基于可编程多轴控制器的电火花铣削伺服轨迹生成及控制方法_黄河

第45卷第6期 2011年6月

上海交通大学学报

JO U RN A L OF SH A N GH AI JIA O T O NG U N IV ERSIT Y

Vol.45No.6 J un.2011

收稿日期:2010-07-13

基金项目:国家高技术研究发展计划(863)项目(2007AA04Z345),国家自然科学基金资助项目(50875064)

作者简介:黄 河(1980-),男,上海市人,博士生,从事特种加工及机电控制方面的研究.E -mail:h ithuan ghe@s https://www.wendangku.net/doc/8b125298.html,.

白基成(联系人),男,教授,博士生导师,电话(T el.):0451-********;E -mail:jich engbai@https://www.wendangku.net/doc/8b125298.html,.

文章编号:1006-2467(2011)06-0915-05

基于可编程多轴控制器的电火花铣削

伺服轨迹生成及控制方法

黄 河, 白基成, 卢泽生

(哈尔滨工业大学机械制造及自动化系,哈尔滨150001)

摘 要:针对电火花铣削(EDM )加工过程中,要求控制系统具有能够根据加工间隙状态实时调整轨迹运动速度的功能以及特有的短路时按照原轨迹快速回退的功能,基于PC 上位机和可编程多轴控制器(PMAC)构建了EDM 数控系统,并按照实时性要求分配任务的执行.提出使用正、反向2个运动程序结合后台PLC (Pr ogram mable Logic Co ntroller )程序进行加工的方法,实现了加工过程中高效、精确的短路回退运动.利用PM AC 时基功能,使工具电极的运动速度随加工间隙状态的变化而调整.轨迹运动方向和运动速度的改变完全由PMAC 完成,减轻了上位PC 机的运算负担,提高了加工的实时性.给出了三维型腔的加工实例.

关键词:电火花铣削;伺服控制;时基功能;可编程多轴控制器中图分类号:T G 661 文献标志码:A

G eneration and Control Method of EDM Mill Servo Track Based on

Programm able Mult-i axis Controller

BA I J i -cheng , H UAN G H e, L U Ze -sheng

(Departm ent o f Mechanical M achining and Auto matio n,H arbin Institute of Technolog y,

H arbin 150001,China)

Abstract:A n NC system based on PC and PMAC (Pr ogram mable M ult-i Ax is Controller)w as constructed for EDM mill to m eet the need of adjusting velocity and direction of m ovement r ely ing on gap statement in the process.Acco rding to rea-l tim e requirements,system tasks w er e assigned to PC and PM AC.T his im -pr oved sy stem rea-l time feature and reliability.A co uple of m otion NC pr ogram s fo r same tr ack w ith dif -ferent directions w er e generated co mbined w ith PLC prog ram to realize the backw ard movement of EDM mill.According to m achine gap status,the time based function o f PM AC w as used to co ntro l electro de mo -tion velocity.T he direction and v elo city o f tr ack mov em ent w ere totally contr olled by PM AC.T his re -duces co mputing burden of the host PC and im pro ves the real tim e feature of the pro cessing.3D cav ities w ere machined to pr ove the effectiv eness of the metho ds developed in this paper.

Key words:electrical discharg e milling(EDM );servo contro l;tim e based function;progr am mable mult-i ax is contr oller(PM AC)

电火花铣削(EDM)是20世纪90年代发展起来的隶属于电火花成形加工范畴内的一种加工工艺.它利用简单电极(如棒状、管状等)在数控系统控制下,按照一定的轨迹作成形运动,借鉴数控铣削加工方式,通过在电极与工件之间的不同相对位置(刀位)上放电加工出所需的工件形状.EDM加工技术已经成为三维型腔加工的有力手段之一[1-2].

虽然借鉴传统数控铣削加工方式,但是EDM 加工是一种利用放电能量来蚀除工件的非接触加工方法,它的数控系统与通用的数控系统有所不同.即使使用同一电参数,也会存在一些随机因素影响工件蚀除率(如间隙中工作液状态、工件中杂质颗粒的影响等),这就要求数控系统在保证加工高效率的同时,不断调整伺服进给速度,使工具电极与工件之间始终维持着一个最佳的放电间隙,以跟踪工件的蚀除率,从而保证加工的稳定进行.此外,工具电极与工件一旦出现短路,则必须使工具电极按照加工轨迹快速地反向回退,消除短路状态后再重新进给[3-4].

PM AC(Pr ogramm able M ult-i Ax is Co ntro-l ler)是美国Delta Tau公司推出的运动控制器.它主要由M otorola DSP(Dig ital Signal Processing) CPU与Delta Tau公司开发的用户门阵列IC组成,提供控制伺服轴、PLC(Pro gramm able Logic Con-troller)、数据采集等主要功能.方便工业领域内大多数用户在其上构建满足不同要求的控制系统.

本文根据EDM加工的特点,基于PC+PM AC 的体系结构,构建了EDM加工专用数控系统,研究了基于PM AC的伺服轨迹生成及其伺服进给控制方法.

1基于PC+PMAC的EDM数控系统结构

图1所示为本文所设计的EDM数控系统结构图.PC上位机实现人机界面接口操作、加工系统监控、加工轨迹数控代码生成与下载.PC机通过ISA (Industrial Standard Architecture)总线向PM AC 发送在线命令、代码下载以及加工系统各种加工信息的实时反馈等.本文选用的PMAC型号为PC-104,通过5151附件卡实现PC-104总线到ISA总线的转接和通信,可实现四轴运动控制,提供输入输出各32路I/O.PM AC通过#1、#2、#3三个轴控制通道,对伺服电机进行控制,完成机床三轴的半闭环运动控制.伺服检测模块以DSP为运算核心,检测并统计加工间隙状态,输出伺服进给脉冲至PM AC的#4轴控制通道,实时调整加工轨迹运行速率.当加工间隙处于短路状态并需要回退时,发送短路回退信号到PMAC的I/O口.脉冲电源的参数选择由PM AC通过I/O输出完成

.

图1电火花铣削加工控制系统结构图

F ig.1Scheme o f EDM mill contr ol sy stem

图1所示的EDM数控系统需要实现多个功能模块,包括对实时性要求不高的系统初始化、人机交互相关的代码输入及下载、加工信息显示等功能;还包括对实时性要求较高的运动轨迹插补、伺服回退、伺服进给等功能.本文中上位PC机软件基于W in-dow s平台,使用Visual C++编写,对于实时性要求不高的任务完全可以胜任,而对实时性要求较高的伺服轨迹运动等任务由下载到PMAC中的运动程序和PLC程序执行,可完全满足EDM加工的要求.

2EDM伺服运动轨迹生成及切换方法为了实现EDM加工伺服进给与短路回退,很多学者针对伺服轨迹的产生与控制进行了研究.较有代表性的方法是:

1保留一块内存空间保存已加工的轨迹数据,并且采用堆栈的形式,当出现短路情况,按照先进后出的原则将轨迹数据弹出,以此完成运动轨迹的回退功能[5];

o使用加工过程中依据间隙状态检测结果控制运动轨迹正、反向插补的策略[6].

第1种方法在加工中需要保存冗长的加工轨迹数据;第o种方法在加工过程中需要根据加工状态不断地进行正向或者反向插补计算,给上位机带来较大的运算负担,而且要求上位机系统具有较高的实时性,存在着加工精度与加工效率之间的矛盾. 2.1伺服运动轨迹生成

鉴于PM AC强大的运动插补功能,而且可以直接运行G代码,本文使用PC+PM AC体系结构的数控系统来进行EDM加工运动控制.在执行运动程序的同时,后台可同时运行多达32个PLC程序,

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PLC程序执行效率每秒上千行,完全可以满足各种实时性要求较高的任务.上位机程序中输入加工程序代码,经过编译,生成2个运动程序,分别描述正向轨迹和反向轨迹,2条轨迹起点和终点相对应且使用绝对坐标描述轨迹位置.例如轨迹中共有n段运动轨迹,2个运动程序描述的轨迹在空间上完全重合,但是起点位置和终点位置互换,而且运动方向相反.正向运动程序中所描述的p段轨迹与反向运动程序中所描述的n+1-p段轨迹相同,同样是起

点与终点互换,但是运动方向相反,如图2所示

.

图2电火花铣削正、反向轨迹示意图(mm)

Fig.2Scheme o f po sitiv e and neg ativ e t racks o f

EDM mill(mm)

正向轨迹由4条运动程序组成,由A点经过B、C、D到达E点.反向轨迹由E点经D、C、B到达A点.

为了实现运动程序切换后从当前位置沿相同轨迹的反向进给,在运动程序开头部分添加必要的跳转代码GOTO m99,以及针对第p行运动代码添加程序行号N p,并在每一行程序结尾添加表示此段程序在整个运动过程中的位置标识m99==p.其中m99为在PM AC中人为定义的用户变量,初始值为0.PM AC在执行每一条运动程序时,将该程序行号p赋值给变量m99,它的意义在于标明当前正在执行的程序行号.反向回退时通过程序开头部分GOTO m99代码跳转到反向轨迹中相同空间位置的程序段中,并从当前位置向该段反向轨迹的终点(相应正向程序段的起点)运动.短路现象解除后,切换到正向轨迹也是同样的过程.对于反向轨迹,首先要根据正向轨迹各段线形、起始位置、终点位置、圆心坐标等数据推导出反向轨迹中相同空间位置轨迹段的线形、起始位置、终点位置和圆心坐标.与正向轨迹运动程序相同,也在开头部分添加跳转代码GOTO m99、程序行号N p及位置标识m99.

按照上述方法,图2所示的轨迹生成的正、反运动程序如表1所示.

表1正、反向运动程序示例及对应关系

Tab.1Sample of positive and negative motion

programs and correspondence

轨迹正向运动程序反向运动程序轨迹GOTO m99GOT O m99

A N001G92X0Y0

m99==1

N005G01X15Y15

m99==5

ED

A B N002G01X0Y10

m99==2

N004G01X5Y15

m99==4

DC

B C N003G02X5Y15I5

J0m99==3

N003G03X0Y10I0

J-5m99==3

CB

CD N004G01X15Y15

m99==4

N002G01X0Y0

m99==2

BA

DE N005G01X15Y0

m99==5

N001G92X0Y0

m99==1

A

由表1可见,生成的运动轨迹有如下特征:1所有运动的描述均使用绝对坐标系;o运动程序开头有跳转语句;?反向轨迹行号成递减趋势;?正、反向运动程序中相同行号的语句描述的是同一轨迹运动,但是方向不同.

2.2伺服运动轨迹切换

2个运动程序之间的切换任务由后台始终循环执行的PLC程序来完成,PLC程序始终扫描伺服检测模块输入的短路回退信号.正向与反向运动间的切换流程如图3所示.通常情况下,加工按照正向轨迹运动,加工中出现短路现象需要回退时,运动程序切换到反向轨迹.当短路现象解除,运动程序再切换到正向轨迹.

如此重复直到完成加工.

图3正、反向轨迹切换流程图

F ig.3F lo wchart o f po sitiv e and neg ativ e tracks sw itches 3EDM进给速度伺服控制

EDM加工与其他电火花加工方法一样,放电间

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第6期黄河,等:基于可编程多轴控制器的电火花铣削伺服轨迹生成及控制方法

隙很小,且与加工参数、加工面积、工件蚀除速度有关,而且工件蚀除速度不是固定的常数.这就要求工具电极的进给速度必须可以自动调节,保持合适的加工间隙,使加工能够稳定进行.这种不等速的进给调节系统也称之为伺服进给系统,也是电火花铣削运动控制系统区别于普通金属切削控制系统的主要特点之一[3-4].本文基于PC+PM AC结构的控制系统,使用了PM AC运动控制器的时基功能实现了电火花铣削加工中快速有效的伺服运动控制.

根据Delta Tau公司提供的用户手册,时基控制又称电子凸轮功能.常规的运动控制,无论运动是用时间直接描述还是用速度描述,最终轨迹都被定义为时间的函数.但在某些情况下,要求轨迹运动从动于不受PM AC控制的外部事件,类似凸轮机构中的从动件的运动规律取决于凸轮轮廓曲线. PM AC完成时基功能是使轨迹的运动时间正比于外部脉冲的个数,通常外部脉冲输入到如图1所示的#4轴控制通道,通过定义一个实时输入频率f RTI来完成外部输入频率与轨迹运动时间之间的匹配,例如f RTI=40kH z,那么在时基模式下,运动程序中1s的轨迹需要外部4@104个脉冲来完成轨迹的插补.PMAC时间基数转换公式为:

V=(100.0%S F f I)/217

S F=217/f RTI

其中:V为PMAC时基运算使用频率的倒数的整数值,用来控制位置更新率;S F为时基放大系数;217为PM AC内部的计算系数;f I为伺服检测模块输入的随间隙状态变化的脉冲频率,当f I=f RTI,即V= 100.0%时,运动程序将以真实时间即运动程序中指定的速度运行.

本文中PM AC基本设定如下:f RTI=40kH z 时,运动速度和程序设定速度相同,此时S F=217/40=3276.8,取整后S F=3276.

当运动程序编程速度为5m m/s时,实际运动速度v a与伺服检测模块输入频率之间的对应关系如图4所示

.

图4时基运算示例

F ig.4Samples o f time base calculation

4试验及结果

为验证本文所构建的EDM数控系统的可靠性及所提出的加工轨迹生成和伺服控制方法的正确性,对凸台、H IT字样的三维型腔进行了加工试验.使用通用的CAD/CAM软件SolidWo rks和M as-terCam建模并生成加工轨迹,工具电极使用外径1 mm,内径0.24mm的黄铜管电极,使用自制电火花铣削加工装备,开路电压86V,峰值电流20A,脉宽20L s,占空比1.工件材料40Gr,分层厚度15L m,设定加工速度5mm/s.工作液使用自来水,工作液压力4M Pa,电极转速60r/m in,采用旋转电极内冲液分层EDM的工艺方法进行加工,加工中对电极损耗进行实时补偿(关于电极损耗补偿策略在本文中不作详细论述),加工样件如图5所示.

型腔的深度是通过机床的接触感知功能,分别测量型腔底部和型腔周边未加工表面的位置,

两者

(a)

凸台型腔(b)沟槽型腔

图5加工样件

Fig.5Samples of machining

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之差为型腔的加工深度h1或h2,水平方向的尺寸是通过光学显微镜进行测量得到.凸台型腔的设计尺寸为:l1=3mm,l2=5mm,h1=1.5m m;相应的加工尺寸为:l1= 2.86m m,l2= 5.1mm,h1= 1.37 mm,加工费时15min.沟槽型腔的设计尺寸为l3= 1mm,l4=5.15mm,h2=0.5mm;相应的加工尺寸为:l3= 1.02mm,l4= 5.17mm,h2=0.54m m,加工费时9min.由图5可见,型腔侧壁平整、形貌精度较好,型腔底部较平整.水平面方向尺寸误差小于5%,深度方向误差小于10%.试验中,数控系统工作稳定可靠.但是,型腔的尖角处没有精确成形,这是由加工中电极的旋转误差造成的.

5结语

本文基于PC+PMAC体系构建了电火花铣削加工数控系统.PC上位机输入加工代码,经过编译后下载到PMAC中,PM AC完成轨迹的插补并控制工具电极进给加工.控制系统的多种任务依据对实时性要求的不同,分别由PC上位机和PMAC执行完成,使系统具有实时性强、稳定性好等优点,同时还具有良好的开放性和可扩展性.

提出了在编译过程中,同时生成加工轨迹的正、反向运动程序的方法,并在程序开头添加跳转语句和程序行号以及轨迹段标识变量.PM AC后台PLC程序根据伺服检测模块输入的间隙状态信号使正、反向运动程序进行高效切换,同时保证较高的加工精度.使用PM AC时基功能,经过对PMAC 进行设置,使工具电极的实际运动速度随加工状态的变化而快速有效地调整.伺服运动中方向和速度的改变完全由PM AC完成,减轻了PC上位机的运算负担.经过加工试验,验证了本文所提出的伺服轨迹生成方法以及伺服控制方法对复杂三维型腔加工的有效性.

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