（機械制造及其自動化專業(yè)論文）elid磨削用砂輪的電火花整形控制研究.pdf

中文摘要 隨著硬脆材料特別是高溫陶瓷材料的廣泛應用，各種超精密加工方法得到了 迅速發(fā)展。e l i d 密削是實用性較強的方法之一，該技術將砂輪修整與磨削過程 結合在一起，利用金屬基砂輪的微量磨削作用進行磨削加工的同時，使用非線性 電解作焉對砂輪進行修整，從而避免砂輪的鈍化和堵塞現(xiàn)象，實現(xiàn)對硬脆材料艙 精密磨削。對磨削的效果和效率有著重要影響的砂輪表面形狀要求在磨削前對砂 輪進行精密整形。在金屬結合劑金剛石砂輪由于其爨身的特點使得傳統(tǒng)的整形方 式效果不佳的情況下，電火花精密整形成為整形金屬基砂輪的重要技術。由于眾 多因素的影響，普通電火花整形砂輪系統(tǒng)容易出現(xiàn)砂輪圓度誤差惡化及整形效率 較低等闖題。本文建立了基于模糊控素l 理論的電火藐整形計算桃閉環(huán)控制系統(tǒng)， 提高了整形砂輪的效率和整形精度。 本文首先利用l a b v i e w 語言和數(shù)據(jù)采集卡建立了能夠采集實時信號特征的 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，同時構建了能夠?qū)崿F(xiàn)電壓控制的數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)。通過對采集到的 整形過程中放電電流、放電電壓信號的分析，使用四種不同的分析原理對單個脈 沖的放電狀態(tài)進行了分類和鑒別。通過實驗，利用鑒別程序提敬能夠表征整形過 程加工狀態(tài)的參數(shù)：連續(xù)放電系數(shù)和不正常放電率，建立加工狀態(tài)表征參數(shù)和電 極間隙調(diào)整量之間的關系，將其作為控制規(guī)則。實驗中先對放電過程的放電電流 進行鑒別以提取加工狀態(tài)表征參數(shù)，而后使用模糊控制理論，利用控制規(guī)則進行 模糊推理，計算電極間隙調(diào)整量，通過計算機輸出控制電壓驅(qū)動執(zhí)行裝置調(diào)節(jié)電 極間隙，從兩建立了電火花整形閉環(huán)控制系統(tǒng)。實驗結果證明，與普通電火花整 形系統(tǒng)相比，本文研制的基于模糊控制的電火花整形系統(tǒng)保證了砂輪整形過程中 的穩(wěn)定性，提高了砂輪整形的效率，并且改善了砂輪表瑟的形狀精度。 關鍵詞：e l i d 磨削；鑄鐵基金剛石砂輪；電火花整形；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；數(shù)據(jù)輸 出系統(tǒng)；模糊控制系統(tǒng) a b s t r a c t 磁盤t h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fh a r da n db r i t t l em a t e r i a l s ，e s p e c i a l l yt h e c e r a m i cm a t e r i a l ，k i n d so fu l t r a - p r e c i s i o nm a c h i n i n gm e t h o d sg e td e v e l o p e dr a p i d l y e l i dg r i n d i n gi so n eo ft h em e t h o d sw h i c hh a v ep r a c t i c a la p p l i c a t i o ng r i n d i n g t e c h n o l o g y t h et e c h n i q u ec o m b i n e st h ed r e s s i n go fg r i n d i n gw h e e l sw i t ht h eg r i n d i n g p r o c e s s i nt h ep r o c e s so fg r i n d i n g 誚也t h em i n u t ec u t t i n gw i t hg r i n d i n gw h e e l s ，t h e w h e e l sa r ea l s ob e i n gd r e s s e db yt h en o n l i n e a re l e c t r o l y s i s t h u s ，t h ep h e n o m e n ao f p a s s i v a t i o na n do b s t r u c t i o na r ea v o i d e da n dt h ep r e c i s i o ng r i n d i n go fh a r da n db r i t t l e m a t e r i a l si sa c h i e v e d 。t h eg r i n d i n gw h e e ls u r f a c e f i g u r ew h i c hh a si m p o r t a n t i n f l u e n c et ot h eg r i n d i n ge f f e c ta n de f f i c i e n c yd e m a n d sp r e c i s i o nt r u i n g b e c a u s ei ti s d i f f i c u l tt oi m p r o v em e t a l - b o n d e dw h e e l sf i g u r eu s i n gc o n v e n t i o n a l 孰i n gm e t h o d s ， s oe dt r u i n gt e c h n i q u eh a sb e e nd e v e l o p e d i ti su s u a lf o rt h ec o m m o ne dt r u i n g s y s t e mt oh a v et h ep r o b l e ml i k eb a df i g u r ea n dl o we f f i c i e n c yb e c a u s eo fm a n y i n f e c t s 。b a s e do i lt h ef u z z y - c o n t r o lt h e o r y , o n ec o m p u t e r - c o n t r o le dt r u i n gs y s t e m h a sb e e ns e tu p t h ee x p e r i m e n t sp r o v et h a tt h i s s y s t e mc a ni m p r o v et h et r u i n g e f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o no b v i o u s l y f i r s t , o n ed a t a - a c q u i s i t i o ns y s t e mh a sb e e ns e tu pt og e tt h ep r o c e s sp a r a m e t e r s a n ds i g n a l sb a s e do nl a b v i e ws o f t w a r ea n dd a qc a r d o n ed a t a - o u t p u ts y s t e mi s b u i l tt oc a r r yo u tv o l t a g e - c o n t r 0 1 t h e nt h ed i s c h a r g ev o l t a g ea n dc u r r e n ti nt h ee d t r u i n gp r o c e s sh a sb e e na n a l y z e da n dt h ed i s c h a r g es t a t u sh a sb e e nc l a s s i f i e da n d d i s t i n g u i s h e du s i n gf o u rd i f f e r e n tm e t h o d s i nt h ee x p e r i m e n t , t w op a r a m e t e r sw h i c h c o u l ds t a n d i n gf o rt h ed i s c h a r g es t a t u e ，c o n t i n u ed i s c h a r g ec o e f f i c i e n ta n dd e v i a n t d i s c h a r g er a t e ，h a sb e e nf o u n du s i n gt h ed i s t i n g u i s h i n gp r o g r a m t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h et o k e np a r a m e t e r sa n da d j u s t i v eq u a n t i t yb e t w e e nt h ee l e c t r o d eg a ph a s b e e ns e tu p i ti su s e da sc o n t r o lr u l e s o n ef u z z y c o n t r o le 1 ) t r u i n gs y s t e mi sb u i l t b a s e do nf u z z yc o n s e q u e n c eu s i n gc o n t r o lr u l e st oc o n t r o lt h ee l e c t r o d eg a pw i t h c o m p u t e ro u t p u tv o l t a g e t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a t , c o m p a r e dt ot h ec o m m o n s y s t e m ，t h ef u z z y - c o n t r o le dt r u i n gs y s t e mg u a r a n t e e st h es t a b i l i t yo ft h ep r o c e s sa n d i m p r o v e st h et r u i n ge f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o n k e yw o r d s ：e l m g r i n d i n g ；c a s ti r o nb o n d e dd i a m o n dg r i n d i n gw h e e l ；e d t r u i n g ；d a t a - a c q u i s i t i o ns y s t e m ；d a t a - o u t p u ts y s t e m ；f u z z y c o n t r o ls y s t e m 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的 開究成果，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得墨鲞盤堂或其他教育機構的學位或證 書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中 乍了明確的說明并表示了謝意。 學位論文作者竽名：2 ，、毫譯 簽字日期： 砂7 年z 月s 日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解苤鲞盤鱟有關保留、使用學位論文的規(guī)定。 寺授權苤壅太堂可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢 秦，并采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學校 甸國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤。 ( 保密的學位論文在解密后適用本授權說明) 學位論文作者簽名：旁忐彳雖 縛吼扣7 年二月5 日 導師簽名：乙八秒擴氣名2 簽字日期：紗例7 年月參日 第一章續(xù)諗 1 1e l i d 磨削技術 第一章緒論 在線電解修整( e l e c t r o l y t i ci n p r o c e s sd r e s s i n g ，簡稱e l i d ) 磨削技術是嘲 日本物理化學研究所大森整教授和東京大學中川威雄教授于1 9 8 7 年研制成功 的，是一種對金屬結合劑超硬磨料砂輪在線電解修整的復合瓣削技術。使用金屬 結合劑超硬磨料微粉砂輪進行磨削時，砂輪極易出現(xiàn)砂輪表面堵塞問題【1 1 。采用 e l i d 技術，可以保證砂輪在磨糞l 過程中始終保持銳剩狀態(tài)，不會產(chǎn)生切震堵塞 砂輪現(xiàn)象，因而使得用微細、超細超硬磨料制作性能優(yōu)異的砂輪成為可甜引。金 屬基超硬磨料砂輪e l i d 蘑削技術可以很好地解決樹脂基超硬磨料砂輪在超精密 磨黼過程中存在的問題，如蘑粒把持能力差、砂輪磨耗快、保形精度低、砂輪修 銳困難且修銳頻繁、加工效率低等。e l i d 磨削技術可以充分發(fā)揮超硬微細磨料 徽量切削作蔫，對高溫結構陶瓷進行高效率鏡面蘑削，其表囂褪糙度怒可降到 1 0 n m 以下的水平l j j 。 1 1 1e l i d 磨削枕理 在e l i d 磨削過程中，金屬縫合劑超硬蘑料砂輪與電源正極連接作為陽極， 金屬電極做陰極，在砂輪和電極的間隙中通過電解踏削液，利用電解過程中的陽 極溶解效應，對砂輪表層的金屬基體進行電解去除，從而逐漸露出嶄新鋒利的磨 粒，形成對砂輪的修整作用；同時形成一漂鈍化膜附著于砂輪表瑟，抑制砂輪過 渡電解，從而使砂輪始終以最佳磨削狀態(tài)連續(xù)進行磨削加工。e l i d 磨削將砂輪 修整與磨削過程結合在一起，使用金屬基砂輪進行壤削加工的同時剝用電解方法 對砂輪進行修整，從而實現(xiàn)對硬脆材料的連續(xù)的超精密鏡面磨削1 4 】1 5 j 。 e l i d 磨削去除材料的機理與其他鏡面加工有所不同。通常的鏡面加工是通 過密潮、研蜜和拋光來獲得的。研磨和拋光是以柔性的研具把磨料壓在材料表磊 并產(chǎn)生相對運動，磨料借助研具的壓力以滾動方式使材料破碎，以滑動和滾動方 式去除破碎后黲材料。蠢在e l i d 磨割孛，一方面患予磨粒固著在結合劑中，對 于單顆粒的固著磨粒而吉，其有效磨削尺寸只有磨粒尺寸的l 3 ，磨粒主要以微 切削的方式去除材料，所以造成的破碎區(qū)要小得多；另一方越，砂輪表面形成具 有一定厚度和彈性且容納有脫落磨料的鈍化膜，成為一種具有良好柔性的研磨 第一章緒論 膜。精磨時，嘲于進給量很小，鈍化膜的厚度遠大于磨料的出刃高度，使砂輪基 俸表層蘑料在瘩削中不霹能壹接與工件接觸，砂輪上覆蓋的這層鈍億膜將代替金 屬基砂輪參與真正的磨削過程。當電解作用完全抑制時，鈍化膜對工件進行光磨。 所以e l i d 超精密蘑削實際上是一種集磨、研、拋合為一體的復合式超精密鏡蘸 加工技術，其中磨粒主要是以滑動方式去除工件材料的f 6 】網(wǎng)f 3 】f 9 】f l o 】。 1 1 。2e l i d 磨削的特點及現(xiàn)狀 e l i d 磨削技術是對金屬結合劑超硬磨料砂輪在線修整、修銳的復合磨削技 術，它有鬟于電解蘑麓、電火花褰黼，在精密加工領域獨樹一幟，具有自身的一 些顯著特點： ( 1 ) 磨削過程具有良好酌穩(wěn)定性幫可控性，易于實現(xiàn)密削過程的最優(yōu)化； ( 2 ) 加工精度高，表面裂紋少，表面質(zhì)量好； ( 3 ) 適應性廣泛，磨削效率高；， ( 4 ) 裝置簡單，成本低，推廣性強等。 e l i d 磨削技術自二十世紀八十年代出現(xiàn)起，就以其顯著的特點在眾多行業(yè) 的精密與超精密加工領域中受到了重視與應爰吲陽【1 領1 疆6 1 1 翔。加王材料毽括 各種黑色金屬材料和非金屬硬脆材料，應用行業(yè)涉及機械、電子、儀表、光學、 宇航等諸多領域。在日本，成立了e l i d 磨削研究會并出版相應的學術期刊e l i d 研削研究會報，出現(xiàn)了一些生產(chǎn)e l i d 專用裝置如專用磨具、專用電源、專用磨 床的企業(yè)，并有數(shù)十家大公司將其用于實際生產(chǎn)。例如，日本富士公司將經(jīng)過 e l i d 超精密鏡蟊瘩削的鏡頭鍍膜后直接焉在望遠鏡、幻燈機等產(chǎn)品上，真正實 現(xiàn)了光學鏡頭加工的以磨代研、代拋的工藝革命。除日本外，德國、美國、英國 和韓匿、薪加坡等匡家也旱就開始了e l i d 磨麓技術的研究，并取得了一些成果。 現(xiàn)在每年都會有新的e l i d 產(chǎn)品、新裝置、新應用及新的研究報告和論文推出， 使e l i d 磨削技術應用的范圍越來越廣泛。 e l l ) 磨削技術在我國尚處于研究階段，主要集中在高校，如哈爾濱工業(yè)大 學、大連理工大學、西安交通大學、天津大學、西北工業(yè)大學等。啥爾濱工業(yè)大 學經(jīng)過幾年豁努力，研制裁功了e l i d 窘削專用的脈沖電源、蘑削液翻砂輪，在 國產(chǎn)機床上開發(fā)出平面、外圓和內(nèi)圓e l i d 磨削裝置，并對多種硬脆材料進行了 e l i d 鏡面彥削的實驗研究。目前芷積極推廣普及該技術，實現(xiàn)產(chǎn)品化。國內(nèi)已 有十幾家單位應用該技術，如2 3 0 廠用于加工動壓馬達零件，2 3 所用于相陣雷 達互易移相單元陶瓷、微晶玻璃、鐵氧體等航天材料零件加t ，8 3 5 8 廠用于光 學玻璃非球麓瑟加工，2 0 5 所用予光學玻璃加工，華僑大學鬻于加工大理石，福 建南安宏偉陶瓷廠用于加工陶瓷等【1 5 1 。 2 第一掌縫論 1 1 3e l i d 磨削用砂輪 e l i d 磨削獨特的加工方式和加工環(huán)境，對砂輪提出如下要求： ( 1 ) 金屬結合劑對超硬磨料的把持強度要大，防止在磨削受力過程中磨料從 結合劑上脫落； ( 2 ) 為了提高磨削效率，要求燒結砂輪時，結合劑中各種成分的配比合理， 保證在e l i d 磨麓過程中，電解均勻，參加摩潮的磨粒數(shù)量多焉穩(wěn)定； ( 3 ) 為了保證磨削質(zhì)量，e l i d 磨削中對砂輪表面電解鈍化膜的形成速度、成 膜質(zhì)量有較高要求，電解膜的厚度要厚，質(zhì)地要堅實不易脫落。 根據(jù)上述要求，鐵或鑄鐵作為e l i d 磨削用砂輪結合劑是最合理的l l 引。e l i d 磨削技術發(fā)展初期，e l i d 磨削所采用的金屬結合劑砂輪主要有鑄鐵纖維結合劑 ( c 疆b ) 、鑄鐵結合裁( c m ) 、鐵結合劑( m ) 、鈷基結合劑( c b ) 、鎳基( 套沼) 及青銅結合劑( b b ) 等。結合劑的種類不同，在e l i d 磨削中的適應性、氧化膜 的性質(zhì)：瘞削效率、磨削比及磨削表露的加工質(zhì)量也不露。試驗結果表明， c i f b c i b 金剛石、c b n ( 立方氮化硼) 砂輪對e l i d 超精密鏡面磨削的效果及穩(wěn)定 性較b b 、c b 、n b 要好得多，而且砂輪的強度、硬度、穩(wěn)定性、耐磨性、潤滑性 都要好，磨料的利用率、砂輪的使用壽命也提高了。 e l i d 磨削技術使得鑄鐵基金剛石、c b n 超微細砂輪可以直接用于鏡面磨削。 鑄鐵基金剮石砂輪是一種適應墨囂發(fā)展需要的薪型砂輪，主要有以下特點玨習： ( 1 ) 采用了高濃度的金剛石磨料； ( 2 ) 采用了硬料填充，結合裁不易密損，對磨粒盼把持能力強，能充分發(fā)揮 金剛石磨料的磨削能力，而且有利于散熱； ( 3 ) 在從低速到高速的較寬磨削速度范圍下工作，不限制磨削用量的選擇； ( 垂) 可以選擇的磨輟范圍比較廣，能適應于各種蘑澍。 1 2 金剛石砂輪的整形技術 爨前，超精密磨削大多使用金剛石或c b n 微粉砂輪。鑄鐵結合劑超硬砂輪扇 于其硬度高、強度好、保形能力強、耐磨等優(yōu)點適合難加工材料的高速磨削及高 精度磨削。但是金屬基金剛石砂輪的自銳性差、容易堵塞、在磨削加工中易產(chǎn)生 由砂輪偏心引起的激振力，因而影疇磨削過程的穩(wěn)定性和瘞潮表面質(zhì)謄，從麗限 制了其在高性能硬脆材料的精密加工中的正常使用。因此必須經(jīng)常進行修整，然 焉金屬基金剛磊砂輪存在修整時閩長、修整難度大、修整效率低等特點h 明。 精密修整技術是影響砂輪磨削性能的重要因素。超硬磨料砂輪的修整通常分 第一章緒論 為兩個階段：整形和修銳。整形的目的是去除砂輪的形狀誤差和表面缺陷，使砂 輪具有準確的幾何形狀精度。整形時一般同時去除砂輪多余部分的磨料和結合 劑。修銳的目的是在砂輪表面形成出刃高度適當?shù)?、容屑空間足夠的切削微刃， 并使單位面積上的有效磨粒數(shù)盡可能多。理想的修銳過程只去除結合劑，而不造 成磨粒的破壞【2 0 】【2 1 1 。 由于e l i d 超精密鏡面磨削用的砂輪粒度多為3 5 a n 以下，磨削深度小于 1 刪，這樣就對砂輪本身的幾何精度提出了相當高的要求，為了得到納米級粗糙 度，對于砂輪要求其同軸度或徑向跳動量應控制在砂輪磨料粒度的l 3 , - - , 1 2 或者最小磨削深度的l 2 以內(nèi)【勿。這對鑄鐵金剛石砂輪的整形方法提出了極高的 精度要求。 砂輪的整形是指使砂輪的磨削表面與其回轉(zhuǎn)軸線滿足一定的幾何關系，既要 滿足在砂輪軸向垂直截面上形狀的圓度要求，又要滿足在砂輪圓柱面上圓柱度要 求。砂輪整形的方法較多，常用的有車削整形法、滾壓整形法、磨削整形法等機 械整形方法，近年來又出現(xiàn)了激光整形法，電加工整形法【2 3 j 。 1 2 1 機械整形法 機械整形法是利用修整工具和金屬結合劑砂輪之間硬度、強度和耐磨性的差 異，通過兩者之間的擠壓、切削與磨削作用來去除砂輪表面的材料。其中車削整 形法是指采用單點金剛石、多點金剛石、聚晶金剛石修整工具對砂輪的車削運動 來達到整形要求的【2 4 1 。磨削整形法一般通過兩種方法去除砂輪結合劑：一是表層 磨料對結合劑的切削作用，一是進入接觸區(qū)的脫落的或破裂的磨粒對結合劑的研 蝕作用【2 5 1 。以砂帶作為修整工具修整金剛石砂輪稱作軟彈性修整法【矧。軟彈性 整形是利用砂輪高速旋轉(zhuǎn)而使砂帶彈性變形不能完全恢復來實現(xiàn)蝕除砂輪高點 的目的，因此要求修整時砂輪轉(zhuǎn)速比較高。超聲振動整形法是由超聲波發(fā)生器發(fā) 出的超聲頻電信號傳給換能器，變換成超聲頻的機械振動，由變幅桿放大后帶動 修整器以高頻小振幅振動。在超聲頻縱向振動的驅(qū)動下，迫使位于接觸區(qū)域的混 油磨料直接撞擊砂輪表面。超聲波具有的能量激波特性，可以在波面處造成極大 的壓強梯度，大大增加了磨粒對結合劑的切削和研蝕作用 2 7 1 1 2 引。 機械方法對金屬結合劑砂輪進行整形或?qū)ζ淠モg表層進行去除修整，方法簡 單、使用方便，但用于金屬基超硬磨料微粉砂輪時修整效率很低，并且會產(chǎn)生較 大的修整接觸力。對于大粒度砂輪來說，磨料會破碎也會有脫落而形成坑穴。對 于小粒度磨粒，出刃高的磨粒脫落后會被砂輪表層塑性流動的金屬覆蓋，出刃低 的磨粒受力后易被壓入金屬表層。因此，機械修整法主要適用于陶瓷、樹脂結合 劑砂輪，不適用于金屬結合劑超硬磨料砂輪，尤其不適合微粉砂輪的精密修整。 4 第一章緒論 1 2 2 激光整形法 利用光學系統(tǒng)把激光束聚焦成極小的光斑作用于砂輪表面，可在極短的時間 內(nèi)使砂輪局部表面的材料熔化或氣化。修整超硬磨料砂輪時，如果激光功率密度 足夠高，可同時去除砂輪表面的磨粒和結合劑，使砂輪獲得精確的幾何形狀，達 到整形的目的。另一方面，由于超硬磨料與結合劑材料的物理性能相差較大，在 相同的激光作用時間內(nèi)，超硬磨料達到熔點所需的激光功率密度比結合劑材料高 1 , - - 3 個數(shù)量級。因此，通過控制激光加工參數(shù)可選擇性地去除結合劑材料而不損 傷超硬磨粒，這樣可以在砂輪表面形成容屑空間而達到修銳的目的1 2 9 。 激光整形過程中熱影響區(qū)很大【3 0 】，熱影響區(qū)材料的力學性能將對金剛石砂輪 修整后的力學性能產(chǎn)生何種影響需要證明。由于結合劑材料和金剛石的光學性能 和熱物理性能相差很大，在激光功率達到去除金剛石砂輪的金剛石材料的時候， 需要引一強氣流在激光照射的區(qū)域。否則，在金剛石周圍的結合劑材料早己去除 時，金剛石顆粒還在，而且金剛石顆粒會被熔融的結合劑材料覆蓋，這樣砂輪的 表面形貌很差。 1 2 3 電加工整形法 電加工整形法目前有電解修整法和電火花修整法以及同其他方法的復合使 用方法等。電解修整法只能用于金屬結合劑的金剛石砂輪，且無法進行砂輪的整 形，對磨削液要求高，而且磨削液對機床有腐蝕作用，并會降低砂輪的使用壽命。 電火花修整法只能用于金屬結合劑砂輪，對金剛石微粉砂輪的修銳效果不好p 。 電加工修整技術非常適合于金屬結合劑砂輪的精密修整，尤其是微細粒度金 屬基超硬磨料砂輪的精細修整 3 2 】。但存在修整工藝復雜，影響因素較多，需要專 門的修整裝置等問題。特別是修整不當容易在砂輪磨粒周圍形成溝槽，減少了磨 料與結合劑的粘結面積，降低結合劑對磨料的把持力，降低了磨料的使用壽命。 1 2 4 電火花整形金屬基砂輪機理 由于鑄鐵結合劑的硬度較高，若沿用以往應用于樹脂砂輪的碳化硅、剛玉磨 條或砂輪磨削的方法，則整形效率低，精度差，一般不易達到超精密鏡面磨削對 砂輪形狀精度的要求。電火花加工不受被加工材料硬度的影響，沒有機械力的作 用，非常適合于高硬度材料的加工去除 3 3 】。 鑄鐵結合劑金剛石砂輪電火花整形的原理是基于砂輪和工具電極之間的脈 沖性電火花放電時電腐蝕現(xiàn)象蝕除凸出的鑄鐵結合劑材料，以達到砂輪的尺寸、 形狀和表面質(zhì)量的加工要求【3 4 1 。電火花放電之所以能夠蝕除金屬材料，主要是因 第一章緒論 為電火花放電時，火花通道中瞬時產(chǎn)生大量的熱，達到很高的溫度，足以使鑄鐵 結合荊局部熔化、氣化薅被蝕除掉，形成放電鋈坑。從微觀焦度講，電火花翔王 大致可分為幾個連續(xù)階段：極間介質(zhì)的電離、擊穿，形成放電通道；介質(zhì)熱分解、 電極材料熔化、氣化熱膨脹；電極材料的拋出；間隙介質(zhì)的消電離i 3 5 】。為了使電 火花放電能對金屬材料進行尺寸加工，必須滿足下列條件l 弼： ( 1 ) 必須使工具電極和砂輪被加工表面之間經(jīng)常保持一定的放電間隙，這一 間隙隨加工條件而定，逶常失凡微米至凡酉微米。如果間隙過大，極聞電壓不麓 擊穿極間介質(zhì)，因而不會產(chǎn)生火花放電。間隙過小，很容易形成短路接觸，同樣 也不會產(chǎn)生火花放電。因此在電火花加工過程中必須具有工具電投的自動迸給和 調(diào)節(jié)裝置。 ( 2 ) 火花放電必須是瞬時的脈沖性放電，放電延續(xù)一段時間后，需停歇一段 時間。放電延續(xù)時間一般為1 0 - 7 - , 1 0 - 3 s ，這樣才能便放電所產(chǎn)生的熱量來不及傳 導擴散到其余部分，把每一次的放電點分別局限在很小的范圍內(nèi)；否則，像連續(xù) 電弧放電那樣，使表面燒傷面無法用作尺寸加工。鼴此鑄鐵縫合劑金囂l 石砂輪的 電火花整形必須采用脈沖電源。 ( 3 ) 電火花放電必須在有一定絕緣性能的液體介質(zhì)中進行，以有利子產(chǎn)生脈 沖性的電火花放電。同時，液體介質(zhì)還能把電火花加工過程中產(chǎn)生的金屬微屑、 碳黑等電蝕產(chǎn)物從放電間隙中懸浮排出，并且對電極和砂輪表面有較好的冷卻作 用。 1 3 電火花加工的伺勇愛控制技術 1 3 1 極間閆隙與加工效果關系 電火花加工中，極間間隙的大小是影響加工生產(chǎn)率和精度的重要因素。合理 斡放電聞隙可騫效防止電弧放電的發(fā)生，避免燒饒工件，保證較高的表露質(zhì)量和 加工速度。因此電火花加工機床都有一個靈敏的自動進給調(diào)節(jié)系統(tǒng)即伺服系統(tǒng)在 加工過程中隨時調(diào)整極間間隙的大小1 3 列。理論上可以用間隙蝕除特性曲線和進給 調(diào)節(jié)特性曲線來解釋【凋。放電間隙的大小和加工z 藝指標有密切的聯(lián)系。圖1 1 為放電間隙s 與加工速度、表面粗糙度r 。之間的關系曲線。由圖可知，將放 電閱隙s 控制在最佳放電聞隙s ，附近，加工速度最高，毽要麓時得到較好的表 面粗糙度，應使放電間隙s 控制在最佳間隙s ，和短路間隙亂之間。因間隙中有 被蝕除的直徑為d 的金屬微粒，所以短路聞隙并不等于零。通常進行電火花加 工時，放電間隙s 的范圍為：s s ) 時好。 圖1 1 放電闞隙與翔工速度幫表瑟糖糙度之闕鰉關系 因此電火花加工伺服控制系統(tǒng)應該具備如下功能： ( 1 ) 有較寬的進給量調(diào)節(jié)范圍。在電火花加工中加工規(guī)準、加工面積等因素 的變化都會影響電極直線進給量，自動進給調(diào)節(jié)系統(tǒng)必須要肖較寬的速度調(diào)節(jié)。 ( 2 ) 有足夠的靈敏度和快速性。放電加工的頻率很高，放電間隙的狀態(tài)瞬息 萬變，要求進給調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)間隙狀態(tài)的微弱信號能快速調(diào)節(jié)。 ( 3 ) 有較離的穩(wěn)定性昶抗干擾能力。在毫火花加工中不可避免地會遇到各種 干擾，為了保證加工質(zhì)量，自動進給調(diào)節(jié)系統(tǒng)必須具有較高的穩(wěn)定性和抗干擾能 力。 1 3 2 伺服控制系統(tǒng)的控制方法 自電火花加工技術聞世半個多世紀以來，其發(fā)展極為迅速?，F(xiàn)已被廣泛應用 于機械、模具等制造工業(yè)中。為提高電火花加工的效率和工藝性能，電火花加工 控制技術也隨之發(fā)展起來，尤其是近年來計算機技術鯰迅猛發(fā)展，先電火花加王 控制技術的不斷更新提供了良好的技術基礎【3 8 】。 ? 第一章緒論 ( 1 ) 自適應控制 由于電火花加工機理非常復雜，建立嚴格的數(shù)學模型分困難，雖然很多學 者從各自的角度提出了許多模型，但大多與實際相差甚遠，故應用傳統(tǒng)的經(jīng)典控 制方法( 蟄i p i d 控制) 不可能達到良好的控制效果。因此，現(xiàn)代控制理論中的自適 應控制技術必然被電火花加工控制技術所吸收。各種自適應控制方法的不同之處 在于控制參數(shù)及評價標準的選擇。監(jiān)控參數(shù)大致有：伺服參考電壓、脈沖電源參 數(shù)、抬刀屬期、高頻信號、脈沖上升沿、擊穿延時、脈沖下降沿的時間占有率等。 電火花加工過程自適應控制的目標是在滿足表面粗糙度、電極損耗及加工穩(wěn)定性 要求的前提下優(yōu)化蝕除速度，使生產(chǎn)率盡量提高。然而，電火花加工過程中需要 優(yōu)化的參數(shù)很多，而且各種參數(shù)之間是相互耦合的。而上述各種自適應控制方法， 基本上都是控制單一變量，或者是相互分離地控制幾個變量，至于變量之間的耦 合問題還未涉及到，致使自適應控制方法難以實現(xiàn)真正意義上的最優(yōu)控制。 ( 2 ) 專家系統(tǒng)控制 專家系統(tǒng)是指在某個領域內(nèi)熊夠超到人類專家盼作用，具有大量的知識和經(jīng) 驗的智能程序系統(tǒng)。它通過某種知識獲取手段，把人類專家的領域知識和經(jīng)驗技 巧移植到計算機中，并且模擬人類專家的推理、決策過程，表現(xiàn)出求解復雜聞題 的人工智能。e l j 子專家系統(tǒng)是一種基于知識的系統(tǒng)，面臨的主要是各種非結構化 問題，尤其能處理定性的、啟發(fā)式或不確定的知識信息，經(jīng)過各種推理過程達到 系統(tǒng)昀任務曩標，而不需要精確的模型，這為解決現(xiàn)代控制理論的局限性提供了 重要啟示。另外，知識庫保存了領域?qū)＜业闹R和能力，使得人類的技術知識得 到了保存，具有繼承性；焉旦，專家系統(tǒng)往往匯集眾多專家翳經(jīng)驗； 曩熊決聞題的 能力，因而在實際的操作中可以超過單個專家的能力。專家系統(tǒng)的強大功能使它 非常適合應用在電火花加工的控制系統(tǒng)中，國外許多研究機構及廠家在這方面做 了深入的研究。相對來說，這方面的工作國內(nèi)做得較少。文獻【3 9 】結合電火花船 工的工藝規(guī)律和專家系統(tǒng)的特點，對專家系統(tǒng)在電火花加工中的應用進行了深入 分析，并對電火花鴦羹王自動編程專家系統(tǒng)的開發(fā)方法與策略進行了研究。 ( 3 ) 遺傳算法 。 遺傳算法g a ( g e n e t i ca l g o r i t h m ) 是一類借鑒生物爨自然選擇秘自然遺傳機 制的隨機的搜索算法，由j h h o l l a n d 教授于1 9 7 5 年提出，現(xiàn)已廣泛應用于計 算機科學、人工智能、信息技術及工程實踐。該算法借助于計算機編程，一般是 將待求問題表示成串( 或染色體) ，郎為二遴制碼或數(shù)碼串，從而構成一群串，并 將它們置于問題的求解環(huán)境中，根據(jù)適者生存的原則，從中選擇出適應環(huán)境的串 進行復制，且通過交換、交異魏稃基因操作產(chǎn)生新的一代更適應囂境鰓串群，經(jīng) 這樣代代地不斷變化，最后收斂到一個最適應環(huán)境的串上而求得問題的最優(yōu) s 第一章緒論 解。該算法采用的是群體搜索策略，而不依賴梯度信息，所以特別適用予傳統(tǒng)搜 索算法難以解決的、復雜的非線性闖題；而且具有并行運算的特點，優(yōu)化速度很 高，適用于實時系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化。文獻【4 0 】根據(jù)電火花加工工藝規(guī)律，以加工速 度和表面粗糙度為蜀標，運用遺傳算法實現(xiàn)了電火花加工參數(shù)的優(yōu)化。 ( 4 ) 模糊控制 模糊控鍘技術是應用模糊集合理論、模糊語言變量及模糊邏輯接理進行綜合 考慮的一種計算機控制方法，主要月來解決那些用傳統(tǒng)方法難以解決的復雜系統(tǒng) 的控制問題，其研究對象常存在嚴重的不確定性、非線性。目前，模糊控制技術 已在電火花加工過程中得到了運用使操作變得更加容易，加工時，靈需要輸入少 量數(shù)據(jù)，模糊控制系統(tǒng)就可以自動選取最優(yōu)控制。文獻f 4 l 】以電火花加工過程的 開路率、短路率作為輸入量，設計了一種放電間隙控制器，實驗結果表疇，與以 放電延遲時閩為輸入量的控制器相比，該控制器在粗耩加王時均具有較高的王件 蝕除率和較低的工具損耗率。文獻 4 2 1 采用模糊推理技術，設計了多輸入、多輸 出的多級遞階智能控制系統(tǒng)，經(jīng)對比實驗驗證，采用該控制系統(tǒng)可提高微細電火 花加工效率6 0 一1 0 0 ，隨著加工深度的增加，這種效率的提高越發(fā)明顯。 5 ) 神經(jīng)網(wǎng)絡控制 入工神經(jīng)瞬絡是一種新興技術，用計算機對入類大腦的功黥進行某種抽象籬 化和模擬，構成一個具有籬度非線性的超大規(guī)模連續(xù)時間動力系統(tǒng)，適食解決復 雜的非線性問題。麗電火花加工正是這種具有高度非線性的系統(tǒng)，難以用具體的 數(shù)學表達式來描述加正的工藝規(guī)律。文獻【4 3 】采用3 層前饋b p 神經(jīng)網(wǎng)絡，構成 m i m o 系統(tǒng)，實現(xiàn)從加工參數(shù)空間到加工效果空間的非線性映射，通過建立可調(diào) 整的目標函數(shù)，利用模擬退火算法，尋找全局最優(yōu)切割參數(shù)，實驗表明，該系統(tǒng) 的切削性能可獲得較大的提高。文獻4 】提嬲了基予事孛經(jīng)網(wǎng)絡的電火花加工工藝 選擇模型，該模型能模擬熟練操作者的決策過程，測試結果表鰓，模型值和實測 值相差較小，能實現(xiàn)在給定加工要求下電加工參數(shù)的自動選擇。 ( 6 ) 灰色控制系統(tǒng) 灰色控制系統(tǒng)理論是華中科技大學鄧聚龍教授予1 9 8 2 年提出的種新型控 制理論。它運震豹是控制論與運籌學褶結合的數(shù)學方法，主要針對貧信患系統(tǒng)的 不明確狀況進行系統(tǒng)昀關聯(lián)分析、信息處理( 生成) 、建模、預測、決策、控制等， 能夠較好地處理貧信息系統(tǒng)的閥題。該理論建立的灰色控制系統(tǒng)模型為連續(xù)的微 分模型，可對系統(tǒng)的發(fā)展變化進行全匿的分析觀察，并做出長期預測。麗傳統(tǒng)的 或其他建模方法，只能建立離散的遞推模型，不便對系統(tǒng)作全面的分析，更不能 俸長期預測。文獻f 4 5 】把灰色理論應用到電火花翻王過程中，對主軸伺服應用雙 環(huán)控n - 其內(nèi)環(huán)為間隙電壓反饋控制，外環(huán)是由計算機根據(jù)間隙中各類放電脈沖 9 第一章緒論 率適時地調(diào)整給內(nèi)環(huán)的電壓反饋增益參考值。 ( 7 ) 混合智麓控制 上述各種控制技術在電火花加工過程中的應用并不是相曩獨立的。由于各翻 都存在著無法自我克服的缺陷，采用單一控制方式對于電火花加工過程很難獲雩譬 滿意的控制效果。因此，它們之間需要取長補短，在充分發(fā)揮自身優(yōu)勢的同時， 通過相互結合取得聯(lián)合增值效應。如對神經(jīng)網(wǎng)絡來說，知識抽取和知識表達比較 困難，麗模糊信息處理方法對此卻很有效；另一方面，模糊推理很難從樣本孛直 接學習規(guī)則，且在模糊推理過程中會增加模糊性，但神經(jīng)網(wǎng)絡卻能進行有效的學 習，并因采震聯(lián)想記憶蕊降低模糊熵。文獻p 翻麩提高系統(tǒng)盼加工效率和加工質(zhì) 量角度出發(fā)，提出了在電火花加工過程中，使用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制技術，利用模 糊控制器的特點，結合人工神經(jīng)元網(wǎng)絡的優(yōu)點，切實校正了某些不完善規(guī)則的不 利影響，可靠地提高了控制系統(tǒng)的快速響威能力。 1 4 本文的研究背景及研究內(nèi)容 綜上所述，e l i d 磨削以其顯著的特點在眾多行業(yè)的精密與超精密加工領域 中受到了重視與應用，其關鍵技術就是超硬砂輪的在線修整技術，而砂輪的整形 效果影響著e l i d 蘑削的效果。電火花整形技術非常適合于金屬結合劑砂輪的精 密整形，尤其是適合徽緇粒度金屬基超硬磨料砂輪的精密整形。普通電火花整形 系統(tǒng)在整形過程中存在整形效率低、加工過程不穩(wěn)定等缺點，需要對整形過程加 以控制，保證加工過程的穩(wěn)定性，提高加王效率。 本文追蹤了e l i d 超精密鏡面磨削技術，研究了脆硬材料的超精密鏡面磨削 機理。失了更好的給e l i d 超精密磨削提供技術保證，本課題主要研究鑄鐵結合 劑金剛石微粉砂輪的電火花整形技術，通過分析電火花整形特點，建立電火花整 形伺服控制系統(tǒng)，提高金屬基金剛石砂輪的整形效率和整形效果，保證砂輪符合 e l i d 超精密摩削的要求。本文解決的主要闖題有： 1 建立數(shù)據(jù)采集分析及數(shù)據(jù)輸出控制系統(tǒng) 1 ) 建立計算機數(shù)據(jù)采集程葶及數(shù)據(jù)輸出控制程序 ( 1 ) 利用d a q 2 0 1 0 數(shù)據(jù)采集卡，基于l a b v i e w 語言編寫數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)保 存、數(shù)據(jù)打開、數(shù)據(jù)分析等應用程序，完成對采集數(shù)據(jù)的顯示、保存及分析等操 作； ( 2 ) 利用d a q 2 0 10 數(shù)據(jù)采集卡，基于l a b v i e w 語言編寫數(shù)據(jù)輸出控制應用 程序，透過詩算機輸毒控制數(shù)據(jù)，驅(qū)動執(zhí)行裝置工作； ( 3 ) 基于l a b v i e w 語言，將數(shù)據(jù)采集分析及數(shù)據(jù)輸出控制融合到單應用程 1 0 第一章緒論 序中運行，實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入與數(shù)據(jù)輸出的同步操作，達到計算機對加工過程 的實時閉琢控制。 2 ) 建立計算機閉環(huán)控制硬件系統(tǒng)。 ( 1 ) 建立計算機控制系統(tǒng)框圖，分析系統(tǒng)結構及單元，明確各單元功能及其 組成； ( 2 ) 建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將放電過程參數(shù)轉(zhuǎn)化為計算機可采集的電壓，并進 行必饕的處理； ( 3 ) 建立輸出的驅(qū)動放大電路，將計算機輸出的控制電壓轉(zhuǎn)化為執(zhí)行裝置可 剩用的控制參數(shù)，完成計算機對微進繪工作臺盼控制。 2 分析電火花整形特點，選擇輸入輸出參數(shù)及確定控制規(guī)律 1 ) 根據(jù)獲取的放電電壓、放電電流及其他數(shù)據(jù)，依據(jù)放電狀態(tài)的分類，編 寫l a b v i e w 鑒別程序，判斷單個脈沖的放電狀態(tài)，獲取砂輪單周的放電情況； 2 ) 提取表征砂輪放電特征的參數(shù)。由于砂輪的轉(zhuǎn)動，砂輪與電極間隙處于 不斷變化的過程，依據(jù)砂輪一周豹放電狀態(tài)，編寫參數(shù)辨別程序，獲取表 正電火 花放電激烈程度的參數(shù)；并依據(jù)突驗數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗，建立加工狀態(tài)表征參數(shù)與 電極聞隙調(diào)整量之聞的對應關系； 3 ) 確定控制規(guī)律及推理算法。根據(jù)電火花整形過程的非線性特征，利用控 制規(guī)則，基于模糊控制理論進行模糊推理，基于l a b v i e w 語畜編寫控制程序，通 過計算機輸出控制砂輪與電極聞隙，實現(xiàn)對電火花整形過程的伺莠愛控制。 3 實驗和結果分析 使用電火花整形模糊控制系統(tǒng)進行整形砂輪的實驗，通過觀察電極聞隙調(diào)節(jié) 血線，分析砂輪和電極之間的放電蝕除造成的間隙增大速度和間隙伺服進給速度 的匹配情況，分析實驗結果，驗證模糊控制規(guī)則和模糊推理算法的準確性并提出 改進方法。 第二章基于l a b v i e w 的數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng) 第二章基于l a b v i e w 的數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng) “數(shù)據(jù)采集是指將溫度、壓力、流量、位移等模擬量采集轉(zhuǎn)化成數(shù)字量后， 再由計算機進行儲存、處理、顯示或打印的過程。在加工過程中，應用數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)可對加工現(xiàn)場的工藝參數(shù)進行采集、監(jiān)視和記錄，為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生 產(chǎn)成本提供信息和手段，并且獲得大量的動態(tài)信息，是研究瞬間物理過程的有力 工具。通過對采集到的數(shù)據(jù)進行交換加工( 如求均值或作傅立葉變換) ，或在有 關聯(lián)的數(shù)據(jù)之間進行某些運算( 如計算相關函數(shù)) ，分析得到的二次數(shù)據(jù)，可以 得到該數(shù)據(jù)的內(nèi)在特征。例如，采集到一個振動過程的振動波形，可以用傅立葉 變換得到振動波形的頻譜，從頻譜說明振動波形對機械結構產(chǎn)生的影響【47 1 。為了 對加工動態(tài)過程進行及時響應，對采集數(shù)據(jù)處理完畢后需要將處理結果輸出，以 實現(xiàn)對加工參數(shù)的調(diào)節(jié)，這要求計算機能夠完成對數(shù)據(jù)輸出的控制。 數(shù)據(jù)采集及輸出控制系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分組成【4 引。計算機通過數(shù)據(jù) 采集卡獲取原始數(shù)據(jù)，利用編寫好的應用程序?qū)@些數(shù)據(jù)進行呈現(xiàn)或者管理，軟 件通過程序命令采集卡何時采集和使用哪個通道來控制采集系統(tǒng)。d a q 軟件包 括驅(qū)動程序和應用軟件，驅(qū)動程序包括采集卡能夠接受的一些命令，應用軟件用 來發(fā)送驅(qū)動命令，應用程序還可以用來顯示和分析所采集到的數(shù)據(jù)。本文使用微 型計算機和d a q 2 0 1 0 數(shù)據(jù)采集卡建立微型計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以l a b v i e w 編程 語言編寫程序?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集和輸出。 2 1l a b v i e w 概述 虛擬儀器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 是基于計算機的儀器，主要是指將儀器裝入 計算機，以通用的計算機硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能，實際上是 一個按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1 4 9 1 。目前在這一領域內(nèi)，使用較為廣泛的 計算機語言是美國n i 公司的l a b v i e w 。 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是一種圖形 化的編程語言，它廣泛地被工業(yè)界、學術界和研究實驗室所接受，視為一個標準 的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。l a b v i e w 集成了與滿足g p i b 、v x i 、r s 2 3 2 和 r s - 4 8 5 協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應用t c p i p 、 a e t i v e x 等軟件標準的庫函數(shù)。這是一個功能強大且靈活的軟件。利用它可以方 便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣。 1 2 第二章基于l a b v i e w 的數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng) 圖形化的程序語言，又稱為“g 語言。使用這種語言編程時，基本上不寫 程序代碼，取而代之的是流程圖。它盡可能利用了技術人員、科學家、工程師所 熟悉的術語、圖標和概念，因此，l a b v i e w 是一個面向最終用戶的工具。它可以 增強用戶構建自己的科學和工程系統(tǒng)的能力，提供了實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)的便捷途徑。使用它進行原理研究、設計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以顯著 提高工作效率。 l a b v i e w 應用程序，即虛擬儀器( ) ，包括前面板( f r o n tp a n e l ) 、流程圖 ( b l o c kd i a g r a m ) 以及圖標連結器( i c o n c o n n e c t o r ) = 部分。前面板是圖形用戶界 面，也就是的虛擬儀器面板，這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對象， 具體表現(xiàn)有開關、旋鈕、圖形以及其他控制( c o n t r 0 1 ) 和顯示對象( i n d i c a t o r ) 。 流程圖提供的圖形化源程序，在流程圖中對編程，以控制和操縱定義在前 面板上的輸入和輸出功能。流程圖中包括前面板上的控件的連線端子，還有一些 前面板上沒有但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結構和連線等。具有層次化 和結構化的特征，一個可以作為子程序，這里稱為子v i ( s u b m i t