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电火花铣削加工智能化数控系统开发

时间:2018-06-22 08:44

来源:未知作者:admin点击:

  ( ED - Milling) 是20世纪90年代初才成长起来的一种新型加工工艺。它采用简略外形的电极,在节制下,依照必然轨迹作雷同于机器铣削的成型活动。通过电极与工件之间的火花放电来蚀除金属资料,最终得到所需的整机外形。它降服了保守电火花成型加工必要制造庞大成型电极的错误谬误,可缩短加工周期、低落加工本钱,提高加工柔性。电火花铣削加工手艺的钻研和使用,将为面向产物整机三维型面柔性电火花加工供给切实无效的手段,是当代制作手艺的主要构成部门。

  在电火花的分歧加工阶段,加工余量、加工资料、加工极性及加工参数都不不异,其数控代码除了有通用的G、M、T 等代码外, 另有加工前提代码。在加工历程中,东西电极具有显著的损耗,出格是在精加工中东西损耗达20 %以上。别的,跟着极间放电形态的变迁,东西必要实时作进给或回退活动,以调解极间间隙。这些都是保守切削加工数控体系所没有的问题。可见,电火花铣削加工数控体系与机器切削加工数控体系具有较着的区别,开辟出适用的数控体系,对电火花铣削加工的使用和成长拥有十分主要的价值。

  电火花加工中东西与工件之间不间接接触,维持必然的放电间隙。该间隙随加工参数的变迁而转变。在加工历程中,工件资料不竭被蚀除,东西电极也具有较着损耗(在精加工中,东西损耗率达20 %以上) 。为维持必然的加工间隙,包管工件的成型精度和加工效率,东西或工件必需实时进给。进给速率要与工件的蚀除速率和东西的损耗速率均衡。电火花铣削加工中,加工速率、电极损耗和整机加工品质与峰值电流Ie 、脉冲宽度te 、脉冲间隔to 、伺服参考电压Us 、空载电压U 、电极转速、放电面积S 、进给速率v 、电极资料、工件资料以及事情液等均相关系。通过尝试发觉,这些参数对加工的影响水平各不不异。对付某个特定的加工历程,这些影响要素中如电极资料、工件资料、事情液、空载电压和伺服参考电压等均可设为常量。通过尝试查验和阐发得知,对加工速率和电极损耗有主要影响的几个要素是: 峰值电流、脉冲宽度、占空比( = te/to) 、能化数控系统开发放电面积和进给速率。影响概况粗拙度的次要要素是峰值电流和脉冲宽度。

  电火花加工中,凡是采用体积相对损耗的来权衡东西耐损耗的水平,它是东西体积损耗速率与工件体积加工速率之比,其次要影响要素是脉冲宽度和峰值电流。当加工前提必然时,电极相对损耗是常数。

  通过大量尝试得出,ED - Milling 的加工参数与加工成果之间具有很强的非线性关系,有的要素能够离线建模,而有的要素必需在线辨识,因而,很难成立加工工艺历程数学模子。而智能节制手艺的崛起为ED - Milling 供给了一种全新的节制计谋- 智能化数控。

  智能化ED - Milling 加工数控体系将CAD/CAM、专家节制、神经收集节制、恍惚节制、伺服节制、自顺应节制和动态刀具弥补等手艺融为一体,构成一个闭关键制体系。在数控体系中装备编程专家体系,拥有参数主动优选等自顺应功效。在东西损耗及弥补中引入神经收集提前预测功效,实现东西的动态及时弥补。在东西进给历程中采用恍惚节制计谋,按照放电间隙形态实时调解脉冲频次和步长,提高进给体系的活络度和倏地相应威力。其系统布局如图1 所示。

  数控体系硬件布局如图2 所示。整个别系由工业节制计较机、活动节制卡、极间放电形态检测卡、A/ D 卡和I/ O 接口卡等构成。通过ISA总线将主机与从机和各类板卡接洽起来。DMC300 活动节制卡由成都四通步进机电公司出产,是ISA 总线卡,可同时节制三个轴。带有编码器的反馈端口作为位置反馈,次要用于数字式交换伺服体系或闭环的步进电机节制体系。每轴带有原点、减速和限位开关等接口。所有输入/ 输出信号都带光电断绝,所以抗滋扰威力强。该卡带有多轴高速线性插补功效,以及圆弧、椭圆和螺旋插补功效。脉冲输出速率可达2. 4Mpps ,在活动中可进行变速(拥有梯形和S 形加减速) ,可输出脉冲/ 标的目的或双脉冲信号,拥有外部按时器中缀功效。因而,DMC300活动节制卡可包管电火花铣削加工的及时性要求,它供给了DOS 情况下C 言语活动函数库和Windows 情况下的DLL 库,可便利地实现主节制机与活动卡之间的通讯。

  在主机中存放通过大量尝试得到的加工工艺数据库。按照这些尝试获得的加工规准,通过遗传算法实现加工参数的优选。同时,可将出产中堆集的经验插手工艺数据库中,使工艺数据库不竭完美和丰硕。加工时,主机按时收罗加工间隙放电形态和极间电压,并将它们输入到设想好的恍惚节制器中,别离节制进给步距和脉冲频次。按照推理成果,将节制参数传输给活动节制卡,实现加工间隙和加工位置的调解。在加工历程中,按照工艺参数及时计较出电极损耗量,将预测成果传送到活动节制卡,实现东西电极的弥补。

  在ED - Milling 加工历程中,出格是在精加工中东西电极的损耗很大。若何检测出东西损耗并主动进行弥补,是包管加工品质的环节要素之一,也是实现ED - Milling 加工CAD/CAM集成的环节。影响ED - Milling 加工的要素良多,这些要素与电极损耗之间出现很强的非线性,而人工神经收集能无效地成立起各类庞大体系的关系模子。因而,本文通过成立加工参数与电极损耗之间的收集模子,来实现加工历程中电极损耗的预测和弥补。若是把所有参数都作为神经收集输入参数,则收集规模大,锻炼时间长。按照上述尝试结论及阐发,选出对加工有主要影响的峰值电流Ie 、脉冲宽度te 、占空比( = te/ to) 、放电面积S 和进给速率等作为收集的输入。收集的输出为电极相对损耗和加工速率v 。由于含有一个隐层的前馈收集能以肆意精度迫近界说在Rn中的一个紧集上的肆意非线性函数。因而本文采用三层收集布局,如图3所示。

  保守的BP 神经收集本色是采用梯度降落法批改收集权值,具有陷入局部极值问题。对付收集布局的设想,正常是靠经验和试凑。由于遗传算法是从一个种群起头搜刮,因此能以较大的概率找到最优解,本文采用遗传算法来设想收集权值和收集布局。但遗传算法具有局部搜刮威力衰、收敛速率慢、过早收敛等问题,形成神经收集锻炼精度不高。要提高遗传算法的搜刮威力,避免过早收敛于局部极值点,必需设想正当的遗传算子。

  目前,电火花铣削加工次要有两种方式:基于东西侧面放电的侧面铣削体例和基于东西底面放电的端面铣削体例。对付侧面铣削加工,可近似以为东西损耗只产生在侧面。如许,只需计较出侧面损耗量,即可实现东西的弥补。假设工件加工余量平均,东西初始半径为r0 ,加工到t 时辰的东西半径为rt ,东西轴向长度为h ,则东西径向损耗r 为?

  按照式(1) 即可预测出分歧时辰东西径向损耗量,由此可实现电极在加工历程中的及时动态弥补。对付端面铣削加工,东西端部不只具有轴向损耗,其楞边也会因放电侵蚀而倒圆。为包管整机外形精度,人们期冀东西端部各点的损耗量不异,如许,通过简略的轴向活动即可实现东西损耗的弥补。这种加工手艺称为等损耗加工。电火花铣削加工智为实现电极的等损耗,必需遵照以下准绳: ①分层加工工件,每层的去除量很小(微米级) ; ②东西来去扫描加工; ③东西扫描路径堆叠。

  为弥补东西轴向(设为Z 轴) 损耗,每层加工后,东西必需沿轴向作进给活动。其进给量由东西轴向损耗长度和该层的均匀加工深度构成。由此得出一层加工后东西轴向进给量为!

  电火花加工中,极间间隙的巨细是影响加工出产率和精度的主要要素。正当的放电间隙可无效预防电弧放电,避免烧伤工件,包管较高的概况品质和加工速率。目前,国内出产的电火花加工机床,最常用的是采用与极间间隙成比例的间隙电压,作为主动进给调理体系的输入参数,以此来调理加工间隙的巨细。这种方式对换节间隙巨细是靠得住的。可是,加工速率和工件的概况品质不只与间隙巨细相关,更与极间放电形态亲近有关。

  钻研表白,电火花加工放电形态可分为空载、火花放电、不不变过渡电弧、不变电弧和短路五种根基类型。这几种形态按必然概率瓜代呈现,以至在单个脉冲内也可能同时呈现几种形态。哈尔滨工业大学研制的“电火花加工放电形态检测卡”,通过采样一个阐发周期内呈现空载、火花放电、不不变过渡电弧、不变电弧和短路形态的时间,将各形态的放电时间别离与总放电时间(即采样周期内脉宽之和) 相除,获得该阐发周期内的各类放电率。按照放电率可果断出间隙的总体情况,放电率可主观精确反应间隙形态,但因为它是统计一个采样周期内的各类放电率,是一种统计阐发举动,在每个采样周期内,具有多次放电。出格是在粗加工时,脉冲宽度大(毫秒级) ,检测输出的放电率就带有较大的时延。而此时加工电流大,出产率高,若是纯真采用放电率作为主动进给体系调理间隙的根据,则加工的及时性难以包管。因而,本文将极间电压和放电率的检测二者相连系,在微观和宏观两个方面来调解加工间隙。

  在微观方面,按时收罗间隙电压,采用间隙电压变迁量和变迁率作为微观恍惚节制器输入参数, 调解电机进给频次。设Us为设定的比力电压, Ue ( t )为t 时辰检测到的极间电压,则间隙电压变迁量ev(t) = Ue ( t ) - Us 。间隙电压变迁率ev ( t ) = ev(t) - ev ( t - 1) 。设f 为恍惚节制器输出的进给频次,把两个输入变量均划分为五个恍惚子集:NB (负大) 、NS(负小) 、ZE(零) 、PS (正小) 、PB (正大) 。将输出变量f 划分为五个恍惚子集:NB (负大) 、NM(负中) 、NS(负小) 、ZE(零) 、PS(正小) 、PM(正中) 、PB(正大) 。输入和输出恍惚子集均采用三角形附属函数。利用下面的恍惚消弭计谋。

  同时,PC 机通过形态检测卡读取空载率pd 、火花放电率pe、短路和电弧放电率pa三种百分比。此中只要火花放电率拥有蚀除感化, 所以应尽量提高pe。但若是加工中空载率过小, 则极易发生电弧放电,申明进给速渡过快。若是短路和电弧放电率过小,则申明加工处于欠跟踪形态, 应提高进给速率。思量到加工的不变性, 现实加工中pe正常在70 %285 %之间为最佳。由于空载率pd、火花放电率pe以及短路和电弧放电率pa之和等于1 ,因而,只需节制此中两个参数, 即可实现间隙形态的调理。这也表白当处于最佳加工历程时, 必具有一个最佳短路和电弧放电率以及最佳空载率,别离用pa0和pd0暗示最佳短路和电弧放电率以及最佳空载率, 则t时辰短路和电弧放电率偏差ea( t ) = pa( t ) - pa0 ,偏差变迁ea( t) = ea ( t ) - ea( t - 1) 。t 时辰空载率偏差ed( t) = pd( t ) - pd0 , 偏差变迁ed( t ) = ed(t) - ed( t - 1) 。

  在宏观方面,设想的宏观恍惚节制器有四个输入: ea( t) 、ea( t) 、ed( t ) 和ed( t ) 。输出为进给步距,本文为步进电机驱动器的细分模式。将两个输入偏差变量ea( t ) 、ed( t ) 划分为四个恍惚子集, 偏差变迁ea( t) 、ed( t) 划分为三个恍惚子集。均采用三角形附属函数。因为利用的驱动用具有八种细分模式,对应地将进给步距划分为八个恍惚调集:P0 、P1 、P2 、P3 、P4 、P5 、P6 、P7 ,采用单值恍惚发生器。恍惚讯断方式采用最大值反恍惚化法。若输出量的附属函数有多个极值,则取较小极值对应的细分模式。

  因为Win2k 拥有很好的不变性,因而选用它作为ED - Milling 加工数控体系的软件平台。如图2所示,在ED - Milling 数控体系中,必要利用活动节制卡、I/ O 卡、A/ D 卡、放电形态检测卡等多种硬件。此中只要活动节制卡DMC300 供给了Windows 情况下DLL 库,实现主节制机与活动卡之间的通讯。对付其他接口卡,必要开辟响应的设施驱动法式。在Win2k 中,设施驱动法式必需按照Windows 驱动法式模子(WDM) 设想。WDM 供给了一种驱动法式分层的框架布局,开辟者必需遵照这种布局去组织文件和数据。一个通用的设施驱动法式可由上层类过滤驱动法式、上层设施过滤驱动法式、功效驱动法式、基层类过滤驱动法式、基层设施过滤驱动法式、总线过滤驱动法式和总线驱动法式等形成。当Win32 使用法式发出一个I/O请求后,体系的I/O 办理器将它转换为I/O请求包( IRP) ,并将它传送给上层设施驱动法式, IRP 逐次往下传送,最终由最低层的驱动法式完成与硬件的交互。每层驱动法式只完成IRP 的一部门请求。当驱动法式完成IRP的处置后, I/O办理器把数据和成果前往给Win32用户。按照上述条理布局,开辟出了ED - Milling数控体系中利用的各类板卡的驱动法式。

  本文给出了一种在Windows2000上实现的电火花铣削加工智能化数控体系。该数控体系硬件由PC 机、DMC300 活动节制卡、放电形态检测卡、A/ D卡、I/O和脉冲电源等构成。软件由Windows2000体系内核、硬件驱动法式、电极损耗神经收集预测、恍惚驱动体系、用户使用法式等构成。该体系已使用在笔者研制的电火花铣削加工安装上。尝试表白,该体系事情不变,操作简略,及时性好,拥有较强的合用性。

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