集成化電火花加工模具電極的驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)
2017-2-23 來源：浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院 作者：魏展穎 趙曉棟 林祖杰
引言
電火花放電加工(EDM)是分別把工件和工具制作成2個(gè)電極，利用兩極間脈沖火花放電產(chǎn)生的熱能，熔化、蒸發(fā)和拋出工件電極材料，達(dá)到加工工件的目的㈣。自從20世紀(jì)40年代初該技術(shù)問世以來，已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中。在電火花加工中，因受到外部環(huán)境的極強(qiáng)約束，難以用精確的數(shù)學(xué)工具建模和研究放電間隙，需考慮自動(dòng)跟蹤、多軸協(xié)調(diào)等問題。就控制系統(tǒng)而言，EDM系統(tǒng)是一個(gè)具有復(fù)雜對象、復(fù)雜任務(wù)、復(fù)雜環(huán)境的3c系統(tǒng)。脈沖電源的控制極為重要，脈寬、電流強(qiáng)度等因素對加工過程都存在一定的影響[4-121。課題組旨在開發(fā)一種可控離散化電火花加工模具，而本文將重點(diǎn)對本模具的控制模塊進(jìn)行研究。
1可控離散化電火花加工模具
模具采用電火花加工時(shí)，電極的制造需要最先考慮。選擇正確的電極材料和電極的制備方法對于電火花加工的質(zhì)量、生產(chǎn)率和加工成本至關(guān)重要。近年來不少國內(nèi)外學(xué)者對工具電極制備開展了一系列研究。譬如石墨電極，剛性好、不變形、容易成形，利用它的高速銑削和研磨，用于加工深的型腔和復(fù)雜形狀；用電鑄法制備電極，能精確復(fù)制芯模表面微細(xì)的形貌，且可以同時(shí)制備幾個(gè)電極相繼加工工件上較深的型腔，但電極形狀復(fù)雜，深寬比大，電鑄時(shí)電場畸變嚴(yán)重，也給電鑄工藝的實(shí)施帶來很大難度；微細(xì)電極，普遍用反拷塊電火花加工和線電極電火花磨削(WEDG)這兩種實(shí)用的方法進(jìn)行制備，可以實(shí)現(xiàn)簡單形狀微細(xì)工具電極的在線制作，但不適用于復(fù)雜的異形電極。
圖1 可控離散化電火花加工模具示意圖
課題組旨在開發(fā)一種可控離散化電火花加工模具(如圖l所示)，電極可按要求組合成所需模型。集成化模具電極包括模具外殼、x細(xì)針束、針束定位模塊和驅(qū)動(dòng)模塊，x細(xì)針束設(shè)置在模具外殼中，固定模塊設(shè)置于x細(xì)針束上，驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)置于固定模塊上。這樣的模具電極可以利用細(xì)針束構(gòu)成各種需要的加工形狀，因此只需要一個(gè)模具便可滿足一定加工尺寸范圍內(nèi)的形狀加工需求。同時(shí)由于模具電極的驅(qū)動(dòng)模塊與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，加工時(shí)可以通過控制參數(shù)實(shí)時(shí)改變模具形狀，不需要對模具進(jìn)行更換；加工中若尺寸或形狀不符合要求可以對模具進(jìn)行修改，不需要重新制作模具。
本文接下來將重點(diǎn)對該模具的控制模塊進(jìn)行探討和設(shè)計(jì)。
2控制模塊硬件設(shè)計(jì)
控制模塊作為模具工作針驅(qū)動(dòng)，是模具的核心部分，起到接受上位機(jī)控制數(shù)據(jù)、發(fā)出控制信號的作用。本研究采用電磁驅(qū)動(dòng)、同步帶帶動(dòng)、光柵尺閉環(huán)定位的設(shè)計(jì)，如圖2所示。
圖2 控制模塊整體圖
2.1驅(qū)動(dòng)針結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由主體、驅(qū)動(dòng)針、使動(dòng)電磁、定位電磁組構(gòu)成，為確保驅(qū)動(dòng)針輸出長度精確，驅(qū)動(dòng)針動(dòng)作由電磁組帶動(dòng)，如圖3所示，使動(dòng)電磁控制驅(qū)動(dòng)針的伸縮，9x寸定位電磁組控制驅(qū)動(dòng)針的輸出長度，一一對應(yīng)于工作針的9檔長度，每檔長度為0．5，驅(qū)動(dòng)芯片對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)碼，轉(zhuǎn)碼中共9位，每一位表示每檔電磁組所對應(yīng)的位置，若為壩4表示電磁組動(dòng)作，反之不動(dòng)作。對于每次控制動(dòng)作，一般每次都出一對定位電磁組，使動(dòng)電磁帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)針滑落，在該長度上定位。例如上位機(jī)給驅(qū)動(dòng)模塊一組數(shù)據(jù)(G1X20 Y10 E2．5)，即控制(20，10)位置的工作針輸出2．5長，E2．5經(jīng)轉(zhuǎn)碼輸出(000010000)，控制定位電磁組中的第5對電磁動(dòng)作，限制驅(qū)動(dòng)針輸出2．5單位。
圖3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)剖視圖
2．2精確定位設(shè)計(jì)
定位機(jī)構(gòu)的工作可靠性直接決定模塊形狀輸出質(zhì)量，故對其精度有嚴(yán)格的要求，x、y定位機(jī)構(gòu)由x滑軸、x軸光柵尺、y滑軸、y軸光柵尺、同步帶、驅(qū)動(dòng)電機(jī)構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)針機(jī)構(gòu)可在同步帶的帶動(dòng)下沿滑軸移動(dòng)，光柵尺測定驅(qū)動(dòng)針的當(dāng)前位置，在兩滑軸的極限位置各布置有限位開關(guān)，防止驅(qū)動(dòng)針超出工作范圍而發(fā)生碰撞，使得設(shè)備受損。工作時(shí)，電機(jī)接收控制信號女I(G1 X20 Y10 E2．5)，控制x軸與y軸分別移動(dòng)20個(gè)單位與10個(gè)單位，同時(shí)控制器接收光柵尺的反饋信號進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算，以達(dá)到閉環(huán)控制的目的，保證定位的精度。控制模塊俯視圖如圖4所示。
圖4 控制模塊俯視圖
2．3同步帶走帶方式
同步帶的走帶方式與電機(jī)的控制算法有直接聯(lián)系，如圖5所示，本設(shè)計(jì)采用H型走帶方式(設(shè)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正)，由圖5可知：2X1=-M1+M2，2Y=-M1 M1=-X-Y,M2=X-Y 即兩電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)針進(jìn)行x軸移動(dòng)，兩電機(jī)進(jìn)行同向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)針進(jìn)行l(wèi)，軸移動(dòng)，由此，驅(qū)動(dòng)針即可在G指令的控制下進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。
圖5 H型走帶
同步帶的張緊力是否合適對移動(dòng)的精度和傳動(dòng)的可靠性有比較大的影響，在H型走帶方式下對同步帶張緊力的調(diào)節(jié)將變得非常方便，由圖5可知，同步帶首尾相連處不可能走出y軸范圍，故僅需在驅(qū)動(dòng)針機(jī)構(gòu)處設(shè)置機(jī)械調(diào)節(jié)裝置即可調(diào)節(jié)張緊力。
3控制軟件設(shè)計(jì)
針對驅(qū)動(dòng)針移動(dòng)時(shí)會因環(huán)境問題產(chǎn)生誤差，設(shè)置智能排差控制器算法，控制流程圖如圖6所示，x為驅(qū)動(dòng)針的x軸坐標(biāo)，y為驅(qū)動(dòng)針的y軸坐標(biāo)，E為驅(qū)動(dòng)針的輸出長度，X光，T光為光柵尺測量驅(qū)動(dòng)針當(dāng)前的X、y坐標(biāo)。
MCU控制策略：當(dāng)輸入驅(qū)動(dòng)針需要到達(dá)的位置為(X，y)，將光柵尺所測定的當(dāng)前值與所要求的值進(jìn)行比較，若不相等，則進(jìn)型運(yùn)算，M1=(X+y)和M2=X—y，使得電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，采用H型走帶的同步帶，讓驅(qū)動(dòng)針在X、y平面上運(yùn)動(dòng)，達(dá)到閉環(huán)控制的目的，定位更加精確。直到驅(qū)動(dòng)針準(zhǔn)確達(dá)到所要求的位置，則輸入E，即對對驅(qū)動(dòng)針的長度進(jìn)行設(shè)置，隨后進(jìn)行轉(zhuǎn)碼，并輸出轉(zhuǎn)碼值以便計(jì)算機(jī)識別，然后控制使動(dòng)電磁、定位電磁組動(dòng)作，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)針。可連續(xù)接收信號，對x、y進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)所要求的工作細(xì)束針達(dá)到所期望的位置后，可結(jié)束信號。
圖6 控制流程圖
4結(jié)語
該模具可以根據(jù)不同用途分100 mmxl00 mm和200mmx200 mm兩個(gè)檔次。通過H型走帶方法，控制使動(dòng)電磁和定位電磁組對驅(qū)動(dòng)針進(jìn)行定位，從而帶動(dòng)控制針，使得細(xì)針束構(gòu)成各種需要的加工形狀，因此只需要一個(gè)模具便可滿足一定加工尺寸范圍內(nèi)的形狀加工需求，以提高電火花加工效率，縮短模具電極的制備周期，節(jié)約制備成本。需要注意的是，在控制工作針之間的距離上無法做到很貼近，如若兩針之間的距離過近，則會導(dǎo)致工作針伸縮時(shí)摩擦，從而使工作針的使用壽命減少。因而需要選擇正確的控制技術(shù)保證數(shù)據(jù)、坐標(biāo)的準(zhǔn)確，電極的制備也是需要謹(jǐn)慎考慮，更要注意在加工過程中的細(xì)節(jié)，防止短路等安全問題。
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