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摘  要：討論占有國(guó)內(nèi)外的電火花線切割機(jī)床已占電加工機(jī)床總數(shù)的60％以上的慢走絲加工機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。對(duì)于0.5~0.2rpm超低速運(yùn)行過程中保持穩(wěn)定的追隨誤差以及大慣量伺服系統(tǒng)調(diào)試給出重點(diǎn)討論。

關(guān)鍵詞：線切割 臺(tái)達(dá)機(jī)電  大慣性伺服

1 引言

    電火花線切割加工（Wire cut Electrical Discharge Machining，簡(jiǎn)稱WEDM），有時(shí)又稱線切割。其基本工作原理是利用連續(xù)移動(dòng)的細(xì)金屬絲（稱為電極絲）作電極，對(duì)工件進(jìn)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(fù)雜和精密細(xì)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(xì)孔槽、窄縫、任意曲線等，具有加工余量小、加工精度高、生產(chǎn)周期短、制造成本低等突出優(yōu)點(diǎn)，已在生產(chǎn)中獲得廣泛的應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)外的電火花線切割機(jī)床已占電加工機(jī)床總數(shù)的60％以上。

2 慢走絲加工機(jī)床

    2.1 線切割機(jī)床分類

    根據(jù)電極絲的運(yùn)行速度不同，電火花線切割機(jī)床通常分為兩類：一類是高速走絲電火花線切割機(jī)床（WEDM-HS），其電極絲作高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，一般走絲速度為8～10m/s，電極絲可重復(fù)使用，加工速度較高，但快速走絲容易造成電極絲抖動(dòng)和反向時(shí)停頓，使加工質(zhì)量下降，是我國(guó)生產(chǎn)和使用的主要機(jī)種，也是我國(guó)獨(dú)創(chuàng)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(jī)床（WEDM-LS），其電極絲作低速單向運(yùn)動(dòng)，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(wěn)、均勻、抖動(dòng)小、加工質(zhì)量較好，但加工速度較低，是國(guó)外生產(chǎn)和使用的主要機(jī)種。本文介紹的是臺(tái)達(dá)ＡＳＤ－ＡＢ伺服在慢走絲加工機(jī)床上的應(yīng)用案例。慢走絲加工機(jī)床如圖1所示。慢走絲機(jī)床加工的工件圖如圖2所示。

    2.2 線切割機(jī)床結(jié)構(gòu)

    慢走絲和快走絲作為加工機(jī)床主要的組成部分包括：

    （1）主機(jī)：包括床身、坐標(biāo)工作臺(tái)、走絲機(jī)構(gòu)等；

    （2）脈沖電源：把交流電流轉(zhuǎn)換成一定頻率的單向脈沖電流；

    （3）控制系統(tǒng)控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)，是本文討論的重點(diǎn)；

    （4）工作液循環(huán)系統(tǒng)：提供清潔的、有一定壓力的工作液。

圖1慢走絲加工機(jī)床



圖2 慢走絲機(jī)床加工的工件圖

3 基于臺(tái)達(dá)伺服技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制

    3.1 硬件介紹

    控制部分就是上位機(jī)系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)：

    （1）上位機(jī)：是基于PC架構(gòu)的慢走絲機(jī)床專用ＮＣ控制器；

    （2）伺服系統(tǒng)：兩套臺(tái)達(dá)ASD-AB10212MA伺服控制器和臺(tái)達(dá)ECMA-G31309ES大慣量伺服電機(jī)。

    （3）機(jī)械傳動(dòng)：伺服電機(jī)直連螺距為６mm的絲桿。

    3.2 技術(shù)難點(diǎn)

    慢走絲機(jī)床上的伺服應(yīng)用的主要技術(shù)難點(diǎn)就是在0.5~0.2rpm超低速運(yùn)行過程中保持穩(wěn)的追隨誤差，同時(shí)追隨誤差又必須小于２個(gè)脈沖。這樣的超低速技術(shù)要求實(shí)際上是和慢走絲機(jī)床的加工特點(diǎn)有密切的聯(lián)系的。慢走絲機(jī)床的電極絲直徑通常0.03~0.35mm，而其加工工件時(shí)中心線在工件上切過的面積總和最大可達(dá)約為350m㎡／min，慢走絲機(jī)床加工的工件與快走絲不同通常都是既對(duì)加工精度要求很高又有很大的加工厚度。這就對(duì)慢走絲機(jī)床的進(jìn)給速度有很高的要求，速度必須在一定的范圍內(nèi)，過快的速度會(huì)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(shí)也會(huì)造成電極絲振動(dòng)加大，易造成斷絲！至于伺服系統(tǒng)小于２個(gè)脈沖的追隨誤差，則是因?yàn)榫€切割的加工原理就是正負(fù)電極之間不斷放電灼燒工件表面，就是說兩個(gè)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(yuǎn)造成斷路！

4 大慣量伺服系統(tǒng)調(diào)試

    4.1 系統(tǒng)調(diào)試

    對(duì)于調(diào)試過程可說是難點(diǎn)重重，因?yàn)榭蛻魴C(jī)械整體的負(fù)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(fù)載慣量和負(fù)載質(zhì)量更大，增加了伺服的控制難度。為了保證２個(gè)脈沖的追蹤誤差，所以伺服控制器的增益必須維持在一個(gè)較高的水平，但是由于幾乎不允許出現(xiàn)任何的振動(dòng)，那么伺服控制系統(tǒng)的增益還不能夠過大，也就是說在穩(wěn)定的響應(yīng)水平和穩(wěn)定的控制平衡度之間尋找一個(gè)平衡點(diǎn)，這個(gè)平衡點(diǎn)的選取就是我們調(diào)試的關(guān)鍵。

    由于該設(shè)備的運(yùn)行速度不能超過我們調(diào)試軟件估測(cè)負(fù)載慣量所需的運(yùn)行速度200rpm，所以只能通過不斷的試驗(yàn)，對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以找到最佳的增益參數(shù)，也就是將伺服參數(shù)中跟增益有關(guān)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(bǔ)償），以及跟共振有關(guān)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(jìn)行不斷的試驗(yàn)設(shè)置和運(yùn)行測(cè)試，2-00主要作用是保持位置環(huán)控制響應(yīng)水平的，2-04主要作用是保持速度環(huán)控制響應(yīng)水平的，這兩個(gè)值是伺服響應(yīng)的基礎(chǔ)，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(gè)值調(diào)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(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)。

    剛剛開始調(diào)試時(shí)，很快就將伺服的響應(yīng)水平調(diào)整到一個(gè)不使伺服電機(jī)運(yùn)行有振動(dòng)的最高的控制水平，這個(gè)增益水平上伺服電機(jī)的運(yùn)行效果是是伺服系統(tǒng)在0.5rpm的速度下運(yùn)行追隨誤差基本保持在2個(gè)脈沖范圍內(nèi)，但是在運(yùn)行的某幾個(gè)點(diǎn)的時(shí)候，會(huì)跳變到3~4個(gè)脈沖。這是慢走絲設(shè)備運(yùn)行不允許的，必須通過調(diào)整伺服的增益來改善這樣的運(yùn)行效果，因?yàn)檫@樣的追隨誤差的跳變是由于在某個(gè)運(yùn)行點(diǎn)上伺服系統(tǒng)的負(fù)載情況發(fā)生改變，而由于伺服系統(tǒng)的響應(yīng)又不夠快，所以才會(huì)出現(xiàn)追隨誤差變大的情況。通過以上分析，需要實(shí)現(xiàn)的就是提高伺服系統(tǒng)的響應(yīng)水平又不能使伺服電機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)任何的振動(dòng)。為了既不讓電機(jī)振動(dòng)，又提高增益水平，只有將2-03加大降低機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的振動(dòng)，才能提高2-04和2-00從而提高伺服系統(tǒng)整體的增益水平位置較高的響應(yīng)，同時(shí)，還不能把2-03的值調(diào)整地過高，因?yàn)樗鼤?huì)影響位置追蹤誤差。

    在增調(diào)整已經(jīng)很理想的情況下，開始安裝工件試切。在試切過程發(fā)現(xiàn)一個(gè)很異常的現(xiàn)象，即在x軸以0.3rpm速度進(jìn)給時(shí)，y軸的追蹤誤差會(huì)有一個(gè)不斷的跳變，當(dāng)時(shí)y軸根本沒有信號(hào)輸入，是不應(yīng)該有任何移動(dòng)的。出現(xiàn)這樣的情況只有兩種可能，一是有信號(hào)干擾，二是發(fā)生了機(jī)械振動(dòng)！通過判斷是在x軸以一定速度移動(dòng)時(shí)，y軸會(huì)有共振產(chǎn)生！利用我們調(diào)試軟件ASDA_A_SW找到共振頻率，消除共振，調(diào)試完成。共振抑制頻率點(diǎn)的抓取如圖3所示。

圖3 共振抑制頻率點(diǎn)

    4.2 工件測(cè)試

    作為加工機(jī)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(jī)床的應(yīng)用場(chǎng)合。圖4是臺(tái)達(dá)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(cè)其表面光潔度，從1號(hào)~3號(hào)加工效果越來越好，單純從加工效果上看3號(hào)的表面光潔度已經(jīng)可以已經(jīng)與原伺服系統(tǒng)17位編碼器的高精度伺服電機(jī)的加工效果接近。

圖4 加工試切工件測(cè)試

5 結(jié)束語(yǔ)

    臺(tái)達(dá)ＡＳＤ－ＡＢ伺服主要是應(yīng)用在控制系統(tǒng)中進(jìn)給控制方面，伺服運(yùn)動(dòng)性能如何，直接關(guān)系著工件的加工精度和表面粗糙度。客戶原來使用的是國(guó)外知名品牌的伺服系統(tǒng)，其伺服電機(jī)是采用１７位高線數(shù)編碼器，而臺(tái)達(dá)ＡＳＤ－ＡＢ伺服系統(tǒng)則采用的是ＡＳＤ－Ｂ系列伺服系統(tǒng)配套使用的ＥＣＭＡ電機(jī)，其編碼器僅僅是２５００線的低線數(shù)的伺服編碼器。應(yīng)用臺(tái)達(dá)ＡＳＤ－ＡＢ伺服系統(tǒng)的慢走絲加工機(jī)床的加工精度和表面粗糙度與客戶原來采用１７位高線數(shù)編碼器的伺服系統(tǒng)的慢走絲機(jī)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(chǎn)品在慢走絲加工機(jī)床的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

作者信息：

    李曉東  中達(dá)電通公司上海分公司機(jī)電處