慢走丝电火花线切割加工中恒张力控制系统设计
新型慢走丝恒张力控制系统仿真设计
（ ｃ ｏ ｌ ｆＭｅ ｈ ｎｃ ｌａ ｄＡｕｏ ｔ ｅＥ ｇｎ ｅｉｇ ｅｅ Ｕ ｉｅｓ ｙｏ ｅ ｈ ｏｏ ｙ Ｓ ｈ ｏ ｃ ａ ｉａ ｎ ｔｍｏｉ ｎ ｉｅ ｒ ，Ｈ ｆｉ ｎｖ ｒｉ ｆ ｃ ｎ ｌｇ ，Ｈｅｅ ３ ０ ９，Ｃ ｉａ ｏ ｖ ｎ ｔ Ｔ ｆｉ ０ ０ ２ ｈｎ ）
２１ 年第 １ 期 ００ １
文 章 编 号 ：０ １ ２ ５ ２ １ ） １ ０ ４ ０ １ ０ —２ ６ （ ０ ０ １ — ０ ７— ３
・ 制与检测 ・ 控
新 型 慢 走 丝 恒 张 力控 制 系统 仿 真 设 计
丁曙光 ， 宋祥 双 ， 贵 生 桂
（ 肥 工 业 大 学 机 械 与 汽 车 工 程 学 院 ， 肥 ２ ０ ０ ） 合 合 ３ ０ ９
摘要： 慢走 丝 电火花线切 割机 走 丝 系统 稳 定 运行 ， 直接 影 响 着加 工精 度 和加 工表 面质 量 。 文章 设 计
了 一 种 新 型 的 恒 张 力控 制 系统 提 高走 丝 系统 的 性 能 。设 计 方 案 采 用 模 糊 神 经 网 络 控 制 器 ， 直 流 力 用
ｗｉ －ｙ ｔｍ． ｈ ｅｉ ｌ ｄ ｐ ｓ ｕ ｚ ｅｒｌ ｅｗ ｒ ｏ ｔ ｌｒ ｔ ｏｑ ｅｍｏｏ ｄｕｔ ｇｔｅ ｒ ｓ ｓｅ Ｔ ｅｄ ｓ Ｐａ ａｏ ｔ ｆｚ ｙｎ ｕａ ｎｔ ｏｋｃｎｒ ｌ ｈＤＣ ｔｒｕ ｔｒ ｊｓｉ ｅ ｎ ｇ ｎ ｏ ｅ ｗｉ ａ ｎ ｈ
ｓｚｅ ｏ ｈ ｌｃｒ ｄ ｉｅ ｔｎｓｏ ，ｕ ｉｇ ｔ ｎ ｉ ｎ ｓ ｎｓ ｒａ ｐｅ ｄ ｓ ｎｓ ｒｍ ｅ ｓ ｒｎ ｌｃ ｒ ｄｅｗ ｉｅ ｔｎｓｏ ｉ ｆｔ ｅ ｅｅ ｔｏ ｅ ｗ ｒ ｅ ｉ ｎ ｓｎ ｅ ｓｏ ｅ ｏ ｎｄ ｓ ｅ ｅ ｏ ａ ｕ ｉｇ ｅｅ ｔｏ ｒ ｅ ｉ ｎ ａ ｄ ｓ ｅ ｈ ｎｇ ｓ ｒ ｓ ｃ ｉｅｙ． ｅ ｓｍ ｕ ａｉ ｎ ｒ ｓ ｔ ｈｏ ｔ ａ ｈ ｙｓｅ ａ ｅ ｐｅ ｆｃ ｌ ｕｃ ｅ ｐｏ ｓ ｎ ｐｅ ｄ ｃ ａ ｅ ｅ ｐｅ ｔｖ ｌ Ｔｈ ｉ ｌｔｏ ｅ ｕｌｓｓ ｗ ｈ ｔｔ ｅ ｓ ｔｍ ｈ ｖ ｒｅ ｔｙ ｑ ｉｋ ｒ ｓ ｎ ｅ
一种恒张力控制机构的设计
一种恒张力控制机构的设计作者：饶立来源：《科技资讯》2014年第06期摘要：根据快走丝电火花线切割机床在现有技术中线电极张力控制存在的问题，设计了一种松弛边阻滞式恒张力控制装置。
在安装线电极时，根据工艺条件的需要量化设定初始张力大小，并且可以适时显示.线电极工作时，张力可以在线检测，适时补偿保证张力恒定。
关键词：线电极张力量化显示适时补偿中图分类号：TH112.5；TH113 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）02（c）-0124-021 整体设计思路拟开发的快走丝线切割机，钼丝的恒张力控制系统主要由以下三个部分组成：张力采样信号放大部分、张力的伺服控制调节部分、张力显示部分组成。
当钼丝张力的大小由于某种原因发生波动时，通过设置在切割端的力传感器，将检测到的张力变化转换为电压信号，经运算放大器放大后，一部分经过A/D芯片和液晶显示器便可得到和看到张力大小；另一部分通过电压比较器和给定值进行比较，得到偏差值。
那么张力存在两种情况，要么过小、要么过大，这都需要进行调整。
当张力过小表明钼丝处于松弛状态，电压比较器输出高电平信号接入电液伺服阀的一个线圈，进而控制输入液压缸的液体的流量，驱动张力调整机构动作，使钼丝张紧，使张力回复到原限定值；当张力过大时，电压比较器输出高电平信号接入电液伺服阀的另一个线圈，电液伺服阀向相反的方向动作，张力调整机构动作，使钼丝变松驰回复到其原来原限定值。
以此达到显示与控制张力的目的。
其控制系统的原理图、方框图见图1和图2。
本设计要求：在机床开始运行前能显示钼丝张力的初值，根据加工时的需要调节张力大小，在加工过程中，能随时显示张力大小并适时调整，防止张力的不稳，保证加工精度和质量，提高生产效率。
这样不论是不同直径的钼丝还是加工中的各种干扰都可以方便的调节张力的大小，达到恒张力控制的目的。
2 机械部分的设计方案在这个钼丝恒张力的闭环控制系统中，张力的机械调节装置是其执行部分，其设计的主要要求为：能满足整个控制系统的设计要求，与液压部分相连，运行灵活、平稳、振动小、结构简单、制造容易、在断丝时机构能激活机床的制动装置等。
恒张力控制实现的几种方案
恒张力控制实现的几种方案恒张力控制实现的几种方案在日常工作中，我们经常遇到张力控制问题，张力控制得好坏直接影响着产品的质量，由于张力控制的多样性及复杂性，选用一套合理经济实用的张力控制系统是企业采购设备前所要考虑的首要条件。
下面我列举几中常见的张力方式供大家参考。
一、力矩电机及驱动控制器1、性能：张力控制不稳定，线性不好。
2、经济性：设备简单，价格便宜，可正反转。
3、适用于张力精度要求不高的场合。
如：电线、电缆。
二、磁粉制动器/磁粉离合器张力控制1、经济性：电气省不了钱，机械也费钱，同样需要调速单元（如变频器、直流调速器）及张力控制仪。
2、精度差：线性不够好，控制的卷径变化范围不大。
(特别是在大负荷或高速时张力精度不够)；3、故障率高，维护费用高（经常要更换磁粉），磁粉制动器/磁粉离合器的可靠性差，发热严重功率大的还需水冷等。
4、性能：张力稳定性比力矩电机稍强，张力及速度可调。
适用范围比力矩电机广。
三、舞蹈棍控制器1、性能：张力控制平稳，有张力贮能功能、张力调节麻烦。
2、电气调速单元要求响应快，机械设备较复杂、局限于线材不适合于片材。
如：光纤，光缆。
四、直接张力闭环控制1、性能：张力控制平稳，电气调速单元要求响应快，张力可视，系统容易振荡。
2、电气设备复杂，需要调速单元、张力控制仪及张力传感器，设备初投资大，价格贵。
3、性能价格比不高，不适用于大张力控制场合。
五、全新的间接张力控制系统1、采用ABB全新的间接张力控制系统，不需要磁粉制动器/磁粉离合器，不需要张力控制仪及张力传感器，只需调速器（罐装卷曲软件）直接带动电机就可以实现恒张力控制。
2、内置卷径计算功能，卷径输出可视，具有静态补偿及加速补偿。
3、张力线性可调精度达到1%，速度线性可调精度达到0.1%, 方向可正反转, 卷径可达1.5米，速度可达500米/分，张力0~2000KG 可调。
4、性能：优越的性能价格比，维护方便，调试较复杂，需要专业的调试工具及调试软件。
恒张力恒速度卷绕控制系统的设计及应用
信号采集，进而通过改变收卷辊和放卷辊的速度及速度 差，实现对卷绕过程中张力和速度的调控，此卷绕控制系 统有望应用到实际生产现场。简化的卷绕控制系统如图 1 所示。
图 1 卷绕控制系统
Techniques of Automation & Applications 19
《自动化技术与应用》 2021 年第 40 卷第 6 期
Key words: winding control system; PLC; tension sensor; rotary encoder; constant tension; constant winding speed
1 引言
卷绕系统往往应用于造纸、纺织、冶金等领域，出于 产品生产工艺的需求，卷绕控制系统往往需要对张力及 卷绕速度进行控制。当张力值过小时，物料带会变得松 弛；当张力值过大时，物料带往往会出现崩断的现象，使 产品质量大大降低[1]。与此同时，改变系统卷绕速度同样 会影响生产效率。为此，必须设计一种基于恒张力、恒卷 绕速度的卷绕控制系统，以使相关生产厂家获得最大的 生产效率、获得最高的经营利润。本文以简化的卷绕控 制系统为分析对象，通过张力传感器和旋转编码器实现
关键词 : 卷绕控制系统；PLC；张力传感器；旋转编码器；恒张力；恒卷绕速度 中图分类号：TP273 文献标识码:B 文章编号:1003-7241(2021)06-0019-04
Design and Application of Constant Tension and Constant Speed Winding Control System
工业控制与应用
Industry Control and Applications
慢走丝线切割机恒速恒张力的智能控制系统设计与研究
体 ， 忽 略装 配 上 的误 差 ， 服 电机 的转 速 应 等 于拉 丝 轮 的转 速 。 若 伺
要 想控 制拉 丝轮 的转 速 ， 需控 制伺 服 电机 的转 速 即可 实现 只 课题 极丝 的恒 速 控制 和恒 张 力控 制 是相 辅相 成缺 一 不 可 的 。试 想如 果 选用 光 电编 码器 检 测伺 服 电机 转速 ，光 电编 码 器 由光栅 盘 和 光 电 电极 丝 不能 保持 恒速 ，意味 着 张力轮 送 出 的 电极 丝长 度与 拉 丝轮 可想 而知 电极 丝的张 力 值将一 直处 检 测装 置 ２部分 组成 。光 栅盘 是 一个 在 一定 直 径 的圆 盘上 均 匀开 收回 的电极 丝长度 不 一定相 等 ， 也 若 通若 干长 方形 孔 的装 置 。当 电机 旋转 时 ， 光栅 盘 与 电机 同速 旋 转 ， 于不 稳定 状 态 ， 就 没有 所 谓 的恒张 力 。 同理 ， 电极 丝 的张力 值 经光 电检测装 置检 测并 且输 出若 干脉冲 信 号 ， 过计 算单 位时 间 内 通 不 能保持 恒 定 ， 意味 着张 力轮 永 远与 拉 丝轮 不 同步 ， 针对 拉 丝轮 保 光 电编 码器 发 出的脉冲数 就能 反 映当前 电机 的转 速 ， 将得 到的 转速 持其恒 速控 制 的系统 也 就失 去 了意义甚 至毫 无价 值 。 值与 设 定值 比较 ， 若有 偏 差 ， 则通 过设 计 的模 糊 ＰＤ 控制 算 法 自动 ２ 控 制 算 法 的 选 择 Ｉ 调整 ＰＤ ３大参 数 ， 而 调 整 Ｐ Ｉ 进 ＷＭ 的 占 空 比 ， 后 在 伺 服驱 动 电 最 控 制算法 是一 个 自 控制 系统 的灵 魂 ， 同的控制 算法 将会 给 动 不 路 的作 用 下调 整伺 服 电机 的转 速 ， 使转 速 的偏 差 趋于 零 ， 从而 达 到 同样 的控 制 系统 带来 不 同的 控制 效果 。根 据 自动 控 制领 域 发展 的 转 速恒 定 的 目的 。 历 程看 ， 自动控 制 主 要 经历 了 ３大阶 段 ： 常规 或 传统 控 制 、 代 控 现 制 和智 能控 制 。前 ２个 阶段 主 要应 用 于线 性控 制系 统 中 ， 种 控 制 ２ 方 法 都 是 建立 在 已知 被 控 对 象 的 精 确 数 学 模 型 比如 微 分 方 程 形 式、 传递 函数 形 式等 数 学表 达 式上 。 智 能控 制 主要 应用 于非 线性 而 控制 系 统 中 ， 仅适 应 于 已知被 控 对象 的 数学模 型 情 况下 ， 适应 不 也 于未 知 被控 对象 的数学 模 型情 况 下 。 根据 课题 的研 究背 景和现 状 ， 目前 采 用智 能 ＰＤ 控制 算 法应 用 于 电极丝 的恒 速恒 张 力 的研 究成 Ｉ 果较 少 ， 基于 此 ， 笔者 选 择智 能 Ｐ Ｄ控 制算 法 实现 电极 丝 的恒速 恒 Ｉ 张力 控制 ， 包括 模糊 ＰＤ恒 速控 制算 法和 Ｂ Ｉ Ｐ网络 ＰＤ 恒张 力控 制 Ｉ 锋法 。
电火花线切割恒力张紧机构设计
１ 实际效果 １‘
为了检 验新 设 计 的工 装， 普 通铣 床 上加 工 了５ 在 件
样 品 ， 进 行 了认 真 的 检 查 ， 件 加 工 尺 寸 完 全 符 合 图 并 零 纸 设 计 要 求 ， 品 质 量 得 到 了 外 商 的认 可 ， 终 拿 到 了 产 最
高 速 走 丝线 切 割 机 床 的电极 丝作 高 速 往 复移 动 ，
一
般 走 丝 速 度 为７～１ ０ｍ／ｓ 这 是 我 国 生 产 和 使 用 的 主 ，
子 水 ， 成 机 床 使 用 费 用 很 高 ， 用 成 本 大 约 是 高 速 走 造 使
丝 机 床 的 ３ 倍 以 上 。 此 ， 国 不 应 该 为 提 高 加 工 精 ５ 因 我
一
般 走 丝 速 度 低 于 ０ ２ｍ／ｓ 这 是 国 外 生 产 和 使 用 的 主 ． ，
要 机 种 。 于 其 走 丝 速 度 低 ， 向 运 动 不 换 向 ， 极 丝 由 单 电
运 动 平 稳 ， 且 该 类 机 床 多 采 用 闭 环 数 字 交 （ ） 伺 并 直 流
服 控 制 系 统 和 精 良 的 制 造 整 机 技 术 ， 保 了优 良 的 动 确 态 性 能 和 高 定 位 精 度 ， 工 精 度 可 达 到 １～５ Ｉ 表 面 加 ｚ ． ｍ， 粗 糙 度 可 达 到 Ｒ ０ １～０ ２ ｍ 。 ． ．
的 Ｖ 型 槽 中 心 点 距 基 准 点 中 心 的 高 度 为
Ｈ ＝ Ｌｌ ｉ 一 ｓｎ Ｃ ＝ Ｌ ｓ ｎ／ ｉ 一 ＯＳ ｏ ｉ ￣ｓ ｎ Ｃ ＯＳ
的 加 工 工 艺 ， 普 通 机 床 上 实 现 较 为 复 杂 零 件 的制 造 。 在
恒张力解决方案
恒张力解决方案一、引言恒张力解决方案是一种用于解决张力控制问题的技术方案。
在许多行业中，如纺织、印刷、包装等，对于材料的张力控制非常重要。
恒张力解决方案通过使用先进的控制系统和设备，能够实现材料的恒定张力，从而提高生产效率和产品质量。
二、背景在许多生产过程中，材料的张力控制是一个关键的问题。
过高或过低的张力都会导致生产问题，如材料断裂、变形、皱纹等。
传统的张力控制方法通常是通过手动调整设备来实现，但这种方法效率低下且容易出错。
因此，需要一种自动化的恒张力解决方案来提高生产效率和产品质量。
三、恒张力解决方案的原理恒张力解决方案基于先进的控制系统和设备，通过实时监测和调整材料的张力，使其保持恒定。
具体来说，恒张力解决方案包括以下几个主要组成部分：1. 张力传感器：用于实时监测材料的张力。
张力传感器通常安装在材料的进料和出料端，通过测量张力的变化来判断材料的张力状态。
2. 控制系统：控制系统是恒张力解决方案的核心部分。
它接收张力传感器的信号，并根据预设的张力设定值来调整设备的运行参数。
控制系统可以采用PID控制算法或其他先进的控制算法来实现精确的张力控制。
3. 电机驱动系统：电机驱动系统用于调整设备的运行速度，以实现恒定的张力。
根据控制系统的指令，电机驱动系统可以自动调整设备的运行速度，从而实现恒定的张力控制。
4. 人机界面：人机界面用于操作和监控恒张力解决方案。
通过人机界面，操作人员可以设置张力设定值、监测张力状态、调整控制参数等。
四、恒张力解决方案的优势恒张力解决方案相比传统的张力控制方法具有以下几个优势：1. 提高生产效率：恒张力解决方案可以实现自动化的张力控制，减少了人工干预的需求，提高了生产效率。
2. 提高产品质量：恒张力解决方案可以实时监测和调整材料的张力，避免了过高或过低的张力对产品质量的影响，提高了产品质量。
3. 减少废品率：恒张力解决方案可以减少材料的断裂、变形、皱纹等问题，从而减少了废品率，降低了生产成本。
恒张力卷绕控制系统设计
关键词：恒张力卷绕 ；张力控制 ；磁粉离合器 ；组态软件
Base with the PLCConstant tension windin winding system is a common control system, widely used in the production process of the plastic winding，steel，packaging，paper，printing，dyeing，etc。. This design introduces a common winding production line computer control system, describes the structure of the system, the main function and implementation methods。The production line system has stable and reliable performance，simple operation，easy maintenance，and wide application areas.
张力控制是指能够持久的控制带材设备卷绕时的张力的能力。这种控制对机器的任何运行速度都必须保持有效，包括机器的加速、减速和匀速。即使在紧急停车情况下,它也有能力保证材料不产生丝毫破损.卷绕机的张力控制可以说是整机的核心,只要张力控制稳定，张力变化小，卷绕材料的卷绕精度和破损率就很容易控制。张力的波动和变化对卷绕材料的影响很大，尤其是设备的卷绕速度越高，张力控制就显得越重要。为了解决这个问题，大多在机械结构上增添各种辅助设备或采用其他传动系统以求实现。但其效果通常不太理想，同时还存在着设备复杂、费用大、使用维护困难等问题。随着我国现代化工业的飞速发展，对精度、速度和自动化程度的要求越来越高,其中的恒张力控制问题也变得更为突出。
恒张力控制原理
恒张力控制原理
恒张力控制原理，也被称为张力控制系统，是一种可以监测和调整张力的系统，常用于各种机械设备和工业生产中。
该控制原理通过测量张力传感器的读数，并将其与设定的目标张力值进行比较，来实现张力的控制和调整。
当张力传感器测量到的张力值低于目标张力值时，控制系统会自动调整实施张力的设备，使其增加张力。
相反，当测量到的张力值高于目标张力值时，控制系统会调整设备，使其减小张力。
恒张力控制原理的核心是通过反馈机制来实现张力的精确控制。
当设备的张力发生变化时，控制系统会立即检测到并对其进行调整，以确保张力始终保持在所设定的目标范围内。
恒张力控制原理的应用非常广泛。
在纺织工业中，恒张力控制可以确保纱线在整个生产过程中保持恒定的张力，从而提高生产效率和产品质量。
在印刷机械中，恒张力控制可以保证印刷材料在传递过程中的张力控制，以避免拉伸或起皱。
此外，在拉伸机械、涂布机械和卷绕机械等领域中，恒张力控制也发挥着关键作用。
总而言之，恒张力控制原理通过测量和反馈机制，实现了对张力的稳定控制。
它在各种机械设备和工业生产中都具有重要的应用价值，可以提高生产效率和产品质量。
线切割恒张力控制
线切割恒张力控制线切割恒张力控制是一种在加工过程中保持线材恒定张力的技术。
线切割是一种常见的制造工艺，用于切割金属材料。
在线切割过程中，通过电火花放电切割线材，使其切割出所需形状。
而恒张力控制则是保持线材在整个切割过程中的恒定张力，以确保切割质量和效率。
线切割恒张力控制的重要性不言而喻。
在线切割过程中，线材的张力会对切割结果产生直接影响。
如果张力不稳定，会导致线材抖动或松弛，影响切割精度和质量。
恒定的张力可以减少线材的振动，提高切割精度和表面质量。
实现线切割恒张力控制需要考虑多个因素。
首先，要选择合适的线材。
线材的材质和直径会影响其刚度和张力控制的难易程度。
选择适合的线材可以更好地控制张力。
其次，需要使用恒张力装置。
这种装置可以通过调节张力来保持线材的恒定张力。
常见的恒张力装置有张力滑轮和张力传感器等。
张力滑轮可以通过调节滑轮的压力来改变张力大小。
张力传感器可以实时监测线材的张力，并通过反馈控制系统来调节张力。
最后，在线切割过程中需要使用适当的切割参数。
切割参数的选择要考虑到线材的张力和刚度，以及切割材料的特性。
合理的切割参数可以减少线材的振动，提高切割质量和效率。
线切割恒张力控制技术的应用广泛。
在制造业中，线切割恒张力控制可以用于切割各种金属材料，如钢铁、铝合金和不锈钢等。
它可以应用于汽车制造、航空航天、电子设备和模具制造等领域。
例如，在汽车制造中，线切割恒张力控制可以用于切割汽车车身板材，以制造出精确的车身零部件。
在航空航天领域，线切割恒张力控制可以用于切割飞机结构件，以满足严格的质量要求。
线切割恒张力控制技术的发展也面临一些挑战。
首先，线材的张力控制是一个复杂的过程，需要考虑多个因素的影响。
例如，线材的直径、刚度和切割速度等都会对张力控制产生影响。
因此，需要综合考虑这些因素，制定合适的张力控制策略。
其次，线切割恒张力控制需要高精度的传感器和控制系统。
传感器需要能够实时监测线材的张力，并将数据传输给控制系统。
恒张力控制系统课程设计(附程序)
恒张力控制系统课程设计（附程序）单片机原理及应用课程设计项目名称: 恒张力控制系统姓名: 学院: 机电学院专业: 机械电子工程学号:目录摘要: .................................................................... ..................... 1 一(课程设计的要求、目的和意义 (2)1.1课程设计要求: (2)1.2课程设计的目的与意义: (2)二:总体方案的设计: (2)2.1外围系统设计: (2)2.2系统结构框图: (3)2.3工作原理介绍: ............................................................. 4 三:各单元硬件设计说明 (4)3.1单片机的选择: (4)3.2键盘与LED驱动芯片的选择: (6)3.3AD转换芯片的选择: (9)3.4DA转换芯片的选择: (10)3.5看门狗芯片的选择: (12)3.6注:..................................................................... ......... 14 四:软件设计与说明.. (14)五(程序 ..................................................................... .. (17)摘要:张力控制系统往往是张力传感器和张力控制器的一种系统集成，目前主要应用于冶金，造纸，薄膜，染整，织布，塑胶，线材等设备上，是一种实现恒张力或者锥度张力控制的自动控制系统，其作用主要是实现辊间的同步，收卷和放卷的均匀控制。
这种控制对机器的任何运行速度都必须保持有效，包括机器的加速、减速和匀速。
即使在紧急停车情况下，也应有能力保证被分切物不破损。
张力控制的稳定与否直接关系到分切产品的质量。
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第28卷第11期 2005年11月合肥工业大学学报(自然科学版)JOU RN AL O F HEF EI U N IV ERSIT Y O F T ECHN O L OG YVol.28No.11 Nov.2005 收稿日期:2005-06-27作者简介:韩 江(1963-),男,河南项城人,合肥工业大学教授,硕士生导师.慢走丝电火花线切割加工中恒张力控制系统设计韩 江, 陆荣峰, 祖日亘, 李良初(合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥 230009)摘 要:文章针对慢走丝电火花线切割加工中遇到的诸多难题,提出利用恒张力控制系统的解决方案,给出了完整的系统构成和软硬件平台。
该系统以单片机为核心,可自动控制伺服电机对线切割加工过程进行随动响应,实现恒张力控制;实验表明,该系统运行可靠,响应速度快,可以有效解决断丝问题和抑制电极丝的丝振幅值,并提高加工质量。
关键词:慢走丝电火花线切割;恒张力控制;单片机;伺服;断丝;丝振中图分类号:T P275 文献标识码:A 文章编号:1003-5060(2005)11-1389-04Design and application of the permanent tension control system used in LWEDMHAN Jiang , LU Rong -feng , ZU Yuan , LI Liang -chu(Sch ool of M achinery and Automobile Engineering ,Hefei U nivers ity of Technology,Hefei 230009,China)Abstract :In order to solv e the difficult pro blems in lo w -speed w ire-cutting electrical discharg e m achin-ing (LWEDM ),a new approach based o n the perm anent tension contr ol system is put for war d .T he structure and basic principle o f the sy stem,the key points of softw are desig n and the interfer ence pro-tection measures ar e described.By taking the single-chip computer as the core,this system can co n-tr ol the serv omoto r to respo nd to the mo vem ent of wire -cutting electrical discharge machining auto-matically so as to achieve perm anent tensio n co ntrol.T he system has o bv io us r eliability and goo d speed o f response.Through the contro l sy stem ,the problem of w ire br eak is so lved and the amplitude of w ire vibration reduced greatly,and high machining quality is obtained.Key words :low -speed w ire -cutting electr ical discharg e machining (LWEDM );per manent tensio n co n-tr ol;single-chip co mputer;servo;w ire break;w ir e vibr ation0 引 言经历半个世纪的研究和发展,电火花线切割机(WEDM )及其工艺技术[1]在超硬材料、复杂型面、精细表面、低刚度零件和模具等加工领域中已成为不可或缺的加工工艺方法和技术装备。
在电火花线切割加工中,放电是在0.1～0.3m m 直径的黄铜电极丝和工件之间进行的。
尽管它只适用于切割贯通形状,但其优势在于:(1)不需要制造成型电极;(2)成功的使用非可燃性水介质,而不是煤油;(3)与成型加工比较,电极损耗对加工精度影响不大。
此外,由于多次切割的精加工技术和先进的锥度切割技术的发展,线切割加工得到了广泛的应用。
慢走丝电火花线切割机(LWEDM)以其应用领域广泛、加工精度高及生产效益好等特点,在国内外制造业中占有较重要的地位。
但是,加工过程中断丝和丝振都是棘手的问题。
它们的出现不仅使工作停顿,还浪费了大量的工时,增加了操作者的劳动强度,并严重影响了加工工件的精度。
解决上述问题的方法就是加恒张力控制器,现有的张力控制器有弹力张力器和重力张力器。
它们虽然都对电极丝起张紧作用,但其响应速度太慢,张力并不能始终保持恒定,常发生断丝,这主要由它们的结构所决定的[2]。
因此,提高恒张力控制器的响应速度也是一个技术难点。
本文在查阅了国内外大量文献的基础上,结合自身的实验工作,从各个方面详细分析了慢走丝电火花线切割加工中发生断丝和丝振现象的主要原因,并在此基础上提出了利用恒张力控制系统的解决方案,给出了完整的系统构成和软硬件平台。
该系统以单片机为核心,可自动控制伺服电机对线切割加工过程进行随动响应,从而实现恒张力控制。
1 问题的提出在电火花线切割加工过程中,经常遇到断丝和丝振的现象,这严重影响了整个加工过程。
1.1 断丝与丝振的产生普通电极丝材料多为单一结构的黄铜丝。
慢走丝电火花线切割加工中,在电极丝强度极限下维持尽可能高而稳定的张力,可使加工时电极丝在放电爆炸力下保持最小的滞后弯曲,而又不会断丝。
合适的张力能有效减小丝的振动幅度,在加工过程中使丝保持稳定。
由于慢走丝电火花线切割加工工艺本身要求丝张力仅需在切割区域内,但在拉丝轮前的张力往往高于要求的张力,而且不均匀。
这是因为不单单是加载装置有作用力,从丝筒中拉出丝来,在导丝轮、导向轮和导电块上都有阻力,最后累加到拉丝轮上,如果该值接近电极丝的强度极限,就易在此处断丝。
断丝对走丝装置影响也很大,走丝装置及走丝方式不良会造成经常断丝。
国外知名慢走丝电火花线切割机制造商都精心设计自己的走丝装置,以减小对断丝的影响。
工件与上、下导丝嘴的距离不能太大,如果太大,导致丝在两导丝嘴的长度也加大,从而使丝的振动幅度加大,增加了断丝的可能性[3]。
此外,断丝还有很多其他因素,象工件的材质、电极丝移动速度、导电块、废丝处理和工作液状况都会造成断丝。
实验得到的电极丝丝振频谱[4],如图1所示。
f/Hz图1 电极丝丝振频谱由图1可看出,丝振主要集中在低频区域,后两个丝振尖峰为系统的二、三阶固有频率。
对线切割加工精度影响最大的主要是电极丝的低频振动(抖动),它主要是由导轮、丝架等低频振源引起的,而电极丝的高频振动只要不是共振,一般都是微幅的。
1.2 断丝与丝振对加工过程的影响断丝问题是影响加工质量和生产率的重要因素之一,同时电极丝张力不稳定,松弛的丝继续切割,抖动严重而造成短路断丝,被迫中断切割,严重地影响加工质量和生产率,增加了丝的消耗,造成经济损失,并且增加了工人的劳动强度。
线切割加工中,电极丝热伸长和放电损耗,使丝变细,丝的工作张力逐渐下降,如不能即时调整,丝的变形量必然加大。
弯曲变形的丝切割时体现在工件表面,从而形成工件的形状误差和平面度误差。
特别是加工锥度时,由于切割方向的变化,使丝忽松忽紧,严重影响切割锥度的功能。
若是采用多次切割加工精密模具,丝的张力不能调节,更是难以实现。
电火花加工的工件表面粗糙度,主要影响因1390 合肥工业大学学报(自然科学版)第28卷 素是电规准。
但当电规准确定后,电极丝抖动对表面粗糙度影响较大,而且切割条纹与丝的抖动有密切关系。
2 恒张力控制系统2.1 恒张力控制系统的要求(1)灵敏度要高。
当电极丝的张力大于或小于最佳张力时,应立即得到调整响应。
(2)稳定性要好。
在切割过程中不受或少受除张力变化以外的其他因素干扰,使电极丝能保持在最佳张力范围。
(3)结构要简单,使用维修方便。
2.2 恒张力控制系统的走丝装置图2为恒张力控制系统的走丝装置,电极丝在拉丝轮作用下,由丝筒出来,经过导丝轮2、3、4和张力检测轮,对上、下导丝嘴之间的工件进行电火花线切割加工。
传感器通过张力检测轮来获得电极丝的当前张力值,伺服电机则由单片机控制来调节导丝轮4。
在力矩控制方式下,伺服电机实际上对导丝轮4起阻尼作用。
上、下导丝嘴之间区域是电火花线切割加工的加工区域,要求工件与上、下导丝嘴尽量靠近,以减小电极丝在加工区域内的长度,从而达到抑制丝振幅度的目的。
1.丝筒 2、3、4.导丝轮 5.伺服电机 6.张力检测轮7.上导丝嘴 8.加工件 9.下导丝嘴 10.拉丝轮图2 恒张力控制系统的走丝装置2.3 恒张力控制系统的基本原理恒张力控制系统的基本原理,如图3所示。
由张力传感器测得的模拟信号经过放大电路的放大,输入至A /D 转换器进行转化,得到的数字信号进入单片机与PC 机给出的设定值进行比较处理,然后再经D /A 转换器来驱动伺服电机进行响应。
整个系统如图3形成一个全闭环,使得伺服电机有效的对张力变化进行随动变化,从而达到恒张力控制。
图3 系统原理图3 软件设计要点采集数据,得到当前张力值,将其与设定张力值比较,如果偏低,即当前张力小于设定值,则电机减小输出转矩;如果偏高,即当前张力大于设定值,则电机增大输出转矩。
电机转矩必须控制在设定转矩附近波动,波动范围不得超过一合理值。
主程序流程,如图4所示。
图4 主程序流程图在数据采样处理过程中,由于电火花加工环境中存在各种干扰,对采样数据采取防脉冲干扰复合滤波法[5]。
它不同于算术平均值法和中值滤波法,其中算术平均值法不易消除由于脉冲干扰而引起的采样偏差,而中值滤波法由于采样点数的限制,使其应用范围减小。
防脉冲干扰复合滤波法兼容了上面2种算法的优点,即先用中值滤波法滤除由于脉冲干扰而有偏差的采样值,再把剩下的采样值做算术平均。
1391 第11期韩 江,等:慢走丝电火花线切割加工中恒张力控制系统设计其原理可用下式表示:若x1≤x2≤…≤x N (N≥3)则Y=(x2+x3+…+x N-1)/(N-2) 此方法既可以去掉脉冲干扰,又可对采样值进行平滑处理。
在高、低速数据采集系统中,它都能消除干扰,提高数据处理质量。