六轴四联动聚晶金刚石电火花镜面加工机床的关键技术研究.pdf

设 计 研 究 电加工与模具} 2 0 1 4年第6 期 六轴四 联动聚晶金刚石电火花 镜面加工机床 的关键技术研究 任 芸丹 ， 高坚强 ， 时解放 ， 陈 洁 1 ． 苏州市职业大学机 电工程学院 ， 江苏苏州 2 1 5 1 0 4 ； 2 ． 苏州新火花机床有 限公 司， 江苏苏州 2 1 5 1 2 8 摘要 为聚晶金 刚石的高精度加工研发 了一种新装备 ， 其关键技 术的研 究主要 包括 六轴四联 动 电火花加 工数控 系统 ； 专 用脉 冲 电 源 系统 ； 高精 密和 高响应 性 的放 电伺 服 系统 ； 专 用数据 库 及 专 用机床。六轴四联动聚晶金刚石 电火花镜面加工机床的研发能给企业带来更 多的商机和效益． 推 动高效、 高速、 高精度刀刃具的发展 。 关键词 六轴 四联动 ； 聚晶金刚石 ； 电火花镜面加工 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 4 0 6 0 0 1 5 0 4 Th e Ke y Te c h n o l o g i e s Re s e a r c h O i l S i x Ax e s Fo u r l i n k a g e s M a c h i n e To o l o f Po l y c r y s t a l l i n e Di a mo n d El e c t r i c S p a r k M i r r o r S u r f a c e Pr o c e s s Re n Yu n d a n ， Ga o J i a n q i a n g 2 ， S h i J i e f a n g 2 ， C h e n J i e 1 ． S u z h o u V o c a t i o n a l U n i v e r s i t y ， S u z h o u 2 1 5 1 0 4 ， C h i n a ； 2 ． S u z h o u N e w S p a r k Ma c h i n e T o o l C o ． ， L t d ， S u z h o u 2 1 5 1 2 8 ， C h i n a Abs t r ac t One k i nd o f ne w e qu i p me n t f o r t h e p o l y c r ys t a l l i n e d i a mo n d p r e c i s i o n wo r k ha s be e n r e s e a r c h e d a n d d e v e l o p e d， i t s k e y t e c h n o l o g i e s r e s e a r c h ma i n l y i n c l u d e s s i x a x e s f o u r l i n k a g e s e l e c t r i c s p a r k n u me ric a l c o n t r o l s y s t e m， s p e c i a l - p u r p o s e p u l s e e l e c t r i c a l p o we r s y s t e m ， h i g h p r e c i s e a n d h i g h r e s p o n s i v e e l e c t r i c d i s c h a r g e s e r v o s y s t e m ， s p e c i a l- p u rpo s e d a t a b a s e a s w e l l a s s p e c i a l p u r p o s e ma c h i n e ． T h e r e s e a r c h o n t h e ma c h i n e t o o l b r i n g s a b i g g e r o p p o u n i t y a n d b e n e fi t t o t h e e n t e rpris e ， i mp e l s mo r e hi g h l y e f f e c t i v e， h i g h s pe e d， h i g h a c c u r a c y for t h e d e v e l o p me n t o f k ni f e c u t t i n g t o o 1 ． Ke y wo r d s s i x a x e s f o u r l i n ka g e s ； p o l y c r y s t a l l i n e d i a mo n d； e l e c t r i c s p a r k mi r r o r s u r f a c e p r o c e s s 聚晶金刚石 P C D 是 2 O世纪 7 0年代开始在 国 际上研究使用 的新型超硬材料 ， 具有接近天然金刚 石的硬度 、耐磨性及与硬质合金相 当的抗 冲击性 ， 其化学性能稳定 ， 在精密切削等领域应用广泛[ 1 - -2 1 。 也正是 由于聚晶金刚石所具有 的特殊性能，使其成 形 和 表 面光 整加 工 非 常 困难 ， 在 一 定程 度 上 妨碍 了 它的推广应用。因此 ， 研究其加工方法显得特别重 要 。 本项 目致力于研究六轴 四联动 P C D超硬弱导 电材料电火花镜 面加工机床 ， 依靠放电产生的热量 使工件材料熔化、 去除。因为硬度 、 强度 、 塑性等机 收稿 日期 2 0 1 4 0 8 0 6 基金项 目 苏州市科技支撑 工业 计划项 目 S G 2 0 1 4 3 9 第一作者简介 任芸丹 ， 女 ． 1 9 7 9年生 ， 副教授。 械性能对 电加工过程无 明显影响 ， 故适宜应用该方 法对 P C D材料进行深加工。 该方法同样适用于解决 目前的高性能超细合金 、超硬弱导电工具材料 、 复 杂大异制 品、 精 密数控 刀具等 的加工 问题 ， 从 而使 P C D超硬弱导 电材料加工向精深加工 、 工具配套方 向发展 ． 向循环 经济 、 节能环保方 向发展 ， 向精 密 化 、 小 型化 方 向发展 。 1 总体方案设 计 在进行项 目总体设计时 ， 主要遵循以下思路和 方法 ① 走 自主开发、 外协合作、 引进消化 吸收再创 新 的路子。借鉴成功的设计思路 ， 结合现有技术 ， 根 据市场需要 ， 提出可行性方案及设计方案 ； ② 坚持 通用化和模块化 的原则。先分步实施各部分模块的 一1≮一 电加工与模具 2 0 1 4 年第6 期 设 计 研 究 研究 ． 并通过实验逐步综合 ， 各模块具有通用性和 单独运行的特点 ， 可方便地进行移植 、 更换和升级 ； ③ 采用计算机专业虚拟仿真平台， 对电路设计进行 仿真验证 ， 即对编程 、 电路原理 、 功能 、 技术指标进 行验证和分析 ． 并对 电路板进行信号完整性分析和 抗 干扰能力分析 ， 调试 出合理 的理论值 ， 确保各项 技术指标达到理论设计要求④ 对样机进行功能 、 性 能 及 工艺 等方 面 的试 验 ， 并 调整 各 项参 数 以 达到 设计要求 通过验证 ， 逐步完善 、 改进和提高 ， 并对 特殊工艺提 出特殊要求 ， 确保机器 的安全性 、 稳定 性及可靠性。本项 目技术路线见图 l 。 项 目产品 六轴四联动超硬弱导 电材料 电火花镜 面加工机床 关技 术分析研究 鬈 裂’ 1形 成 设 计 方 案 l’ l 求 分 析 研 究 数控系统设计 脉冲电源设计 伺服 系统设计 数据库设计 复 杂 曲线 插 补 超硬 弱 导 电材 纳 秒 级 高速 采 P CD、 硬 质合金 技术 、 白补偿伺 料专 用 复 合 电 样 及 高 速缓 冲 等超 硬 弱 导 电 服驱动技术 、 抬 压 电 流放 电 回 电路 、 高速 DS P 材料 加 工模 型 刀 和 摇 动 实时 路 、 自适应调整 控 制 放 电 自适 参 数 配 置数 据 控 制 及 加减 速 脉冲发生器 应 可 拓 伺服 进 库 控制技术 给控制算法 l I l l l形成样机生产图纸f I 样机制造 【 ’ I 测试与调试 l l 工艺试验参数优化I I 项目验收 l 图 1 技 术 路 线 框 图 2 关键技术研 究 2 ． 1 六轴 四联动电火花加工数控系统 如图 2所示 ， 在六轴数控系统研制过程中主要 解 决 以下 问题 1 复杂 曲线插补技术的实现 电火花放 电加工是一个放电和进给控制高速、 精密配合完成 的加工过程 ， 轨迹 的进给需根据放 电 状态进行控制 。为了协调高速 s 级别的放电脉 冲 和 ms 实时进给之间的矛盾 ，采用上下位机的方式 来实现插补的控制 ，由上位软件实现轨迹的预处 理 、 机床状态的监控及参数设置等。而高速抬刀控 制及对放电状态的处理 、 并将放 电状态转化 为电机 的动作则 由下位 以 D S P和 F P G A构成 的控制核心 来实现 ，两者之间 的数据流和控 制流的交互采用 P C 1 0 4总线传输方式实现。 一 1 6 一 图 2六 轴 四 联 动 电火 花 加 工 数 控 系 统框 图 六轴数控装 置的插补算法采用粗插补和精插 补的插补方法 。在 C AD ／ C A M模块 中将生成 的轨迹 段平滑为一段段微小的直线 ， 送入下位运动控制卡 上实现精插补 ， 这样 ， 在精插补阶段 ， 将只有直线插 补动作 ， 插补算 法只剩下加 和减 的算术处理 ， 大大 提高了 C P U的处理速度 ； 且为了协调插补算法 和外 设的速度差异 ，下位硬件实现了 F I F O高速缓 冲处 理 ，将上位粗插补细化 的微小直线段送人 F I F O进 行缓冲 ， 而真正的实时六轴运动控制由下位运动控 制板卡来实现 。这种插补实现方式可利用上位机的 图形处理能力及下位机的实时处理能力， 实现各种 复 杂 的联 动运 动控 制 。 2 伺服进给与回退技术 实 时加 工 时 ，需 要 电极 进行 实 时 回退 和 进 给 ， 且在进 、退的过程中必须保持原轨迹不发生变化 ． 保证加工面的形状精度 ， 因此 ． 数控 系统需具备两 个缓冲区 ， 个负责进给控制 ， 另一个负责 回退控 制 ，且必须具备进给和回退缓 冲区的切换控制逻 辑 ， 保证进给和回退的路径保持一致 。六轴数控系 统在下位机 F P G A内部实现了高速的缓冲区控制 ． 分别设定了进给线程和回退线程 ， 且为这两个线程 配置相应的缓 冲区， 由 F P G A内部 的控制主线程控 制进给和 回退 的频繁切换 ， 保证切换后按原轨迹进 给 或 回退 。 在轨迹实现高速进 给和回退控制的基础上 ， 对 进 给 和 回退 中 的加速 度 、 速 度及 位 置 的控制 采 用 了 D S P及配套 的高速 AD来实现。为了实现高速 的控 制 ， 采用了最简单且效率最高的权值查表法来实现 速度和位置 的控制 ， 摒弃 了复杂的算法控制 。对由 F P G A控制 的高速 AD采样 的 s 级别 的数 据进 行 缓冲处理后 ， 送入 D S P中进行处理 ， 转化为十几 L L s 级别 的数据去控制 电机 的速度和加速度。其 中， 对 放 电脉 冲 恶化 的情 况 还专 门做 了处 理 ， 可实 现 高 速 回退 控制 。 3 抬刀和摇动的实时控制及加减速控制 抬刀和摇动主要用于改善放 电间隙， 保证加工 的平稳性 及 最终 的加 工精度 。抬 刀 主要是用 于 在加 设 计 研 究 电 加工与模具} 2 0 1 4 年第6 期 工过程中提高加工屑的排除能力 、 保持放 电稳定性 而采取 的一种电火花加工运动行为 ， 也是一种加工 恶化的保护行为。六轴数控系统实现 了高速抬刀的 直线加减速控制和轨迹控制技术 ， 可实现速度 高达 6 m ／ m i n的高速抬刀， 特别适合于窄槽的加工。 摇动加工是靠主伺服轴以外 的运动轴有规律 、 周期 的插补 ， 配合主加工轴的伺服运动和加工规准 的变化进行粗精加工的方法。摇动 、 抬刀功能配合 促进排屑 ， 使加工能稳定地进行下去 。六轴数控系 统实现了圆形 、 正方行 、 正菱形 、 放射形 等 l 2种摇 动方式 ， 并具备球形摇动的方式。这些摇 动方式可 根据数控 代码 自动生成 ，也可用数控 代码进行设 定 。由于主伺服加工轴 自由摇动的不稳定性 ， 系统 设计 了分阶梯的摇动方式 ， 并具备主轴锁定摇动功 能 ， 实现了对各加工面较均匀 的中精修整。 摇动和抬刀的控制都是 由底层以 D S P为核心 的运动控 制系统来进行 控制 ，可 实现极 高的实时 性 ， 在进行摇动过程中实现了伺服进给和 回退的控 制 ， 对改善极间状况有很大作用。 2 ． 2 P C D 超硬 弱 导 电材料 专用 脉冲 电源 系统 如图 3所示 ， 主放 电回路采用了复合 电压回路 设计 ， 主要是为了处理不 同工件材料下对放电能量 及放电密度 的不同要求而设计的 ， 可实现高 、 中、 低 压 的复合加工 ； 同时 ， 对 回路 的储 能电路也进行 了 设计。在需要高速放出电流的 回路 中， 设计的电路 杂散参 数做到 了最小 。 回路的杂散 电容及杂散电感 的减少 ， 对于微细放电能量进人加工区间具有重要 作用【3 】 。此外 ， 对功放及其驱动 回路也重新选择 了 V MO S器件。 这些器件的耐受 电压更高， 额定电流更 大 ． 开关速度更高 ． 可实现高放 电能量密度的加工 ， 对于 P C D、 硬质合金材料的精细加工尤其有用。 图 3 P C D专用脉 冲电源 系统框图 六 轴 四联动超硬弱导 电材料电火花镜面加工 机床在放电回路 中进行了创新设计 。目前主流的高 精度镜面 电火花加工机床一般只具备钢件的镜面 加工 回路 ， 而六轴电火花镜 面加工机床针对超硬弱 导电材料等特种材料 ， 创新设计了高能量 、 窄脉宽 、 复合脉冲放电回路 ， 实现了硬质合金及 P C D超硬弱 导 电材料 的高效 、 高光洁度放电加工。该技术使放 电系统 的放电效率及大面积 、 高光洁度 镜 面 技术 超过市场普遍实现的镜面加工技术 ． 整体技术达到 国际先进水平。 此放 电回路 的设计是在大量工艺试验 的基础 上研发的，主要采用 C P L D为核心 的控制器来实现 放电的控制 ， 配 以高速 的 A ／ D采样器 ， 采样速率高 达 1 0 0 MI P S 。对 放 电 的极 间 电压 和 电流进 行 采样 ． 并配合上位控制计算机送入加工参数， 根据采样数 据和放电参数对脉冲调整方式 、 幅度及伺服反馈的 调整方式 、 幅度进行加权求 和运算 ， 以对放电脉冲 进行调整 ， 调整形式 主要以调整脉冲宽度为主。在 超硬弱导 电材料加工 回路 中对加工电流和电压进 行 了控制 ，在放 电脉 冲中加入复合电压和调整 电 流 ， 即在 一 个放 电周 期 中 ， 放 电 电压 和 电 流 会发 生 变 化 ， 以适 应 放 电极 间状 况 的改 变 ， 同 时 调整 了伺 服反馈的动作 ， 实现加工过程 中根据放电状态控制 轨 迹 的进 给和 回退 。 在稳定加工状态的基础上 ， 开发了电火花加工 防拉弧技术 、 防短路脉冲技术及清弧脉冲技术 。借 助于高速 A D的采样 ，以 C P L D为核心的放 电控制 模块可在 电弧发生的前期就进行检测 ， 阻止放电脉 冲的进一步恶化。对多次阻止恶化脉冲仍然没有改 善 的放电状况 ， 放电控制模块输出清弧脉 冲以清除 没有放电作用的放电柱的形成 。 2 ． 3 高精密和高响应性的放 电伺服系统 如图 4所示 ， 在伺服控制 回路上 ， 通过与脉冲 放 电系统共用的 A ／ D转换器采样来 的电压和电流 数据 ． 在 D S P中进行转换 。高速 D S P中预先存储了 不 同加工条件下的伺服进给系数表 ， 根据上位发送 的脉冲参数配置数据 ， 在系数表 中寻找合适 的加权 系数 ， 再用此加权 系数 同采样 的电压 、 电流数据及 当前的脉 冲参数进行求和及乘法运算 ， 转化为合适 的进给或 回退值 ． 再将该值根据设定的伺 服驱动器 加减速策略送入驱动器 。 进入驱动电机进行动作。 D S P及 F P G A 组 成 的高速控 制卡 ． 对采 样 的数 据 匹配 不 同 的进 给权 值 。 形 成进 给脉 冲数 送 人 六 轴 伺 服驱动器 。同时实 现直接控 制 ． 防 止电 弧情况进一步恶化 。 图 4放电伺服 系统框图 电 加工与模具 2 0 1 4 年第6 期 设计 研 究 在 此正 常 的伺 服控 制 回路 之 外 ， 六 轴 四联 动 超 硬弱导电材料 电火 花镜 面加工机床还实现了直 接 伺 服 控 制 ． 这 主 要 是 为 了保 护 的需 要 ， 如 有 短 路 脉 冲发生时 ， 可直接控制伺服驱动器 ； 下位 D S P软件 还为此开发了同步控制器 ， 以此实现和上位数控软 件的同步控制功能。 伺服控制的机械 系统采用 了 z轴伺 服进给与 R轴 、 轴等运动联动的创新运动控制模式 ， 对轴承 丝杠及运动导轨都进行 了优化设计 ， 使机床在加工 直径 5 0 r n m 以上的大截面材料时， 加工表面粗糙度 为 Ra 0 ． 2 m， 达到国际先进水平 。 2 ． 4 P C D超 硬 弱导 电材料 加工 专用数 据库 电火花加工技术是一种复合加工技术 ， 不仅需 要 操作 人 员熟 悉通 用 机 床 的操作 技 术 ， 还需 了解 电 加工机床 的操作及控制技术 ， 操作人员需熟练掌握 加工规准选择 、 电极损耗补偿 等技术 ， 其 中任何一 个 环节 的缺 失都 会造 成 加工 的错误 ，对 于 P C D、 硬 质 合金 的加 工就 更 是如 此 。 因为 P C D、 硬 质 合金 材 料 的复杂 性 ． 所 以加 工 规准 及 加工 参数 的选 择较 困 难 】 。六 轴 四联 动 超硬弱 导 电材料 电火 花镜 面加工 机床系统开发配套的 P C D超硬弱导 电材料工艺数 据库见图 5 ． 加工时只需输入少量 的数据 ， 如电极损 耗 、 表 面 粗 糙 度 、 加 工 工 件及 电极 材 料 、 加 工 面 积 、 加工深度等 ， 加工时便可 自动优化参数 ， 实现最优 的加工控制。同时， 在专家数据库的基础上 ， 新开发 了客户数据库功能， 客户可针对不同的加工件及电 极添加 自己的工艺数据 ， 方便以后操作人员使用 图 5 专用 数 据 厍 框 图 2 ． 5六轴数控高精度电火花加工专用机床 机 床 主机是本 项 目的一 个 主要 组 成部分 。设 计 研发 的六轴数控高精度电火花加工专用机床 南两 大部分组成 一部分是 3个标准轴 ， 即 、 y和 z轴 ， 其 行程 分别 为 3 0 0 ra m 2 1 0 min x 2 7 0 13 1 ／ ／ 1 。 各 轴均 采 用交流伺服电机控制 ， 滚珠丝杠传动。其中． 轴 、 l ， 轴 的最小脉冲当量为 0 ． 0 0 1 m m， Z轴的最小脉冲当 量为 0 ． 0 0 0 4 m m。 定位精度为 0 ． 0 1 m m。 各项技术指 标 均 为 国 内先进 水 平 ；另 一部 分 是 3个数 控 转 轴 ， 即 A、 B、 C 或 尺 轴。4轴 、 B轴为数控转轴 ， 根据客 户及加工对象要求 ， 可外购或专 门开发设计 ， 各转 轴的最小控制当量为 0 ． 0 0 1 。 ，采用伺服电机或步进 1 o 电机驱动。 C 或 R 轴为围绕 z轴转动的控制轴 。 在 本项 目中。 为提高大截面 直径大于 5 0 m m P C D材 料的表面粗糙度 ， 并提高加工效率 ， 采用 尺轴 ， 数控 转速 范 围为 2 0 0 2 0 0 0 r ／ rai n 。 3 结论 1 六轴四联动数控电火花加工技术是在数控 机床上分别添加分度旋转轴 A、 B、 C轴 ， 配合 3个直 线运 动轴 、 l ， 、 Z轴进行 多轴联 动的加工方法 ， 其 中 ， 、 、 z、 C轴实现联 动的控制 ， A、 B轴实现点位 数控随动控制 ， 实现 1 2种摇动及平动方式 ， 具备球 形摇动模式 ，在模具制造领域有非常重要 的运用 ， 特别是加工表面形状复杂的关键性零件时 ， 更具有 不可替代的作用 。 2 模具零件要求加工精度高 、 表面质量好 ， 且 具有很好的耐磨性和耐蚀性 ， 这在超硬弱导 电材料 加工 中尤 为重要 。常规 电火花 加工 工艺不 易 获得低 的表面粗糙度值 ， 特别 是加工面积增大时 ， 由于极 间寄生 电容的影响，很难获得高质量 的加工表面 ； 同时 ， 加工表面会产生一层具有残余应力 ， 含有较 多微裂纹 的变质层 ，对提高模具 的使用寿命不利 ， 需在后序工艺中安排抛光和研磨工艺。因此 ， 需设 计专 门的加工机床及 专用的加工工艺参数才能达 到要求 六轴四联动超硬弱导电材料电火花镜面加 工机床可实现 P C D材料 直径 ≥5 0 l n n 1 的镜面加 工 ， 表面粗糙度 R a O ． 2 m， 加工精度 ≤0 ． 0 1 m m， 此镜 面加工技术有效地解决了深槽窄缝 的不易抛 光和加工精度差的问题 。 3 针对 P C D超硬弱导 电材料高硬度 、 高耐磨 性 的特点 ． 六轴 四联动超硬弱导 电材料 电火花镜面加 工机床设计了专用的放电回路及专用工艺数据库． 实 现了P C D超硬弱导电材料高效率 、 高精度加工 。 粗加 工速度 达 5 0 A时 5 0 0 I I l ／ l l 3 ， 精加工速度 8 0 mm 。 参考 文献 【 1 ] 何广敏 ， 赵万 生， 郭永丰 ， 等． 混气电火花镜面加1 的研 究[ J 1 ． 制造技术与机 床， 2 0 0 0 3 4 3 4 5 ． 【 2 J 张勤俭 ， 曹凤同 ， 刘媛 ， 等． 聚晶金 刚石加 工技 术进 展【 金刚石与磨料磨具T程 ， 2 0 0 6 4 7 6 8 0 ． f 3 ] 曹凤国 ， 桂小波． 大面积 P C D复合片电火花加T高效节 能脉 冲电源 的研 究 【 J ] ． 金刚石与 磨料磨 具T程 ， 2 0 0 4 2 l 7 一I 9 ． 【 4 ] 裴景玉 ， 郭 常宁 ， 胡 德金． 聚晶金刚石 的电火花磨 削加 工⋯． 上海交通大学学报 ， 2 0 0 6 1 0 1 6 7 9 1 6 8 3 ． 【 5 】 李嫂 ， 张弘瞍 ， 董海 ， 等． 基于 比磨削能的聚晶金刚石磨 削 机理研究[ J 】 ． 金 刚石与磨 料磨具 T程 ， 2 0 0 6 3 5 3 5 6