微细线切割往复走丝机构的设计及控制系统的研究

论文摘要

张力控制是许多工业生产过程控制中的一个重要的组成环节,它对提高产品质量起着至关重要的作用,也是衡量微细线切割机床性能的一项重要指标。在电火花线切割加工过程中,由于电极丝受到不同外力的影响,其张力很难保持一定。电极丝张力的变化所引起的电极丝的振动是导致加工精度和加工表面质量的恶化的一个重要原因,所以为了减小电极丝的振动而对其进行恒速恒张力控制有重要意义。本文对哈尔滨工业大学自主研发的微细电火花线切割加工装置进行了一系列研究,查阅大量国内外相关文献,在对电极丝恒速恒张力的工作原理进行分析和研究基础上,采用ADAMS多体动力学分析软件对现有微细线切割往复走丝机构进行仿真,研究在电机换向过程中通过改变放电力的大小及其数学函数观察电极丝的张力变化情况。之后分别通过在ADAMS环境下和ADAMS与Matlab/Simulink的联合控制建立带有张力反馈功能的控制系统。闭环控制输入为预设张力值,通过与实际张力值比较作差后经PID调节放大控制施加在重物块上的受控力进而控制整个系统模型的运动使其达到或接近理想状态。其次对恒张力走丝系统提出改进方案。通过对现有的微细走丝线切割机床使用重锤式恒张力机构存在一系列缺点的分析,在此基础上研究一种能够实现调节电极丝张力的双贮丝筒恒张力控制装置。该控制装置能够克服重锤式恒张力机构的缺点,实现从机械式张力控制到电气式张力控制。之后分别通过在ADAMS环境下和ADAMS与Matlab/Simulink的联合控制建立带有张力反馈功能的控制系统。闭环控制输入为预设张力值,通过与实际张力值比较作差后经PID调节放大控制施加在电机上的受控力矩进而控制整个系统运动使其达到或接近理想状态。最后通过对双贮丝筒走丝机构与原张力走丝系统的对比,得出在原有走丝系统的基础上提出的改进方案张力波动幅度更小而且各段电极丝张力分布较为均匀。新的恒张力走丝系统能对张力的大小进行实时的精确的控制,避免了张力大小不合适带来的断丝或电极丝弯曲从而提高加工精度,为今后实验装置的改进提供了理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 低速走丝电火花线切割加工的发展现状
• 1.2.1 国外发展现状
• 1.2.2 国内发展现状
• 1.3 微细电火花线切割加工技术研究现状
• 1.4 微细线切割加工及走丝系统发展现状及趋势
• 1.5 课题研究的目的及意义
• 1.6 课题研究的内容
• 第2章 重锤式走丝机构的ADAMS 建模与运动仿真
• 2.1 微细电火花线切割加工装置简介
• 2.2 重锤式张力控制走丝机构电极丝的ADAMS 建模
• 2.3 建立完整的机构图并进行动力学仿真分析
• 2.3.1 电极丝编号示意图
• 2.3.2 贮丝筒换向过程中的驱动电机函数及转速图
• 2.4 动力学仿真前的ADAMS 求解器算法的选择
• 2.5 建立张力反馈控制系统后各段电极丝的速度和张力图象
• 2.5.1 在ADAMS/View 中建立控制系统
• 2.5.2 ADAMS 和Matlab 的联合控制
• 2.6 有反馈张力控制系统与无反馈张力控制系统的对比分析
• 2.7 贮丝筒的驱动电机未换向的驱动函数及转速图
• 2.8 本章小结
• 第3章 恒张力走丝系统的改进方案
• 3.1 恒张力走丝系统
• 3.2 现有微细电火花线切割加工装置的优点及不足
• 3.3 双贮丝筒可调电极丝恒张力控制装置
• 3.3.1 双贮丝筒可调电极丝恒张力控制原理
• 3.3.2 双贮丝筒可调电极丝恒张力控制装置
• 3.4 张力产生机理及力学模型
• 3.5 电极丝张力的调整
• 3.6 本章小结
• 第4章 改进恒张力走丝系统的的运动仿真与控制
• 4.1 在ADAMS 下建立改进恒张力走丝系统的模型
• 4.2 电机换向时张力反馈控制原理图和模型图
• 4.3 在ADAMS/View 中建立控制系统
• 4.3.1 电机转速差为0.16r/min 时的仿真分析
• 4.3.2 电机转速差为0.016r/min 时的仿真分析
• 4.4 ADAMS 和Matlab 的联合控制
• 4.5 张力反馈控制系统的实验分析
• 4.6 电机未换向时的张力和速度变化
• 4.6.1 电机转速差为0.016r/min 时的仿真分析
• 4.6.2 电机转速差为0.16r/min 时的仿真分析
• 4.7 现有走丝机构实验及分析
• 4.7.1 V 型块的间距调整对加工工件表面粗糙度的影响
• 4.7.2 张力控制机构的调整对加工工件表面粗糙度的影响
• 4.7.3 现有单筒系统张力控制机构的改进设计
• 4.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢