0 导言
电火花铣削加工( ED – Milling) 是20世纪90年代初才开展起来的一种新式加工工艺。它选用简略形状的电极,在数控体系操控下,依照必定轨道作类似于机械铣削的成型运动。经过电极与工件之间的火花放电来蚀除金属资料,终究取得所需的零件形状。它克服了传统电火花成型加工需求制作杂乱成型电极的缺陷,可缩短加工周期、下降加工成本,进步加工柔性。电火花铣削加工技能的研讨和运用,将为面向产品零件三维型面柔性电火花加工供给切实有用的手法,是现代制作技能的重要组成部分。
在电火花的不同加工阶段,加工余量、加工资料、加工极性及加工参数都不相同,其数控代码除了有通用的G、M、T 等代码外, 还有加工条件代码。在加工进程中,东西电极存在显着的损耗,特别是在精加工中东西损耗达20 %以上。别的,跟着极间放电情况的改动,东西需求及时作进给或回退运动,以调整极间空隙。这些都是传统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系统与机械切削加工数控体系存在显着的差异,开宣布有用的数控体系,对电火花铣削加工的运用和开展具有十分重要的价值。
1 电火花铣削加工工艺剖析
电火花加工中东西与工件之间不直接触摸,保持必定的放电空隙。该空隙随加工参数的改动而改动。在加工进程中,工件资料不断被蚀除,东西电极也存在显着损耗(在精加工中,东西损耗率达20 %以上) 。为保持必定的加工空隙,确保工件的成型精度和加工功率,东西或工件有必要及时进给。进给速度要与工件的蚀除速度和东西的损耗速度平衡。电火花铣削加工中,加工速度、电极损耗和零件加工质量与峰值电流Ie 、脉冲宽度te 、脉冲距离to 、伺服参阅电压Us 、空载电压U 、电极转速ω、放电面积S 、进给速度v 、电极资料、工件资料以及作业液等均有联系。经过试验发现,这些参数对加工的影响程度各不相同。关于某个特定的加工进程,这些影响要素中如电极资料、工件资料、作业液、空载电压和伺服参阅电压等均可设为常量。经过试验查验和剖析得知,对加工速度和电极损耗有重要影响的几个要素是: 峰值电流、脉冲宽度、占空比( = te/to) 、放电面积和进给速度。影响外表粗糙度的首要要素是峰值电流和脉冲宽度。
电火花加工中,一般选用体积相对损耗的θ来衡量东西耐损耗的程度,它是东西体积损耗速度与工件体积加工速度之比,其首要影响要素是脉冲宽度和峰值电流。当加工条件必守时,电极相对损耗是常数。
经过许多试验得出,ED – Milling 的加工参数与加工成果之间存在很强的非线性联系,有的要素能够离线建模,而有的要素有必要在线辨识,因而,很难树立加工工艺进程数学模型。而智能操控技能的鼓起为ED – Milling 供给了一种全新的操控战略- 智能化数控。
2 ED – Mill ing 智能化数控体系体系结构
智能化ED – Milling 加工数控体系将CAD/CAM、专家操控、神经网络操控、含糊操控、伺服操控、自适应操控和动态刀具补偿等技能融为一体,构成一个闭环操控体系。在数控体系中装备编程专家体系,具有参数主动优选等自适应功用。在东西损耗及补偿中引进神经网络提早猜测功用,完结东西的动态实时补偿。在东西进给进程中选用含糊操控战略,依据放电空隙情况及时调整脉冲频率和步长,进步进给体系的灵敏度和快速呼应才能。其体系结构如图1 所示。
3 数控体系的构成及作业原理
数控体系硬件结构如图2 所示。整个体系由工业操控计算机、运动操控卡、极间放电情况检测卡、A/ D 卡和I/ O 接口卡等组成。经过ISA 总线将主机与从机和各种板卡联系起来。DMC300 运动操控卡由成都四通步进机电公司出产,是ISA 总线卡,可一起操控三个轴。带有编码器的反应端口作为方位反应,首要用于数字式沟通伺服体系或闭环的步进电机操控体系。每轴带有原点、减速和限位开关等接口。一切输入/ 输出信号都带光电阻隔,所以抗干扰才能强。该卡带有多轴高速线性插补功用,以及圆弧、椭圆和螺旋插补功用。脉冲输出速度可达2. 4Mpps ,在运动中可进行变速(具有梯形和S 形加减速) ,可输出脉冲/ 方向或双脉冲信号,具有外部守时器中止功用。因而,DMC300运动操控卡可确保电火花铣削加工的实时性要求,它供给了DOS 环境下C 言语运动函数库和Windows 环境下的DLL 库,可方便地完结主操控机与运动卡之间的通讯。
在主机中寄存经过许多试验取得的加工工艺数据库。依据这些试验得到的加工规准,经过遗传算法完结加工参数的优选。一起,可将出产中堆集的经历参加工艺数据库中,使工艺数据库不断完善和丰厚。加工时,主机守时收集加工空隙放电情况和极间电压,并将它们输入到规划好的含糊操控器中,别离操控进给步距和脉冲频率。依据推理成果,将操控参数传输给运动操控卡,完结加工空隙和加工方位的调整。在加工进程中,依据工艺参数实时计算出电极损耗量,将猜测成果传递到运动操控卡,完结东西电极的补偿。
4 软件规划中的几个要害技能
4.1 依据神经网络的电极损耗猜测及补偿
4.1.1 依据神经网络的电极损耗猜测
在ED – Milling 加工进程中,特别是在精加工中东西电极的损耗很大。怎么检测出东西损耗并主动进行补偿,是确保加工质量的要害要素之一,也是完结ED – Milling 加工CAD/CAM集成的要害。影响ED – Milling 加工的要素许多,这些要素与电极损耗之间呈现很强的非线性,而人工神经网络能有用地树立起各种杂乱体系的联系模型。因而,本文经过树立加工参数与电极损耗之间的网络模型,来完结加工进程中电极损耗的猜测和补偿。假如把一切参数都作为神经网络输入参数,则网络规划大,练习时间长。依据上述试验结论及剖析,选出对加工有重要影响的峰值电流Ie 、脉冲宽度te 、占空比η( = te/ to) 、放电面积S 和进给速度等作为网络的输入。网络的输出为电极相对损耗θ和加工速度v 。因为含有一个隐层的前馈网络能以恣意精度迫临界说在Rn中的一个紧集上的恣意非线性函数。因而本文选用三层网络结构,如图3所示。
传统的BP 神经网络本质是选用梯度下降法批改网络权值,存在堕入部分极值问题。关于网络结构的规划,一般是靠经历和试凑。因为遗传算法是从一个种群开端查找,因而能以较大的概率找到最优解,本文选用遗传算法来规划网络权值和网络结构。但遗传算法存在部分查找才能弱、收敛速度慢、过早收敛等问题,形成神经网络练习精度不高。要进步遗传算法的查找才能,防止过早收敛于部分极值点,有必要规划合理的遗传算子。
4.1.2 ED – Milling 加工东西补偿战略
现在,电火花铣削加工首要有两种办法:依据东西旁边面放电的旁边面铣削办法和依据东西底面放电的端面铣削办法。关于旁边面铣削加工,可近似以为东西损耗只发生在旁边面。这样,只需计算出旁边面损耗量,即可完结东西的补偿。假定工件加工余量均匀,东西初始半径为r0 ,加工到t 时间的东西半径为rt ,东西轴向长度为h ,则东西径向损耗Δr 为:
依据式(1) 即可猜测出不一起刻东西径向损耗量,由此可完结电极在加工进程中的实时动态补偿。关于端面铣削加工,东西端部不只存在轴向损耗,其楞边也会因放电腐蚀而倒圆。为确保零件形状精度,人们希望东西端部各点的损耗量相同,这样,经过简略的轴向运动即可完结东西损耗的补偿。这种加工技能称为等损耗加工。为完结电极的等损耗,有必要遵从以下准则: ①分层加工工件,每层的去除量很小(微米级) ; ②东西往复扫描加工; ③东西扫描途径堆叠。
为补偿东西轴向(设为Z 轴) 损耗,每层加工后,东西有必要沿轴向作进给运动。其进给量由东西轴向损耗长度和该层的均匀加工深度组成。由此得出一层加工后东西轴向进给量为:
ΔZ = Lw(θSw/ Se+ 1) (1)
式中: Lw—某层均匀加工深度; Sw—该层在X – Y平面内的投影面积; Se—东西横截面积。
4.2 依据含糊操控技能的进给体系规划
电火花加工中,极间空隙的巨细是影响加工出产率和精度的重要要素。合理的放电空隙可有用防止电弧放电,防止烧伤工件,确保较高的外表质量和加工速度。现在,国内出产的电火花加工机床,最常用的是选用与极间空隙成份额的空隙电压,作为主动进给调理体系的输入参数,以此来调理加工空隙的巨细。这种办法对调理空隙巨细是牢靠的。可是,加工速度和工件的外表质量不只与空隙巨细有关,更与极间放电情况密切相关。
研讨标明,电火花加工放电情况可分为空载、火花放电、不安稳过渡电弧、安稳电弧和短路五种根本类型。这几种情况按必定概率替换呈现,甚至在单个脉冲内也或许一起呈现几种情况。哈尔滨工业大学研发的“电火花加工放电情况检测卡”,经过采样一个剖析周期内呈现空载、火花放电、不安稳过渡电弧、安稳电弧和短路情况的时间,将各情况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,得到该剖析周期内的各种放电率。依据放电率可判别出空隙的整体情况,放电率可客观精确反映空隙情况,但因为它是计算一个采样周期内的各种放电率,是一种计算剖析行为,在每个采样周期内,存在屡次放电。特别是在粗加工时,脉冲宽度大(毫秒级) ,检测输出的放电率就带有较大的时延。而此刻加工电流大,出产率高,假如单纯选用放电率作为主动进给体系调理空隙的依据,则加工的实时性难以确保。因而,本文将极间电压和放电率的检测二者相结合,在微观和微观两个方面来调整加工空隙。
在微观方面,守时收集空隙电压,选用空隙电压改动量和改动率作为微观含糊操控器输入参数, 调整电机进给频率。设Us为设定的比较电压, Ue ( t )为t 时间检测到的极间电压,则空隙电压改动量ev(t) = Ue ( t ) – Us 。空隙电压改动率Δev ( t ) = ev(t) – ev ( t – 1) 。设f 为含糊操控器输出的进给频率,把两个输入变量均划分为五个含糊子集:NB (负大) 、NS(负小) 、ZE(零) 、PS (正小) 、PB (正大) 。将输出变量f 划分为五个含糊子集:NB (负大) 、NM(负中) 、NS(负小) 、ZE(零) 、PS(正小) 、PM(正中) 、PB(正大) 。输入和输出含糊子集均选用三角形从属函数。运用下面的含糊消除战略:
一起,PC 机经过情况检测卡读取空载率pd 、火花放电率pe、短路和电弧放电率pa三种百分比。其间只需火花放电率具有蚀除效果, 所以应尽量进步pe。但假如加工中空载率过小, 则极易发生电弧放电,阐明进给速度过快。假如短路和电弧放电率过小,则阐明加工处于欠盯梢情况, 应进步进给速度。考虑到加工的安稳性, 实践加工中pe一般在70 %285 %之间为最佳。因为空载率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,只需操控其间两个参数, 即可完结空隙情况的调理。这也标明当处于最佳加工进程时, 必存在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标明最佳短路和电弧放电率以及最佳空载率, 则t时间短路和电弧放电率差错ea( t ) = pa( t ) – pa0 ,差错改动Δea( t) = ea ( t ) – ea( t – 1) 。t 时间空载率差错ed( t) = pd( t ) – pd0 , 差错改动Δed( t ) = ed(t) – ed( t – 1) 。
在微观方面,规划的微观含糊操控器有四个输入: ea( t) 、Δea( t) 、ed( t ) 和Δed( t ) 。输出为进给步距,本文为步进电机驱动器的细分形式。将两个输入差错变量ea( t ) 、ed( t ) 划分为四个含糊子集, 差错改动Δea( t) 、Δed( t) 划分为三个含糊子集。均选用三角形从属函数。因为运用的驱动器具有八种细分形式,对应地将进给步距划分为八个含糊调集:P0 、P1 、P2 、P3 、P4 、P5 、P6 、P7 ,选用单值含糊发生器。含糊判定办法选用最大值反含糊化法。若输出量的从属函数有多个极值,则取较小极值对应的细分形式。
4.3 硬件驱动程序规划
因为Win2k 具有很好的安稳性,因而选用它作为ED – Milling 加工数控体系的软件渠道。如图2所示,在ED – Milling 数控体系中,需求运用运动操控卡、I/ O 卡、A/ D 卡、放电情况检测卡等多种硬件。其间只需运动操控卡DMC300 供给了Windows 环境下DLL 库,完结主操控机与运动卡之间的通讯。关于其他接口卡,需求开发相应的设备驱动程序。在Win2k 中,设备驱动程序有必要依据Windows 驱动程序模型(WDM) 规划。WDM 供给了一种驱动程序分层的框架结构,开发者有必要遵从这种结构去安排文件和数据。一个通用的设备驱动程序可由上层类过滤驱动程序、上层设备过滤驱动程序、功用驱动程序、基层类过滤驱动程序、基层设备过滤驱动程序、总线过滤驱动程序和总线驱动程序等构成。当Win32 运用程序宣布一个I/O恳求后,体系的I/O 管理器将它转换为I/O恳求包( IRP) ,并将它传递给上层设备驱动程序, IRP 逐次往下传递,终究由最低层的驱动程序完结与硬件的交互。每层驱动程序只完结IRP 的一部分恳求。当驱动程序完结IRP的处理后, I/O管理器把数据和成果回来给Win32用户。依据上述层次结构,开宣布了ED – Milling数控体系中运用的各种板卡的驱动程序。
5 结束语
本文给出了一种在Windows2000上完结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 运动操控卡、放电情况检测卡、A/ D卡、I/O和脉冲电源等组成。软件由Windows2000体系内核、硬件驱动程序、电极损耗神经网络猜测、含糊驱动体系、用户运用程序等组成。该体系已运用在笔者研发的电火花铣削加工设备上。试验标明,该体系作业安稳,操作简略,实时性好,具有较强的适用性。
