六轴联动电火花加工数控系统及机床.pdf

电加工与模具 2 0 1 3 年第6 期 工 艺 装备 ’ ／ ＼ 轴联动电火花加工数控系统及机床 陈 昊 ， 陈 默 ， 奚学程 ， 赵 万生 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 ， 上海 2 0 0 2 4 0 摘 要 针 对 闭式整体 涡轮 叶盘 的特殊 加 工要 求 ， 充 分利 用六轴联 动 所能提 供 的空 间可达 性 ， 提 出并实现 了一些专门用于加 工闭式涡轮叶盘的特殊功能。旨在 大幅提高系统的加工效率与精度 ， 降低 加 工成本 。基 于开 源操 作 系统 与可编 程运动控 制 器 ， 开发 了六轴联 动 电 火花加 工数控 系统 。 用 于控 制 3个移动 轴和 3个 回转轴 的 同时插补 。该 系统 包括 连续 平滑 的空 间曲线路径 及 电极 空 间姿 态 角的六 轴联 动单 位孤 长 增量 法 直接 插补技 术 、 曲线路 径 的 六轴联 动 伺服 进 给 与 回退技 术 、 曲线 路径的六轴联动抬刀技术等。六轴联动极大地提高了加工柔性与 自由度。 使该 系统可用于更 多类 型 、 更 复杂 曲面的加 工 。 关 键词 六 轴联动 数控 ； 电火 花成 形加 工 ； 闭式 叶盘 ； 运 动控制 器 中图分类 号 T G 6 6 1 文献标识 码 A 文章 编号 1 0 0 9 2 7 9 X 2 0 1 3 0 6 一 O 0 7 0 0 4 S i x a x i s El e c t r o - d i s c h a r g e M a c h i n i n g CNC S y s t e m a n d M a c h i n e To o l Ch e n Ha o， Ch e n Mo， Xi Xu e c h e n g， Zh a o W a ns he n g S h a n g h a i J i a o T o n g U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0 ， C h i n a Ab s t r a c t T o me e t t h e r e q u i r e me n t s f o r t h e ma n u f a c t u r e o f i n t e g r a t e d s h r o u d e d b l i s k s ， a s i x a x i s e l e c t r o - d i s c h a r g e m a c h i n i n g E DM C N C s y s t e m h a s b e e n d e v e l o p e d t o t a k e t h e a d v a n t a g e o f t h e s p a t i a l r e a c h a b i l i t y p r o v i d e d b y t h e s i x axi s s t r u c t u r e ．B u i l t u p o n t h e o p e n Ub u n t u L i n u x o p e r a t i o n s y s t e m O S a n d a p r o g r a m ma b l e m o t i o n c o n t r o l c a r d ， t h i s E D M C N C s y s t e m c a n a c h i e v e a c o o r d i n a t e d i n t e r p o l a t i o n f o r t h r e e l i n e ar axe s a s we l l t h r e e r o t a r y a x e s ． T h i s CN C s y s t e m h a s i mp l e me n t e d s e v e r a l c r i t i c a l t e c h n i q u e s for a b e t t e r c o n t r o l o f a n ED M p r o c e s s ， wh i c h i n c l u d e s G e n e r a l i z e d Un i t Ar c L e n g t h I n c r e m e n t G U A L I m e t h o d s i x - axi s s i mu l t a n e o u s i n t e rpo l a t i o n a l g o r i t h m， s i x - axi s s i m u l t a n e o u s s e r v o c o n t r o l f o r t h e f o r w a r d ／ b a c k wa r d mo v e me n t o f t h e e l e c t r o d e a l o n g a s p a t i a l c u r v e ， s i x - axi s c o o r d i n a t e d j u mp a l o n g a c u r v e ， e t c ．T h e s i x a i s s y s t e m g r e a t l y i mp r o v e d f l e x i b i l i t y a n d fr e e d o m i n a ma n u f a c t u r i n g p r o c e s s i n t h e s e n s e t h a t t h i s t y p e o f CN C s y s t e m c a n b e u s e d for t h e ma n u f a c t u r e o f a l a r g e r a ng e o f wo r k pi e c e s who s e s u r f a c e s a r e c o mp l e x ． Ke y wo r ds s i x -a x i s CNC； s i n k i n g e l e c t r o -d i s c harg e ma c hi n i n g； i nt e g r a t e d s hr o u d e d b l i s k； mo t i o n c o n t r o l l e r 由于 电火花加工技术能解决各种难切削材 料 和复杂形面的加工问题 ． 所以被广泛应用于航空航 天产业 ， 如喷气发动机 O G V、 火箭发动机 的整体涡 轮叶盘 、 航天航空陀螺仪等[ 1 1 。由于战略产业的敏感 性 ， 多轴联动电火花加工机床一直被发达 国家列 为 收稿 13期 2 0 1 3 - 0 9 3 0 基金项 目 机械系统 与振动 国家重点实验室项 目 MS V Z D 2 0 1 3 0 5 第一作者简介 陈昊 ， 男 ， 1 9 8 9年生 ， 博 士研究生 。 一 7 0 一 对华实行禁运的高技术产品。因此 ， 多轴联动电火 花成形加工机床及其相关技术的研究具有 非常重 要的意义。作为航空 、 航天发动机的关键零部件 ， 涡 轮叶盘很大程度上决定 了动力系统的性能 、可靠 性 、 寿命和成本[ 2 1 。闭式整体涡轮叶盘具有体积小 、 结构紧凑 、 力学性能好等优点 ， 成为各 国涡轮类零 部件优先发展的对象 。多轴联动电火花加工所具备 的诸 多优 点 ， 如无宏 观 切 削力 、 能 加 丁难切 削材 料 、 工 艺 装备 电 加工与模具 2 0 1 3 年第6 期 成形精度高等 ， 使其成为闭式整体涡轮叶盘的首选 加工方法 。 数控系统是现代机床的核心。多轴联动电火花 加工数控系统要遵循实时性 、 稳定性与可靠性 的设 计原则f3 】 。现有的商用数控系统 由于不够开放 ， 且绝 大部分功能针对切 削加工设计 ， 难以直接满足多轴 联动电火花加工技术的要求 。开放式数控 系统在通 用性 、 可扩展性 、 可靠性上有着突出的优势 。 具有较 好 的应用 前 景 。P MA C P r o g r a mm a b l e Mu l t i A x i s C o n t r o l l e r 是美国某公司出品的可编程 多轴运动控 制器 ， 其开放性好 、 稳定性强 、 可靠性高 。硬件核心 采用 5 6 0 0 1系列 D S P芯片 ， 所有实时运算均在 D S P 中运行 。 国内已经开展基于 P MA C的多轴联 动电火花 加工机床及其数控系统的研究与开发工作数年。近 年来 ， 苏州电 n - r _ 机床研究所有限公 司与上海交通 大学等单位合作 ， 承担了国家” 十一五” 科技重大专 项课题 固定工作 台式 五轴联动 电火花成形加 工机床 。采用 L i n u x操作系统与 P MA C运动控制器 相结合的方案 。 研发出了五轴联动电火花加工数控 系统，并用于 D K 7 1 4 0型五轴联动电火花成形加工 机床 ， 并初步实现了产业化I t ／ 。绝大多数正在服役的 用于加工闭式整体叶盘的数控电火 花加工机床均 为五轴联动控制 ， 仅德 国企业有六轴联动电火花加 工机床销售。 然而 ， 现有的五轴或六轴联动电火花加工机床 都是 由用于模具 加工 的 四轴联 动电火花加工机床 通过增加附加回转轴部件演变而来 ． 并没有专门为 闭式叶盘等航空航天发动机零件加工 的特殊要求 量身定制一些更有效的功能。这就导致在实际加工 过程中遇到一些共性问题 ① 复杂的空间进给路径 和电极姿态角必须用为数众多小线段来逼近 ② 加 工效率普遍偏低； ③ 一些在四轴联动模具加工中行 之有效的特殊工艺无法在六轴联动加工中应用； ④ 缺乏 C A D ／ C A M 系统的无缝集成功能。 针对 以上问题 ， 本文全新设计 了六轴联动电火 花加工专用数控系统 。采用基于 L i n u x操作系统与 P MA C可编程多轴运动控制器相结合的上下位机系 统结构和全 闭环伺服控制方式 ， 实现了六轴联动加 工。针对航空航天发动机零件的六轴联动电火花加 工的特殊需求 ， 研究 了同时控制空间曲线路径和电 极姿态角的六轴联动插补新技术 、 六轴联动伺服进 给与回退技术 、曲线路径的六轴联动抬刀技术等。 通过闭式叶盘样件等典型难加工零件的加工实验 ， 验证了六 轴联动 电火花加工数控系统的加工性能 与机床的稳定性 。 1 六轴联 动电火花加工机床硬件结构设计 五轴联动机床一 般采取 3个直线轴加 2个旋 转轴 的配置方案 ． 大体上有双转台式 、 转 台加摆头 式和双摆头式 3种形式阁 。双摆头式一般运用于铣 削机床或加工中心 ， 对于闭式叶盘等利用形面拷贝 方法加工的情况并不适合 。摆头与双转台式对于加 工不同类型零件各有优势 。 为综合这两种结构的优 势 ， 增强空间可达性 ， 本文用六轴取代五轴作为新 型 电火 花加 工机 床 的运动 机构 配置 。 本文研制的数控 机床机械结构为六轴联动电 火花加工机床的典型布局 图 1 。从机构学角度来 看 ，包含 了 3个平动 自由度与 3个转动 自由度 ， 平 动 自由度决定电极与工件的空间位置 ， 转动 自由度 决定电极相对于工件的空间姿态 。根据数控标准规 定 ， 、 y、 Z表示驱动工件进给的笛 卡尔直角坐标 ， A、 B、 C分别为绕 、 y、 Z或其平行线 的回转坐标 ， 、y 、 表示驱动工具 电极进 给的直角 坐标 ， 、 B 、 C 表示驱动电极旋转的回转坐标 图 2 。 A轴与 B轴采用双轴转 台结构 B轴与 C轴可按任意角度 旋转 A轴采用摆头结构 ， 旋转角度为 9 O 。 。并采用 将 A轴摆头与 轴转台相结合的机床附件 ， 该附件 可浸油工作 。 完全满足电火花成形加工需求。 图 l 六轴联动电火花成形加工机床 图 2六轴联 动电火花成形加 I 机床坐标 系定义 一 7l 一 电 加工 与模具 2 0 1 3 年第6 期 工 艺 装备 2 六轴联动 电火花加工数控 系统 由于六轴联动电火花成形加工工艺的特殊性 ． 其数控系统除了常规的工具轨迹控制之外， 还需具 有诸如脉冲 电源控制 、 放电间隙伺服控制 、 六轴联 动正反向可逆插补 、 抬刀等功能 。本文基于六轴机 械平 台及其直线光栅反馈和编码器 反馈 系统构建 全闭环的速度指令模式的控制体系 图3 。其 中， 3 根直线运动轴采用直线光栅 的全闭环反馈系统 ， 3 根旋转轴采用编码器全闭环反馈系统。 圆[ 圈圜匝巫蛰 I 功 棒 动控制通喇工艺数据 肆 控制通 讯 l 模 P MAC 驱动胃 圆圈回lP M A c 位 程 巨 f l退 运 动 程 I 动 程 庄 I J ．1r ‘ 图 3六轴联动 电火花加工数控系统体系架构 本文采用基于 L i n u x 操作系统与 P MA C可编程 多轴运动控制器构成的上下位机系统结构 ， 开放程 度高 。 便于添加六轴联动电火花加工所需的各项新 功能。这种双核体系结构 ， 是数控系统的硬件核心。 设计数控系统时 ， 将所有控制任务依据其对实时性 要求的强弱 ， 分为实时任务与非实时任务 ， 并进行 模块化 。将非实时模块基于上位机开发 ， 而将所有 实时模块基于下位机开发 ， 以充分利用下位机强健 的实时运算与处理能力 ， 保证系统的实时性 ； 同时 ， 上位机的强大资源在人机交互操作、 非实时任务的 调度与执行上具有 明显优势 ， 而这些都是下位机不 擅长的。将非实时与实时模块分别基于上下位机运 行 ， 可充分发挥 双核系统 的优势 ； 另一方 面 ， 由于 P MA C系统 已经 充分 成熟 。对于 加工航 空航 天发动 机闭式叶盘类零件拥有充分的可靠性保障。 本 文同时研究 了全新 的插补算法单位 弧 长增量插补法 ， 来实现电极空问进给路径和姿态的 六轴联动控制。不同于以往采用众多小线段进行逼 近的方法 ， 单位弧长增量插补法能用较少 的插补指 令完成较复杂的曲线曲面多轴联动加_ [ 。该方法的 特点是 以累积弧长作 为参数 ， 每次插补沿弧线进给 一 个插补单位步长 旋转轴需要将角度依据电极或 lT件半径转化为长度单位 ，几个坐标轴分别累积 一 7 2 一 单位弧长增量在其上的投影分量， 当该分量达到或 超过一个插补单位步长时 ， 就在该运动轴产生一个 插补单位步长的进给运动。终点判别采用预设弧长 的方法进行判别。这种插补方法可减小插补环节的 误差 。 将插补误差控制在一个插补单位步长内。同 时 ， 可实现 以往插补方法无法 实现 的功能 ， 如用一 条指令进行多圈圆弧的加 工， 直线圆弧的归一化处 理 ， 各种参数 曲线的直接插补 ， 各种复杂的联动运 动等。 人 机 交互 界 面 是 用 户对 数 控 系 统进 行 交互 操 作 以实现 控制 的 软件 接 口， 理想 的人机 交互 界 面应 当功能齐全 、稳定可靠 、用户友好。本文利用 Q t 一 4 ． 7 ． 0开发 了六轴联动电火花加工数控系统 的人机 交互界面 图 4 。按操作流设计 的分页界面包括准 备 区、 加工区、 维护区 3个顺序工作 区， 能引导操作 人员进行顺序操作。准备 区包含工件找正 、 坐标切 换 、 参数设置 、 回零操作 、 手动操作等功 能界 面 ； 加 工区包含文件操作 、 坐标值及状态显示 、 设备开关 等功能界面 维护区包含 P MA C通讯 、 机器参数设 置、 补偿设置等功能界面。该界面提供完整的坐标 显示与各种报警提示功能， 为用户提供了较完善的 功能 接 口。 ‘■ ■ ■‘ ■ ■ B ■■ ■●■№ ■ ■ 一嘲一●I 冒 ” i ■∞ _ 隔 ㈠ _ ∞ ■E口_ ■ ■ ■_I ii _ 曩■●曩Ⅱ 一 ““ 。B曩l ■ 一 日 ■■●卿一 嫩 飘 霸蹦圈 日 ■ ●嘞 圜 瞳脚 髓 嘞 瞳 ● 嘞 暑 ■■ ■C 一 - 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