基于AVR单片机的恒张力控制器

　　0　引言

　　自从1943年,苏联学者拉扎连柯夫妇发明了电火花加工以来,历经半个多世纪的研究与发展,电火花线切割机(WEDM)及其工艺技术在超硬材料、复杂型面、精细表面、低刚度零件和模具等加工领域中已成为必须的加工工艺方法和技术装备。而这其中,慢走丝电火花线切割机(WEDM-LS)以其应用领域广泛、加工精度高及生产效益好等特点,已经在国防、医疗、化学、仪器仪表工业等领域得到了广泛应用。

　　1　问题的提出

　　在慢走丝电火花加工中,电极丝的张力直接影响着电极丝的抖动幅度和频度,因此常引发丝振甚至断丝,为了提高机床运动的稳定性,加工精度和加工表面质量,需设计恒张力控制系统来解决上述问题。走丝系统的张力控制方法可分为直接张力控制和间接张力控制。

　　目前,常用的是直接张力控制系统,即用张力传感器等元件直接测出丝张力,并作为张力反馈元件,构成闭环控制。根据执行机构的不同,慢走丝线切割机床走丝系统的张力装置大致分为以下3种:粉末制动器加载式、双机转速差加载式和电磁式加载式[1]。走丝系统示意图如图1所示。对于粉末制动器加载式,执行器1为硬特性的拖动系统拖动电极丝匀速走丝,执行器2是一个磁粉制动器,在后面加载,将电极丝绷紧,达到要求的张力。对于双机转速差加载式,执行器1和执行器2均为执行电机,对拉丝轮电机进行匀速控制,通过张力传感器的反馈信号对张力轮的电机进行速度控制,利用拉丝电机和放丝电机微小的速度差来形成张力。而对于电磁式,张力轮的轴上安装有电机,电机工作在相当于发电机的工作状态,产生反电动势,使电机产生阻力矩,将电极丝绷紧,达到要求的张力。

　　综上所述,控制器作为核心部件一方面对张力传感器实时反馈回来的信号进行采集,一方面对采集的信号进行处理,此外,还要根据这些信号,对执行部件发送指令,调整执行部件输出从而改变张力。在整个恒张力系统中,控制器的作用很重大。因此,设计一款既方便,小巧,易于使用,又运行可靠,响应速度快的控制器就显得极为重要。

　　2　控制器的总体设计

　　恒张力控制系统的基本原理,如图2所示。由张力传感器测得的张力模拟信号经过放大、A/D转换后得到数字信号,进入单片机控制器,经过数字滤波后与给定值进行比较运算,偏差值再经过PID调节,然后通过D /A转换来控制交流伺服驱动器,继而控制电机[2-3]。整个系统如图2所示,构成一个全闭环,使得伺服电机能够根据电极丝张力变换进行随动调节,从而有效的控制丝张力,达到恒张力控制的目的。