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摘 要：討論占有國內外的電火花線切割機床已占電加工機床總數的60％以上的慢走絲加工機床的運動控制技術。對于0.5~0.2rpm超低速運行過程中保持穩定的追隨誤差以及大慣量伺服系統調試給出重點討論。
關鍵詞：線切割 臺達機電 大慣性伺服
1 引言
電火花線切割加工（Wire cut Electrical Discharge Machining，簡稱WEDM），有時又稱線切割。其基本工作原理是利用連續移動的細金屬絲（稱為電極絲）作電極，對工件進行脈沖火花放電蝕除金屬、切割成型。線切割主要用于加工各種形狀復雜和精密細小的工件，例如沖裁模的凸模、凹模、凸凹模、固定板、卸料板等，成形刀具、樣板、電火花成型加工用的金屬電極，各種微細孔槽、窄縫、任意曲線等，具有加工余量小、加工精度高、生產周期短、制造成本低等突出優點，已在生產中獲得廣泛的應用，目前國內外的電火花線切割機床已占電加工機床總數的60％以上。
2 慢走絲加工機床
2.1 線切割機床分類
根據電極絲的運行速度不同，電火花線切割機床通常分為兩類：一類是高速走絲電火花線切割機床（WEDM-HS），其電極絲作高速往復運動，一般走絲速度為8～10m/s，電極絲可重復使用，加工速度較高，但快速走絲容易造成電極絲抖動和反向時停頓，使加工質量下降，是我國生產和使用的主要機種，也是我國獨創的電火花線切割加工模式；另一類是低速走絲電火花線切割機床（WEDM-LS），其電極絲作低速單向運動，一般走絲速度低于0.2m/s，電極絲放電后不再使用，工作平穩、均勻、抖動小、加工質量較好，但加工速度較低，是國外生產和使用的主要機種。本文介紹的是臺達ＡＳＤ－ＡＢ伺服在慢走絲加工機床上的應用案例。慢走絲加工機床如圖1所示。慢走絲機床加工的工件圖如圖2所示。
2.2 線切割機床結構
慢走絲和快走絲作為加工機床主要的組成部分包括：
（1）主機：包括床身、坐標工作臺、走絲機構等；
（2）脈沖電源：把交流電流轉換成一定頻率的單向脈沖電流；
（3）控制系統控制機床運動，是本文討論的重點；
（4）工作液循環系統：提供清潔的、有一定壓力的工作液。
圖1慢走絲加工機床
圖2 慢走絲機床加工的工件圖
3 基于臺達伺服技術的運動控制
3.1 硬件介紹
控制部分就是上位機系統和伺服系統：
（1）上位機：是基于PC架構的慢走絲機床專用ＮＣ控制器；
（2）伺服系統：兩套臺達ASD-AB10212MA伺服控制器和臺達ECMA-G31309ES大慣量伺服電機。
（3）機械傳動：伺服電機直連螺距為６mm的絲桿。
3.2 技術難點
慢走絲機床上的伺服應用的主要技術難點就是在0.5~0.2rpm超低速運行過程中保持穩的追隨誤差，同時追隨誤差又必須小于２個脈沖。這樣的超低速技術要求實際上是和慢走絲機床的加工特點有密切的聯系的。慢走絲機床的電極絲直徑通常0.03~0.35mm，而其加工工件時中心線在工件上切過的面積總和最大可達約為350m㎡／min，慢走絲機床加工的工件與快走絲不同通常都是既對加工精度要求很高又有很大的加工厚度。這就對慢走絲機床的進給速度有很高的要求，速度必須在一定的范圍內，過快的速度會造成加工不徹底，在工件表面留下深淺不一的粗糙痕跡使表面粗糙度變差，同時也會造成電極絲振動加大，易造成斷絲！至于伺服系統小于２個脈沖的追隨誤差，則是因為線切割的加工原理就是正負電極之間不斷放電灼燒工件表面，就是說兩個電極之間要保持一定的距離，既不能接觸在一起造成短路，又不能距離太遠造成斷路！
4 大慣量伺服系統調試
4.1 系統調試
對于調試過程可說是難點重重，因為客戶機械整體的負載就非常的大，而且還要在加工的過程中在加工槽里注滿水，使得負載慣量和負載質量更大，增加了伺服的控制難度。為了保證２個脈沖的追蹤誤差，所以伺服控制器的增益必須維持在一個較高的水平，但是由于幾乎不允許出現任何的振動，那么伺服控制系統的增益還不能夠過大，也就是說在穩定的響應水平和穩定的控制平衡度之間尋找一個平衡點，這個平衡點的選取就是我們調試的關鍵。
由于該設備的運行速度不能超過我們調試軟件估測負載慣量所需的運行速度200rpm，所以只能通過不斷的試驗，對參數進行設置，以找到最佳的增益參數，也就是將伺服參數中跟增益有關的2-00(位置控制增益)，2-02（位置前饋增益），2-03（位置前饋增益平滑常量），2-04（速度控制增益），2-06（速度積分補償），以及跟共振有關的2-25（共振抑制低通濾波），2-23（共振抑制Notch filter），2-24(共振抑制Notch filter衰減率)進行不斷的試驗設置和運行測試，2-00主要作用是保持位置環控制響應水平的，2-04主要作用是保持速度環控制響應水平的，這兩個值是伺服響應的基礎，而2-02和2-06的主要作用就是減小位置控制誤差和速度控制誤差的，將這兩個值調到很高的位置可以明顯地減小追隨誤差。2-03作用就是可以大大的降低傳動機構的運轉振動。
剛剛開始調試時，很快就將伺服的響應水平調整到一個不使伺服電機運行有振動的最高的控制水平，這個增益水平上伺服電機的運行效果是是伺服系統在0.5rpm的速度下運行追隨誤差基本保持在2個脈沖范圍內，但是在運行的某幾個點的時候，會跳變到3~4個脈沖。這是慢走絲設備運行不允許的，必須通過調整伺服的增益來改善這樣的運行效果，因為這樣的追隨誤差的跳變是由于在某個運行點上伺服系統的負載情況發生改變，而由于伺服系統的響應又不夠快，所以才會出現追隨誤差變大的情況。通過以上分析，需要實現的就是提高伺服系統的響應水平又不能使伺服電機運行過程中出現任何的振動。為了既不讓電機振動，又提高增益水平，只有將2-03加大降低機構傳動的振動，才能提高2-04和2-00從而提高伺服系統整體的增益水平位置較高的響應，同時，還不能把2-03的值調整地過高，因為它會影響位置追蹤誤差。
在增調整已經很理想的情況下，開始安裝工件試切。在試切過程發現一個很異常的現象，即在x軸以0.3rpm速度進給時，y軸的追蹤誤差會有一個不斷的跳變，當時y軸根本沒有信號輸入，是不應該有任何移動的。出現這樣的情況只有兩種可能，一是有信號干擾，二是發生了機械振動！通過判斷是在x軸以一定速度移動時，y軸會有共振產生！利用我們調試軟件ASDA_A_SW找到共振頻率，消除共振，調試完成。共振抑制頻率點的抓取如圖3所示。
圖3 共振抑制頻率點
4.2 工件測試
作為加工機床，一定要通過加工試切來證明我們的伺服是否能夠滿足慢走絲機床的應用場合。圖4是臺達ASD-AB伺服加工的工件效果圖，圖4顯示是在磨掉一部分氧化層以后檢測其表面光潔度，從1號~3號加工效果越來越好，單純從加工效果上看3號的表面光潔度已經可以已經與原伺服系統17位編碼器的高精度伺服電機的加工效果接近。
圖4 加工試切工件測試
5 結束語
臺達ＡＳＤ－ＡＢ伺服主要是應用在控制系統中進給控制方面，伺服運動性能如何，直接關系著工件的加工精度和表面粗糙度。客戶原來使用的是國外知名品牌的伺服系統，其伺服電機是采用１７位高線數編碼器，而臺達ＡＳＤ－ＡＢ伺服系統則采用的是ＡＳＤ－Ｂ系列伺服系統配套使用的ＥＣＭＡ電機，其編碼器僅僅是２５００線的低線數的伺服編碼器。應用臺達ＡＳＤ－ＡＢ伺服系統的慢走絲加工機床的加工精度和表面粗糙度與客戶原來采用１７位高線數編碼器的伺服系統的慢走絲機床相差無幾。從而使客戶的制造成本在性能不降低的前提下得到了大大的壓縮，提高了其產品在慢走絲加工機床的市場競爭力。
作者信息：
李曉東 中達電通公司上海分公司機電處
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號