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基于闭环PID的线张力控制系统研究高速 电火花线切割加工中的控制
Qiang Li1 amp; Jicheng Bai 1 amp; Yinsheng Fan1 amp; Zhiyong Zhang1
摘要：电线电火花加工（线切割）广泛应用于模具制造，但较低的加工精度限制了其进一步的发展，特别是高速线材电火花加工（ hs 线切割）由于其甚至非线张力。 一个恒张力可以抑制的高频振动的电线电处接上有效，从而提高精度的工件表面。 本文提出了一种线材张力控制系统的目的是减少线张力波动，根据
HS-WEDM的处理特性。 钢丝张力控制系统采用闭环控制策略。 一个数学模型的控制系统，建立了基于直流伺服电机、直线运动平台和张力传感器。 与此同时， sim 检测模型建立传递函数计算普罗普蒂翁一体化分化（ PID ）的控制参数。
仿真结果表明该计算 PID 控制帕拉姆斯可以满足这些要求的控制系统。 一系列的实验目的是测试的稳定性和可靠性的钢丝张力控制系统及其可行性。 该值的钢丝张力波动已下跌了近一半用钢丝张力控制系统。 对表面粗糙度的工件用钢丝张力控制系统几乎是低于 0.6 微米，没有钢丝张力控制系统，这意味着该控制系统能提高质量的部件制造线切割。
Keywords WEDM . Tension control . Closed loop . PIDcontrol . Simulation
1 引言
随着现代工业的发展，因此这些材料具有特殊属性已经越来越广泛的应用，如高硬度材料和脆性材料。 同时，人们越来越重视所需的三维形状和工件的精度［ 1 ］。 电线电火花加工（线切割）将电能转化为热能是一种重要的冰毒奥多罗杰斯的金属加工，因为工件线切割可以有几个表面残余应力与生产拉了一高、成本低。 它已经被广泛的应用于模具制造。 然而，低加工精度限制了其进一步的发展。 因此，如何提高加工精度是一个关键问题，线切割。
一般来说，一个小小的弹性金属电线已用于线切割机作为线电极。 因此，电火花线切割马海宁进程，在快速的旋转钢丝轮、线电极会导致高频振动［ 2 ］。 研究表明，大量的电介质加到放电间隙而异的积极和终极曲艺移动方向线电极［ 3 ］。 之间的差距，工件和线电极将变量。 一个鼓形的形状可以显示方向的机床进给［ 4 ］。 这将会带来低精度加工效率和降低的工件表面［ 5 ， 6 ］。 因此，本苯丙氨酸現象抑制了线切割技术应用领域的高精度模具制造。 一些研究已经发现导致高频振动强化的线电极的主要原因是个善变的紧张［ 7 ］。 因此，长期的紧张状态在很小的范围可以减小其振动的线电极，提高加工效率。 库赖臣 ［ 8 ］发现电线紧张局势中发挥重要作用的材料去除率和表面粗糙度的工件。 普拉萨德 ［ 9 ］也证明了其线张力可能影响切缝和线路损耗率的电火花线切割。 因此，本研究重点线张力控制系统对于提高加工特性，具有重要的重要電子发展的线切割技术。研究的钢丝张力控制系统、严和黄［ 10 ］了一线张力闭环控制和参数的线切割机提高加工精度。 他通过比例积分控制器（ PI ）、一步向前的自适应控制器研究动态性能曼斯钢丝张力控制系统。 这样就减少了地质测量轮廓误差的切角大约 50 %，提高了垂直的工件。
奥里诺 ［ 11 ］开发一线张力系统，其中包括钢丝张力传感器、磁力制动、牵引电动机和电线。磁粉离合器作出了调整目前提供的刹车。 钢丝张力传感器提供反馈伺服回路需要保持适度的紧张关系在网络上通过调节电流电磁制动。韩 ［ 12 ］开发了一个最佳张力线张力控制系统应用的最佳张力对微微细电火花线切割线电极的过程。电线紧张可实时调整的摆动将根据反馈的放电能量。一 个最佳张力控制扫描可以有效地提高了加工精度微细电火花线切割，保证了满意的加工效率。
从目前的文献分析知道这项研究对线电极恒张力最有助于线切割和微细电火花线切割［ 13 - 15 ］。 他们几乎采用闭环控制策略来控制紧张局势的线电极，可以让一个满意的处理。 另一方面，研究高速线材电火花加工线电极恒张力非常小。 他们通常利用重力重型冲压控制张力的冲压控制张力的线电极［ 16 、 17 ］。 这种方法不能反馈和钢丝张力是开环控制策略来控制紧张局势的线电极。此外，随着电子技术的发展和智能控制技术的应用 將則软基于计算的专家系统和所要求的实时控制的电火花线切割［ 18 、 19 ］，目前的方法为线切割线张力控制是不适应现代社会。 因此，本文设计了一种新的电线恒张力控制系统，采用闭环控制策略实现钢丝恒张力控制在线切割。
2 的设计线张力控制系统
2.1 的组件的钢丝张力控制系统
在电火花线切割加工工艺、线电极的运行状态受到爆炸放电的脉冲功率 层、静电、防电磁干扰和冲击部队液体的工作［ 20 、 21 ］。 与此同时，加工精度、安装精度的车轮指导和轮子也影响钢丝的高频振动的线电极。从根本上讲，振动的振幅线电极是由于紧张的线电极。越紧张的线电极的变化，更高的振动。 也就是说，加工精度很大程度上取决于变化的紧张局势。
由于金属丝电极 hs 线切割可以重用、对该进程的线切割，其表面会出现更多的物质消费，其直径也会越来越小。 这一现象将导致长的线电极越来越小。 如该段线电极未调整的时间线的紧张局面将会产生较大波动。
从上面的分析，本文设计了一种线材张力控制系统可以实现实时检测和控制张力线电极，不得擅自改变使用导线运动系统。 钢丝张力控制系统我重要包括 6 个部分：
计算机、数字信号处理（城规会）管制局、直流伺服电机、直线运动 10 锡永平台、传感器和电线运动系统。 示意图的恒张力控制如图所示。
在电气控制部分的线张力控制和参数、计算机发送命令通过周围和软件设置的目标值钢丝张力及其偏差范围。电脑显示器函数假定钢丝张力反馈信号。 数字信号处理器控制委员会，作为核心部件的张力控制接收信号从计算机和张力传感器并处理它们。 信号从张力传感器应该 削与目标的价值线张力过滤后专业处理。 然后，DSP 管制局发送脉冲宽度莫杜拉蒂翁（ PWM ）控制信号来驱动的直流伺服电动机在判决后导线是否紧张是在这个范围的设定值。 管制局一个 DSP （ HSDSP2812 运动控制卡 made in China ）设计了实现上述功能分区。 此外，所设计的系统高性能处理器实现了中断确认和数据通信。
张力传感器检测到紧张的线电极和紧张发送信号到数字信号处理器控制委员会。 一个联系 10 锡永传感
器（ mcl t2 made in China ）已获通过。 其输出电压成比例线张力， and the 多边环境协定苏莱曼特范围
是从 0 到 30 度，输出电压是从 0 到 5 伏直流电。 在我们的加工、线材张力 hs 线切割通常 5-15 N。
直流伺服电机驱动张力调节滑块向上和向下的直线运动平台在接到 PWM 控制信号从控制板。 当实际价值的
钢丝张力是不平等的设定值、直流伺服电机驱动张力调节滑块向上和向下的添加和缓和紧张气氛。 与此同时，转速发电机将反馈信号的高速数字信号处理器控制委员会经检测的速度图。 图 1 示意性的钢丝张力控制系统直流伺服电机的。 通过这种方式，闭环控制系统已经建立了同比例积分微分（ PID ）控制策略。 一个结合线
性运动平台（ UTMCC。1 made in Japan ）已经获得通过，其中包括直流伺服电机、滚珠丝杠、直线导轨，滑块和测速发电机。 旅行的量程、分辨率和额定负荷直线运动平台 50 mm ， 1 200 mu;m ， N 分别。 在流程控制信号图中所示。
当线张力控制系统开始运作，线材张力检测的张力传感器的输出信号伏年龄相应价值的紧张局势。 的电压信号转换为数字信号后过滤处理模数转换电路、数字信号处理器控制的，因为委员会无法接收模拟电压纳莱斯直接。 然后，实际价值的紧张应该比较有价值的目标数字信号处理器控制局之后，管制局接收的默认设置线电极紧张的计算机。 当实际价值的电线 10 锡永等于设置的值，管制局不会派 PWM 驱动直流伺服电机和张力传感器将继续收集钢丝张力。 当交流图阿尔钢丝张力值大于设定值、数字信号处理器控制局计算的差异和实际瓦尔 ue 设定值，然后直流伺服电机驱动张力调节滑杆向下线性运动平台缓解压力的根据的区别。 否则，直流伺服电机驱动张力调节滑块向上增加张力用
相同的方法。 该信号从张力传感器应与目标的价值线张力后滤波处理。 通过这种方法，建立了一种优化的钢丝张力（ 5-15 N 5 %误差）将得到的帮助下设计线张力控制系统。
在这个过程中的 线切割，对放电不连续由于间歇运动的电线电处接上。 当转速的线电低于正常水平速度、脉冲电源将切断了电力供应； 同时、线材张力控制系统停止收集了紧张的信号张力传感器。 然后，几秒钟后，系统将延长了信号采集的钢丝张力后速度线电极等于正常速度。
2.2 控制模型的钢丝张力控制系统
在 线切割过程中，紧张的线电极不能立即作出预测。为了实现实时检测和该股的速度，电线张力控制系统与巧妙地预测快速反应和精确控制需要［ 22 ］。PID 一直被视为最简单和广泛部署的控制器在工业， PID 控制器和控制的对象。 它提供了简单而又最有效的办法在许多实际控制概率 。 因此，本文还采用了 PID 。 PID 控制器是一个线性控制器。 PID 控制器计算的差异 e（t）值之间设置 r（t）和实际产值 y（t）。 然后，它控制着被控对象，沃特機、微分
和积分差距 e（t）。 该控制方程已经显示为
e(t)=r(t)-y(t) (1)
PID 控制算法言论已被列为
(2)
(3)
在金伯利进程的比例增益， Ki ，是整个增益， Kd 的微分增益， Ti 是整个时间常数和 Td 是衍生的时间常
数。
比例长期提供了一个全面控制。 在普罗普添加获得能够反映出偏差信号的控制信号比例。 一般来说，更大的比例是获得更好的动力响应和控制系统将会有更大的自动控制。 积分增益可以减少稳态误差通过低频补偿。 导数项的预测的变化趋势偏差根据不同的 e（t）可以提高了瞬态响应和稳定性的控制系统通过高频补偿［ 23 ］。 一个数学模型，建立了基于直流伺服电机、直线运动平台和张力传感器。 PID 控制算法已通过研究转移功能强化钢丝张力控制系统。 它能实现闭环控制的控制系统，能够满足要求的钢丝张力控制系统。按照结构的钢丝张力控制和参数，张力控制系统可以分为 4 个部分包括拉伸位移转换器、 PID 控制器，执行部分和张力传感器。 执行部分对钢丝张力控制系统包括直流伺服控制系统，直流伺服电机和机械传动系统。 的张力控制系统图基于 PID 被显示在图 3。
在以下几个部分，传递函数对每个控制阶段进行了研究，建立数学模型。
1 PID控制器：用于PID控制器的传递函数可以表示为
(4)
2 张力传感器：反馈张力值正比于
张力SENOR和张力信号响应的输出电压是如此之快，它可以被认为张力信号不耽误。因此，张力传感器的传递函数是恒定的，其可以被表示为
G2(s)=K1 (5)
3 张力位移转换器：张力排量
转换器转换成位移信号的设定值和反馈张力值之间的差。位移信号意味着张力调节滑动件的运动。线电极的直径改变在HS-WEDM工艺小。它可以认为线电极的变形与胡克符合 定律。因此，传递函数可以表示为
(6)
那里的长度是线电极， E 是弹性模量的线电极和一个是横截面积的线电极。
4 DC伺服控制系统：直流伺服控制系
统用在控制DC伺服电动机。它的控制信号转换成直流电动机需要的电压信号。传递函数可以表示为
(7)
5直流伺服电机
直流伺服电机是针对司机控制系统。它采用UE404CC直流伺服电机，其速度可以控制的。UE404CC DC伺服电动机的数学模型示于图 4。直流伺服电机 s的传输函数可表示为
G5(s)==
= (8)
在 Ja 是转动惯量的直流电机电枢、 J1 是转动惯量的直流电动机负载， Ra 是电阻直流电机电枢， La 是
电感的直流电机电枢、 Kb 的扭矩常数，直流莫托 KT 是背面电动（EMF）恒定直流电机和 Tm 是时间常数。
G6(s)=K2h (9)
在 k2 的传动比齿轮传动和 h 是领头的滚珠丝杠驱动器。根据转移函数（ 4 ）至（ 9 ）开环传递函数可以得到作为表达（ 10 ）。
在波德图的开环传递函数图中所示。 5 、通过 Matlab 软件后本斯泰特蒂翁的一系列相关的数据均显示为表1。
G(s)= (10)
根据对数频率稳定性判据， it is clear that the 相频特性曲线phi;（omega;）已不越线的- 180 度时曲线的振幅和相位L（omega;）。 因此，该线张力闭环控制系统的稳定性及相位裕度是 55 度。Simulink 工具箱作为重要的组成部分 Matlab 软件已经广泛应用于分析的控制系统。 它可以提供一种集成环境的道路包括动态系统建模、模拟和综合分析。 据控制系统图基于控制系统图基于规范的 PID 和的传递函数给出的当量（ 10 ）模拟模型对钢丝张力控制系统已经建成，正如图中所示6 。 然后，通过 PID 控制参数进行了调整，以达到预期的效果。
一
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