金剛石木工刀具電火花磨削工藝參數優化係統主要為了解決金剛石木工刀具硬度大，刃口形狀複雜，很難加工等麵臨的實際問題而提出的。與雙軸或三軸電火花設備相比，五軸電火花線切割係統擴展了加工工件的多樣性，可加工出形狀複雜的曲麵。該係統除用於金剛石刀具加工外，還可用於其他超硬材料或具有複雜空間曲麵零件的精密成形加工，屬於先進加工技術領域。
4.1係統概述
線切割加工(WEDM)是電火花線切割加工的簡稱，它是用線狀電極(鉬絲或銅絲)靠電火花放電來對工件進行切割。線切割機床通常分為兩類：快走絲和慢走絲。前者是電極鉬絲作高速往複運動，走絲速度為7m/s~11m/s，國產的線切割機床多是此類機床。慢走絲機床的電極做低速單向運動，一般走絲速度低於0.2m/s。線切割的加工精度可達±0.01mm，表麵粗糙度Ra為1.25um~2.5um。
電火花線切割加工時，在電極絲和工件之間進行脈衝放電，見4-1。電極絲接脈衝電源的負極，工件接脈衝電源的正極。當間隙小於放電間隙，間隙間來一個電脈衝時，在電極絲和工件之間產生一次火花放電，蝕除一部分金屬。加工的同時向間隙通工作液，衝走蝕除產物保證間隙消電離，要想再一次放電，必須移動工件保持間隙到放電間隙。通常認為放電間隙在0.01mm左右。
4-1電火花線切割的加工原理
高速走絲線切割機在生產中尤其在模具生產中得到了廣泛的應用，但其加工過程是一個包含電磁學、熱力學以及流體力學的多參數複雜過程，具有隨機性和不確定性，在實際生產中線切割加工參數的選取在很大程度上依賴於操作者的經驗，或者依據機床生產者提供的加工參數表進行近似選取，而廠家提供的工藝參數表一般隻針對典型的工藝加工情況，很難適應具體的加工條件，並且操作者隻能在經過培訓及操作實際經驗後，才能逐步掌握線切割機床的操作，在實際加工過程中不能很好地挖掘機床潛力和適應自動化生產的要求。而加工時所選取的工藝參數直接決定工藝效果，工藝參數和工藝效果之間的關係十分複雜，是一個具有高度非線性的問題，難以建立一個嚴格的數學模型用具體的數學表達式來描述其工藝規律，能否在給定的加工條件下選擇最優的工藝參數，降低操作者的介入，提高電火花線切割加工製造效率，已經成為目前高速走絲線切割加工在應用中急需解決的問題。
進行參數優化首先要對線切割工藝過程進行建模。線切割加工中工藝參數和工藝效果之間的關係十分複雜，很難建立精確的數學模型。灰色理論技術是解決這一問題的有效方法，隻要事先通過樣本訓練，就可以模擬加工參數和工藝效果的關係模型，然後再針對建立的模型采用一定地優化算法就可以獲得理想的加工工藝參數，並在此基礎上建立線切割工藝數據庫，就可以解決實際操作中的參數選取問題，從而取得較好的加工效果，而且該數據庫可以隨著操作的深入不斷擴展和更新，提高加工的智能程度和適應能力。
通過以上分析，本文在采集工藝數據的基礎上建立了基於灰色理論的金剛石木工刀具電火花磨削工藝參數優化係統，該係統不僅可預測線切割加工工藝效果和優化加工工藝參數，而且通過訓練模型的功能，能適用於不同類型的高速走絲線切割機。
4.2工藝優化係統的功能
基於灰色理論的金剛石木工刀具電火花磨削工藝優化係統的功能主要有：
1.針對不同的高速走絲線切割機床和加工工藝條件，用戶可在工藝試驗的基礎上建立新的工藝數據庫或對已有工藝數據庫進行操作，以工藝數據庫為樣本庫，經過訓練得到相應的預測和優化模型。
2.對設定的加工條件，使用預測模型，可得到金剛石木工刀具電火花磨削預測的工藝效果。
3.輸入期望的工藝效果，運行優化模型，可以得到相應的優化工藝參數組合。金剛石木工刀具電火花磨削工藝優化係統功能模塊結構見4-2。
4-2係統功能模塊結構
金剛石木工刀具電火花磨削工藝優化係統的功能模塊主要有：
1.訓練模型模塊
針對不同的高速走絲線切割機以及加工工藝條件，用戶可通過工藝數據庫管理模塊，新建工藝數據庫或對已有工藝數據庫進行操作。以工藝數據庫為樣本庫，經過訓練可以得到相應的預測和優化模型。
2.預測工藝效果模塊
對設定的加工條件，使用所建預測模型，預測出金剛石木工刀具電火花磨削加工的工藝效果。
3.優化工藝參數模塊
輸入期望的加工工藝效果，運行優化模型，給出最優的加工參數。
根據軟件工程及實際應用的需要，在軟件設計過程中應考慮以下幾個方麵：
1.軟件應具有較高的可靠性，能保證可靠的工作，而不是經常發生異常事件。
2.軟件的易用性，由於實際應用中，操作人員的計算機應用知識方麵的限製，決定了軟件應該易學和易用，提高易用性的手段包括提供簡單、直觀、美觀的人機交互界麵，給出清晰的操作提示等。
3.軟件的易維護性，隨著係統要求的提高，功能的擴展，應能對軟件進行更新，在軟件設計階段就應考慮到源程序的易讀性及易擴展性，在開發過程中合理設計程序結構，撰寫詳細的注疏及開發文檔。
4.3係統總體設計思想
在建立的金剛石木工刀具電火花磨削加工模型和加工參數優化的基礎上，開發金剛石木工刀具電火花磨削工藝優化係統，該係統可以預測指定加工條件下的工藝效果，還能根據加工要求得到最優加工參數，金剛石木工刀具電火花磨削工藝參數係統的基本結構框見4-3。
4-3係統框
金剛石木工刀具電火花磨削工藝優化係統主要提供以下功能：
1.建立工藝模型
係統以脈衝寬度、脈衝間隔、峰值電壓、峰值電流和加工速度為輸入量，表麵粗糙度和材料蝕除量為輸出量，利用灰色理論技術建立工藝模型。
2.預測工藝效果
根據實際情況選擇相應的工藝模型，輸入加工參數，即可預測出相應的工藝效果。
3.優化加工參數
選擇相應的模型，輸入優化加工參數，選擇相應的模型，即在全局範圍內得到最優的加工代碼組合。
4.加工代碼設置
係統中所有的參數均以加工代碼的形式輸入，不必在加工代碼和實際參數值之間查表轉換。係統還能對加工代碼進行設置，使係統能適用於不同的機床。
5.工藝數據庫管理
係統具有工藝數據庫添加功能，從而使係統可以生成適合於特定機床的工藝模型。
6.完善的文件保存、打印功能
預測結果不僅可以以文件的形式保存，還可以打印輸出，便於更詳細地分析研究預測優化結果。
4.4工藝優化係統的通用性
目前國產高速走絲線切割機從硬件到指令代碼都不相容，無統一的標準可依據。而且由於各機床的邊界條件不同，加工參數與工藝效果的關係各異。此外，線切割加工過程隨機性、複雜性強，涉及的幹擾因素多。這些都使得建立一個對各種型號、規格的高速走絲線切割機都適用的優化係統相當困難。
為使所開發的金剛石木工刀具電火花磨削工藝參數優化係統具有通用性，作者通過訓練模型功能加以實現。不同的高速走絲線切割機具有不同的機床特性，在設定的加工條件下，建立相應的工藝數據庫(即樣本庫)。經過訓練可獲得此條件下的加工工藝效果預測模型。金剛石木工刀具電火花磨削工藝參數優化係統通用性的實現流程見4-4。
訓練模型主要包括輸入機床工藝參數代號、設置加工工藝條件和工藝數據庫管理三部分。
1.機床工藝參數代號
用戶需調節的高速走絲線切割機主要參數有脈衝寬度、脈衝間隔和脈衝峰值電流。機床型號不同，工藝參數代號所對應的實際值不同。其中脈衝間隔的代號在某些機床上對應於實際值，而在另一些機床上對應於脈衝間隔與脈衝寬度的比值，可依據用戶所用機床選定。例如：在上海無專廠生產的TP7725型機床中，電源參數每一檔顯示值並不代表該參數的實際值，而是一組代號，而HCKX250型機床上的電流代號和實際值相差一定倍數。
2.加工工藝條件
用戶通過一定界麵設定進行工藝試驗的加工條件，如工件材料、電源輸出電壓、電極絲直徑、電極絲走絲速度、工作液名稱和濃度等。對應設定的加工條件，建立預測和優化模型。
3.工藝數據庫
用戶可通過工藝數據庫管理功能新建工藝數據庫或打開工藝數據庫進行更新。所建立的工藝數據庫即為訓練模型的樣本庫。工藝數據樣本呈正態分布時，訓練後的模型精度較高。
然後，金剛石木工刀具電火花磨削工藝參數優化係統根據用戶所用的高速走絲電火花線切割機工藝參數代號以及進行工藝試驗的加工工藝條件，使用灰色理論對所建工藝數據樣本庫進行學習，建立滿足用戶要求的預測模型。
4.5實驗設備與條件
4.5.1實驗設備
目前，金剛石木工刀具磨削可采用旋轉的圓盤電極或移動的線電極，以電火花腐蝕的形式切除材料。兩種電火花腐蝕方式相比，以移動的線電極方式磨削金剛石木工刀具，磨削精度更高。國內超硬刀具的切削部分一般多采用四軸聯動的線切割機進行成型加工，對機床進行改造，配置一個專用夾具，起到夾持刀具和分度的作用，可進行金剛石木工刀具的磨削工藝參數的實驗。
4-4係統通用性實現流程
所以，本項研究的實驗設備采用HCKX250型高速走絲電火花加工機床，4-5所示。
本課題所要研究的內容就是利用現有普通電火花機床進行金剛石木工刀具電火花的磨削加工，以擴展電火花機床的工藝範圍，提升設備能力。
HCKX250型機床具有形輸入信息的自動編程係統，同時還能采用國際通用的G指令以及快走絲線切割（WEDM-HS）專用的3B指令進行操作和控製，在加工過程中加工軌跡以形顯示於顯示屏，所以，整個操作過程十分直觀、簡便。
4-5HCKX250型高速電火花線切割機
機床規格：
（1）工作台行程：320×250mm
Z軸行程：150mm
加工最大厚度：200mm
加工最大錐度：±6o
銅絲直徑：0.12mm~0.25mm
（2）電器控製櫃
控製方式：CNC開環
控製軸數：X，Y，U，V
控製輸入：鍵盤、麵板按鍵及磁盤輸入、串行輸入
短路處理：自動回退
控製操作方式：自動/人工
控製插補方式：直線、圓弧
加工狀態顯示：切割形實時跟蹤
三種坐標顯示
加工電源參數顯示
加工長度、加工時間、加工速度顯示
機床分為電器控製櫃部分和機械部分。電器控製櫃部分由電源供給、脈衝電源、步進驅動、主處理器、機床電器等五個模塊構成。輸入方式是通過標準鍵盤輸入或運行自動編程軟件進行編程。高頻電源所產生的一定頻率和功率的脈衝，提供電火花加工所需的放電能量。它的性能和參數的選擇直接影響電火花加工的速度、表麵粗糙度、放電間隙等。高頻電源可調節五個參數：電源電壓、脈衝寬度、脈衝間隔、脈衝峰值電流、進給速度等，但電源電壓的調節在機箱內部進行，一般出廠後除特殊情況外不作調整。進給速度也已預先設定到一段較合理的範圍，用戶可在這一範圍內微調。在用戶麵板上主要調節脈衝寬度、脈衝間隔、脈衝峰值電流三項。