CN116060713B - 一种应用于线切割机床的多级调控恒张力机构及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电加工机床技术领域，尤其涉及一种应用于线切割机床的多级调控恒张力机构及控制方法，包括机架，机架上并排设置有第一电极丝张力调控组件和第二电极丝张力调控组件，第二电极丝张力调控组件的上方设有控制器及张力显示面板。第一电极丝张力调控组件包括第一电动滑台、以及设于第一电动滑台顶部的第一电机，第一电机的输出轴连接有第一丝杠，第一丝杠上套接有第一滑块，第一滑块的前表面安装有第一张力轮，第一张力轮的下方分别设有第一固定导向轮和第二固定导向轮。本发明能够同时具有张力检测和张力调控的功能，且通过根据工况确定控制策略，进行不同导程丝杠的粗调和细调联动，可实现张力的精确控制。
Description
技术领域
本发明涉及电加工机床技术领域，尤其涉及一种应用于线切割机床的多级调控恒张力机构及控制方法。
背景技术
随着各个行业对加工要求的不断提高，国内对往复走丝电火花线切割的加工精度要求不断提高。为提高线切割机床的加工精度，许多研究人员针对电极丝的张力波动问题进行研究。目前，已有的控制方法有三种：机械式、磁粉式和机电式。
机械式主要有弹簧式、重锤式和弹簧重锤式，这种方法的张力稳定性较差、调节范围有限，而且不能实现智能化控制。磁粉式对机械结构有着一定的要求，一般只应用于双储丝筒或特殊结构的机床中，不具有普适性。机电式能实现智能控制，且适用场景较多，是目前较常使用的张力控制方式。
虽然机电式能实现智能控制，但其结构以及控制较为复杂，对控制算法有着一定的要求。目前，机电式的张力控制结构可以主要有三种：双储丝筒式、摆杆式和直线导轨式。
双储丝筒式对线切割有着一定的要求，只适用于双储丝筒机床；摆杆式在进行张力调节时，会因张力轮与电极丝接触角度的变化而产生一定的冲击，且所需空间较大；直线导轨式使用的要求较小，结构较为简单，目前使用较多。
上述各种结构均在控制精度及响应速度上有着一定的不足，还需进一步完善。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种应用于线切割机床的多级调控恒张力机构及控制方法，能够同时具有张力检测和张力调控的功能，且通过根据工况确定控制策略，进行不同导程丝杠的粗调和细调联动，可实现张力的精确控制，旨在优化普通往复走丝线切割机床的恒张力调控技术。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种应用于线切割机床的多级调控恒张力机构，包括机架，所述机架上并排设置有第一电极丝张力调控组件和第二电极丝张力调控组件，所述第二电极丝张力调控组件的上方设有控制器及张力显示面板；
所述第一电极丝张力调控组件包括第一电动滑台、以及设于第一电动滑台顶部的第一电机，所述第一电机的输出轴连接有第一丝杠，所述第一丝杠上套接有第一滑块，所述第一滑块的前表面安装有第一张力轮，所述第一张力轮的下方分别设有第一固定导向轮和第二固定导向轮；
所述第二电极丝张力调控组件包括第二电动滑台、以及设于第二电动滑台顶部的第二电机，所述第二电机的输出轴连接有第二丝杠，所述第二丝杠上套接有第二滑块，所述第二滑块的前表面安装有张力检测装置。
优选地，所述张力检测装置包括与第二滑块固定连接的传感器支撑架，所述传感器支撑架上安装有S型压力传感器，所述S型压力传感器的顶部开设有球形槽，所述球形槽内设有一小球，所述S型压力传感器的前侧部设有张力传递板，在电极丝张力及重力的作用下，所述小球会与张力传递板的顶部产生接触，并进行力的传导，所述张力传递板的前侧部分别设有第二张力轮和导轨滑块，所述导轨滑块套接在竖向设置的直线滑轨上，直线滑轨通过螺钉固定在装置的前板上。所述第二张力轮的下方分别设有第三固定导向轮和第四固定导向轮，所述第二张力轮和第一张力轮上均缠绕有电极丝，所述电极丝从右向左依次缠绕有第一固定导向轮、第一张力轮、第二固定导向轮、第三固定导向轮、第二张力轮和第四固定导向轮，这里第一固定导向轮、第二固定导向轮、第三固定导向轮和第四固定导向轮均固定在装置的底板上。整个装置的通过类似于机箱的外壳结构进行固定配合。
通过采用上述技术方案：由于第一电极丝张力调控组件的丝杠导程较大，因此第一电极丝张力调控组件用于粗调紧电极丝张力；由于第二电极丝张力调控组件的丝杠导程较小，因此第二电极丝张力调控组件用于细调紧电极丝张力。通过张力检测装置进行张力检测，将实时张力信息传递给控制器，控制器接收当前张力值与目标张力值进行的差值，通过历史数据及专家数据库来判断第一电极丝张力调控组和第二电极丝张力调控组件的调节量，实现快速精准的控制。
本发明还提供了一种应用于线切割机床的多级调控恒张力机构的控制方法，包括以下步骤：
步骤一、首先获得电加工参数、工件厚度、走丝速度参数，通过专家数据库确定目标张力值；
步骤二、再通过S型压力传感器获得电压信号，对其进行放大、模数转换和线性转换，即可推出对应的当前张力值；
步骤三、在获得当前张力值r后，将其与张力的目标值y进行对比，获得张力值偏差e＝r-y，及张力偏差变化量ec＝de/dt，将其上传至历史数据库，同时在控制策略库中进行比对，查看有无相应情况。若有，则直接从控制策略库中调取相应的输出，控制张力变化；若无，则通过模糊PID算法，对张力进行调控；
步骤四、通过步骤三获得张力的调节量，得出一级、二级控制的进给量，通过第一电机、第二电机转动使得第一张力轮、第二张力轮上升或下降，从而改变当前张力；
步骤五、当第一电机、第二电机进给结束后，再通过S型压力传感器获得新的当前张力值，重复上述步骤三-四，直至加工结束，实现加工过程中的电极丝恒张力控制；
步骤六、加工结束后，对加工质量进行检测，并将相关数据存储至数据库，为以后的加工提供数据支持。同时，若加工质量达到精度要求(根据加工零件要求确定)，在历史数据库中对类似加工情况进行比对，若存在相同加工情况(各种加工参数皆相同)，则与加工精度最好的一次记录进行对比，若加工精度由于该记录，则将本次加工过程的相关数据(输入、输入对应的输出以及张力波动曲线等)上传至控制策略库，为以后的加工提供参考。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过第一电极丝张力调控组件和第二电极丝张力调控组件的联动，实现电极丝恒张力的多级调控，可在较大范围内使电极丝张紧，并调节张力。
2、本发明通过张力检测装置进行张力检测，将实时张力信息传递给控制器，控制器接收当前张力值与目标张力值进行的差值，通过历史数据及专家数据库来判断第一电极丝张力调控组和第二电极丝张力调控组件的调节量，实现快速精准的控制。
3、本发明可根据工况确定控制策略，进行不同导程丝杠的粗调和细调联动，可实现张力的精确控制，旨在优化普通往复走丝线切割机床的恒张力调控技术。
附图说明
图1为本发明多级调控恒张力机构的结构示意图；
图2为图1的主视图；
图3为图1的侧视图；
图4为本发明中张力检测装置的结构示意图；
图5为本发明中S型压力传感器的结构示意图。
图6为本发明控制方法的流程图；
图7为本发明控制方法中模糊PID系统的方框图；
图8为本发明控制方法中模糊PID系统的原理图；
图9为本发明控制方法中隶属函数的示意图。
具体实施方式
下面结合附图将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域的技术人员能够更好的理解本发明的优点和特征，从而对本发明的保护范围做出更为清楚的界定。本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1-9，一种应用于线切割机床的多级调控恒张力机构，包括机架1，所述机架1上并排设置有第一电极丝张力调控组件和第二电极丝张力调控组件，所述第二电极丝张力调控组件的上方设有控制器及张力显示面板2；
所述第一电极丝张力调控组件包括第一电动滑台3、以及设于第一电动滑台3顶部的第一电机4，所述第一电机4的输出轴连接有第一丝杠5，所述第一丝杠5上套接有第一滑块6，所述第一滑块6的前表面安装有第一张力轮7，所述第一张力轮7的下方分别设有第一固定导向轮8和第二固定导向轮9；
所述第二电极丝张力调控组件包括第二电动滑台10、以及设于第二电动滑台10顶部的第二电机11，所述第二电机11的输出轴连接有第二丝杠12，所述第二丝杠12上套接有第二滑块13，所述第二滑块13的前表面安装有张力检测装置。
具体的，参照图3-图5，所述张力检测装置包括与第二滑块13固定连接的传感器支撑架14，所述传感器支撑架14上安装有S型压力传感器15，所述S型压力传感器15的顶部开设有球形槽16，所述球形槽16内设有一小球17，所述S型压力传感器15的前侧部设有张力传递板18，在电极丝张力及重力的作用下，所述小球17会与张力传递板18的顶部产生接触，并进行力的传导，所述张力传递板18的前侧部分别设有第二张力轮19和导轨滑块20，所述导轨滑块20套接在竖向设置的直线滑轨21上，直线滑轨21通过螺钉和弹簧垫片固定在装置的前板上。所述第二张力轮19的下方分别设有第三固定导向轮22和第四固定导向轮23，所述第二张力轮19和第一张力轮7上均缠绕有电极丝24，所述电极丝24从右向左依次缠绕有第一固定导向轮8、第一张力轮7、第二固定导向轮9、第三固定导向轮22、第二张力轮19和第四固定导向轮23。这里第一固定导向轮8、第二固定导向轮9、第三固定导向轮22和第四固定导向轮23均固定在装置的底板上，该装置通过类似于机箱的外壳结构进行固定配合。
本实施例中，由第一电极丝张力调控组件、第二电极丝张力调控组件来带动第一张力轮7、第二张力轮19在相应的导向槽内运动，从而达到张力控制的作用；通过S型压力传感器15采集张力，实现闭环控制。由于第一电极丝张力调控组件的第一丝杠5导程较大，因此第一电极丝张力调控组件用于粗调紧电极丝张力；由于第二电极丝张力调控组件的第二丝杠12导程较小，因此第二电极丝张力调控组件用于细调紧电极丝张力。同时，通过张力检测装置进行张力检测，将实时张力信息传递给控制器，控制器接收当前张力值与目标张力值进行的差值，通过历史数据及专家数据库来判断第一电极丝张力调控组和第二电极丝张力调控组件的调节量，实现快速精准的控制。
实际使用时，在电极丝24通过第二张力轮19时，通过直线滑轨21及导轨滑块20将第二张力轮19的传递给S型压力传感器15，通过小球17与张力传递板18的接触，实现张力的传导。同时，在进行张力调控时，由于S型压力传感器15通过张力传递板18固定连接在导轨滑块20上，当第二电机11的第二滑块13向上移动不仅会带动第二张力轮19也向上移动，同时也不会影响张力的检测；当第二电机11的第二滑块13向下移动时，在张力及重力的作用下，第二张力轮19也会下移，并与S型压力传感器15产生接触，实现电极丝张力的检测。
一种应用于线切割机床的多级调控恒张力机构的控制方法，包括以下步骤：
步骤一、首先获得电加工参数、工件厚度、走丝速度参数，通过专家数据库确定目标张力值；
步骤二、再通过S型压力传感器获得电压信号，对其进行放大、模数转换和线性转换，即可推出对应的当前张力值；
步骤三、在获得当前张力值r后，将其与张力的目标值y进行对比，获得张力值偏差e＝r-y,及张力偏差变化量ec＝de/dt，将其上传至历史数据库，同时在控制策略库中进行比对，查看有无相应情况。若有，则直接从控制策略库中调取相应的输出，控制张力变化；若无，则通过模糊PID算法，对张力进行调控；
步骤四、通过步骤三获得张力的调节量，得出一级、二级控制的进给量，通过第一电机、第二电机转动使得第一张力轮、第二张力轮上升或下降，从而改变当前张力；
步骤五、当第一电机、第二电机进给结束后，再通过S型压力传感器获得新的当前张力值，重复上述步骤三-四，直至加工结束，实现加工过程中的电极丝恒张力控制；
步骤六、加工结束后，对加工质量进行检测，并将相关数据存储至数据库，为以后的加工提供数据支持。同时，若加工质量达到精度要求(根据加工零件要求确定)，在历史数据库中对类似加工情况进行比对，若存在相同加工情况(各种加工参数皆相同)，则与加工精度最好的一次记录进行对比，若加工精度由于该记录，则将本次加工过程的相关数据(输入、输入对应的输出以及张力波动曲线等)上传至控制策略库，为以后的加工提供参考。
本实施例中，基于历史数据和控制策略库的控制流程可提高张力的调控速度和精度。
本实施例中，张力检测的计算步骤如下：
在传感器输出相应的电压后，将电压信号进行滤波、放大及比例变换。
U放＝K1u
F＝K2U放
式中，K1为电流信号放大比例系数，K2为测量的张力与输出张力的比值。
其中，模糊PID的控制过程如下：
该系统主要包括张力控制器、电机驱动器、直流伺服电机、张力调节装置、电极丝、力传感器、信号放大器等。其基本组成部分如图7所示。
各个环节的传递函数如下：
1.张力传感器的输入量为张力的大小，输出为成相应比例关系的电压值。由于张力传感器的输出幅值与输入幅值成正比，并且其响应速度较快，可认为在时间上不存在滞后，即将此传感器看作零阶传感器。故此环节的传递函数为：
G1(s)＝K2
式中，K2为测量的张力与输出张力的比值。
2.由于压力传感器输出的电流信号变化范围较小，为了保证控制器输入端信号输入的精准，通过对电流信号放大之后将其输入，此环节的传递函数为：
G2(s)＝K1
式中，K1为电流信号放大比例系数。
3.电机传递函数，这里以步进电机为例。步进电机在接收到一个脉冲信号时,会转动一个角度,设为步距角θi；而转子实际转过的角度设为θo，它是在新的稳定平衡点附近振荡。由小振荡理论知识可知，步进电机的传递函数为：
步进电机的两相电压平衡方程及转子力矩平衡方程分别表示为：
式中，UA、UB、iA、iB为A、B的相电压和相电流；R、L为绕组的电阻与自感；ω、Zr、θ、J为转子的角速度、齿数、角位移和转动惯量；Km、B、TE、TL、为电机的反电势系数、粘滞阻尼系数、电磁转矩及负载转矩。
设步进电机的工作方式为单向励磁，则由上式可求得步进电机运动方程为：
设t＝0转子处于平衡状态,即dθ/dt＝0。此刻电机仅有一相通电，另外一相无电流产生，iA在振荡过程中保持不变，则增量运动方程为：
当δθ＝θo-θi很小,对其作线性化处理，方程可化为：
等式两边进行拉氏变换，代入初值0可得：
可求得步进电机的传递函数为：
4.电机的转动通过齿轮、丝杠传动，带动直线运动平台的运动，此部分的传递函数为：
式中，P为滚珠丝杆的导程(mm)。
5.将张力的目标值通过相应传感器电压的形式给出，通过比较测得电压与目标电压点的差值，来计算所需调节的活动导轮的位置。电极丝的变形满足胡克定律，故此环节为比例环节，其传递函数为：
式中，E为电极丝的弹性模量(Pa)；l为电极丝的长度(m)；A为电极丝的横截面积(m2)。
模糊PID的设计流程如下：
模糊PID控制是将模糊控制与PID控制相结合构成，通过模糊推理的方法对PID的参数进行在线自整定。通过误差e和误差变化率ec作为输入，并通过其与PID的三个参数之间的模糊关系，在运行中不断通过检测e和ec来调节PID的参数，在通过PID控制来输出进给量，从而实现张力的控制。其控制系统的原理框图如图8所示。
(1)定义模糊控制器的输入、输出变量。
选取误差e和误差变化率ec作为模糊算法的输入参数，其输出变量为PID的三个参数Kp、Ki、Kd，从而建立二维模糊控制器。根据专家经验，将输入输出的节点数均定为7，定义偏差信号语言量为：{NL，NM，NS，ZO，PS，PM，PL}，即{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，确定偏差e的基本论域为:[-6N，6N]，偏差变化率ec的基本论域为[-6N/s，6N/s]，Kp、Ki、Kd的基本论域为：[-3，3]。将其量化到模糊论域，e和ec的离散论域设为{-6，-4，-2，0，2，4，6}，Kp、Ki和Kd量化论域设为{-3，-2，-1，0，1，2，3}。
(2)隶属函数的确定。
采用高斯函数和三角函数相结合的形式作为隶属函数。输入变量e、ec和输出变量Kp、Ki、Kd的隶属函数，如图9所示。
(3)建立模糊控制规则。
模糊规则控制表如下表所示。
(4)清晰化。
重心法也称为质心法或面积中心法，是所有解模糊化方法中最为合理的方法。该方法的表达式为：
式中，∫表示输出模糊子集的所有元素的隶属度值在连续域y上的代数积分，y0的取值表示其左右两边的面积相等。该方法计算复杂，但它却包含了输出模糊子集的所有元素的信息，也较精确。
(5)PID参数在线整定
PID参数的整定表达式为：
式中，Kp0、Ki0、Kd0为PID控制系统稳态时的参数；ΔKp、ΔKi、ΔKd为PID控制系统参数调整时的变化值。
这里取Kp0＝1.5，Ki0＝2，Kd0＝0.5。
综上所述，本发明能够同时具有张力检测和张力调控的功能，且通过根据工况确定控制策略，进行不同导程丝杠的粗调和细调联动，可实现张力的精确控制，旨在优化普通往复走丝线切割机床的恒张力调控技术。
本发明中披露的说明和实践，对于本技术领域的普通技术人员来说，都是易于思考和理解的，且在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的修改或改进，也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种应用于线切割机床的多级调控恒张力机构，包括机架，其特征在于，所述机架上并排设置有第一电极丝张力调控组件和第二电极丝张力调控组件，所述第二电极丝张力调控组件的上方设有控制器及张力显示面板；
所述第一电极丝张力调控组件包括第一电动滑台、以及设于第一电动滑台顶部的第一电机，所述第一电机的输出轴连接有第一丝杠，所述第一丝杠上套接有第一滑块，所述第一滑块的前表面安装有第一张力轮，所述第一张力轮的下方分别设有第一固定导向轮和第二固定导向轮；
所述第二电极丝张力调控组件包括第二电动滑台、以及设于第二电动滑台顶部的第二电机，所述第二电机的输出轴连接有第二丝杠，所述第二丝杠上套接有第二滑块，所述第二滑块的前表面安装有张力检测装置；
所述张力检测装置包括与第二滑块固定连接的传感器支撑架，所述传感器支撑架上安装有S型压力传感器，所述S型压力传感器的顶部开设有球形槽，所述球形槽内设有一小球，所述S型压力传感器的前侧部设有张力传递板，所述小球与张力传递板的顶部接触，所述张力传递板的前侧部分别设有第二张力轮和导轨滑块，所述导轨滑块套接在竖向设置的直线滑轨上，所述第二张力轮的下方分别设有第三固定导向轮和第四固定导向轮，所述第二张力轮和第一张力轮上均缠绕有电极丝，所述电极丝从右向左依次缠绕有第一固定导向轮、第一张力轮、第二固定导向轮、第三固定导向轮、第二张力轮和第四固定导向轮。
2.一种应用于线切割机床的多级调控恒张力机构的控制方法，其特征在于，所述多级调控恒张力机构包括机架，所述机架上并排设置有第一电极丝张力调控组件和第二电极丝张力调控组件，所述第二电极丝张力调控组件的上方设有控制器及张力显示面板；
所述第一电极丝张力调控组件包括第一电动滑台、以及设于第一电动滑台顶部的第一电机，所述第一电机的输出轴连接有第一丝杠，所述第一丝杠上套接有第一滑块，所述第一滑块的前表面安装有第一张力轮，所述第一张力轮的下方分别设有第一固定导向轮和第二固定导向轮；
所述第二电极丝张力调控组件包括第二电动滑台、以及设于第二电动滑台顶部的第二电机，所述第二电机的输出轴连接有第二丝杠，所述第二丝杠上套接有第二滑块，所述第二滑块的前表面安装有张力检测装置；
所述张力检测装置包括与第二滑块固定连接的传感器支撑架，所述传感器支撑架上安装有S型压力传感器，所述S型压力传感器的顶部开设有球形槽，所述球形槽内设有一小球，所述S型压力传感器的前侧部设有张力传递板，所述小球与张力传递板的顶部接触，所述张力传递板的前侧部分别设有第二张力轮和导轨滑块，所述导轨滑块套接在竖向设置的直线滑轨上，所述第二张力轮的下方分别设有第三固定导向轮和第四固定导向轮，所述第二张力轮和第一张力轮上均缠绕有电极丝，所述电极丝从右向左依次缠绕有第一固定导向轮、第一张力轮、第二固定导向轮、第三固定导向轮、第二张力轮和第四固定导向轮；
所述多级调控恒张力机构的控制方法包括以下步骤：
步骤一、首先获得电加工参数、工件厚度、走丝速度参数，通过专家数据库确定目标张力值；
步骤二、再通过S型压力传感器获得电压信号，对其进行放大、模数转换和线性转换，即可推出对应的当前张力值；
步骤三、在获得当前张力值后，将其与张力的目标值进行对比，获得张力值偏差e及张力偏差变化量ec，将其上传至历史数据库，同时在控制策略库中进行比对，查看有无相应情况；若有，则直接从控制策略库中调取相应的输出，控制张力变化；若无，则通过模糊PID算法，对张力进行调控；
步骤四、通过步骤三获得张力的调节量，得出一级、二级控制的进给量，通过第一电机、第二电机转动使得第一张力轮、第二张力轮上升或下降，从而改变当前张力；
步骤五、当第一电机、第二电机进给结束后，再通过S型压力传感器获得新的当前张力值，重复上述步骤三-步骤四，直至加工结束，实现加工过程中的电极丝恒张力控制；
步骤六、加工结束后，对加工质量进行检测，并将相关数据存储至历史数据库，为以后的加工提供数据支持。
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