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新形势下数控机床技术领域面临的新挑战(连载四)
苏州市宝玛数控设备有限公司   2013-07-09 09:24:04 作者:网站管理 来源: 文字大小:[][][]

 苏州市宝玛数控设备有限公司 技术部(任何转载和发布,需注明出处,否则追究法律责任)

(三) 、闭环张力动态控制的电火花线切割运丝机构研制。
在完成了对各种往复走丝线切割机动态钼丝张力状况大量测试分析工作和分别对国外开环控制和闭环控制两种单向走丝线切割机床丝的动态张力状况测试之后,发现闭环动态控制运丝机构对提高运丝精度性能和整机性能的作用更为明显。所以国产往复走丝线切割机床可以借鉴国外单向低速走丝线切割机床运丝机构改进的成功经验,把目前低水平的运丝机构改进成闭环动态张紧力控制的运丝机构。
由于往复高速走丝线切割机需要往复双向循环运丝,并且其第一次切割时运丝速度是单向低速走丝线切割运丝速度的32-48倍,所以要在此类机床上的运丝机构上实现闭环动态恒张紧力控制的技术难度要远远难于在单向低速运丝条件下的运丝机构。经反复研究分析,认为要实现在往复双向和高速运丝两个条件下的闭环动态恒张紧力控制,必须要满足三项技术要素:
1、 高频响应特性:
为了适应于高速运丝的条件,要求运丝系统中传感器、张力调整机构和电子电路等都要具有高频率响应的特性。
2、 全对称性:
为了适应往复双向循环运丝的条件,不但放电间隙那段钼丝要处于整个运丝机构的中心,并且力传感器用于检测张力的那段钼丝和张紧力调整机构所调整的那段钼丝,在正、反两个方向运丝时,这二段钼丝张紧力也不能因运丝方向改变而发生改变,即整个运丝机构的设计要使这三段钼丝的张紧力同样处于不变的状态,运丝机构要构思成在双向运丝时的全对称性设计。
3、 宽频带线性调整:
为了要实现对钼丝张紧力的精确控制,改变钼丝弹性拉伸应变ε与应力δ之间很陡的曲线斜率,要求张紧力传感器和调整机构对钼丝张紧力的调整都要具有宽带线性调整特征,另外为了弥补张紧力调整机构受到目前功能部件性能的限制,进一步提高其高频响应特性,张紧力传感器的结构设计需要对尖峰状张力波动有高频吸收的功能。
在2005年江汉大学申报了“快走丝线切割机床摆动式恒张力控制装置”的实用新型专利,2008年由四川自贡市嘉特数控机械制造公司申报了“智能张力调节装置”的实用新型专利,后来公司根据该专利设计了国内第一台采用闭环张力控制性能的往复中速走丝型电火花线切割机床,在2009年北京国际机床上展出,在切割效果上确有很大的进展。但是从专利摘要简图上看,这两项专利至少没有符合“全对称性”和“宽频带线性调整”两项技术要素的要求。
经酝酿和多次方案比较之后,宝玛公司终于在2008年设计出在目前机械电子行业基础部件性能条件下,基本符合上述三项要素的全对称闭环动态钼丝张紧力自动伺服控制的运丝机构。
在该系统中,使用张力传感器实时监测在放电间隙中那段电极丝的张紧力,传感器输出的电量信号经与机床控制计算机通讯电子电路的处理和放大,由张紧力调整机构对钼丝张紧进行调整。调整后的钼丝张紧力再次由传感器进行检测,由电子电路再次处理和放大,再次由机构调整钼丝的张紧力……从而使钼丝的张紧力动态地稳定在计算机预置程序所设定的值附近。
这种动态调整的张紧力符合以下的关系式:
动态调整张紧力f(D)=F'-[f(δ)+N]-----------------7
在7式中:F'为计算机设定的放电间隙那段钼丝的张紧力
f(δ)为由于运丝部件制造允差在钼丝作高速运动时造成其张紧力动态波动力
N为对称结构中一半导轮和换向轮内轴承的滑动摩擦力之和。
这样放电间隙那段钼丝动态张紧力F=F'=f(D)+f(δ)+N。---8
可以看到8式中的物理意义是:这种全对称动态钼丝张紧力闭环自动伺服控制系统实际上是以高频率响应的伺服控制调整机构对钼丝张紧力的动态调节,来补偿因为运丝部件在制造和装配中误差或允差造成运丝过程中产生钼丝动态的应力变化。实质上这是一种与单项低速走丝线切割机床完全相同的“以动制动”好办法,从而使放电间隙那段钼丝动态地稳定在计算机预置程序所设定的钼丝张紧力附近。不过由于要满足的是在往复双向运丝时(而不是单向运丝时)放电间隙那段钼丝张紧力的动态稳定,其机构设计要更加复杂一些,频率响应特性要求要更高一些。
宝玛公司现设计的已获实用新型专利的“闭环张力动态控制运丝机构”其特征如下:
1. 闭环张力动态控制机构由称力传感器和智能伺服控制模块组成,机械结构设计成对称分布的四轮结构,二轮用于霍尔张力传感器对张力的检测,二轮用于伺服电机的张力调整,其结构特性具有宽频带线性调整特性。
2. 通过称力传感器对钼丝张力的检测和伺服实时闭环控制,通过与研制的BMXP线切割编控系统的通讯,“闭环张力动态控制的电火花线切割运丝机构”使张力变化控制频响提高至毫秒级,使钼丝张力始终伺服调整控制在BMXP线切割编控系统所设定的恒定张力附近。克服了机械式钼丝张紧机构张紧频响低、单边松丝的弊病。
3. 由于称力传感器可以快速的检测到加工中断丝现象,不再需要用两块导电块组成放电中断丝检测的装置,从而消除了钼丝的机械滑动摩擦损耗。
4. 具有闭环动态控制的自动上丝和同时预紧钼丝的功能,并且在其后的切割加工中自动把放电间隙那段钼丝的张紧力始终动态稳定在计算机设定的张紧力附近,从而不再须要手工紧丝工序,因此使机床真正达到欧共体安全标准中最基础的“机械指令”要求。
5. 由于采用了“以动致动”的钼丝张紧力闭环伺服控制的运丝系统,基本上切断了由于机械装置和装配中误差或允许造成钼丝张紧力低频振动的传动链,从根源上治本地消除了造成此类机床切割工件表面有“换向条纹”痼疾的主要因素。
6. 运丝系统的电子控制电路与智能高频脉冲电源一样具备与机床计算机BMXP编控系统互相通讯的能力,通过计算机编制的程序,不但可以控制智能脉冲电源的脉冲参数,还可以同时调整钼丝的动态张紧力,使新机床可以参照单向低速走丝线切割机床完全相同的多次切割工艺和“拐角处理”功能,从而大大提高了机床的切割精度和加工质量。
经过上述各项技术改进,以及下一步尝试机床工作台位置精度的二维全闭环光栅位置控制技术和激光干涉仪对光栅系统误差的补偿技术的应用,同时随着可用于多次切割工艺的工作液性能的不断提高和稳定,将有望使国产往复走丝线切割机床完成一次创新性质的改进工作。从而使这类机床在模具加工行业,尤其在型腔切割加工以及塑料模具行业的发展起到更大的作用。

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