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集成化電火花加工模具電極的驅動模塊設計

2017-2-23 來源：浙江海洋學院船舶與海洋工（gōng）程（chéng）學院作者：魏展穎趙曉棟林祖傑

引言

電火花放電（diàn）加工(EDM)是分別把工件（jiàn）和（hé）工具製作成2個電（diàn）極（jí），利用兩極間脈衝火花放電產生的熱能，熔化、蒸發和（hé）拋出工件電極材料，達到加（jiā）工（gōng）工（gōng）件的目的㈣。自從（cóng）20世（shì）紀40年（nián）代初該技術問世以來，已廣泛應用於生產和（hé）科學實驗中。在電火花加工中，因受到外部環境（jìng）的極強約束，難以用精確的數學工具（jù）建模和研究放電間隙（xì），需考慮（lǜ）自動跟蹤、多軸協調等（děng）問題。就控（kòng）製係統而言，EDM係統是一個具（jù）有複雜對象、複雜任務、複雜環境的3c係統。脈衝電源的控製極為重要，脈寬、電流強度等因素對加工過程（chéng）都存在一定（dìng）的影響[4-121。課題組旨在開發一種（zhǒng）可控（kòng）離散化電火花加工模（mó）具（jù），而本文將重點對本模具的控（kòng）製模塊進行研究。

1可控離散化電火花加工（gōng）模具

模具采用電火花加工（gōng）時，電極的製造需要最先考慮。選擇正確的電極材料和電極的製備方法對於電火花加工的質量、生（shēng）產率和加工成本（běn）至（zhì）關重要。近年來不少國內外學者（zhě）對（duì）工具電極製備開（kāi）展（zhǎn）了（le）一係列研究。譬如石（shí）墨電（diàn）極（jí），剛性好、不變形、容易成形，利用它的高速銑削和研磨，用於加工深的（de）型腔和（hé）複雜形狀；用電鑄法製備電極，能精確複製芯模表麵微細的形貌，且可（kě）以同時製備幾個電極相繼加工工件上較深的型腔，但電極形狀複（fù）雜，深寬比大，電鑄（zhù）時電場畸變嚴重，也給電（diàn）鑄（zhù）工藝（yì）的實（shí）施帶來很大難度；微細電極（jí），普遍用反拷塊電火花加工和線電極電火花磨（mó）削(WEDG)這兩種實用的方法（fǎ）進行製備，可以實現（xiàn）簡單形狀微細工具電極的在線製作，但不適用於複雜的異（yì）形電極。

圖1 可控離散化電火花加工模具示意圖

課題組旨在開發一種可控離散化電火花加工模具（jù）(如圖l所示)，電極可按要求組合成（chéng）所需（xū）模型。集成化模具電極包括模具外殼（ké）、x細針束、針束定（dìng）位模塊和驅動模塊，x細針束設（shè）置（zhì）在（zài）模具外殼中，固定模塊設置於x細針束上，驅動模塊設置於固定模塊上。這樣的模具電極可以利用細針束構成各種需要的加工形狀，因此隻需要一個模具便可滿足一定（dìng）加工尺（chǐ）寸範圍內的形狀加工需求。同時由於（yú）模具電極（jí）的驅（qū）動模塊與計算機進行連接，加工時可以通過控製參數實時改變模具形狀，不需要對模具（jù）進行（háng）更換（huàn）；加工中若尺寸或形狀不符合要（yào）求可以對模具進行修改，不需要重新製（zhì）作模具。

本文接下來將重點對該模具的控（kòng）製模塊進行探討（tǎo）和設計。

2控（kòng）製模塊硬件設計

控製（zhì）模（mó）塊（kuài）作為模具工作針驅動，是模具的核心部分，起到接受上位機控製數據、發出（chū）控製信號的作用。本研究采用電磁驅動、同步帶（dài）帶動、光柵尺閉環（huán）定位的設計，如（rú）圖2所示。

圖2 控製模（mó）塊整體圖

2.1驅動針結構設計

驅動機構由主體、驅動（dòng）針、使動電磁、定位電磁（cí）組構成，為確保驅動針輸（shū）出長（zhǎng）度精確，驅動（dòng）針動作由電磁組帶動，如圖3所示，使（shǐ）動電磁控製驅動針的伸縮，9x寸定位電磁組控製驅動針（zhēn）的輸出長度，一一對應於（yú）工作針的9檔長度，每檔長度為0．5，驅（qū）動芯片對輸入數據進行轉碼，轉碼中共9位，每一（yī）位表示每檔電磁（cí）組所（suǒ）對應的位（wèi）置，若為（wéi）壩4表（biǎo）示電磁組動作，反之不（bú）動作。對於每次控製動作，一般（bān）每次都出一對定位電磁組（zǔ），使（shǐ）動電磁帶動驅動針滑落，在該長度上定（dìng）位。例如上位（wèi）機給（gěi）驅動模塊一（yī）組數（shù）據(G1X20 Y10 E2．5)，即控製(20，10)位置的工作針輸出2．5長，E2．5經轉碼輸出(000010000)，控製定位電磁組中的第（dì）5對電磁動作，限製驅（qū）動針輸出2．5單位。

圖3 驅動機構剖視圖

2．2精確定位設計

定位機（jī）構的工作可靠性直接決定模塊形狀輸出質（zhì）量，故對其精度有嚴格的要求，x、y定位（wèi）機構由x滑軸、x軸光柵（shān）尺、y滑軸、y軸光柵尺、同步帶、驅動電機構成。驅動針機構可在同步帶的帶動下沿滑軸移動，光柵尺測定驅動針的當前（qián）位置，在兩滑軸的極限位置各布（bù）置（zhì）有限位開關，防（fáng）止驅動針超出工作範圍而發生碰撞，使得設備受損。工作（zuò）時，電機接收控製信號女I(G1 X20 Y10 E2．5)，控製（zhì）x軸與y軸分別移動20個單位與10個單位，同時控製（zhì）器接收光柵尺的反饋（kuì）信號進行實時運算，以達到閉（bì）環控製的目的，保證定位的精度。控製模塊俯視圖如圖（tú）4所示。

圖4 控製模塊俯視圖

2．3同步帶走帶方式（shì）

同步帶（dài）的走帶方式與電機的控製算法（fǎ）有直接（jiē）聯係，如（rú）圖5所示，本設計采用H型走帶方式(設電機順（shùn）時針旋轉為正)，由（yóu）圖5可知：2X1=-M1+M2，2Y=-M1 M1=-X-Y,M2=X-Y 即（jí）兩電機反向轉動時，驅（qū）動針進行x軸移動，兩電機進行同（tóng）向（xiàng）轉動時，驅（qū）動針進行l，軸移動，由此，驅（qū）動針即可在G指令（lìng）的控製下進行插補運動。

圖5 H型走帶

同步帶的張緊力是否合適對（duì）移動的精度和傳動的可靠性有比較（jiào）大的影響，在H型（xíng）走帶方式下對同步帶張緊力的（de）調節將變得非常方便，由圖5可知，同步帶首尾相連處（chù）不可能走出y軸範圍，故僅需在驅動針機構處（chù）設置機械調節（jiē）裝置即可調節張緊力。

3控製軟件設（shè）計

針對驅動針移動時會因環境問題產（chǎn）生誤差，設置智能排差控製器算（suàn）法，控製流程圖如圖（tú）6所示，x為驅動針的x軸坐標，y為驅動針的y軸坐標，E為驅動針的輸出長度，X光，T光為光柵尺測量驅動針當前（qián）的X、y坐標。

MCU控（kòng）製策略：當輸（shū）入驅動針需要到達的位置為(X，y)，將光柵尺所測定的當前值與所要求的值進行比較，若不相等，則進型運（yùn）算，M1=(X+y)和M2=X—y，使得電機轉動，采（cǎi）用H型走帶的同（tóng）步帶，讓（ràng）驅動針在X、y平麵上運動，達到閉環控製的目的，定位更加精確。直到驅動針準確達到所要求的位置，則輸入E，即對對驅（qū）動針的長度進行設置，隨後進行轉碼，並輸出轉碼值以便計算機識（shí）別，然後控（kòng）製使動電（diàn）磁、定位電磁組動作，帶動驅動針。可連（lián）續接收（shōu）信號，對x、y進行設置，當所要（yào）求的工作細束針達到所期望的位置後（hòu），可（kě）結束信號（hào）。

圖6 控製流程圖

4結語

該（gāi）模具可以根據不同用途分100 mmxl00 mm和200mmx200 mm兩個（gè）檔次。通過H型走帶方法，控製使動電磁和定位電磁組對驅動針進行定位，從而帶動控製針（zhēn），使得細針束構成各種需要的加工形狀，因（yīn）此隻需要一個模具便可滿足一定加工尺寸範圍內的（de）形狀加工需（xū）求，以提高電火花加工效率，縮（suō）短模具電極（jí）的製備周期，節約（yuē）製備（bèi）成本。需要注意的是，在控製工作（zuò）針之間的距離上無法做到很貼近，如若兩針之間的距（jù）離過近，則會導致工作針伸縮時摩擦，從而使工作針的使用壽命減少（shǎo）。因而需要（yào）選擇正確的控（kòng）製技術保證數據、坐標的準確，電極的（de）製備也是（shì）需（xū）要謹慎考慮，更要注意在（zài）加工過（guò）程中的細節，防止短路等安全問題。

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