集成化電火花加工模具電極的驅(qū)動模塊設(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，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、同步帶帶動、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)動針結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
驅(qū)動機(jī)構(gòu)由主體、驅(qū)動針、使動電磁、定位電磁組構(gòu)成，為確保驅(qū)動針輸出長度精確，驅(qū)動針動作由電磁組帶動，如圖3所示，使動電磁控制驅(qū)動針的伸縮，9x寸定位電磁組控制驅(qū)動針的輸出長度，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表示電磁組動作，反之不動作。對于每次控制動作，一般每次都出一對定位電磁組，使動電磁帶動驅(qū)動針滑落，在該長度上定位。例如上位機(jī)給驅(qū)動模塊一組數(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對電磁動作，限制驅(qū)動針輸出2．5單位。
圖3 驅(qū)動機(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)動電機(jī)構(gòu)成。驅(qū)動針機(jī)構(gòu)可在同步帶的帶動下沿滑軸移動，光柵尺測定驅(qū)動針的當(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)動時(shí)，驅(qū)動針進(jìn)行x軸移動，兩電機(jī)進(jìn)行同向轉(zhuǎn)動時(shí)，驅(qū)動針進(jìn)行l(wèi)，軸移動，由此，驅(qū)動針即可在G指令的控制下進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)動。
圖5 H型走帶
同步帶的張緊力是否合適對移動的精度和傳動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)動針移動時(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)動針的x軸坐標(biāo)，y為驅(qū)動針的y軸坐標(biāo)，E為驅(qū)動針的輸出長度，X光，T光為光柵尺測量驅(qū)動針當(dāng)前的X、y坐標(biāo)。
MCU控制策略：當(dāng)輸入驅(qū)動針需要到達(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，采用H型走帶的同步帶，讓驅(qū)動針在X、y平面上運(yùn)動，達(dá)到閉環(huán)控制的目的，定位更加精確。直到驅(qū)動針準(zhǔn)確達(dá)到所要求的位置，則輸入E，即對對驅(qū)動針的長度進(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，然后控制使動電磁、定位電磁組動作，帶動驅(qū)動針。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，控制使動電磁和定位電磁組對驅(qū)動針進(jìn)行定位，從而帶動控制針，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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