往复走丝电火花线切割恒张力控制及工件厚度识别的研究

摘要

往复走丝电火花线切割机床作为我国特有的电火花线切割加工设备被广泛的应用于各行各业之中，但是其加工表面质量较低，尤其是形状复杂、厚度变化的结构件加工表面质量难以满足现代工业的需求，这个问题一直困扰着往复走丝电火花线切割加工技术的进一步发展。本文主要从调控电极丝张力恒定以及在线识别工件厚度两个关键技术出发，通过减小电极丝振动和改善变厚度工件加工环境的手段，以提高电火花线切割加工表面质量为目的，进行了本课题的深入研究。本文在分析国内外电极丝张力控制技术的基础上，全面深入的研究了影响往复走丝电火花线切割机床电极丝振动的主要因素，并从理论分析和试验研究两方面入手研究了这些影响因素对电极丝张力变化的影响规律，获得了火花放电产生的放电爆炸力对电极丝振动的影响规律。本研究主要内容包括：
　　⑴为了深入了解放电爆炸力对电极丝振动的影响，针对目前国内外在电极丝振动仿真时加载的放电爆炸力为恒定载荷的现状，基于水下爆炸理论，采用显示动力分析软件Autodyn仿真研究了火花放电时产生的冲击力，并对爆炸物材料属性进行了修正；根据电火花线切割加工时的实际尺寸和材料属性，建立了线切割放电仿真模型，得到了电极丝表面不同位置的压强，并获得了电极丝受放电爆炸力随时间的变化规律。针对目前大部分研究成果采用静态仿真方法研究电极丝振动的问题，利用ANSYS workbench软件建立了电火花线切割连续放电加工时电极丝振动仿真模型，基于电极丝受动态放电爆炸力的变化规律，提出了一种放电区域内随机位置加载动态放电爆炸力的方法，在每一个脉冲周期内均加载一个动态放电爆炸力，加载位置随机分布于放电区域内，进行瞬态动力学仿真分析，研究了火花放电时电极丝振动的动态特性；分别获得了电极丝不同位置在X、Y轴方向上的位移变化规律，以及整个长度上电极丝的最大位移变化规律，并在此基础上获得了放电爆炸力大小对振动幅度的影响规律。
　　⑵为了减小电极丝张力变化，抑制电极丝振动，提高电火花线切割加工质量，进行了往复走丝电火花线切割机床恒张力控制技术的研究，研制了一套电极丝恒张力控制系统。在研究现有走丝机构以及张力传感器结构特点的基础上，优化了电极丝张力检测模块结构以及基于直流伺服电机驱动一维运动平台的驱动模块，实现了电极丝张力自动控制功能，断丝保护功能以及上丝自动紧丝功能；建立了电极丝正、反转时受摩擦力影响时的电极丝张力物理模型，研究了走丝机构上电极丝往复循环运动时的张力动态特性。优化了电极丝走丝系统的结构参数，实现放电区域内的电极丝张力在电极丝正、反转时始终保持一致，提高了线切割加工的稳定性。针对张力传感器检测到的电极丝正、反转时张力具有固定偏差的特点，提出了一种消除由传感器不在放电区域而产生的系统偏差的控制策略。针对往复走丝电火花线切割机床电极丝张力具有上下波动的特性，提出了一种带死区的 PID调节控制策略的恒张力控制系统，建立了恒张力控制系统的传递函数模型，研究证明死区为0.2时控制系统在阶跃响应下进入稳态的时间为5.5ms，解决了控制系统的快速响应性问题。
　　⑶为了实现往复走丝电火花线切割加工变厚度工件的高精度加工，本文着重研究了工件厚度在线识别技术，研究了往复走丝电火花线切割影响工件厚度识别的主要因素，如能量分配系数、线切割缝宽、平均电压、平均电流、机床伺服进给速度等；针对线切割缝宽难以直接测量的问题，基于灰色系统理论方法，建立了线切割缝宽预测的数学模型，解决了不同加工参数时的线切割缝宽数值的预测问题。在此基础上采用多元非线性回归方法，利用 MATLAB软件建立了在线识别工件厚度的数学模型，解决了实时预测往复走丝电火花线切割不同加工参数时的工件厚度的问题。
　　⑷利用电火花线切割加工试验平台进行了恒张力控制以及变厚度加工工艺试验研究。研究了电极丝恒张力控制装置的动态响应特性，获得了不同电极丝丝速、不同张力均值时的最佳张力控制精度，张力控制最小精度可达±0.25N。研究表明，恒张力控制系统的应用能够使电火花线切割粗加工以及多次加工的工件表面粗糙度值降低10%左右。获得了电极丝张力在多次切割不同阶段对加工效率和加工表面粗糙度的影响规律。利用电火花线切割试验平台进行了阶梯形工件加工的工艺试验，分别获得了线切割缝宽预测值以及工件厚度预测值变化规律，试验证明线切割缝宽真实值与预测值之间误差小于2.9%，工件厚度的预测误差小于12%，验证了线切割缝宽预测模型以及工件厚度在线识别模型的正确性。获得了工件不同厚度处的较佳加工参数，保证了工件不同厚度处具有一致的加工表面粗糙度，同时一致的放电间隙能够保证粗加工的加工余量相同，为后续精加工提供良好的线切割加工环境。

目录

第1章 绪论

1.1 课题来源、背景和目的意义

1.2 电极丝张力控制技术研究现状

1.3 线切割工件厚度在线识别技术研究现状

1.4 课题主要研究内容

第2章 电火花线切割电极丝振动特性研究

2.1 引言

2.2 电极丝张力变化因素分析及试验研究

2.3 电火花放电爆炸力特性研究分析

2.4 基于瞬态动力学仿真的电极丝振动研究

2.5本章小结

第3章 电极丝恒张力装置及其控制系统研究

3.1 电极丝恒张力控制装置总体方案设计

3.2 电极丝恒张力装置结构设计

3.3 电极丝走丝机构特性分析

3.4 直流伺服电机运动模型研究

3.5 带死区的PID调节控制研究

3.6 恒张力控制系统设计

3.7 本章小结

第4章 电火花线切割工件厚度识别技术研究

4.1 工件厚度辨识理论分析

4.2 电火花线切割加工参数选择

4.3 试验平台搭建及检测方法研究

4.4 试验结果及分析

4.5 基于GM(1, N, x1(1))的线切割缝宽预测模型建立

4.6 基于多元非线性回归的工件厚度预测模型建立

4.7 本章小结

第5章 电极丝恒张力控制及工件厚度识别技术工艺试验研究

5.1 恒张力控制系统动态响应特性研究

5.2 恒张力装置在多次切割技术中的应用研究

5.3 工件厚度预测模型验证试验研究

5.4 电火花线切割变厚度加工工艺试验研究

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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