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基于ＶＢ６.０的電解加工機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2016-11-16 來源：鹽城工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院作者：王福元張文寵禹斌

摘要：為實(shí)現(xiàn)電解加工機(jī)床自動控制，提高加工精度，針對復(fù)雜零件電解加工控制要求，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)。采用ＰＣ機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡和運(yùn)動控制卡等硬件實(shí)現(xiàn)集成控制，并采用ＶＢ６.０軟件平臺對主控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括軟件控制界面的設(shè)計(jì)、伺服驅(qū)動器參數(shù)的設(shè)置和單軸獨(dú)動、多軸聯(lián)動的控制程序設(shè)計(jì)，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用添加手動加工、自動加工和故障診斷等功能。最后，通過基于該控制系統(tǒng)軟件的加工實(shí)驗(yàn)，評估工具陰極的進(jìn)給定位精度和試件的加工質(zhì)量情況，以確保軟件運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：工具陰極的進(jìn)給定位精度能夠達(dá)到±０.００５ｍｍ，試件加工后的縫寬尺寸為０.２７８ｍｍ，滿足尺寸精要求，反映出控制系統(tǒng)可靠性高、穩(wěn)定性好。

關(guān)鍵詞： 電解加工；控制系統(tǒng)；可靠性；穩(wěn)定性

電解加工是一種通過電化學(xué)腐蝕去除工件表面材料的特種成型加工方法。電解加工以其加工速度快、表面質(zhì)量好、凡金屬都能加工、陰極無損耗、無宏觀切削力等優(yōu)點(diǎn)，在加工形狀復(fù)雜零件及型腔時有著巨大的優(yōu)勢，目前已廣泛應(yīng)用于葉片型面、炮管膛線、模具、特殊孔類、倒角去毛刺、拋光、鈦合金和高溫耐熱合金薄壁機(jī)匣等加工，并廣泛應(yīng)用于國防工業(yè)中［１－３］。２０世紀(jì)７０年代初，前蘇聯(lián)與西方一些發(fā)達(dá)國家開始了脈沖電流機(jī)制、機(jī)床加工控制系統(tǒng)的研究，使得脈沖電解加工機(jī)床逐漸用于實(shí)際加工中［４］，當(dāng)時一般采用繼電器或儀表作為電解加工控制系統(tǒng)的控制元件。近年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)在電解加工中將得到更高水平應(yīng)用，合肥工業(yè)大學(xué)開始將ＰＬＣ技術(shù)應(yīng)用于電解加工機(jī)床，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的一套電解加工機(jī)床ＰＬＣ控制系統(tǒng)［５］，實(shí)現(xiàn)了電解加工機(jī)床多功能穩(wěn)定運(yùn)行，但它在控制集成化、多軸聯(lián)動方面存在不足，有待進(jìn)一步研究。結(jié)合硬件及加工工藝要求，采用ＶＢ６.０對主控制系統(tǒng)軟件主要包括軟件控制界面、伺服驅(qū)動器參數(shù)和單軸獨(dú)動、多軸聯(lián)動控制程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，并根據(jù)操作人員的實(shí)際應(yīng)用加入了手動加工、自動加工和故障診斷等其他功能，并通過試件加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)控電解加工機(jī)床軟件控制系統(tǒng)的可靠性。

1.電解加工原理

電解加工主要利用電化學(xué)陽極溶解原理［６］。工作時，工件連接電源陽極，工具連接電源陰極，工具陰極向工件陽極進(jìn)給，保留一定間隙，讓具有合適壓力的電解液經(jīng)間隙流過，實(shí)現(xiàn)對工件的電化學(xué)腐蝕成形加工，溶解的切屑隨電解液一起流出，以達(dá)到電解加工目的。圖１為電解加工的原理圖［７］。

圖１　電解加工原理圖

２.電解加工機(jī)床主控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

目前，電解加工機(jī)床的控制系統(tǒng)主要分為４類：繼電器控制、簡易數(shù)控、ＰＬＣ控制以及微機(jī)控制［８］。文中以ＰＣ機(jī)、ＰＣＩ-８２６ＬＵ數(shù)據(jù)采集卡、ＰＩＳＯ-ＰＳ３００運(yùn)動控制卡以及相應(yīng)參數(shù)控制的方式實(shí)現(xiàn)集成控制。該控制系統(tǒng)包括如下子系統(tǒng)：運(yùn)動控制子系統(tǒng)、加工電源子系統(tǒng)、電解液輸送調(diào)節(jié)子系統(tǒng)。控制系統(tǒng)組成框圖如圖２所示。

圖２　控制系統(tǒng)硬件組成框圖

當(dāng)電解加工機(jī)床正常工作且控制系統(tǒng)正常運(yùn)行時，ＰＣ機(jī)直接通過通信端口與智能溫度控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并由智能溫度控制器根據(jù)溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)來控制加熱器是否運(yùn)行。作為系統(tǒng)的核心板卡，多功能數(shù)據(jù)采集卡ＰＣＩ-８２６ＬＵ采集大量來自加工過程中的實(shí)時數(shù)據(jù)，經(jīng)ＰＣ機(jī)中的控制軟件檢測并記錄實(shí)時數(shù)據(jù)后，進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，并反饋給相應(yīng)的控制元器件，有效保證了控制系統(tǒng)的集成控制。在整個加工運(yùn)動控制過程中，ＰＣ機(jī)通過智能控制軟件與ＰＩ-ＳＯ-ＰＳ３００運(yùn)動控制卡在進(jìn)行通信連接后，利用已配置的３個ＭＲ-Ｊ３-６０Ａ伺服驅(qū)動器，對機(jī)床的交流伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)對Ｘ、Ｙ、Ｚ軸的同步控制。同時，ＰＣＩ-８２６ＬＵ數(shù)據(jù)采集卡通過與之配套使用的ＤＢ-１６Ｒ型、ＤＢ-１６Ｐ型端子板和ＤＮ-３７導(dǎo)軌安裝接線板，完成相應(yīng)功能的數(shù)據(jù)采集和控制。

３.軟件開發(fā)平臺及其功能要求

３.１　基于ＶＢ６. ０的軟件設(shè)計(jì)

ＶＢ６. ０集成開發(fā)環(huán)境提供了設(shè)計(jì)、運(yùn)行和調(diào)試應(yīng)用程序的相關(guān)工具，用戶在使用過程中無需打開額外的程序就可以實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)、運(yùn)行和調(diào)試。ＶＢ擁有圖形用戶界面（ＧＵＩ）和快速應(yīng)用程序開發(fā)（ＲＡＤ）系統(tǒng)，可以使用ＤＡＯ、ＲＤＯ、ＡＤＯ連接數(shù)據(jù)庫和創(chuàng)建ＡｃｔｉｖｅＸ控件。通過自有組件快速建立一個支持多種數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序［９］。ＶＢ６.０具有開發(fā)周期短、功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)，同時也具有可視化的面向?qū)ο缶幊獭⑹录?qū)動的編程機(jī)制、結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)語言、支持ＤＤＥ、ＤＬＬ和ＯＬＥ、ＡｃｔｉｖｅＸ技術(shù)的特點(diǎn)［１０］，因此，選用ＶＢ６.０作為系統(tǒng)的軟件平臺。

３. ２　軟件體系功能要求

軟件實(shí)時監(jiān)測機(jī)床的電解加工機(jī)床系統(tǒng)、電解液系統(tǒng)、加工電源系統(tǒng)，有利于操作人員了解并掌握整個電解加工流程。因此，在設(shè)計(jì)軟件過程中應(yīng)盡可能保證軟件的功能集成特性，以下給出的是控制系統(tǒng)軟件需實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)功能：

（１）控制軟件可實(shí)現(xiàn)選擇、裝載和卸載加工程序代碼功能，并設(shè)按鈕控制（包括三軸運(yùn)動控制按鈕和設(shè)備開關(guān)按鈕等）。機(jī)床編程需嚴(yán)格規(guī)范，包括準(zhǔn)備功能Ｇ指令代碼、輔助功能Ｍ指令代碼、進(jìn)給功能Ｆ指令代碼和順序號Ｎ代碼等［１１］。

（２）數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測。在機(jī)床系統(tǒng)運(yùn)行時，對加工電壓、加工電流、電解液工作壓力（壓力顯示表）、電解液設(shè)定溫度和電解液測量溫度等進(jìn)行監(jiān)測。同時包括Ｘ、Ｙ、Ｚ軸運(yùn)動狀態(tài)及其運(yùn)動位置讀數(shù)顯示，便于操作人員手動操作三軸的運(yùn)行和及時鍵盤手動編輯對應(yīng)加工程序。

（３）手動加工。手動加工是電解和普通加工中常用加工方式，當(dāng)操作人員發(fā)現(xiàn)加工過程中用戶界面參數(shù)不合理變化時，可立即按下加工急停按鈕，以進(jìn)行設(shè)備故障排查。

（４）自動加工。操作人員設(shè)置完參數(shù)后，利用已設(shè)定參數(shù)（給液、上電位置和工具陰極進(jìn)給速度等）編寫加工程序，軟件自動控制電解加工機(jī)床的對刀、回退、加工和沖液等操作，實(shí)現(xiàn)自動加工功能。

（５）故障診斷。主控制系統(tǒng)中，通過采集、提取、融合信息的方式，實(shí)現(xiàn)電解加工過程的全方位檢測，提高了電解加工設(shè)備的可靠性和加工零件的復(fù)雜性。

４.控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

４.１　用戶界面設(shè)計(jì)

根據(jù)軟件體系要求及其功能，設(shè)計(jì)出了電解加工集成控制系統(tǒng)的用戶界面［１２］，如圖３所示。

圖３　控制系統(tǒng)用戶界面

４.２　伺服驅(qū)動器參數(shù)的設(shè)置

為保證控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要對部分元器件進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，其中伺服驅(qū)動器的參數(shù)設(shè)定更為重要。選用ＭＲ-Ｊ３-６０Ａ型號的伺服驅(qū)動器，大部分參數(shù)保持默認(rèn)設(shè)置，需修改參數(shù)如表１所示。

表１　修改的參數(shù)

４。３　控制系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

通過單軸運(yùn)動控制程序設(shè)計(jì)過渡到多軸聯(lián)動控制程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)軟件對電解加工機(jī)床的穩(wěn)定控制，圖４為機(jī)床運(yùn)動控制的程序設(shè)計(jì)框圖，其中圖（ａ）表示單軸運(yùn)動控制流程圖，圖（ｂ）表示多軸聯(lián)動控制流程圖。

圖４　機(jī)床運(yùn)動控制程序設(shè)計(jì)框圖

５.控制系統(tǒng)軟件調(diào)試及加工實(shí)驗(yàn)

為測試控制軟件的功能可靠性和控制加工精度，安排了剃須刀靜刀蓋加工實(shí)驗(yàn)。在加工過程中，選用ＯＰＴＥＸＦＡ公司生產(chǎn)ＣＤ５-Ｗ３５０型高精度激光位移傳感器和配套的高性能控制器（具有較高線性度）對控制系統(tǒng)工具陰極定位精度進(jìn)行測量，實(shí)驗(yàn)裝置如圖５所示。多次記錄工具陰極運(yùn)動１００ｍｍ時，對應(yīng)位置控制器讀數(shù)，如表２所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：軟件控制的工具陰極定位誤差在±０.００５ｍｍ以內(nèi)，滿足控制要求，可靠性高。

圖５　實(shí)驗(yàn)裝置

表２　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差分析表

在滿足工具陰極定位誤差后，設(shè)置不同電解液壓力、溫度和電導(dǎo)率，以及不同加工電壓和電流。采用控制變量法，保持其中４種參數(shù)不變，改變其中一種參數(shù)，觀察刀蓋縫寬變化，做對比實(shí)驗(yàn)，最終確定該零件的最佳加工參數(shù)［１３］。要求加工出的刀蓋縫寬基本尺寸為０.２７５ｍｍ，尺寸精度為±０.００５ｍｍ。圖６為加工出的剃須刀刀蓋，測得試件的縫寬為0.２７８ｍｍ，滿足尺寸精度要求，穩(wěn)定性好。

圖６　加工剃須刀靜刀蓋

６.結(jié)束語

控制系統(tǒng)軟件是數(shù)控電解加工機(jī)床的重要組成部分，其性能的優(yōu)越將直接影響產(chǎn)品加工的質(zhì)量。采用ＶＢ６.０開發(fā)電解加工機(jī)床控制系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互、自動控制和實(shí)時監(jiān)測等功能，并通過剃須刀靜刀蓋加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制系統(tǒng)軟件的可靠性和穩(wěn)定性，在保證加工精度的同時，提高了電解加工機(jī)床的自動程度，能滿足一些復(fù)雜零件的加工需求，有利于機(jī)械加工自動化的發(fā)展。

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