ELID磨削的智能加工技術(shù)

李　偉，詹方勇，徐敏界

(浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

ELID磨削的智能加工技術(shù)

李偉，詹方勇，徐敏界

(浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

摘要：重點分析ELID磨削過程中砂輪表面氧化膜的作用機(jī)理，得出EILD磨削加工過程中的電壓電流值大小可以表征氧化膜狀態(tài).在ELID磨削工藝實驗基礎(chǔ)上，分析了氧化膜狀態(tài)主動控制下的ELID磨削控制策略，并將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于ELID磨削系統(tǒng)上，針對ELID磨削過程的非線性和時變性，通過MATLAB仿真制定了模糊控制規(guī)則，并確定了模糊控制的基本參數(shù)，以此設(shè)計出ELID智能加工系統(tǒng)的模糊控制器，最終開發(fā)出了基于模糊控制的ELID磨削智能加工系統(tǒng)，實現(xiàn)了高效率、超精密ELID磨削智能加工.

關(guān)鍵詞：ELID磨削；氧化膜；模糊控制；智能加工

中圖分類號：TP183

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1006-4303(2015)01-0039-04

Fuzzy control theory and technique of ELID grinding

LI Wei, ZHAN Fangyong, XU Minjie

(College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:This paper focuses on the mechanism of grinding wheel surface oxide film in the ELID grinding process, it concludes that value of voltage and current in the process of grinding can characterize oxide film. On the basis of ELID grinding experiments, it analyzes the ELID grinding control strategy of oxide film and applies the fuzzy control technique to the ELID grinding system to determine the basic parameters of fuzzy control. According to the nonlinear and time-varying of ELID grinding process, it establishes fuzzy control rules by MATLAB simulation and designs the fuzzy controller of ELID intelligent processing system which lays a foundation of intelligent process control system.

Keywords:ELID grinding; oxide film; fuzzy control; intelligent processing

隨著電子、光學(xué)等行業(yè)的快速發(fā)展，對于單晶硅、硬質(zhì)合金等硬脆材料的加工表面質(zhì)量及加工效率的要求越來越高.這些硬脆材料一般均由研、磨、拋加工完成最后表面加工，其中的ELID超精密磨削方法受到了科研與企業(yè)界的廣泛重視.ELID磨削具有效率高，精度高，表面質(zhì)量好，加工裝置簡單及加工材料適應(yīng)性廣等優(yōu)點，尤其對于陶瓷、硬質(zhì)合金等硬脆材料的高效超精密加工具有獨特的優(yōu)越性，這種先進(jìn)的磨削加工技術(shù)將成為今后超精密磨削加工的主要發(fā)展方向與手段之一[1].筆者在ELID磨削工藝實驗基礎(chǔ)上，將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于ELID磨削系統(tǒng)上，確定了模糊控制的基本參數(shù)，以此設(shè)計出ELID智能加工系統(tǒng)的模糊控制器，為智能加工控制系統(tǒng)軟硬件的開發(fā)制定了基礎(chǔ).

1ELID磨削工藝

在當(dāng)前的ELID(Electrolysis in process dressing)磨削加工過程中，大多根據(jù)操作人員的經(jīng)驗，在磨削加工進(jìn)行之前，分別設(shè)定電解參數(shù)和磨削參數(shù)，使得電解氧化膜的產(chǎn)生與工件對于砂輪表面氧化膜的磨損達(dá)到一種動態(tài)的平衡.利用這種方法能較容易進(jìn)行ELID磨削，但是不能很好地發(fā)揮出ELID磨削的優(yōu)勢[2].動態(tài)平衡條件下的氧化膜狀態(tài)受磨削參數(shù)、砂輪表面狀態(tài)、脈沖電源參數(shù)等的變化所影響，氧化膜過厚以及過薄都不能維持磨粒良好的磨削性能，因此砂輪表面氧化膜的厚薄與狀態(tài)是影響磨削加工過程以及加工表面質(zhì)量的重要因素.

在EILD磨削過程中，磨削與氧化膜狀態(tài)互相影響，為了最大可能地發(fā)揮ELID磨削的潛能，我們可以采取某些措施控制磨削過程對氧化膜狀態(tài)的影響，然后根據(jù)某些因素對氧化膜狀態(tài)的影響規(guī)律來控制ELID磨削過程中產(chǎn)生的氧化膜達(dá)到能夠滿足磨削要求的理想狀態(tài).我們可以根據(jù)具體的磨削要求，設(shè)定某一氧化膜狀態(tài)的變化范圍.在ELID磨削過程中對氧化膜的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，將監(jiān)測結(jié)果與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)需要調(diào)整電解過程的電解參數(shù)或者磨削過程的磨削參數(shù)，這樣就能有效控制ELID磨削過程[3].

1—砂輪基座；2—砂輪基體；3—腐蝕層；4—徑增膜層；5—平衡膜層；A—預(yù)修銳之后砂輪表面的氧化膜厚度；B—動態(tài)平衡時的氧化膜厚度；C—腐蝕過渡層厚度圖1　ELID磨削微細(xì)粒度砂輪表層狀態(tài)分析模型Fig.1　The structure of oxide film on grinding wheel surface

如圖1所示為砂輪表面氧化膜構(gòu)成的分析模型[4]，設(shè)A為預(yù)修銳后砂輪表面的氧化膜膜層厚度，C為腐蝕過渡層厚度，動態(tài)平衡時的氧化膜層厚度設(shè)為B.在達(dá)到動態(tài)平衡狀態(tài)之前，因為氧化膜層厚度很大，極間電流非常小，電解作用較弱，所以這時氧化膜的去除作用強(qiáng)于電解作用.而在氧化膜厚度小于B的情況下進(jìn)行磨削時，電解作用大于氧化膜的去除作用.因此，在氧化膜的厚度大于B的狀態(tài)下進(jìn)行磨削時，需要減緩ELID在線修整作用，當(dāng)氧化膜厚度超越設(shè)定門限時停止電解修正；在使用厚度小于B的氧化膜進(jìn)行磨削時，氧化膜厚度過薄，應(yīng)立即啟動在線電解修整作用，從而將氧化膜狀態(tài)精確控制在設(shè)定的范圍之內(nèi)[5].

在ELID磨削過程中，假設(shè)確定磨削參數(shù)、電解液的條件下，我們可以從電解過程和磨削過程2個方面分別研究如何控制砂輪表面的氧化膜狀態(tài).具體來說，可以將氧化膜狀態(tài)主動控制下的ELID磨削控制策略分為4種情況.

1.1調(diào)整電解過程(電解參數(shù))

1) 調(diào)節(jié)電解參數(shù)

即調(diào)節(jié)脈沖電流、電壓或者占空比，從而調(diào)節(jié)電解強(qiáng)度.這種對硬件要求較高，但可以連續(xù)穩(wěn)定控制氧化膜厚度，有利于提高加工工件的表面質(zhì)量.

2) 間歇電解

在預(yù)修銳完成獲得一定厚度的氧化膜之后，停止電解并開始進(jìn)行磨削加工；當(dāng)監(jiān)測到極間電流超過給定上限值時，表明氧化膜厚度過薄，此時立即啟動電解，等到極間電流下降到給定下限值時停止電解.這種方法通過啟停電解作用來控制氧化膜的狀態(tài)，簡單且容易實施.

1.2調(diào)整磨削過程(磨削參數(shù))

1) 調(diào)節(jié)垂直進(jìn)給速率

假設(shè)電解參數(shù)與其他磨削參數(shù)已給定，比較與氧化膜厚度對應(yīng)的脈沖電流和給定的門限值，通過調(diào)節(jié)垂直進(jìn)給速率來調(diào)節(jié)ELID磨削過程中的氧化膜厚度.由于砂輪垂直進(jìn)給直接影響砂輪表面氧化膜厚度，因此調(diào)節(jié)垂直進(jìn)給速率是控制氧化膜厚度的最直接方法.

2) 間歇磨削

當(dāng)監(jiān)測到極間電流超過給定的上限值時，表明氧化膜過薄，停止磨削加工，只進(jìn)行電解，之后極間電流逐漸下降；當(dāng)極間電流下降到給定的下限值時，重新啟動磨削加工，極間電流恢復(fù)上升.這樣就可以將極間電流控制在給定的范圍內(nèi).

在綜合比較的基礎(chǔ)上，根據(jù)垂直進(jìn)給速率的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)ELID磨削的智能化加工.在ELID磨削加工中，進(jìn)給控制系統(tǒng)是控制砂輪的進(jìn)給量的大小來維持砂輪與工件之間的距離.當(dāng)砂輪與工件之間的距離維持在一個最佳間隙值時，砂輪表面的氧化膜的厚度維持一個動態(tài)平衡，此時電解維持在一個最佳狀態(tài)，使砂輪保持高效、高精度的磨削.

2ELID磨削模糊控制器

ELID磨削控制系統(tǒng)的參數(shù)如參考電壓的設(shè)定和加工切深的在線調(diào)節(jié)都依賴于有經(jīng)驗的機(jī)床操作者手工完成，因此機(jī)床自動化程度低，操作難度大[6].因此，ELID智能加工系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)有兩個方面：一方面提高伺服控制系統(tǒng)對電解狀態(tài)的識別能力，另一方面提高伺服控制系統(tǒng)的自適應(yīng)能力.

為了提高伺服控制系統(tǒng)的識別能力和適應(yīng)性，這里給出了以模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的伺服進(jìn)給控制模型.伺服進(jìn)給模糊控制模型在原有的磨床進(jìn)給系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入了反饋控制環(huán)，該控制環(huán)采用模糊控制器結(jié)構(gòu)，在監(jiān)測ELID磨削加工電解狀態(tài)的基礎(chǔ)上，利用模糊控制技術(shù)實現(xiàn)磨削加工的智能化[7].

下面根據(jù)兩輸入一輸出的模糊控制器設(shè)計理論來論述模糊控制器的建立.在ELID磨削智能加工中涉及的論域有三個：電流值偏差I(lǐng)、電流偏差變化率ΔI和控制的切深大小C.將輸入變量I和ΔI的論域設(shè)定在[-3,3]，輸出變量C的論域為[-5,5]，規(guī)定的這些變量的模糊子集為：={負(fù)大(NL)，負(fù)中(NM)，負(fù)小(NS)，正零(ZE)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PL)}.模糊子集的隸屬函數(shù)選定為三角形，其中輸入變量位置安排見圖2.

圖2　電解電流偏差值I及其變化率ΔI的隸屬函數(shù)Fig.2　Membership function of current deviation I and the rate of change ΔI

模糊控制規(guī)則是模糊控制器的核心，因此必須精心選擇這些規(guī)則.根據(jù)前面論述的基于電流的變化來控制進(jìn)給量的控制策略，結(jié)合ELID磨削加工的熟練操作人員的經(jīng)驗和有關(guān)專家的知識，設(shè)計了模糊控制規(guī)則.通常，模糊控制規(guī)則可以用控制規(guī)則表的形式表達(dá)，本模糊控制規(guī)表如表1所示.

表1　模糊控制器控制規(guī)則表

注：1) 首行和首列分別為I，ΔI時與切深C的對應(yīng)關(guān)系.

上述的模糊控制規(guī)則遵循了一般控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)，即：當(dāng)偏差量大時，根據(jù)偏差量確定控制器的輸出，從而盡快減少偏差量，加速控制的響應(yīng)；當(dāng)偏差量小時，根據(jù)偏差變化量確定控制器輸出，使系統(tǒng)盡快趨于穩(wěn)定，以免出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象.該控制規(guī)則的輸出結(jié)果如圖3所示.

圖3　模糊控制輸出效果圖Fig.3　Fuzzy control output renderings

本模糊控制器采用了瑪達(dá)尼模糊推理方法，即Min-Max合成規(guī)則，并采用了重心法來進(jìn)行解模糊判決.

3控制系統(tǒng)分析與實驗

在ELID磨削過程中，影響工藝指標(biāo)的干擾因素較多，且電解過程本身具有隨機(jī)性，這對ELID磨削加工過程的實時控制要求很高.在磨削加工過程中，砂輪表面的氧化膜的生成和磨損之間要保持一種動態(tài)平衡，這要求ELID磨削智能加工系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能和在線識別能力.圖4給出了ELID磨削在線控制的結(jié)構(gòu)圖.

圖4　ELID磨削加工在線控制結(jié)構(gòu)Fig.4　ELID grinding on-line control system

加工控制研究中，電解狀態(tài)檢測和進(jìn)給控制器的算法是兩個關(guān)鍵性環(huán)節(jié).當(dāng)磨削過程中狀態(tài)發(fā)生變化時，智能控制系統(tǒng)的檢測功能必須為處理器提供準(zhǔn)確可靠的信息，并由進(jìn)給控制系統(tǒng)進(jìn)行有效控制，兩個條件缺一不可.系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示.根據(jù)ELID磨削智能加工系統(tǒng)的加工要求，軟件主程序流程圖如圖6所示.

圖5　ELID磨削智能加工系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.5　The hardware of ELID intelligent grinding system

圖6　主程序流程圖Fig.6　The main program flow chart

筆者通過試驗來確定控制器變量(電解電流偏差值、偏差變化率)的實際范圍.ELID磨削硬質(zhì)合金的實驗在改裝的MM7120平面磨床上進(jìn)行的.本系統(tǒng)語言變量電流I的基本論域為[0，6]，取I=3 A為零值點，對應(yīng)于I的模糊語言變量論域I：{-3，-2，-1，0，1，2，3}，其量化因子Ki=1；電流變化率的基本論域為[-3，3]，其量化因子K△i=1；輸出變量F的基本論域為[-5，5]，其量化因子Kf=1.

構(gòu)成的ELID磨削智能加工系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)見圖7，圖8為使用ELID智能加工系統(tǒng)后，極間電流從磨削開始到磨削達(dá)到動態(tài)平衡階段的變化曲線.

圖7　ELID磨削智能加工系統(tǒng)Fig.7　Grinding intelligent processing system

圖8　初始電流為1.4 A時的電解電流曲線Fig.8　The electrolysis current change with the initial current is 1.4 A

從圖8中可以看出：電流上升比原有系統(tǒng)更加平穩(wěn)，電解達(dá)到動態(tài)平衡狀態(tài)的過渡時間大大縮短，而且沒有電流突變現(xiàn)象.如果單靠人為的手動進(jìn)給，達(dá)到動態(tài)平衡的時間一般要15～30 min.而采用智能加工系統(tǒng)的時間只要8～10 min，其動態(tài)響應(yīng)性能大有提高.

使用ELID智能加工系統(tǒng)后,磨削加工穩(wěn)定性改善，得到的硬質(zhì)合金表面質(zhì)量更優(yōu)，顯著提升了加工工藝，經(jīng)檢測其表面粗糙度Ra值可達(dá)到12 nm.

4結(jié)論

重點分析了ELID磨削過程中砂輪表面氧化膜的作用機(jī)理，在ELID磨削工藝實驗基礎(chǔ)上，將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于ELID磨削系統(tǒng)上，確定了模糊控制的基本參數(shù)，以此設(shè)計出ELID智能加工系統(tǒng)的模糊控制器，為智能加工控制系統(tǒng)軟硬件的開發(fā)制定了基礎(chǔ).結(jié)果表明：使用了結(jié)合模糊控制理論的ELID智能加工系統(tǒng)后，加工效率大為提高，可獲得穩(wěn)定的ELID磨削加工過程，為實現(xiàn)ELID智能化磨削加工提供了基礎(chǔ)，為硬脆材料超精密自動加工提出了一種新的方法與途徑.

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(責(zé)任編輯：劉巖)

作者簡介：李偉(1961—)，男，吉林梅河口人，教授，研究方向為超精密加工技術(shù)，E-mail：weilihz@163.com.

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(50775207)

收稿日期：2014-10-14