電火花銑削加工智能化數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)

0 引言

　　電火花銑削加工( ED - Milling) 是20世紀(jì)90年代初才發(fā)展起來(lái)的一種新型加工工藝。它采用簡(jiǎn)單形狀的電極,在數(shù)控系統(tǒng)控制下,按照一定軌跡作類似于機(jī)械銑削的成型運(yùn)動(dòng)。通過(guò)電極與工件之間的火花放電來(lái)蝕除金屬材料,最終獲得所需的零件形狀。它克服了傳統(tǒng)電火花成型加工需要制作復(fù)雜成型電極的缺點(diǎn),可縮短加工周期、降低加工成本,提高加工柔性。電火花銑削加工技術(shù)的研究和應(yīng)用,將為面向產(chǎn)品零件三維型面柔性電火花加工提供切實(shí)有效的手段,是現(xiàn)代制造技術(shù)的重要組成部分。

　　在電火花的不同加工階段,加工余量、加工材料、加工極性及加工參數(shù)都不相同,其數(shù)控代碼除了有通用的G、M、T 等代碼外, 還有加工條件代碼。在加工過(guò)程中,工具電極存在顯著的損耗,特別是在精加工中工具損耗達(dá)20 %以上。另外,隨著極間放電狀態(tài)的變化,工具需要及時(shí)作進(jìn)給或回退運(yùn)動(dòng),以調(diào)整極間間隙。這些都是傳統(tǒng)切削加工數(shù)控系統(tǒng)所沒有的問(wèn)題?？梢?電火花銑削加工數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)械切削加工數(shù)控系統(tǒng)存在明顯的區(qū)別,開發(fā)出實(shí)用的數(shù)控系統(tǒng),對(duì)電火花銑削加工的應(yīng)用和發(fā)展具有十分重要的價(jià)值。

1 電火花銑削加工工藝分析

　　電火花加工中工具與工件之間不直接接觸,維持一定的放電間隙。該間隙隨加工參數(shù)的變化而改變。在加工過(guò)程中,工件材料不斷被蝕除,工具電極也存在明顯損耗(在精加工中,工具損耗率達(dá)20 %以上) 。為維持一定的加工間隙,保證工件的成型精度和加工效率,工具或工件必須及時(shí)進(jìn)給。進(jìn)給速度要與工件的蝕除速度和工具的損耗速度平衡。電火花銑削加工中,加工速度、電極損耗和零件加工質(zhì)量與峰值電流Ie 、脈沖寬度te 、脈沖間隔to 、伺服參考電壓Us 、空載電壓U 、電極轉(zhuǎn)速ω、放電面積S 、進(jìn)給速度v 、電極材料、工件材料以及工作液等均有關(guān)系。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),這些參數(shù)對(duì)加工的影響程度各不相同。對(duì)于某個(gè)特定的加工過(guò)程,這些影響因素中如電極材料、工件材料、工作液、空載電壓和伺服參考電壓等均可設(shè)為常量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)和分析得知,對(duì)加工速度和電極損耗有重要影響的幾個(gè)因素是: 峰值電流、脈沖寬度、占空比( = te/to) 、放電面積和進(jìn)給速度。影響表面粗糙度的主要因素是峰值電流和脈沖寬度。

　　電火花加工中,通常采用體積相對(duì)損耗的θ來(lái)衡量工具耐損耗的程度,它是工具體積損耗速度與工件體積加工速度之比,其主要影響因素是脈沖寬度和峰值電流。當(dāng)加工條件一定時(shí),電極相對(duì)損耗是常數(shù)。

　　通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)得出,ED - Milling 的加工參數(shù)與加工結(jié)果之間存在很強(qiáng)的非線性關(guān)系,有的因素可以離線建模,而有的因素必須在線辨識(shí),因此,很難建立加工工藝過(guò)程數(shù)學(xué)模型。而智能控制技術(shù)的興起為ED - Milling 提供了一種全新的控制策略- 智能化數(shù)控。

2 ED - Mill ing 智能化數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

　　智能化ED - Milling 加工數(shù)控系統(tǒng)將CAD/CAM、專家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、伺服控制、自適應(yīng)控制和動(dòng)態(tài)刀具補(bǔ)償等技術(shù)融為一體,形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。在數(shù)控系統(tǒng)中配備編程專家系統(tǒng),具有參數(shù)自動(dòng)優(yōu)選等自適應(yīng)功能。在工具損耗及補(bǔ)償中引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提前預(yù)測(cè)功能,實(shí)現(xiàn)工具的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)補(bǔ)償。在工具進(jìn)給過(guò)程中采用模糊控制策略,根據(jù)放電間隙狀態(tài)及時(shí)調(diào)整脈沖頻率和步長(zhǎng),提高進(jìn)給系統(tǒng)的靈敏度和快速響應(yīng)能力。其體系結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

3 數(shù)控系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

　　數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。整個(gè)系統(tǒng)由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、極間放電狀態(tài)檢測(cè)卡、A/ D 卡和I/ O 接口卡等組成。通過(guò)ISA 總線將主機(jī)與從機(jī)和各種板卡聯(lián)系起來(lái)。DMC300 運(yùn)動(dòng)控制卡由成都四通步進(jìn)機(jī)電公司生產(chǎn),是ISA 總線卡,可同時(shí)控制三個(gè)軸。帶有編碼器的反饋端口作為位置反饋,主要用于數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)或閉環(huán)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。每軸帶有原點(diǎn)、減速和限位開關(guān)等接口。所有輸入/ 輸出信號(hào)都帶光電隔離,所以抗干擾能力強(qiáng)。該卡帶有多軸高速線性插補(bǔ)功能,以及圓弧、橢圓和螺旋插補(bǔ)功能。脈沖輸出速度可達(dá)2. 4Mpps ,在運(yùn)動(dòng)中可進(jìn)行變速(具有梯形和S 形加減速) ,可輸出脈沖/ 方向或雙脈沖信號(hào),具有外部定時(shí)器中斷功能。因此,DMC300運(yùn)動(dòng)控制卡可保證電火花銑削加工的實(shí)時(shí)性要求,它提供了DOS 環(huán)境下C 語(yǔ)言運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)和Windows 環(huán)境下的DLL 庫(kù),可方便地實(shí)現(xiàn)主控制機(jī)與運(yùn)動(dòng)卡之間的通信。

　　在主機(jī)中存放通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)獲得的加工工藝數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)這些實(shí)驗(yàn)得到的加工規(guī)準(zhǔn),通過(guò)遺傳算法實(shí)現(xiàn)加工參數(shù)的優(yōu)選。同時(shí),可將生產(chǎn)中積累的經(jīng)驗(yàn)加入工藝數(shù)據(jù)庫(kù)中,使工藝數(shù)據(jù)庫(kù)不斷完善和豐富。加工時(shí),主機(jī)定時(shí)采集加工間隙放電狀態(tài)和極間電壓,并將它們輸入到設(shè)計(jì)好的模糊控制器中,分別控制進(jìn)給步距和脈沖頻率。根據(jù)推理結(jié)果,將控制參數(shù)傳輸給運(yùn)動(dòng)控制卡,實(shí)現(xiàn)加工間隙和加工位置的調(diào)整。在加工過(guò)程中,根據(jù)工藝參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算出電極損耗量,將預(yù)測(cè)結(jié)果傳遞到運(yùn)動(dòng)控制卡,實(shí)現(xiàn)工具電極的補(bǔ)償。

4 軟件設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)

　　4.1 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電極損耗預(yù)測(cè)及補(bǔ)償

　　4.1.1 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電極損耗預(yù)測(cè)

　　在ED - Milling 加工過(guò)程中,特別是在精加工中工具電極的損耗很大。如何檢測(cè)出工具損耗并自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償,是保證加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一,也是實(shí)現(xiàn)ED - Milling 加工CAD/CAM集成的關(guān)鍵。影響ED - Milling 加工的因素很多,這些因素與電極損耗之間呈現(xiàn)很強(qiáng)的非線性,而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能有效地建立起各種復(fù)雜系統(tǒng)的關(guān)系模型。因此,本文通過(guò)建立加工參數(shù)與電極損耗之間的網(wǎng)絡(luò)模型,來(lái)實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程中電極損耗的預(yù)測(cè)和補(bǔ)償。如果把所有參數(shù)都作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入?yún)?shù),則網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大,訓(xùn)練時(shí)間長(zhǎng)。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)論及分析,選出對(duì)加工有重要影響的峰值電流Ie 、脈沖寬度te 、占空比η( = te/ to) 、放電面積S 和進(jìn)給速度等作為網(wǎng)絡(luò)的輸入。網(wǎng)絡(luò)的輸出為電極相對(duì)損耗θ和加工速度v 。因?yàn)楹幸粋€(gè)隱層的前饋網(wǎng)絡(luò)能以任意精度逼近定義在Rn中的一個(gè)緊集上的任意非線性函數(shù)。因此本文采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),如圖3所示。

　　傳統(tǒng)的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)質(zhì)是采用梯度下降法修正網(wǎng)絡(luò)權(quán)值,存在陷入局部極值問(wèn)題。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),一般是靠經(jīng)驗(yàn)和試湊。因?yàn)檫z傳算法是從一個(gè)種群開始搜索,因而能以較大的概率找到最優(yōu)解,本文采用遺傳算法來(lái)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。但遺傳算法存在局部搜索能力弱、收斂速度慢、過(guò)早收斂等問(wèn)題,造成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練精度不高。要提高遺傳算法的搜索能力,避免過(guò)早收斂于局部極值點(diǎn),必須設(shè)計(jì)合理的遺傳算子。

　　4.1.2 ED - Milling 加工工具補(bǔ)償策略

　　目前,電火花銑削加工主要有兩種方法:基于工具側(cè)面放電的側(cè)面銑削方式和基于工具底面放電的端面銑削方式。對(duì)于側(cè)面銑削加工,可近似認(rèn)為工具損耗只發(fā)生在側(cè)面。這樣,只要計(jì)算出側(cè)面損耗量,即可實(shí)現(xiàn)工具的補(bǔ)償。假設(shè)工件加工余量均勻,工具初始半徑為r0 ,加工到t 時(shí)刻的工具半徑為rt ,工具軸向長(zhǎng)度為h ,則工具徑向損耗Δr 為:

　　根據(jù)式(1) 即可預(yù)測(cè)出不同時(shí)刻工具徑向損耗量,由此可實(shí)現(xiàn)電極在加工過(guò)程中的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。對(duì)于端面銑削加工,工具端部不僅存在軸向損耗,其楞邊也會(huì)因放電腐蝕而倒圓。為保證零件形狀精度,人們期望工具端部各點(diǎn)的損耗量相同,這樣,通過(guò)簡(jiǎn)單的軸向運(yùn)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)工具損耗的補(bǔ)償。這種加工技術(shù)稱為等損耗加工。為實(shí)現(xiàn)電極的等損耗,必須遵循以下原則: ①分層加工工件,每層的去除量很小(微米級(jí)) ; ②工具往復(fù)掃描加工; ③工具掃描路徑重疊。

　　為補(bǔ)償工具軸向(設(shè)為Z 軸) 損耗,每層加工后,工具必須沿軸向作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。其進(jìn)給量由工具軸向損耗長(zhǎng)度和該層的平均加工深度組成。由此得出一層加工后工具軸向進(jìn)給量為:

　　　　ΔZ = Lw(θSw/ Se+ 1) (1)
　　　　式中: Lw—某層平均加工深度; Sw—該層在X - Y平面內(nèi)的投影面積; Se—工具橫截面積。

　　4.2 基于模糊控制技術(shù)的進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　電火花加工中,極間間隙的大小是影響加工生產(chǎn)率和精度的重要因素。合理的放電間隙可有效防止電弧放電,避免燒傷工件,保證較高的表面質(zhì)量和加工速度。目前,國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的電火花加工機(jī)床,最常用的是采用與極間間隙成比例的間隙電壓,作為自動(dòng)進(jìn)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸入?yún)?shù),以此來(lái)調(diào)節(jié)加工間隙的大小。這種方法對(duì)調(diào)節(jié)間隙大小是可靠的。但是,加工速度和工件的表面質(zhì)量不僅與間隙大小有關(guān),更與極間放電狀態(tài)密切相關(guān)。

　　研究表明,電火花加工放電狀態(tài)可分為空載、火花放電、不穩(wěn)定過(guò)渡電弧、穩(wěn)定電弧和短路五種基本類型。這幾種狀態(tài)按一定概率交替出現(xiàn),甚至在單個(gè)脈沖內(nèi)也可能同時(shí)出現(xiàn)幾種狀態(tài)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的“電火花加工放電狀態(tài)檢測(cè)卡”,通過(guò)采樣一個(gè)分析周期內(nèi)出現(xiàn)空載、火花放電、不穩(wěn)定過(guò)渡電弧、穩(wěn)定電弧和短路狀態(tài)的時(shí)間,將各狀態(tài)的放電時(shí)間分別與總放電時(shí)間(即采樣周期內(nèi)脈寬之和) 相除,得到該分析周期內(nèi)的各種放電率。根據(jù)放電率可判斷出間隙的總體狀況,放電率可客觀準(zhǔn)確反映間隙狀態(tài),但由于它是統(tǒng)計(jì)一個(gè)采樣周期內(nèi)的各種放電率,是一種統(tǒng)計(jì)分析行為,在每個(gè)采樣周期內(nèi),存在多次放電。特別是在粗加工時(shí),脈沖寬度大(毫秒級(jí)) ,檢測(cè)輸出的放電率就帶有較大的時(shí)延。而此時(shí)加工電流大,生產(chǎn)率高,如果單純采用放電率作為自動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)調(diào)節(jié)間隙的依據(jù),則加工的實(shí)時(shí)性難以保證。因此,本文將極間電壓和放電率的檢測(cè)二者相結(jié)合,在微觀和宏觀兩個(gè)方面來(lái)調(diào)整加工間隙。

　　在微觀方面,定時(shí)采集間隙電壓,采用間隙電壓變化量和變化率作為微觀模糊控制器輸入?yún)?shù), 調(diào)整電機(jī)進(jìn)給頻率。設(shè)Us為設(shè)定的比較電壓, Ue ( t )為t 時(shí)刻檢測(cè)到的極間電壓,則間隙電壓變化量ev(t) = Ue ( t ) - Us 。間隙電壓變化率Δev ( t ) = ev(t) - ev ( t - 1) 。設(shè)f 為模糊控制器輸出的進(jìn)給頻率,把兩個(gè)輸入變量均劃分為五個(gè)模糊子集:NB (負(fù)大) 、NS(負(fù)小) 、ZE(零) 、PS (正小) 、PB (正大) 。將輸出變量f 劃分為五個(gè)模糊子集:NB (負(fù)大) 、NM(負(fù)中) 、NS(負(fù)小) 、ZE(零) 、PS(正小) 、PM(正中) 、PB(正大) 。輸入和輸出模糊子集均采用三角形隸屬函數(shù)。使用下面的模糊消除策略:

　　同時(shí),PC 機(jī)通過(guò)狀態(tài)檢測(cè)卡讀取空載率pd 、火花放電率pe、短路和電弧放電率pa三種百分比。其中只有火花放電率具有蝕除作用, 所以應(yīng)盡量提高pe。但如果加工中空載率過(guò)小, 則極易產(chǎn)生電弧放電,說(shuō)明進(jìn)給速度過(guò)快。如果短路和電弧放電率過(guò)小,則說(shuō)明加工處于欠跟蹤狀態(tài), 應(yīng)提高進(jìn)給速度?？紤]到加工的穩(wěn)定性, 實(shí)際加工中pe一般在70 %285 %之間為最佳。因?yàn)榭蛰d率pd、火花放電率pe以及短路和電弧放電率pa之和等于1 ,因此,只要控制其中兩個(gè)參數(shù), 即可實(shí)現(xiàn)間隙狀態(tài)的調(diào)節(jié)。這也表明當(dāng)處于最佳加工過(guò)程時(shí), 必存在一個(gè)最佳短路和電弧放電率以及最佳空載率,分別用pa0和pd0表示最佳短路和電弧放電率以及最佳空載率, 則t時(shí)刻短路和電弧放電率誤差ea( t ) = pa( t ) - pa0 ,誤差變化Δea( t) = ea ( t ) - ea( t - 1) 。t 時(shí)刻空載率誤差ed( t) = pd( t ) - pd0 , 誤差變化Δed( t ) = ed(t) - ed( t - 1) 。

　　在宏觀方面,設(shè)計(jì)的宏觀模糊控制器有四個(gè)輸入: ea( t) 、Δea( t) 、ed( t ) 和Δed( t ) 。輸出為進(jìn)給步距,本文為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分模式。將兩個(gè)輸入誤差變量ea( t ) 、ed( t ) 劃分為四個(gè)模糊子集, 誤差變化Δea( t) 、Δed( t) 劃分為三個(gè)模糊子集。均采用三角形隸屬函數(shù)。由于使用的驅(qū)動(dòng)器具有八種細(xì)分模式,對(duì)應(yīng)地將進(jìn)給步距劃分為八個(gè)模糊集合:P0 、P1 、P2 、P3 、P4 、P5 、P6 、P7 ,采用單值模糊產(chǎn)生器。模糊判決方法采用最大值反模糊化法。若輸出量的隸屬函數(shù)有多個(gè)極值,則取較小極值對(duì)應(yīng)的細(xì)分模式。

　　4.3 硬件驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

　　由于Win2k 具有很好的穩(wěn)定性,因此選用它作為ED - Milling 加工數(shù)控系統(tǒng)的軟件平臺(tái)。如圖2所示,在ED - Milling 數(shù)控系統(tǒng)中,需要使用運(yùn)動(dòng)控制卡、I/ O 卡、A/ D 卡、放電狀態(tài)檢測(cè)卡等多種硬件。其中只有運(yùn)動(dòng)控制卡DMC300 提供了Windows 環(huán)境下DLL 庫(kù),實(shí)現(xiàn)主控制機(jī)與運(yùn)動(dòng)卡之間的通信。對(duì)于其他接口卡,需要開發(fā)相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。在Win2k 中,設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序必須根據(jù)Windows 驅(qū)動(dòng)程序模型(WDM) 設(shè)計(jì)。WDM 提供了一種驅(qū)動(dòng)程序分層的框架結(jié)構(gòu),開發(fā)者必須遵循這種結(jié)構(gòu)去組織文件和數(shù)據(jù)。一個(gè)通用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可由上層類過(guò)濾驅(qū)動(dòng)程序、上層設(shè)備過(guò)濾驅(qū)動(dòng)程序、功能驅(qū)動(dòng)程序、下層類過(guò)濾驅(qū)動(dòng)程序、下層設(shè)備過(guò)濾驅(qū)動(dòng)程序、總線過(guò)濾驅(qū)動(dòng)程序和總線驅(qū)動(dòng)程序等構(gòu)成。當(dāng)Win32 應(yīng)用程序發(fā)出一個(gè)I/O請(qǐng)求后,系統(tǒng)的I/O 管理器將它轉(zhuǎn)換為I/O請(qǐng)求包( IRP) ,并將它傳遞給上層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序, IRP 逐次往下傳遞,最終由最低層的驅(qū)動(dòng)程序完成與硬件的交互。每層驅(qū)動(dòng)程序只完成IRP 的一部分請(qǐng)求。當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序完成IRP的處理后, I/O管理器把數(shù)據(jù)和結(jié)果返回給Win32用戶。根據(jù)上述層次結(jié)構(gòu),開發(fā)出了ED - Milling數(shù)控系統(tǒng)中使用的各種板卡的驅(qū)動(dòng)程序。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　本文給出了一種在Windows2000上實(shí)現(xiàn)的電火花銑削加工智能化數(shù)控系統(tǒng)。該數(shù)控系統(tǒng)硬件由PC 機(jī)、DMC300 運(yùn)動(dòng)控制卡、放電狀態(tài)檢測(cè)卡、A/ D卡、I/O和脈沖電源等組成。軟件由Windows2000系統(tǒng)內(nèi)核、硬件驅(qū)動(dòng)程序、電極損耗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)、模糊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、用戶應(yīng)用程序等組成。該系統(tǒng)已應(yīng)用在筆者研制的電火花銑削加工裝置上。實(shí)驗(yàn)表明,該系統(tǒng)工作穩(wěn)定,操作簡(jiǎn)單,實(shí)時(shí)性好,具有較強(qiáng)的適用性。