面向线切割机床往复走丝型动态误差补偿技术的研究

面向线切割机床（往复走丝型）动态误差补偿技术的研究
王永韦，雷玉勇，郭宗环，陈林
（西华大学机械工程与自动化学院，四川成都610039）
来稿日期：2012-03-14
基金项目：四川省教育厅项目资助（09ZZ030/09ZB085/09ZA116）
作者简介：王永韦，（1986-），男，河北石家庄人硕士研究生，主要研究方向：水射流特种加工技术；雷玉勇，（1962-），男，四川盐亭人，教授，工学博士，主要从事水射流技术及特殊精密加工研究
1引言
电火花线切割加工过程中不仅需要控制线切割的工艺参数（如脉冲宽度、脉冲间隙、开路电压、放电波形等），同时还需要控制工作台在平面的运动轨迹，使得电极丝保持较高的位置精度。

因此，线切割加工工件的质量受机床的加工工艺参数、数控系统、机床特性等多个因素的影响。

而两轴联动的定位精度是影响工件加工质量的关键因素。

对于现有的线切割机床，数控系统的性能决定了机床的加工精度和加工质量。

在现代化工业生产过程中，交流伺服控制系统广泛应用于实际加工制造生产中，是数控机床重要的组成部分。

伺服系统可以说是是数控系统和机床之间的“纽带”。

而伺服系统的性能直接关系到整台机床加工工件时的稳定性，工作精度，机床的动态响应等。

电火花线切割机床（往复走丝型）加工工件过程中，特别是在加工较复杂的图形时，伺服系统一直处在不断的加速减速状态，误差累积扩大，进而影响到被加工件的切割质量。

因此，为保证其进行精密加工，电火花线切割机床（往复走丝型）伺服轴精确跟踪指令的能力发挥着非常重要的作用。

随着我国工业向高技术
产业、高精度装备制造业等方向的飞速发展，先前的伺服控制系统已经很难满足当今工业生产的需求。

开环控制系统逐步淘汰，用闭环控制弥补开环控制的不足，成为当前新型数控机床的主要发展方向。

设计了一套基于MPC2810运动控制器的开放式数控系统，利用MPC2810运动控制器的误差补偿功能，对工作平台的定位误差进行实时的误差补偿，使得工作平台获得较高的定位精度，从而满足电火花线切割精密加工的要求。

2MPC2810运动控制器
MPC2810运动控制器是由乐创自动化技术有限公司自主研发生产的运动控制器，其基于PC 机，一卡可以控制四轴的步进电机或伺服（数字式）电机。

多于四轴的运动控制系统利用多卡可共同开发。

MPC2810运动控制器主机为IBM-PC 及其兼容机，上位控制单元由基于PCI 总线的步进电机或伺服（数字式）电机组成。

其控制结构为：PC 机主要完成人机交互界面的管理，实时进行监控；MPC2810运动控制器则完成运动控制的所有细节，例如圆弧和直线的插补、自动升降速的处理、脉冲和方向信号的输出等信号的检测。

MPC2810运动控制器配备功能强大，可以轻松地
摘
要：为了提高电火花线切割机床（往复走丝型）的加工精度与表面质量，缩小往复走丝型和单向走丝型机床之间在零
件加工精度和加工表面质量的差异，消除由于工作台运动时轴定位引起的加工误差所形成的误差，设计了一套基于MPC2810运动控制器的控制系统。

利用MPC2810运动控制器对交流伺服电机进行速度环的半闭环控制，位置环的全闭环控制，使得伺服系统获得较高的定位精度，满足电火花线切割加工的要求。

利用MPC2810的软件补偿功能，在不改造机床硬件设备的情况下，使得电火花线切割机床（往复走丝型）加工精度和加工质量明显提高。

关键词：电火花线切割；交流伺服；MPC2810；误差补偿中图分类号：TH16；TG484
文献标识码：A
文章编号：1001-3997（2013）01-0237-03
Study on Error Dynamic Compensation Technology for CS-WEDM
WANG Yong-wei ，LEI Yu-yong ，GUO Zong-huan ，CHEN Lin
（School of Mechanical Engineering &Automation ，Xihua University ，Sichuan Chengdu 610039，China ）
Abstract ：In order to improve the accuracy of machining parts and surface quality by CS-WEDM ，and reduce the reciprocating wire type and unidirectional traveling wire type difference between the wire-type machine tools in the machining accuracy and surface quality ，and eliminate machining errors due to position accuracy of linkage axis ，a control system based on MPC2810motion controller was designed.A stepper servo system with speed semi -closed loop and position with closed loop was controlled using the positioning error compensation function of MPC2810.Consequently the servo system with higher positioning accuracy was obtained.It meets the requirements of CS-WEDM precision processing.The experiments show that the positioning accuracy of servo system is effectively improved using MPC2810software compensation function.Further more the accuracy and surface quality of machining parts by CS-WEDM is also improved.Key Words ：WEDM ；Servo System ；MPC2810；Error Compensation
Machinery Design ＆Manufacture
机械设计与制造
第1期
2013年1月
237
开发出各种运动控制系统。

它提供了批处理运动、立即运动两种运动模式。

MPC2810运动控制器提供了误差补偿的功能，具有位置比较输出功能，可以进行丝杠补偿、间隙误差补偿等来提高电机定位精度。

通过接口函数，MPC2810运动控制器接受来自数据采集卡反馈的工作平台的位置与理想的位置进行比较，决定误差补偿值，在伺服周期内并将误差补偿值加到X/Y步进电机上执行[1-2]。

3基于MPC2810控制器的全闭环交流伺服的控制系统
系统为一种X-Y轴全闭环交流伺服运动控制系统。

系统由四个部分组成，如图1所示：（1）包括工控机和MPC2810运动控制卡，组成为上位控制单元；（2）执行机构由X/Y轴步进电机伺服驱动器和X/Y轴步进电机组成；（3）负载部分为X-Y轴滚珠丝杠平台；（4）光栅尺和数据采集卡组成直线位移检测装置作为闭环反馈部分。

同时利用VC++编程实现对伺服电机高速、高精度的控制。

控制系统为内外“双管齐下”，即为双环结构。

内环主要是负责电火花线切割（往复走丝型）机床的稳定性，对外能抗干扰性，保证电机正常的工作。

外环主要负责提高机床的控制精度，二轴工作台采用了步进伺服电机作驱动单元直接驱动滚珠丝杠，同时采用了带螺距补偿功能的全闭环控制，可以利用数控系统对机床的定位精度误差进行补偿和修正。

在保证精度的前提下，减小因长期使用而导致的加工精度下降，延长机床的使用寿命。

内环是确保X/Y轴步进电机伺服驱动器准确接收伺服电机的编码器反馈信号，能够实现对X/Y轴步进电机的实时控制。

外环是通过光栅尺采集机床两轴工作平台的位移信号量，利用数据采集卡反馈给工控机。

使用的光栅尺为直线增量式光栅尺。

增量式的光栅尺是通过周期性的光栅刻线来进行测量的，利用计算自某点开始的增量数（测量步距）得到位置信息的。

基于MPC2810运动控制器的开放式交流伺服运动控制系统，具有模块化，智能化，柔性化的特点。

其优势是可以消除机械传动上存有的间隙（如丝杠间隙），补偿机械传动部件的制造误差（如丝杠螺距误差），钼丝的损耗等，从而实现真正意义上的全闭环位置控制，获得比较高的定位精度，满足电火花线切割精密加工的要求[3]。

PCI
Mpc2810
工控机
数据采集卡二轴工作台
X/Y轴步进伺服电机驱动器
X/Y轴步
进电机
滚珠丝杠
光栅尺编码器
图1基于MPc2810运动控制器的全闭环系统结构图
Fig.1The Structure of the Full-closed Servo Loop System
4线切割机床工作原理及误差检测电火花线切割精密加工机床的工作原理，如图2所示。

脉冲电源发出一系列的脉冲电压，加在工件电极和钼丝电极上。

钼丝和工件之间射入具有绝缘性能的工作液。

当钼丝与工件之间的距离小到一定程度时，由于脉冲电压的作用，工作液被击穿，钼丝与工件之间形成瞬间放电作用，产生短暂高温，使得工件局部熔化以及汽化而被蚀除下来。

在步进电机的驱动下工作台带动工件不断进给，切割出所需求的形状。

机床工作平台为二轴结构，即X、Y，分别代表工作平台的2个运动轴。

对于两轴闭环式系统误差检测装置，如图3所示。

工控机通过Mpc2810运动控制器发出运动指令后，伺服电机带动二轴工作平台上的标尺（精度：1um）移动：通过光栅尺反馈位置进行全闭环控制。

完成定位后，从带有放大装置的读数头上读取位置数值。

在测试试验中，根据工作平台的行程大小，设定了4个检测点，对X轴进行往复运动来检测，然后进行数据处理。

数控装置电脉冲信号
X向
贮丝筒导轮钼丝工件切割台脉冲电源
Y向
丝杠步进
电机
绝缘块
图2电火花线切割机床工作原理
Fig.2The Working Principle of WEDM
伺服电机
二轴工作台
读数头
标尺
图3误差检测装置示意图
Fig3The Error Detection Pciture of CS-WEDM
经过对数据的处理，如表1所示。

可得一下结果：
反向误差：0.1um
重合定位精度：3.5um
综合定位精度：9.8um
表１电火花线切割定位误差检测值
Ｔａｂ．１ＴｈｅＣｕｔｔｉｎｇＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＥｒｒｏｒＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
ＶａｌｕｅｓｏｆＷＥＤＭＢａｓｅｄ
检测点1234
工作台位置（μm）048.1596.24144.45
工作台位移（mm）048.1548.0948.21方向上下上下上下上下
10.0-0.3-5.2-7.3-4.5-4.0 1.2 1.1
20.00.7-5.6-7.5-4.3-3.5 1.3 1.4
3-0.5 1.0-4.3-5.2-3.6-4.80.50.3
4 1.2 1.4-2.3-6.7-2.9--3.10.80.7 5电火花线切割机床（往复走丝型）的动态综合误差补偿方案
电火花线切割机床（往复走丝型）加工误差受到很多因素的影响，如工作台运动误差、电极丝定位误差、电极丝损耗及补偿、机床的制造精度、加工中工作液导电率的变化、加工环境的温度变化、加工特性（如运丝速度快、振源比较多、导轮磨损大）等因素
第1期
王永韦等：面向线切割机床（往复走丝型）动态误差补偿技术的研究238
影响等。

为了保证电火花线切割机床（往复走丝型）适应高精密加工的要求，除了对工作台运动误差补偿外，还需对电火花线切割机床（往复走丝型）所形成的复杂的综合误差进行补偿的技术开展系统深入的研究，在此基础上开发出嵌入式综合误差动态补偿系统，采用工业PC 机构成一体化的嵌入式式编程控制系统，结合工艺数据库，系统能提供最佳加工条件，以达到高速加工、保证质量、简化操作的目的，满足加工工件的需要，从而扩大适应范围，如图4所示。

工作台运动
误差及补偿电极丝定位误差及补偿电极丝损耗误差及补偿其他误差及补偿
单项误差补偿的监测、识别与校正
综合误差及补偿
单项误差的监测
开放式数控系统
综合误差的检
执
行机构
计
算机
图4电火花线切割机床（往复走丝型）综合误差动态补偿系统
Fig.4The comprehensive error dynamic compensation of CS-WEDM
6误差补偿效果
通过实验对电火花线切割机床（往复走丝型）的综合误差误差进行检测，结果显示采用基于MPC2810运动控制器的开放式数控系统后：达到了误差补偿效果，使得在不改造机床硬件设备的情况下，电火花线切割机床（往复走丝型）加工精度和加工质量明显提高，实现多次、精密切割。

低价格、低运行成本：价格在慢走丝的五分之一以内，使用成本约为慢走丝的8%。

缩小往复走丝型和单向走丝型机床之间在零件加工精度和加工表面质量的差异。

参考文献
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乐创自动化技术有限公司，2006.
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机械设计与制造
No.1Ｊａｎ．２０１３
239。