(jī)床本身的誤差，在開環(huán)情況下切割，大工件誤差范圍在－0.040～+0.008 mm之間，小工件誤差范圍在－0.002～+0.009 mm之間。在閉環(huán)功能打開情況下，大工件誤差范圍在－0.005～+0.013 mm之間，小工件誤差范圍在+0.001～+0.007 mm之間。由此看出在對(duì)于小工件切割時(shí)，加工誤差開環(huán)和閉環(huán)差別不大，但在加工較大工件時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)能夠較大幅度減小。

表2 小加工件測(cè)量數(shù)據(jù)

表3 粗糙度測(cè)試記錄

第三進(jìn)行了粗糙度試驗(yàn)，試驗(yàn)的圖形如圖9所示，每個(gè)試件切割次數(shù)是3～4次。試驗(yàn)條件:材料為Cr1 2，運(yùn)絲速度為2～1 0 m/s。從測(cè)試記錄表3可以看出，表面粗糙度值Ra≤1～1.6 μm，且加工表面光澤無(wú)切割條紋，平均加工速度50 mm2/min。6個(gè)試件切割中，最佳表面粗糙度值Ra≤0.8 μm，平均加工速度40 ～50 mm2/min。

最后進(jìn)行了絲損試驗(yàn)，試驗(yàn)圖形為長(zhǎng)距離直線，軌跡長(zhǎng)度2 000 mm。試驗(yàn)條件:材料為45鋼，運(yùn)絲速度為10 m/s。使用厚度50 mm的試件，平均切割效率為100～120 mm2/min，連續(xù)切割 2 ×105mm2，鉬絲損耗0.02 mm，加工穩(wěn)定，無(wú)斷絲現(xiàn)象。使用厚度500 mm的試件，連續(xù)切割48 h，加工穩(wěn)定，無(wú)斷絲現(xiàn)象，平均切割效率80 mm2/min。

6 結(jié)語(yǔ)

為了提高切割過程放電效率，本文研究了中走絲線切割機(jī)脈沖放電特性，采用數(shù)字化方法對(duì)放電過程進(jìn)行高速采樣，提取出放電特征后實(shí)施間隙跟蹤，同時(shí)建立了智能型放電工藝數(shù)據(jù)庫(kù)。為改進(jìn)切割精度和表面粗糙度，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)采用了一種閉環(huán)位置控制方案;基于雙平面同步插補(bǔ)法實(shí)現(xiàn)了4軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制，并采用補(bǔ)償原理解決了多次切割控制問題。論文基于Win CE6.0嵌入式操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了可視化編程與控制集成軟件。實(shí)際切割數(shù)據(jù)顯示，采用這種數(shù)控系統(tǒng)后，中走絲線切割機(jī)床的可靠性和加工精度有了明顯提高。

［1］蔣文英，楊振步，張建榮．我國(guó)中走絲線切割機(jī)的發(fā)展［J］．模具工業(yè)，2010，36（11）:60 －62．

［2］李明奇，李明輝，張建榮．高速走絲電火花線切割加工多次切割工藝的研究和應(yīng)用［J］．電加工與模具，2003（4）:45－47．

［3］郭烈恩，邢曉峰，劉正塤．高速走絲電火花線切割機(jī)多次切割技術(shù)［J］．電加工與模具，2000（5）:5 －9．

［4］劉志東．快走絲線切割機(jī)多次切割本質(zhì)特性及可行性研究［J］．電加工，1990（5）:10－15．

［5］段黎明，劉飛，林其富．一種錐度線切割機(jī)的控制新算法［J］．重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，18（4）:95 －98．

［6］Xiong Guangyao，Zhang Jian，Zhao Longzhi，et al．The methods to implement multi－cutting of WEDM －HS［J］．2010 International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering（MACE），2010:3180－3182．