基于ＶＢ６.０ 的電解加工機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2016-11-16 來(lái)源：鹽城工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 作者：王福元 張文寵 禹斌
摘要： 為實(shí)現(xiàn)電解加工機(jī)床自動(dòng)控制， 提高加工精度， 針對(duì)復(fù)雜零件電解加工控制要求， 設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)。采用ＰＣ機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡和運(yùn)動(dòng)控制卡等硬件實(shí)現(xiàn)集成控制， 并采用ＶＢ６.０ 軟件平臺(tái)對(duì)主控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)， 主要包括軟件控制界面的設(shè)計(jì)、伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)的設(shè)置和單軸獨(dú)動(dòng)、多軸聯(lián)動(dòng)的控制程序設(shè)計(jì)， 并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用添加手動(dòng)加工、自動(dòng)加工和故障診斷等功能。最后， 通過(guò)基于該控制系統(tǒng)軟件的加工實(shí)驗(yàn)， 評(píng)估工具陰極的進(jìn)給定位精度和試件的加工質(zhì)量情況，以確保軟件運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： 工具陰極的進(jìn)給定位精度能夠達(dá)到±０.００５ ｍｍ， 試件加工后的縫寬尺寸為０.２７８ ｍｍ， 滿足尺寸精要求， 反映出控制系統(tǒng)可靠性高、穩(wěn)定性好。
關(guān)鍵詞： 電解加工； 控制系統(tǒng)； 可靠性； 穩(wěn)定性
電解加工是一種通過(guò)電化學(xué)腐蝕去除工件表面材料的特種成型加工方法。電解加工以其加工速度快、表面質(zhì)量好、凡金屬都能加工、陰極無(wú)損耗、無(wú)宏觀切削力等優(yōu)點(diǎn)， 在加工形狀復(fù)雜零件及型腔時(shí)有著巨大的優(yōu)勢(shì)， 目前已廣泛應(yīng)用于葉片型面、炮管膛線、模具、特殊孔類、倒角去毛刺、拋光、鈦合金和高溫耐熱合金薄壁機(jī)匣等加工， 并廣泛應(yīng)用于國(guó)防工業(yè)中［１－３］ 。２０ 世紀(jì)７０ 年代初， 前蘇聯(lián)與西方一些發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始了脈沖電流機(jī)制、機(jī)床加工控制系統(tǒng)的研究， 使得脈沖電解加工機(jī)床逐漸用于實(shí)際加工中［４］ ，當(dāng)時(shí)一般采用繼電器或儀表作為電解加工控制系統(tǒng)的控制元件。近年來(lái)， 計(jì)算機(jī)技術(shù)在電解加工中將得到更高水平應(yīng)用， 合肥工業(yè)大學(xué)開(kāi)始將ＰＬＣ 技術(shù)應(yīng)用于電解加工機(jī)床， 采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的一套電解加工機(jī)床ＰＬＣ 控制系統(tǒng)［５］ ， 實(shí)現(xiàn)了電解加工機(jī)床多功能穩(wěn)定運(yùn)行， 但它在控制集成化、多軸聯(lián)動(dòng)方面存在不足， 有待進(jìn)一步研究。結(jié)合硬件及加工工藝要求， 采用ＶＢ６.０ 對(duì)主控制系統(tǒng)軟件主要包括軟件控制界面、伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)和單軸獨(dú)動(dòng)、多軸聯(lián)動(dòng)控制程序進(jìn)行設(shè)計(jì)， 并根據(jù)操作人員的實(shí)際應(yīng)用加入了手動(dòng)加工、自動(dòng)加工和故障診斷等其他功能， 并通過(guò)試件加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)控電解加工機(jī)床軟件控制系統(tǒng)的可靠性。
1.電解加工原理
電解加工主要利用電化學(xué)陽(yáng)極溶解原理［６］ 。工作時(shí)， 工件連接電源陽(yáng)極， 工具連接電源陰極， 工具陰極向工件陽(yáng)極進(jìn)給， 保留一定間隙， 讓具有合適壓力的電解液經(jīng)間隙流過(guò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的電化學(xué)腐蝕成形加工， 溶解的切屑隨電解液一起流出，以達(dá)到電解加工目的。圖１ 為電解加工的原理圖［７］ 。
圖１ 電解加工原理圖
２.電解加工機(jī)床主控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
目前， 電解加工機(jī)床的控制系統(tǒng)主要分為４ 類：繼電器控制、簡(jiǎn)易數(shù)控、ＰＬＣ 控制以及微機(jī)控制［８］ 。文中以ＰＣ 機(jī)、ＰＣＩ-８２６ＬＵ 數(shù)據(jù)采集卡、ＰＩＳＯ-ＰＳ３００運(yùn)動(dòng)控制卡以及相應(yīng)參數(shù)控制的方式實(shí)現(xiàn)集成控制。該控制系統(tǒng)包括如下子系統(tǒng)： 運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)、加工電源子系統(tǒng)、電解液輸送調(diào)節(jié)子系統(tǒng)。控制系統(tǒng)組成框圖如圖２ 所示。
圖２ 控制系統(tǒng)硬件組成框圖
當(dāng)電解加工機(jī)床正常工作且控制系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)， ＰＣ 機(jī)直接通過(guò)通信端口與智能溫度控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信， 并由智能溫度控制器根據(jù)溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)來(lái)控制加熱器是否運(yùn)行。作為系統(tǒng)的核心板卡， 多功能數(shù)據(jù)采集卡ＰＣＩ-８２６ＬＵ 采集大量來(lái)自加工過(guò)程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)， 經(jīng)ＰＣ 機(jī)中的控制軟件檢測(cè)并記錄實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后， 進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算， 并反饋給相應(yīng)的控制元器件， 有效保證了控制系統(tǒng)的集成控制。在整個(gè)加工運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程中， ＰＣ 機(jī)通過(guò)智能控制軟件與ＰＩ-ＳＯ-ＰＳ３００ 運(yùn)動(dòng)控制卡在進(jìn)行通信連接后， 利用已配置的３ 個(gè)ＭＲ-Ｊ３-６０Ａ 伺服驅(qū)動(dòng)器， 對(duì)機(jī)床的交流伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)， 實(shí)現(xiàn)對(duì)Ｘ、Ｙ、Ｚ 軸的同步控制。同時(shí)， ＰＣＩ-８２６ＬＵ 數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)與之配套使用的ＤＢ-１６Ｒ 型、ＤＢ-１６Ｐ 型端子板和ＤＮ-３７ 導(dǎo)軌安裝接線板，完成相應(yīng)功能的數(shù)據(jù)采集和控制。
３.軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)及其功能要求
３.１ 基于ＶＢ６. ０ 的軟件設(shè)計(jì)
ＶＢ６. ０ 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境提供了設(shè)計(jì)、運(yùn)行和調(diào)試應(yīng)用程序的相關(guān)工具， 用戶在使用過(guò)程中無(wú)需打開(kāi)額外的程序就可以實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)、運(yùn)行和調(diào)試。ＶＢ 擁有圖形用戶界面（ＧＵＩ） 和快速應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)（ＲＡＤ）系統(tǒng)， 可以使用ＤＡＯ、ＲＤＯ、ＡＤＯ 連接數(shù)據(jù)庫(kù)和創(chuàng)建ＡｃｔｉｖｅＸ 控件。通過(guò)自有組件快速建立一個(gè)支持多種數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序［９］ 。ＶＢ６.０ 具有開(kāi)發(fā)周期短、功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)， 同時(shí)也具有可視化的面向?qū)ο缶幊獭⑹录?qū)動(dòng)的編程機(jī)制、結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、支持ＤＤＥ、ＤＬＬ 和ＯＬＥ、ＡｃｔｉｖｅＸ 技術(shù)的特點(diǎn)［１０］ ， 因此， 選用ＶＢ６.０ 作為系統(tǒng)的軟件平臺(tái)。
３. ２ 軟件體系功能要求
軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)床的電解加工機(jī)床系統(tǒng)、電解液系統(tǒng)、加工電源系統(tǒng)， 有利于操作人員了解并掌握整個(gè)電解加工流程。因此， 在設(shè)計(jì)軟件過(guò)程中應(yīng)盡可能保證軟件的功能集成特性， 以下給出的是控制系統(tǒng)軟件需實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)功能：
（１） 控制軟件可實(shí)現(xiàn)選擇、裝載和卸載加工程序代碼功能， 并設(shè)按鈕控制（包括三軸運(yùn)動(dòng)控制按鈕和設(shè)備開(kāi)關(guān)按鈕等）。機(jī)床編程需嚴(yán)格規(guī)范， 包括準(zhǔn)備功能Ｇ 指令代碼、輔助功能Ｍ 指令代碼、進(jìn)給功能Ｆ 指令代碼和順序號(hào)Ｎ 代碼等［１１］ 。
（２） 數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)。在機(jī)床系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)， 對(duì)加工電壓、加工電流、電解液工作壓力（壓力顯示表）、電解液設(shè)定溫度和電解液測(cè)量溫度等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。同時(shí)包括Ｘ、Ｙ、Ｚ 軸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其運(yùn)動(dòng)位置讀數(shù)顯示， 便于操作人員手動(dòng)操作三軸的運(yùn)行和及時(shí)鍵盤手動(dòng)編輯對(duì)應(yīng)加工程序。
（３） 手動(dòng)加工。手動(dòng)加工是電解和普通加工中常用加工方式， 當(dāng)操作人員發(fā)現(xiàn)加工過(guò)程中用戶界面參數(shù)不合理變化時(shí)， 可立即按下加工急停按鈕， 以進(jìn)行設(shè)備故障排查。
（４） 自動(dòng)加工。操作人員設(shè)置完參數(shù)后， 利用已設(shè)定參數(shù)（給液、上電位置和工具陰極進(jìn)給速度等） 編寫加工程序， 軟件自動(dòng)控制電解加工機(jī)床的對(duì)刀、回退、加工和沖液等操作， 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加工功能。
（ ５） 故障診斷。主控制系統(tǒng)中， 通過(guò)采集、提取、融合信息的方式， 實(shí)現(xiàn)電解加工過(guò)程的全方位檢測(cè)， 提高了電解加工設(shè)備的可靠性和加工零件的復(fù)雜性。
４.控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
４.１ 用戶界面設(shè)計(jì)
根據(jù)軟件體系要求及其功能， 設(shè)計(jì)出了電解加工集成控制系統(tǒng)的用戶界面［１２］ ， 如圖３ 所示。
圖３ 控制系統(tǒng)用戶界面
４.２ 伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)的設(shè)置
為保證控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行， 需要對(duì)部分元器件進(jìn)行參數(shù)設(shè)定， 其中伺服驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)設(shè)定更為重要。選用ＭＲ-Ｊ３-６０Ａ 型號(hào)的伺服驅(qū)動(dòng)器， 大部分參數(shù)保持默認(rèn)設(shè)置， 需修改參數(shù)如表１ 所示。
表１ 修改的參數(shù)
４。３ 控制系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)
通過(guò)單軸運(yùn)動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)過(guò)渡到多軸聯(lián)動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)， 實(shí)現(xiàn)軟件對(duì)電解加工機(jī)床的穩(wěn)定控制， 圖４ 為機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制的程序設(shè)計(jì)框圖， 其中圖（ａ） 表示單軸運(yùn)動(dòng)控制流程圖， 圖（ｂ） 表示多軸聯(lián)動(dòng)控制流程圖。
圖４ 機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)框圖
５.控制系統(tǒng)軟件調(diào)試及加工實(shí)驗(yàn)
為測(cè)試控制軟件的功能可靠性和控制加工精度，安排了剃須刀靜刀蓋加工實(shí)驗(yàn)。在加工過(guò)程中， 選用ＯＰＴＥＸ ＦＡ 公司生產(chǎn)ＣＤ５-Ｗ３５０ 型高精度激光位移傳感器和配套的高性能控制器（具有較高線性度） 對(duì)控制系統(tǒng)工具陰極定位精度進(jìn)行測(cè)量， 實(shí)驗(yàn)裝置如圖５ 所示。多次記錄工具陰極運(yùn)動(dòng)１００ ｍｍ 時(shí)， 對(duì)應(yīng)位置控制器讀數(shù)， 如表２ 所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： 軟件控制的工具陰極定位誤差在±０.００５ ｍｍ 以內(nèi)， 滿足控制要求， 可靠性高。
圖５ 實(shí)驗(yàn)裝置
表２ 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差分析表
在滿足工具陰極定位誤差后， 設(shè)置不同電解液壓力、溫度和電導(dǎo)率， 以及不同加工電壓和電流。采用控制變量法， 保持其中４ 種參數(shù)不變， 改變其中一種參數(shù)， 觀察刀蓋縫寬變化， 做對(duì)比實(shí)驗(yàn)， 最終確定該零件的最佳加工參數(shù)［１３］ 。要求加工出的刀蓋縫寬基本尺寸為０.２７５ ｍｍ， 尺寸精度為±０.００５ ｍｍ。圖６ 為加工出的剃須刀刀蓋， 測(cè)得試件的縫寬為0.２７８ ｍｍ，滿足尺寸精度要求， 穩(wěn)定性好。
圖６ 加工剃須刀靜刀蓋
６.結(jié)束語(yǔ)
控制系統(tǒng)軟件是數(shù)控電解加工機(jī)床的重要組成部分， 其性能的優(yōu)越將直接影響產(chǎn)品加工的質(zhì)量。采用ＶＢ６.０ 開(kāi)發(fā)電解加工機(jī)床控制系統(tǒng)軟件， 實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互、自動(dòng)控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等功能， 并通過(guò)剃須刀靜刀蓋加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制系統(tǒng)軟件的可靠性和穩(wěn)定性， 在保證加工精度的同時(shí)， 提高了電解加工機(jī)床的自動(dòng)程度， 能滿足一些復(fù)雜零件的加工需求， 有利于機(jī)械加工自動(dòng)化的發(fā)展。
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