电火花线切割机床
摘要预设工件厚度的往复走丝电火花线切割机床的控制系统有其先天缺陷，会影响加工件精度和切割面粗糙度，这是因为大部分加工件的材质、形状和厚度不同， 其加工过程中会因阶梯突变、缓慢渐变等工况使切割厚度发生变化。研究显示，以Wire-CAXA控制系统模拟人类大脑，自动识别加工件的切割厚度和材质难度，实时动态调整加工状态，科学控制最佳放电频率、最优匹配工作台电机进给速度，是实现高精度加工的最佳解决方案。
经过不断的优化改进和长期的实践发展，往复走丝电火花线切割机床实现了多次切割工艺的广泛应用。目前国内市场上通用的该类机床，都是基于人工经验现场调试并确定后的加工工艺数据库控制加工精度，机床的整个加工过程是静态的，对同一加工件中不同材质、不同厚度的放电要求不能实时自动调节，导致部分工件切割面的加工精度和粗糙度达不到要求，需二次或多次加工修正，加工效率低下。针对此情况，需开发一个拥有多重切割工艺自适应能力的控制系统来替代机床操作人员的加工经验，尤其对不同材质、不同厚度的综合加工件实现一次加工成形。基于以上考虑，一种新型智能自适应采样控制系统 Wire-CAXA 应运而生。
01
Wire-CAXA智能化自适应采样控制系统
目前，常规的机床控制系统需依赖操作人员经验和静态数据库，不同人员操作同一台机床会产生不同的加工效果，对操作人员的经验值要求高，难以保证工艺过程的一致性，此外其控制系统通常还停留在基于DOS或低版本的Windows界面上。而 Wire-CAXA智能自适应采样控制系统，应用于Windows7或Windows10平台上，是真正意义上独立完整的NC控制系统，采用“PC电脑+NC控制”的综合模式进行加工。其中，PC端负责图形处理、编程和加工控制状态的显示，采用“中走丝”专用软件和“慢走丝”绘图处理软件来实现；NC端执行PC端的控制命令，并向PC端实时反馈执行情况，二者间采用232 串口进行通讯控制信号处理及ISO代码交换。
1.1 智能自适应采样分析技术智能自适应采样分析技术，能实时监测加工过程中的放电情况，模仿优秀操作人员的大脑，对放电状态做出预判并进行智能化调整，科学匹配放电状态和电机进给速度，从而实现稳定的高速加工，以达到生产效率的最优化。常规的往复走丝电火花线切割机床的控制系统，其加工采样进给速度的调整是根据电压信号反馈来实现，若钼丝和工件的间隙大、电压高，则进给速度快，反之则进给速度慢。该模式有个很大的缺点，即控制系统不知真实放电情况的趋向性，发生不稳定放电和短路的概率相对较高，故需一种更好的方法，可预先感知放电状态是否良好，使控制系统提前做出对应的处理，并减少放电过程中不稳定现象的发生。
电火花加工过程中的放电有三种波形：空载波形、正常放电波形和短路波形。在实践中发现，同一材料、不同高度的工件在正常稳定放电情况下，其空载波、有效放电波和短路波的波形比例不同且非常有序。根据该现象，创新性地提出了用放电波形来辅助采样的智能化自适应技术模型。对模型做如下假设：在持续放电过程中，若第1秒钟检测到的有效放电波占比为70%、 第2秒的占比为75%、第3秒的占比为80%，则可认定放电状态趋向良好，从而控制驱动电机加速、提高工作台的移动速度，反之则认为放电通道趋向恶劣，就会协调驱动电机降速，放慢工作台的移动速度；同时，通知高频电源增加放电停息时间（脉间），以达动态平衡，实现自适应控制进给速度和高效加工工况的科学匹配。
大量实践证明，应用该智能自适应采样分析技术，可实现加工参数稳定、加工厚度在35~150 mm的不同材料组成的综合加工件的加工。
1.2 微米级的全程动态实时测控全程动态实时测控采用光栅尺全行程实时监测工作台的运动，将定位精度提高至 2 ?滋m，并让 PC端发出的每一个控制信号在工作台上有真实的移动反馈，从而提高加工零件几何形状的精度等级。其工作原理为：首先，采用分辨率为1 μm的差分信号，每50 mm行程为一个绝对零位的光栅尺，监测和定位工作台的移动精度；然后，将光栅尺的信号反馈到控制驱动系统的实时闭环回路，在光栅尺、控制系统、电机驱动器之间建立高效的信息沟通（图 1）。
图1 光栅尺全行程闭环监测原理图
1.3 远程维护和自我诊断用总线技术构建机床的神经元网络，可进行远程维护和自我诊断。工作人员可设定电机转动360°的信号个数（丝杠导程），清楚了解每一根轴驱动器的工作状态，如电压、温度、电流、电机运动方向和通信速率等各种参数。一旦出现问题，机器会自行诊断，PC 端显示屏出现故障诊断提示界面，报告原因所在。维护人员可远程快速发现问题，及时进行维护或通知厂家进行售后支持，无需现场逐一测试机床元器件。
1.4 加工数据自动记录机床采用Wire-CAXA智能自适应采样控制系统后，所有在机床上加工过的零件代码和机床参数自动添加至加工数据库，以后可按日期或图号进行检索，方便调用、查询或打印。系统还自动留存了每一台机床的操作日志和用户管理数据，方便企业管理人员进行动态检查和考核。操作日志内容不但涉及加工数据记录，还可根据准确的“3W”数据（Who，When，What），清楚知道什么时间加工了何种工件、谁是操作人员、谁是管理人员，还可动态追踪各操作人员的工作状态、零件加工过程和加工数量，快速提高现场管理效率、降低管理成本。
1.5 支持远程升级软件系统不仅适用于三相六拍和五相十拍的电机类型，还可用于直流混合步进伺服电机和交流伺服电机。同时，系统支持大数据远程控制，PC端可直接联网发送、接收远程文件包，即时更新驱动程序、高频软件和数据显示软件等控制软件，动态应用最新技术，提高加工效率与经济效益。
02
高性能的纳秒级高频电源
2.1 设计思想为配合 Wire-CAXA 控制系统工作，采用新一代高性能纳秒级高频电源，脉宽范围为0.1~127 μs。新一代高频电源的设计思想来源于用户，要求加工速度快、钼丝损耗小、工件表面粗糙度好，另外在自动化程度越来越高的当下，简单易用也成为附加要求。但用户的要求本身是矛盾结合体：若要加工速度快，必然要加大工作电流，钼丝损耗随之增加甚至断丝，同时切割面的粗糙度也会变差；若要工件表面粗糙度好，则加工速度受限，且由于脉宽小，钼丝损耗会加大。上述各因素相互制约、难以兼顾，为此需要：① 寻求一种途径来调和此矛盾；② 寻找各种参数匹配的最佳点；③ 由于寻找最佳点的过程过于漫长，新一代高频电源应具有“弹性”，便于随时修正。
2.2 解决方案2.2.1 提高加工速度
基于能量守恒，要提高加工速度，必须提高峰值电流。为提高峰值电流，可使用三相整流或直流电源供电，以减少内阻；同时，使用优质滤波电容，减少交流阻抗。因此，采用高速大功率的IGBT管或多个高速MOS管，以加大高频开关的容量；同时，通过程序控制，在工况合适的情况下，加快放电频率，实现加快切割速度的目标。
2.2.2 减少钼丝损耗
由于加大工作电流，钼丝损耗随之增加；为减小钼丝损耗，必须对放电波形进行精准控制。就普通高频电源而言，放电时的波形前沿陡峭，形成过冲，后沿有负过冲，并且整个波形有严重的振铃现象。理想的加工放电波形是前沿平缓、后沿陡峭且光滑无振铃。
一般情况下，调整波形的方法是采用无感元器件。资料显示，采用有感电阻有利于波形平缓，但在实际使用中，采用有感电阻的电路，其电感量会产生震荡，使波形难以控制。为此采用了“电阻+电容”的端接阻尼解决方案，以减少反射现象并平滑波形，最终使波形前沿的尖峰消失；为实现陡峭的下降沿波形，在波形的后沿采用MOS管导通，将电容放电，避免电解。但需注意主功率管和MOS管不可同时导通，要留足够的死区， 否则会加速MOS管的损耗。
为防止断丝，需对放电工况进行实时监控。发生短路、不稳定放电等异常情况时，能立即反馈控制系统，以便协调处理；放电正常时，又能合理提高放电频率。因此，必须采用大容量、高速的CPU芯片， 以监控放电间隙电压并及时发送指令。
2.2.3 改善表面粗糙度
改善加工件的表面粗糙度，首先需避免工件表面的烧伤和积屑，其次是减小放电凹坑的尺寸。为避免工件表面的烧伤和积屑，需设定放电时的最小间隔，实际加工时，决不能低于该值；加工效率非常高的情况下，易出现积屑和工件变色，此时必须要积极改善排屑，并结合实际加工结果，调校最小间隔的设定值。
在同样脉宽放电的情况下，采用多个小功率管并联，可显著改善工件的表面粗糙度。为便于调节粗糙度，设备需脉宽可调且最小脉宽足够小。目前采用的脉宽是100 ns，且放电的峰值电流有四档可调。另外，放电波形的后沿陡峭可有效减小电解，使工件的变质层符合要求。
2.3 放电回路根据上述设计思路和解决方案，形成了新一代的纳秒级高频电源的放电回路，但该回路为漏极输出，与常规的线切割高频电源有着极大的不同。采用该模式的设计目的，是尽最大可能提高电源的峰值电流，功放管源极采用的是浮动方式。为使波形上升沿平缓，使用“电阻+电容”阻尼进行控制；为使下降沿陡峭，使用MOS管让电容放电，防止电解。在高端的地电位采用浮动方式的情况下，分别对加工信号的高端信号源和低端信号源进行隔离，最大程度上实现了理想的放电通道。
2.4 控制回路仅有放电回路远远不够，还应有控制回路予以匹配，高频电源方可正常工作。在高频被允许时，由信号产生火花脉冲，经功放推动管的脉冲，再由功放管产生加工脉冲，不断测量加工放电通道的间隙电压值，以此来控制放电脉冲的产生，从而形成一个电子的闭环控制回路。峰值调节则直接作用于放电回路。
2.5 最终成品经过以上各种设计方案和新的控制理论组合，开发了最新一代的纳秒级高频电源，其内核为：① 在两大回路的基础上，生产标准化的硬件电路结构，并预留足够的通讯接口；② 应用32位多核 CPU运算，形成一个可编程的高频电源；③ 通过代码的改变，支持纯水加工，也可应用于电火花小孔加工机床上。
基于设计思想，还开展了大量的实践来进行检验。大量加工实践证明：新一代的纳秒级高频电源在一般工况下，可稳定实现厚度为 50 mm的工件、在3刀（“切一修二”）加工后， 工件表面粗糙度值在Ra0.7 μm以下（第三刀的放电脉宽为300 ns）；在“切一修四”的情况下（第五刀脉宽100 ns），工件表面粗糙度值在Ra0.5 μm以下。但这一数据在实际应用中的使用价值并不高，因为实际应用中只要能把工件表面粗糙度稳定在Ra0.8 μm以下就算是表现优秀的往复走丝电火花线切割机床。经最新一代纳秒级高频电源加工后，厚度为100 mm的加工件，纵向实测的表面粗糙度值为 Ra0.659 μm，横向实测的表面粗糙度值为 Ra0.732 μm（图 2）。
图2 “切一修二”加工面实测数据
02
高精度的工作台驱动
新一代具有高速切割、高表面质量加工性能的往复走丝电火花线切割机床，不仅要有Wire-CAXA智能化的自适应采样控制系统、高性能的纳秒级高频电源，还要有高精度的工作台驱动与之对应。
由于纳秒级的高频电源放电脉宽小于 1 μs，因此，必须要求工作台能精准控制钼丝和工件之间的间隙。在整个加工过程中，钼丝几乎紧贴加工件且要一直保持该状态，这对工作台的运动精度提出了更高要求，而工作台的运动精度取决于驱动电机。
为提高工作台的运动精度，一般情况下，厂家采用交流伺服电机来驱动。电机后面同轴带了360°的角度传感器（编码器），编码器等分数越多，电机自转360°的角度定位精度越高；但编码器只能保证电机自身的旋转精度，无法保证工作台的直线运动精度，更无法实现最小单元为 2 μm的有效进给。加上交流伺服电机自身有先天缺陷：一是其在零速度时没有扭矩保持，正转和反转之间有震荡；二是其对信号反馈有迟滞效应，因此在高精度、低速度、微进给的工作状态下，其驱动性能极弱，甚至跟不上普通的反应式步进电机的性能表现。
为解决这一问题，创新采用了五相混合步进伺服电机加配光栅尺全行程闭环的驱动模式。混合伺服电机是步进电机领域的一项创新，其本身是步进电机，但增加了位置反馈器件（光电编码器或光栅尺），并采用伺服电机的控制方法，形成了良好的闭环控制系统（图 3）。
图3 混合伺服电机工作原理
该模式通过伺服技术提高了步进电机的高速性能，创造出了具有优异性能且符合线切割机床的全天候应用工况环境下的驱动电机，同时还具有以下优点：① 精准的位置及速度控制，能满足苛刻的工作要求；② 高鲁棒性的伺服控制，可适应惯性负载和摩擦负载的变化；③ 内置高分辨率编码器，提供了精确的位置精度、最小定位的位置差；④ 在全伺服模式下运行，电机的力矩可100%加以利用。
03
结束语
在科学技术日新月异的今天，往复走丝电火花线切割机床作为相对历史长久的电加工行业中的一个细分领域，其技术的进步和发展已落后于时代的发展。随着人工成本的大幅提高和计算机技术的广泛应用，必须要有最新一代智能化的往复走丝电火花线切割机床出现。本文紧跟该类机床的发展趋势，对具备高速切割、高表面质量加工性能的智能化往复电火花线切割机床进行了研究，不但配有智能化的自适应采样控制系统 Wire-CAXA、高性能的纳秒级高频电源，还有高精度的工作台移动来与之对应，为该类机床的发展提供了参考。
作 者：潘伯郁
来 源：《电加工与模具》2020年第6期
原 文：《往复走丝电火花线切割机床智能自适应采样控制系统和纳秒级高频电源的研发及应用》
编 辑：吴 悦
审 核：王 应、徐均良
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