深小孔高速电火花加工的无模型自适应控制

【作者】 夏蔚文； 李子伦； 张亚欧； 叶龙； 奚学程； 赵万生；

【机构】 上海交通大学机械与动力工程学院机械系统与振动国家重点实验室；

【摘要】 高速电火花小孔加工技术在模具、汽车、航空航天等制造领域得到了广泛运用,特别是用于大深径比小孔加工。传统的高速电火花小孔加工的伺服控制器根据极间平均电压,调整下一伺服周期的电极进给率。在使用细电极(如外径0.2～0.4mm的电极)加工大深径比小孔时,由于工件厚度较大,且电极损耗很大,故预留的电极长度较长,刚性很弱。此种情况下,初始进给速度不宜过快,否则会导致电极发生不可逆的弯曲形变,加工难以继续;而随着电极进给深度加深,加工更加稳定,应逐步提高进给速度,以提高整体的加工效率。故初始的伺服参考电压应设为较高值,随后逐渐调节降低。而传统控制器不能自动调节伺服参考电压,人工调节则对操作员经验要求高,且自动化程度低。为此,基于无模型自适应控制(Model-Free Adaptive Control,MFAC)理论设计控制器,用于动态调节伺服参考电压。该控制器的输入为一个自适应控制周期内极间平均电压及电压变化的组合,输出为伺服参考电压。搭建该控制器无需在线辨识被控过程的模型。MFAC算法将被控对象用泛模型表示,即输出的变化等于输入的变化与模型的伪偏导数的乘积。伪偏导数是时变参数,根据前一周期的控制结果估算得到,可以跟踪时变系统的变化情况。算法分为两步:(1)根据在线数据估计被控过程的伪偏导数,(2)根据预期输出计算出合适的输入变化量。可见该算法具有结构简单、运算量小、易于实现等优点。使用该控制器时,可以将初始伺服参考电压设为较高值,使得初始进给速度低,而随后控制器自动根据加工状态减小伺服参考电压。在高速电火花穿孔机平台上通过软件实现了该控制器,并进行了加工实验。实验中使用外径0.4 mm电极加工厚度为40 mm的Cr12模具钢工件。实验共分三组,第一组初始伺服参考电压高,且无自适应调节;第二组初始伺服参考电压低,且无自适应调节;第三组初始伺服参考电压高,且使用MFAC控制器动态调节伺服参考电压。第一组实验可以正常完成加工,电极未发生不可逆的弯曲形变,但加工效率偏低。第二组实验中,出现了加工开始后因电极弯曲形变而无法完成加工的情况,且弯曲的电极无法继续使用。第三组实验中,电极也未发生不可逆的弯曲形变,而且加工效率高于第一组实验,电极损耗没有显著变化。实验结果表明,在使用细电极加工大深径比小孔时,利用MFAC控制器可保证整体加工效率,也避免了加工开始时电极弯曲形变。更多还原