潘 浩，劉志東，潘紅偉，張 明

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

電火花線切割加工技術(shù)以其高精度高、可加工難加工材料和復(fù)雜零件等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域的生產(chǎn)制造部門，成為一種必不可少的工藝手段[1]。隨著電火花線切割技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，變厚度、變截面的工件越來越多。在變厚度的情況下，加工中出現(xiàn)的切割不穩(wěn)定、切割速度降低和切割表面不均勻成為亟需解決的問題，尤其是如何在大電流高效切割過程中采用高頻脈沖電源自動(dòng)調(diào)整處理變厚度切割狀況[2]、保證切割穩(wěn)定且各厚度的加工表面都不產(chǎn)生燒傷。對(duì)此，目前國內(nèi)外主要通過在線厚度識(shí)別輔助機(jī)床進(jìn)行自適應(yīng)控制[3-7]，針對(duì)變厚度大能量且無燒傷切割方面的研究極少。

20世紀(jì)80年代，國內(nèi)有學(xué)者對(duì)電火花加工的進(jìn)給、電源控制及加工狀態(tài)的識(shí)別問題進(jìn)行了分析研究[8]。進(jìn)入21世紀(jì)，國外學(xué)者提出了電火花加工控制系統(tǒng)的模型，對(duì)進(jìn)給控制和加工參數(shù)控制各環(huán)節(jié)的關(guān)系進(jìn)行了分析研究[9]。目前我國大多數(shù)往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床采用的伺服取樣方法為基于固定閾值的峰值電壓檢測(cè)法，相關(guān)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低，雖在正常加工條件下可滿足加工要求，但是調(diào)節(jié)加工速度時(shí)往往取決于操作人員的經(jīng)驗(yàn)，而且其反饋系統(tǒng)在某些工藝參數(shù)下可能無法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)調(diào)整，自動(dòng)調(diào)節(jié)范圍較窄、自動(dòng)調(diào)節(jié)能力不穩(wěn)定[13]，無法保障變厚度切割時(shí)的伺服跟蹤穩(wěn)定性。

本文針對(duì)變厚度工件在大能量切割時(shí)的切割穩(wěn)定性和表面燒傷問題進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了電源脈間反饋控制系統(tǒng)與步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給控制系統(tǒng)共同作用的雙重反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使電火花線切割機(jī)床在高效切割變厚度工件表面基本無燒傷的條件下提升了切割速度。

1 試驗(yàn)裝置和條件

試驗(yàn)設(shè)備采用HF320M型往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床，試驗(yàn)系統(tǒng)見圖1，導(dǎo)向器保證電極絲位置穩(wěn)定，利用重錘式張力機(jī)構(gòu)保證電極絲張力穩(wěn)定，試驗(yàn)條件見表1。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)照片

表1 加工參數(shù)

如圖2所示，試驗(yàn)采用階梯高度分別為20、40、60 mm的階梯狀工件，研究其切割速度和表面燒傷狀況。其中，圖2a所示用于前期理論分析試驗(yàn)，圖2b所示用于后期效果驗(yàn)證。

圖2 階梯狀工件切割示意圖

2 現(xiàn)有伺服取樣存在的問題

2.1 穩(wěn)定切割問題

往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床常用的伺服取樣方法為基于固定閾值的峰值電壓檢測(cè)法，其原理見圖3，極間放電電壓經(jīng)過穩(wěn)壓管，只有高于穩(wěn)壓管電壓的部分才能進(jìn)入隨后的取樣電路，而取樣電路以獲取一段時(shí)間的極間電壓信號(hào)作為伺服驅(qū)動(dòng)的依據(jù)。從相應(yīng)特性可知，當(dāng)放電狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，檢測(cè)電壓及電機(jī)驅(qū)動(dòng)的響應(yīng)必有一定滯后性[15]。

圖3 固定閾值峰值電壓檢測(cè)法原理圖

在對(duì)厚度一致的工件進(jìn)行電火花線切割時(shí)，電極絲的伺服進(jìn)給速度與工件蝕除速度相當(dāng)，此時(shí)切割穩(wěn)定，檢測(cè)電壓與電機(jī)驅(qū)動(dòng)的相應(yīng)滯后性較?。坏?dāng)工件厚度變化時(shí)，由于工件的蝕除速度產(chǎn)生突跳，基于固定閾值的峰值電壓檢測(cè)法的響應(yīng)滯后性增大。在占空比1∶5、平均電流5 A的條件下切割圖2a所示單向階梯工件和變厚度工件，獲得的放電電壓及電流波形見圖4。可見，厚度40 mm工件的放電波形正常，放電概率在90%以上（圖4b）；當(dāng)工件厚度降低時(shí)，切割厚度20 mm工件時(shí)的放電概率低于90%，空載率上升，伺服進(jìn)給系統(tǒng)欠跟蹤（圖4a）；當(dāng)工件厚度增大時(shí)，切割厚度60 mm工件時(shí)的短路率上升，伺服進(jìn)給系統(tǒng)出現(xiàn)過度跟蹤（圖4c）。因此，傳統(tǒng)的基于固定閾值峰值電壓檢測(cè)法對(duì)于變厚度工件的切割必然產(chǎn)生切割不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

圖4 切割不同厚度工件的放電波形圖

2.2 燒傷問題

往復(fù)走絲電火花線切割的工件表面產(chǎn)生燒傷的主要原因是，在大能量切割過程中，極間工作介質(zhì)迅速汽化，導(dǎo)致在極間缺乏工作介質(zhì)的條件下進(jìn)行放電，此時(shí)由于蝕除產(chǎn)物無法及時(shí)排出而燒結(jié)于工件表面[16]。根據(jù)表1，在平均切割電流5 A時(shí)切割圖2a所示工件的表面燒傷情況見圖5。可見，厚度越高，燒傷越嚴(yán)重，這已嚴(yán)重影響切割工件的表面質(zhì)量和電極絲壽命，甚至產(chǎn)生斷絲。因此，針對(duì)較厚工件的切割，要保證極間有充足的工作介質(zhì)來及時(shí)排出極間蝕除產(chǎn)物[17]。

圖5 變厚度切割工件表面形貌

3 雙重反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)目前變厚度切割時(shí)伺服取樣系統(tǒng)存在的切割不穩(wěn)定以及在大能量條件下易產(chǎn)生表面燒傷的問題，本文分別設(shè)計(jì)了伺服進(jìn)給系統(tǒng)和脈沖間隔調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以伺服進(jìn)給系統(tǒng)為主保障切割穩(wěn)定、以脈沖間隔調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)脈沖間隔，從而盡可能保障工件表面無燒傷。

3.1 伺服進(jìn)給系統(tǒng)

穩(wěn)定切割的理想狀況是加工過程中的材料蝕除與電極絲進(jìn)給相匹配，即間隙不變。本文以放電概率檢測(cè)方法解決了穩(wěn)定切割問題，放電概率檢測(cè)是通過對(duì)每個(gè)放電脈沖進(jìn)行判斷鑒別，再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理后識(shí)別出極間間隙狀態(tài)的一種方法[15]。通過放電概率檢測(cè)模塊檢測(cè)出加工過程中每個(gè)脈沖放電的類型，即正常放電脈沖、短路脈沖、空載脈沖。

開路、空載、正常放電三種放電狀態(tài)的概率與加工間隙之間的特性曲線見圖6[18]。當(dāng)間隙變大時(shí)，短路發(fā)生概率逐漸減小至零，開路狀態(tài)發(fā)生概率逐漸增大到1；反之，當(dāng)間隙變小時(shí)，空載率逐漸減小到零，而短路率逐漸增大到1，即短路。當(dāng)間隙在一定范圍內(nèi)時(shí)，三種放電狀態(tài)共存。由于電火花線切割只存在這三種加工狀態(tài)，因此三種狀態(tài)發(fā)生的概率之和等于1。

圖6 放電概率與加工間隙關(guān)系曲線

在開路和短路狀態(tài)的概率曲線交點(diǎn)上，火花放電狀態(tài)的概率取得極大值，而且在該點(diǎn)附近火花放電的概率曲線變化較平緩。當(dāng)隨機(jī)發(fā)生的開路脈沖和短路脈沖數(shù)相等時(shí)，有效放電脈沖利用率最大，切割速度也最高，此時(shí)的間隙就是最佳極間間隙距離。在最佳極間間隙狀態(tài)附近的一個(gè)小鄰域內(nèi)，火花率變化不大。因此，本文以空載率等于短路率作為變厚度穩(wěn)定切割的調(diào)節(jié)依據(jù)。

3.2 脈沖間隔調(diào)節(jié)系統(tǒng)

在大能量切割條件下產(chǎn)生表面燒傷、切割速度上升緩慢的根本原因是極間缺乏工作介質(zhì)，導(dǎo)致電蝕產(chǎn)物無法及時(shí)排出而燒結(jié)在加工表面[19]，而對(duì)工件表面燒傷影響最明顯的是脈沖間隔，因此本文選擇脈沖間隔作為改善表面燒傷的主要因素。

正常放電加工和有燒傷表面的極間放電加工如圖7所示。正常放電時(shí)由于極間充滿工作介質(zhì)，放電需擊穿兩極間的工作介質(zhì)，存在較多比例的擊穿延時(shí)波形甚至空載波形；一旦形成燒傷，由于極間蝕除產(chǎn)物的搭接橋作用，具有擊穿延時(shí)波形的比例幾乎不存在。因此，當(dāng)具有放電延時(shí)的波形較少時(shí)，工件表面燒傷將加重。

圖7 極間放電加工示意圖

放電延時(shí)脈沖檢測(cè)是放電延時(shí)脈沖概率計(jì)算的關(guān)鍵。檢測(cè)時(shí)，先要區(qū)分正常放電，再根據(jù)放電延時(shí)與正常放電的區(qū)別鑒別放電延時(shí)的脈沖。本試驗(yàn)的脈沖寬度為40μs，設(shè)定以脈沖發(fā)出5μs后的電平高低作為是否具有擊穿延時(shí)的判據(jù)，即脈沖發(fā)出5μs后檢測(cè)到高電平，則判斷為具有擊穿延時(shí)脈沖，進(jìn)而計(jì)算具有放電延時(shí)的脈沖概率；反之，則未有擊穿延時(shí)。

由圖8所示的不同擊穿延時(shí)比率下的表面燒傷狀況可知，加工表面燒傷狀況會(huì)隨著目標(biāo)擊穿延時(shí)比率的升高而減輕。因此，本文通過脈沖間隔的調(diào)節(jié)，保障有一定比例的擊穿延時(shí)波形，從而達(dá)到減少工件表面燒傷的目的。當(dāng)擊穿延時(shí)波形率小于目標(biāo)擊穿延時(shí)波形率時(shí)，空載率和具有放電延時(shí)的正常放電率較少，極間工作介質(zhì)不充足，則應(yīng)提高脈沖間隔時(shí)間，使工作液有時(shí)間進(jìn)入極間，達(dá)到放電在極間充滿工作液的條件下進(jìn)行，保護(hù)電極絲和工件表面；當(dāng)擊穿延時(shí)波形率大于目標(biāo)擊穿延時(shí)波形率時(shí)，極間工作液均勻，應(yīng)當(dāng)減小脈沖間隔時(shí)間，以提高切割速度。本文以擊穿延時(shí)率為25%（實(shí)際設(shè)定為23%~27%）作為調(diào)整脈沖間隔的依據(jù)，取占空比調(diào)節(jié)范圍為1∶3~1∶15。

圖8 不同擊穿延時(shí)比率的表面燒傷狀況

綜上所述，極間放電概率檢測(cè)方法能直接區(qū)分放電過程中的各種脈沖，與傳統(tǒng)固定閾值峰值電壓檢測(cè)法相比，不受脈沖參數(shù)的占空比等因素影響，能直接反映極間間隙狀態(tài)?；诜烹姼怕蕶z測(cè)的伺服控制流程見圖9，先設(shè)定系統(tǒng)初始工藝參數(shù)，再按設(shè)定準(zhǔn)則自動(dòng)調(diào)節(jié)并加工。加工時(shí)，機(jī)床對(duì)放電脈沖進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，首先計(jì)算當(dāng)前的脈沖放電概率，由此得出空載率與短路率的偏差值，并根據(jù)PID控制器調(diào)節(jié)進(jìn)給速率，從而維持變厚度加工的穩(wěn)定切割；接著，檢測(cè)脈沖擊穿延時(shí)概率，當(dāng)概率超出預(yù)設(shè)范圍時(shí)，調(diào)節(jié)脈沖間隔、增加極間消電離和清洗時(shí)間，以避免加工表面燒傷。

圖9 基于概率檢測(cè)的伺服控制流程圖

3.3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的雙重反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)見圖10。伺服進(jìn)給系統(tǒng)主要由絲杠、電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和控制卡組成，電源控制系統(tǒng)主要由功放板、FPGA控制器、波形鑒別模塊組成。系統(tǒng)原理如下：

圖10 雙重反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）電源正負(fù)極分別接工件和電極絲，工作臺(tái)載著工件按設(shè)定軌跡在絲杠帶動(dòng)下進(jìn)給。

（2）FPGA根據(jù)正常放電概率發(fā)送脈沖指令，指令經(jīng)驅(qū)動(dòng)器放大后控制電機(jī)前進(jìn)速度，為使系統(tǒng)具備較高的穩(wěn)定性和靈敏度，采用PID控制算法作為進(jìn)給速度調(diào)節(jié)的控制規(guī)則[20]；引入比例、積分、微分三個(gè)環(huán)節(jié)，以空載率與短路率的偏差作為調(diào)節(jié)依據(jù)，通過比例環(huán)節(jié)快速消除空載率與短路率的偏差，通過積分環(huán)節(jié)保持放電狀態(tài)在空載率等于短路率的條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定切割，通過微分環(huán)節(jié)在空載率與短路率偏差變得過大之前為系統(tǒng)提供調(diào)節(jié)信號(hào)。

（3）鑒別電路將采集的電壓信號(hào)經(jīng)分壓濾波處理之后，通過LM339四路差動(dòng)比較器與參考電壓作對(duì)比。

（4）FPGA對(duì)鑒別電路產(chǎn)生的信號(hào)計(jì)數(shù)和計(jì)算，得出擊穿延時(shí)率、空載率和短路率，并在發(fā)送各種放電概率的同時(shí)放大或縮小PWM波的脈間間隔。

（5）當(dāng)電極絲與工件之間的短路率高于空載率時(shí)，電機(jī)降低速度直至停止運(yùn)動(dòng)；當(dāng)二者之間的空載率高于短路率時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)工件進(jìn)給。另外，當(dāng)擊穿延時(shí)率低于設(shè)定值時(shí)，電源脈間增大；反之，電源脈間減小。

（6）上位機(jī)由LABVIEW程序開發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)加工參數(shù)設(shè)定、根據(jù)放電概率通過PID實(shí)時(shí)控制步進(jìn)電機(jī)兩個(gè)功能。

4 試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)雙重反饋控制系統(tǒng)的可行性，分別對(duì)圖2b所示雙向階梯零件使用原有控制系統(tǒng)和雙重反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行切割并對(duì)比其表面質(zhì)量和切割速度。

4.1 表面質(zhì)量

采用現(xiàn)有機(jī)床系統(tǒng)對(duì)變厚度工件進(jìn)行放電切割試驗(yàn)，參數(shù)同表1，電流升至5 A。在試驗(yàn)過程中可觀察到，由于原系統(tǒng)采用的伺服取樣方法為基于固定閾值的峰值電壓檢測(cè)法，加工過程的進(jìn)給跟蹤狀況不穩(wěn)，電流隨著工件厚度的增加略有升高；采用雙重反饋系統(tǒng)對(duì)相同的變厚度工件進(jìn)行放電切割實(shí)驗(yàn)，參數(shù)同表1，最高平均電流升至7 A，設(shè)置目標(biāo)擊穿延時(shí)率為25%（實(shí)際設(shè)定為23%~27%），系統(tǒng)在開始加工后進(jìn)給。

圖11分別展示了兩種控制系統(tǒng)的表面質(zhì)量對(duì)比。如圖11a所示，當(dāng)用現(xiàn)有系統(tǒng)在5 A電流下切割時(shí)，可見隨著厚度增加，工件表面燒傷越來越嚴(yán)重，且中間最厚處有堆積產(chǎn)物，這將嚴(yán)重影響后續(xù)修刀；如圖11b所示，當(dāng)用雙重反饋系統(tǒng)在最高平均電流7 A下切割時(shí)，可見工件表面燒傷情況明顯減輕，基本無堆積產(chǎn)物，故認(rèn)為雙重反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)可在大能量條件下實(shí)現(xiàn)工件的正常加工且能減少表面燒傷。

圖11 切割工件加工對(duì)比

工件表面粗糙度能直接反映加工表面質(zhì)量。圖12是用粗糙度儀測(cè)量的兩種表面粗糙度變化情況。可見，采用雙重反饋系統(tǒng)加工的工件，其表面粗糙度值整體較低且各個(gè)階梯較均勻，這樣可使后續(xù)修刀更加穩(wěn)定。其中，階梯3幾乎不變，而其他階梯在燒傷去除后的表面粗糙度值降低，可見燒傷是導(dǎo)致表面粗糙度值上升的原因。

圖12 切割工件表面粗糙度

4.2 切割速度

圖13是雙重反饋系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的切割速度對(duì)比情況?？梢姡捎秒p重反饋系統(tǒng)的切割速度比原有系統(tǒng)的提高了24%。這是由于平均電流從原有的最高5 A提高到了最高7 A，進(jìn)而提高了切割能量，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效的切割。

圖13 階梯零件不同厚度處的切割速度

5 結(jié)論

（1）在大能量切割條件下，變厚度工件由于極間狀況不同，采用現(xiàn)有峰值電壓伺服取樣法無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤切割。

（2）放電脈沖的擊穿延時(shí)率與切割工件表面燒傷程度密切相關(guān)。

（3）雙重反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)以短路率等于空載率為原則調(diào)節(jié)伺服進(jìn)給系統(tǒng)，可保證加工穩(wěn)定性，以擊穿延時(shí)率作為判據(jù)調(diào)節(jié)電源脈沖間隔，可改善加工表面燒傷狀況。

（4）雙重反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)與傳統(tǒng)峰值電壓檢測(cè)法相比，將平均電流從5 A提高至7 A，切割速度提高了24%，且表面燒傷狀況明顯改善。