CN109277657A - 用于走丝线切割的自适应放电控制系统及方法 - Google Patents

用于走丝线切割的自适应放电控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于走丝线切割的自适应放电控制方法，根据脉冲电源的放电电压和目标间隙电压的比较结果来调整脉冲电源的放电脉冲宽度或/和放电脉间比，以及走丝电极的移动步长或/和移动速度；根据脉冲电源的放电电流来调整走丝电极的移动方向。本发明的自适应放电控制方法，在线实时监测脉冲电源的脉冲电压和脉冲电流，根据采集到的脉冲电压和脉冲电流来控制调整脉冲电源的放电功率、走丝电极的移动方向和走丝电极的移动步长、速度等，使得加工过程中电源能量得到最高效的利用，保证电火花加工正常而稳定的进行，获得较好的加工效果，相较于现有的监测放电脉冲波形特征的方式易于实施，可以普及到电火花加工工件生产中实施。

Description

用于走丝线切割的自适应放电控制系统及方法
技术领域
本发明属于走丝线切割技术领域，具体涉及一种用于走丝线切割的自适应放电控制方法，以及应用该方法的自适应放电控制系统。
背景技术
电火花加工是利用电极之间脉冲放电产生的电火花的电蚀作用对材料进行蚀除加工的一种特种加工方法，又称放电加工或电蚀加工。
进行电火花加工时，工具电极和被加工材料(即工件)分别接脉冲电源的两极，通过间隙自动控制系统控制工具电极向工件进给，当两电极间的间隙达到一定距离时，两电极上施加的脉冲电压将电极之间的工件液击穿，产生火花放电。火花放电产生的局部高温高压使放电点附近的微量材料熔化甚至气化，并爆炸式地向外飞溅，然后被工作液迅速冷凝成固体微粒后带走，这是在工件表面上便留下一个微小的凹坑。再次施加脉冲电压，这时在两电极相对接近的位置将产生新的电火花。虽然每次脉冲放电蚀除的材料极少，但是以每秒成千上万次脉冲放电的频率不断重复上述过程，就能蚀除较多的材料，实现具有一定生产率的材料加工。
电火花线切割加工是目前应用最广泛的电火花加工，电火花线切割技工是利用轴向移动的金属丝作为工具电极，通过控制电极丝和工件的相对移动轨迹把工件切割呈预定的形状，按金属丝电极移动的速度大小分为高速走丝、中速走丝、低速走丝线切割。
无论是哪一种加工形式，根据电火花加工的基本原理，使工具电极与工件在加工过程中保持一个合适大小的放电间隙是保证电火花产生和放电加工持续进行的基本条件，也是电火花加工过程中获得最大切割速度和最佳表面质量的技术关键。然，放电间隙非常微小(约0.1～0.01mm)，加上工件被加工部位通常浸没在浑浊的工作液中，而且随着工件材料不断被蚀除，间隙位置和大小都在不断发生变化，几乎无法实现放电间隙的检测。为了解决技术问题，业界同行通过监测放电脉冲波形特征的方式实现进给速度的自动调节，使得放电间隙趋近于最佳状态。然，加载在工具电极和工件上的纳秒级脉冲电源，频率高，在这一实际工作环境下监测放电脉冲波形非常困难，这种方式只能在试验阶段进行，很难在生产过程中实施。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于走丝线切割的自适应放电控制方法，在线实时监测脉冲电源的脉冲电压和脉冲电流，根据采集到的脉冲电压和脉冲电流来控制调整脉冲电源的放电功率、走丝电极的移动方向和走丝电极的移动步长、速度等，使得加工过程中电源能量得到最高效的利用，保证电火花加工正常而稳定的进行，获得较好的加工效果，相较于现有的监测放电脉冲波形特征的方式易于实施，可以普及到电火花加工工件生产中实施。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于走丝线切割的自适应放电控制方法，根据脉冲电源的放电电压和目标间隙电压的比较结果来调整所述脉冲电源的放电脉冲宽度或/和放电脉间比，以及走丝电极的移动步长或/和移动速度；根据脉冲电源的放电电流来调整走丝电极的移动方向；所述目标间隙电压为放电间隙在最佳状态时所述脉冲电源的放电电压，所述脉冲电源的放电电压为加载在走丝电极和切割工件上的电压。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述目标间隙电压能够调整，其调整方法为，
所述脉冲电源放电不稳定或者走丝电极不移动时，所述目标间隙电压变大；
所述走丝电极以最快速度移动时，所述目标间隙电压减小。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括获取脉冲电源的放电电压的方法为，
周期性采集所述脉冲电源的放电电压，去除放电电压的最大值和最小值后取平均值，获得所述脉冲电源的均值放电电压，根据所述脉冲电源的均值放电电压和目标间隙电压的比较结果来调整所述脉冲电源的放电脉冲宽度或/和放电脉间比，以及走丝电极的移动步长或/和移动速度。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括调整所述走丝电极移动速度的过程如下，
所述脉冲电源的均值放电电压小于目标间隙电压时，减小走丝电极的移动速度至前一次加工速度的50％，并判断脉冲电源的均值放电电压是否增加：
如果均值放电电压增加，走丝电极逐渐增加移动速度直至稳定加工速度；
如果均值放电电压不增加，减小走丝电极的移动速度至前一次加工速度的50％，再次判断脉冲电源的均值放电电压是否增加：
如果均值放电电压增加，走丝电极逐渐增加移动速度直至稳定加工速度；
如果均值放电电压不增加，则改变走丝电极的移动方向至反方向；
所述脉冲电源的均值放电电压大于目标间隙电压时，所述脉冲电源保持当前状态下的放电脉冲宽度和放电脉间比、增大走丝电极的移动步长或/和移动速度直至以设定的最快加工速度移动。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述放电控制方法还包括，根据脉冲电源的放电电流和短路电流的比较结果来调整走丝电极的移动方向，所述短路电源为走丝电极和切割工件短路时脉冲电源的放电电流；
所述脉冲电源的放电电流大于等于短路电流时，所述走丝电极回退；
所述脉冲电源的放电电流小于短路电流时，所述走丝电极进给。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括获取脉冲电源的放电电流的方法为，
周期性采集所述脉冲电源的放电电流，去除放电电流的最大值和最小值后取平均值，获得所述脉冲电源的均值放电电流，根据所述均值放电电流与短路电流的比较结构来调整所述走丝电极的移动方向。
为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种用于走丝线切割的自适应放电控制系统，应用以上所述的自适应放电控制方法，其包括电压采集模块、电流采集模块和单片机模块；
所述电压采集模块用于采集加载在走丝电极和切割工件上的放电电压；
所述电流采集模块用于采集加载在走丝电极和切割工件上的放电电流；
所述单片机模块用于根据放电电压和目标间隙电压的比较结果输出用于调整脉冲电源的放电脉冲宽度或/和放电脉间比、走丝电极的移动步长或/和移动速度的控制信号；用于根据放电电流和短路电流的比较结果输出用于调整走丝电极的移动方向的控制信号。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括其还包括模数转换模块，所述模数转换模块用于将放电电流、放电电压和目标间隙电压相比较后的比较电压转换为输出至单片机模块的数字信号。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括其还包括数模转换模块，所述单片机模块输出目标间隙电压，所述数模转换模块用于将单片机模块输出的目标间隙电压转换为与放电电压比较的模拟信号。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括其还包括采样保持器，所述电压采集模块和电流采集模块的输出端均连接至采样保持器的输入端，所述采样保持器的输出端连接至模数转换模块的输入端。
本发明的有益效果：本发明的自适应放电控制方法，在线实时监测脉冲电源的脉冲电压和脉冲电流，根据采集到的脉冲电压和脉冲电流来控制调整脉冲电源的放电功率、走丝电极的移动方向和走丝电极的移动步长、速度等，使得加工过程中电源能量得到最高效的利用，保证电火花加工正常而稳定的进行，获得较好的加工效果，相较于现有的监测放电脉冲波形特征的方式易于实施，可以普及到电火花加工工件生产中实施。
附图说明
图1是本发明优选实施例中自适应放电控制方法的流程图；
图2是本发明优选实施例中自适应放电控制系统的结构框图；
图3是本发明优选实施例中电压采集模块的电路原理图；
图4是本发明优选实施例中电流采集模块的电路原理图；
图5是本发明优选实施例中单片机模块的电路原理图；
图6是本发明优选实施例中放电电压和目标间隙电压比较电路的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例一
如图1所示，本实施例公开了一种用于走丝线切割的自适应放电控制方法，包括以下步骤，
(1)走丝线切割加工过程中，在线实时采集脉冲电源的放电电压和放电电流，此处的放电电压和放电电流为加载在脉冲电源两极(即走丝电极和切割工件)上的电压值和电流值。
(2)放电控制器根据脉冲电源的放电电流来调整走丝电极的移动方向。具体的，根据脉冲电源的放电电流和短路电流的比较结果来调整走丝电极的移动方向，此处的短路电源为走丝电极和切割工件短路时脉冲电源的放电电流；
当脉冲电源的放电电流大于等于短路电流时，控制走丝电极回退；
当脉冲电源的放电电流小于短路电流时，控制走丝电极进给。
(3)放电控制器根据脉冲电源的放电电压和目标间隙电压的比较结果来调整脉冲电源的放电脉冲宽度或/和放电脉间比、走丝电极的移动步长或/和移动速度。此处的目标间隙电压为放电间隙在最佳状态时脉冲电源的放电电压。
本实施例技术方案中，上述目标间隙电压能够调整，其调整过程为：上述脉冲电源放电不稳定或者走丝电极不移动时，上述目标间隙电压变大；上述走丝电极以最快速度移动时，上述目标间隙电压减小。
上述走丝电极移动速度的具体调整过程如下：
(1)上述脉冲电源的均值放电电压小于目标间隙电压时，减小走丝电极的移动速度至前一次加工速度的50％，并判断脉冲电源的均值放电电压是否增加：
如果均值放电电压增加，走丝电极逐渐增加移动速度直至稳定加工速度；
如果均值放电电压不增加，减小走丝电极的移动速度至前一次加工速度的50％，再次判断脉冲电源的均值放电电压是否增加：
如果均值放电电压增加，走丝电极逐渐增加移动速度直至稳定加工速度；
如果均值放电电压不增加，则改变走丝电极的移动方向至反方向。
(2)当脉冲电源的放电电压大于目标间隙电压时，上述脉冲电源保持当前状态下的放电脉冲宽度和放电脉间比、增大走丝电极的移动步长或/和移动速度直至以设定的最快加工速度移动。
比如，设定的目标间隙电压为40V～50V，在这一放电电压情况下走丝线切割稳定、高效率的运行，同时具有最佳的切割面质量。在线检测到的放电电压为30V时，放电控制器控制减小脉冲电源的放电脉冲宽度或/和放电脉间比，以减小放电能量；同时减小走丝电极的移动步长或/和移动速度。在线监测到的放电电压为55V时，放电控制器控制脉冲电源保持当前状态下的放电脉冲宽度和放电脉间比，以保持放电能量不变；同时增大走丝电极的移动步长或/和移动速度。当在线监测到的放电电压在目标间隙电压范围内时，脉冲电源保持当前状态下的放电脉冲宽度和放电脉间比、走丝电极保持当前状态的移动步长和移动速度。以上控制调整使得脉冲电源的脉冲电压无线趋近于目标间隙电压。
作为本申请的进一步改进，获取脉冲电源的放电电压的方法为，
周期性采集脉冲电源的放电电压，去除放电电压的最大值和最小值后取平均值，获得脉冲电源的均值放电电压，根据脉冲电源的均值放电电压和目标间隙电压的比较结果来调整所述脉冲电源的放电脉冲宽度或/和放电脉间比，以及走丝电极的移动步长或/和移动速度。
获取脉冲电源的放电电流的方法为，
周期性采集脉冲电源的放电电流，去除放电电流的最大值和最小值后取平均值，获得脉冲电源的均值放电电流，根据均值放电电流与短路电流的比较结构来调整所述走丝电极的移动方向。
通过去大去小后取均值的方法获得均值放电电压和均值放电电流，能够提高系统的控制精度和运行精度。
放电控制器根据均值放电电压、均值放电电流以及预设的目标间隙电压、短路电流计算获得下一个周期内脉冲电源的放电脉冲宽度和放电脉间比、以及下一个周期内走丝电极的走丝方向、走丝步长和走丝速度。其中，放电脉冲宽度和放电脉间比由上位机发出TTL信号给放电功放管，走丝方向、走丝步长和走丝速度由上位机发送指令给走丝驱动器，控制工作台的运动，使放电间隙调整到最佳状态，最终完成稳定放电。
实施例二
如图2所示，本实施例公开了一种用于走丝线切割的自适应放电控制系统，应用上述的自适应放电控制方法，其包括电压采集模块、电流采集模块、单片机模块、模数转换模块、数模转换模块和电压比较模块；
上述电压采集模块用于在线实时采集加载在走丝电极和切割工件上的放电电压；
上述电流采集模块用于在线实时采集加载在走丝电极和切割工件上的放电电流；
上述单片机模块用于根据放电电压和目标间隙电压的比较结果输出用于调整脉冲电源的放电脉冲宽度或/和放电脉间比、走丝电极的移动步长或/和移动速度的控制信号；用于根据放电电流和短路电流的比较结果输出用于调整走丝电极的移动方向的控制信号。
上述电压比较模块对放电电压和目标间隙电压进行比较，获得用于输出至单片机模块的比较电压。
上述模数转换模块用于将放电电流和比较电压的模拟信号转换为输出至单片机模块的数字信号。
上述单片机模块输出目标间隙电压，上述数模转换模块用于将单片机模块输出的目标间隙电压转换为与放电电压比较的模拟信号。
上述电压采集模块、电流采集模块与模数转换模块之间还连接有采样保持器，上述电压采集模块和电流采集模块的输出端均连接至采样保持器的输入端，上述采样保持器的输出端连接至模数转换模块的输入端。
本实施例优选技术方案中，上述各个模块优选电路结构为：
如图3所示的电压采集模块，选用电压传感器作为电压采集元件在线实时采集脉冲电源的脉冲电压；如图4所示的电流采集模块，选用霍尔原理的闭环电流传感器在线实时采集脉冲电源的脉冲电流。采集获得脉冲电压和脉冲电流后在A/D转换过程中使用型号为AD582的高精度采样保持器，确保采样出来的额数据精确可靠，AD582具有最短达到6us的捕捉时间，同时具有相互隔开的模拟地、数字地，以此能够提高抗干扰能力，提高系统的相应速度和加工可靠性。
如图6所示的放电电压和目标间隙电压比较电路，选用型号为UA747的运算放大器实现目标间隙电压和脉冲电压的电压比较。
如图5所示的单片机模块电路原理图，选用型号为89C51的单片机和型号为TCL0834的模数转换芯片，89C51的P1.7连接TCL0834的片选信号；P1.6用于产生TCL0834的时钟信号；P1.5为一个双向I/O口，连接TCL0834的DI引脚，用于对模拟输入进行配置及输出转换所得的数据；P1.4输出1秒的走步数；P1.3输出进给信号；P1.2输出后退信号；P1.1输出脉宽信号；P1.0输出脉间比信号。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种用于走丝线切割的自适应放电控制方法，其特征在于：根据脉冲电源的放电电压和目标间隙电压的比较结果来调整所述脉冲电源的放电脉冲宽度或/和放电脉间比，以及走丝电极的移动步长或/和移动速度；根据脉冲电源的放电电流来调整走丝电极的移动方向；所述目标间隙电压为放电间隙在最佳状态时所述脉冲电源的放电电压，所述脉冲电源的放电电压为加载在走丝电极和切割工件上的电压。
2.如权利要求1所述的用于走丝线切割的自适应放电控制方法，其特征在于：所述目标间隙电压能够调整，其调整方法为，
所述脉冲电源放电不稳定或者走丝电极不移动时，所述目标间隙电压变大；
所述走丝电极以最快速度移动时，所述目标间隙电压减小。
3.如权利要求1所述的用于走丝线切割的自适应放电控制方法，其特征在于：获取脉冲电源的放电电压的方法为，
周期性采集所述脉冲电源的放电电压，去除放电电压的最大值和最小值后取平均值，获得所述脉冲电源的均值放电电压，根据所述脉冲电源的均值放电电压和目标间隙电压的比较结果来调整所述脉冲电源的放电脉冲宽度或/和放电脉间比，以及走丝电极的移动步长或/和移动速度。
4.如权利要求3所述的用于走丝线切割的自适应放电控制方法，其特征在于：调整所述走丝电极移动速度的过程如下，
所述脉冲电源的均值放电电压小于目标间隙电压时，减小走丝电极的移动速度至前一次加工速度的50％，并判断脉冲电源的均值放电电压是否增加：
如果均值放电电压增加，走丝电极逐渐增加移动速度直至稳定加工速度；
如果均值放电电压不增加，减小走丝电极的移动速度至前一次加工速度的50％，再次判断脉冲电源的均值放电电压是否增加：
如果均值放电电压增加，走丝电极逐渐增加移动速度直至稳定加工速度；
如果均值放电电压不增加，则改变走丝电极的移动方向至反方向；
所述脉冲电源的均值放电电压大于目标间隙电压时，所述脉冲电源保持当前状态下的放电脉冲宽度和放电脉间比、增大走丝电极的移动步长或/和移动速度直至以设定的最快加工速度移动。
5.如权利要求1所述的用于走丝线切割的自适应放电控制方法，其特征在于：所述放电控制方法还包括，根据脉冲电源的放电电流和短路电流的比较结果来调整走丝电极的移动方向，所述短路电源为走丝电极和切割工件短路时脉冲电源的放电电流；
所述脉冲电源的放电电流大于等于短路电流时，所述走丝电极回退；
所述脉冲电源的放电电流小于短路电流时，所述走丝电极进给。
6.如权利要求5所述的用于走丝线切割的自适应放电控制方法，其特征在于：获取脉冲电源的放电电流的方法为，
周期性采集所述脉冲电源的放电电流，去除放电电流的最大值和最小值后取平均值，获得所述脉冲电源的均值放电电流，根据所述均值放电电流与短路电流的比较结构来调整所述走丝电极的移动方向。
7.一种用于走丝线切割的自适应放电控制系统，其特征在于：应用如权利要求1-6任一项所述的自适应放电控制方法，其包括电压采集模块、电流采集模块、单片机模块；
所述电压采集模块用于采集加载在走丝电极和切割工件上的放电电压；
所述电流采集模块用于采集加载在走丝电极和切割工件上的放电电流；
所述单片机模块用于根据放电电压和目标间隙电压的比较结果输出用于调整脉冲电源的放电脉冲宽度或/和放电脉间比、走丝电极的移动步长或/和移动速度的控制信号；用于根据放电电流和短路电流的比较结果输出用于调整走丝电极的移动方向的控制信号。
8.如权利要求7所述的用于走丝线切割的自适应放电控制系统，其特征在于：其还包括模数转换模块，所述模数转换模块用于将放电电流、放电电压和目标间隙电压相比较后的比较电压转换为输出至单片机模块的数字信号。
9.如权利要求8所述的用于走丝线切割的自适应放电控制系统，其特征在于：其还包括数模转换模块，所述单片机模块输出目标间隙电压，所述数模转换模块用于将单片机模块输出的目标间隙电压转换为与放电电压比较的模拟信号。
10.如权利要求8所述的用于走丝线切割的自适应放电控制系统，其特征在于：其还包括采样保持器，所述电压采集模块和电流采集模块的输出端均连接至采样保持器的输入端，所述采样保持器的输出端连接至模数转换模块的输入端。
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Denomination of invention: Adaptive discharge control system and method for WEDM

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