（机械电子工程专业论文）基于pmac的数控水射流机床电气控制系统研究.pdf

西华大学硕士学位论文 基于p m a c 的数控水射流机床电气控制系统研究 机械电子工程专业 研究生蔡黎明指导老师雷玉勇 摘要 由于磨料水射流技术在三维加工领域的研究正处于起步阶段，且拥有广阔 的应用前景和较高的商业价值，因此提出设计一数控磨料水射流机床，并对机 床进行电气化设计，使其适用于三维加工。 根据数控磨料水射流机床车、铣、钻、磨等功能的要求，引入旋转轴a 和 磨料流量控制轴b ，提出机床五轴数控的机械结构。实现对磨料水射流加工主 要影响参数( 磨料流量、机床进给速度、水压和靶距等) 的控制。 机床采用工业计算机( i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r , i p c ) 和多轴运动控制卡 ( p r o g r a m m a b l em u l t i a x i sc o n t r o l l e r ，p m a c ) 为控制核心的开放式数控硬件系 统。并对进给伺服系统进行半闭环控制，主轴伺服系统采用交流变频调速控制， 磨料流量控制装置采用脉宽调$ 1 j ( p w m ) 速度控制。 对电气系统进行了检验和调试。并通过基于p m a c 的p i d 参数整定，改善 系统稳定性。在此基础上提出适合硬件系统的数据采样插补方法，结合p m a c 硬件进行精插补改进。同时针对磨料水射流“软水刀”特性提出误差补偿和速 度补偿控制。 基于h j 3 0 0 0 5 0 3 磨料水射流机床进行了车、铣、切割等实验研究。通过补 偿控制，工件加工精度与加工质量有大幅的提高。且磨料水射流切割深度分别 随压力增大和进给速度减小而逐渐变大。实验证明在相应参数的控制下三维加 工是可行的。 本论文对三维加工数控磨料水射流机床的开发将具有广泛的应用前景。 关键词：磨料水射流；三维加工：p m a c ；电气控制系统；五轴机床： i 西华大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho ne l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do np m a c f o rc n c w a t e r - j e tm a c h i n e m e c h a t r o n i c se n g i n e e r i n g g r a d u a t es t u d e n t ：l i m i n gc a i s u p e r v i s o r ：y u y o n gl e i a b s t r a c t t h ea b r a s i v ew a t e r j e tt e c h n o l o g yi nt h et h r e e - d i m e n s i o n a lp r o c e s s i n gi ss t i l la t e a r l ys t a g e i t h a sb r o a d a p p l i c a t i o np r o s p e c t sa n dh i g h e rc o m m e r c i a lv a l u e t h e r e f o r ed e s i g no fc o m p u t e rn u m e r i cc o n t r o l l e d ( c n c ) a b r a s i v ew a t e r j e tm a c h i n e t o o l sw a sp u tf o r w a r d t h ed e s i g no fe l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mw a sc a r r i e do u ta n di t i sa p p l i c a b l et ot h r e e d i m e n s i o n a lp r o c e s s i n g i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft u r n i n g ，m i l l i n g ，d r i l l i n g ，g r i n d i n ga n d o t h e rf u n c t i o no fc h i ca b r a s i v ew a t e r j e tm a c h i n et o o l ，t h er o t a t i o na x i saa n d a b r a s i v ef l o wr a t ec o n t r o ia x i sbi sc o m b i n e dt of o r mf i v e - a x i sm a c h i n et 0 0 1 t h e r e a f t e rc o n t r o lo ft h ep a r a m e t e r so na b r a s i v ef l o wr a t e ，m a c h i n et o o lf e e dr a t e ， w a t e rp r e s s u r ea n dt a r g e td i s t a n c ew h i c ha f f e c t st h ea b r a s i v ew a t e rj e tm a c h i n i n g c o u l db er e a l i z e d b a s e do nt h ei n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r ( d c ) a n dp r o g r a m m a b l em u l t i a x i s c o n t r o l l e r ( p m a c ) ，h a r d w a r eo fo p e nc n cs y s t e mi sd e s i g n e d t h ef e e ds e r v e c o n t r o ls y s t e mu s e ss e m i c l o s e d l o o p t h es p i n d l es e r v es y s t e mu s e sa cv a r i a b l e f r e q u e n c y c o n t r 0 1 a n da b r a s i v ef l o wr a t ec o n t r o ld e v i c e su s e sp u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ( p w m ) s p e e dc o n t r 0 1 t h et e s t i n ga n dd e b u g g i n go fe l e c t r i c a ls y s t e mo nt e s tp l a t f o r mw a sc a r r i e do u t t l l ep i dp a r a m e t e rt u n i n gc a l li m p r o v es y s t e ms t a b i l i t yo np m a c a n dt h r o u 曲 s e l e c t i o no fi n t e r p o l a t i o no fd a t as a m p l i n gm e t h o di np m a c ，t h ep r e c i s i o no f 西华大学硕士学位论文 h a r d w a r ei n t e r p o l a t i o nc a nb ei m p r o v e d a ne r r o rc o m p e n s a t i o na n ds p e e dc o n t r o l f o rt h ef e a t u r e sa b r a s i v ew a t e r j e ts o f tt o o lw e r e p r o p o s e d t h et u r n i n g ，m i l l i n g ，c u t t i n ga n do t h e re x p e r i m e n t so nh j 3 0 0 0 5 0 3m a c h i n e w e r em a d e i ts h o w st h a t c o m p e n s a t i o nc o n t r o lo fm a c h i n i n ga c c u r a c yc a l l s i g n i f i c a n t l yi m p r o v em a c h i n i n gq u a l i t y t h ec u t t i n gd e p t ho fa b r a s i v ew a t e r j e ti s r e d u c e dw i t ht h ed e c r e a s eo f p r e s s u r ea n di n c r e a s eo ff e e ds p e e d i tp r o v e dt h a tt h e t h r e e - d i m e n s i o n a lp r o c e s s i n gc a nb ed o n eu n d e rt h ec o n t r o lo ft h ec o r r e s p o n d i n g p a r a m e t e r s i tv e r i f i e st h a ta b r a s i v ew a t e r j e tt u r n i n go fm a t e r i a l si sf e a s i b l e t h e r e f o r ed e v e l o p m e n to ft h r e e d i m e n s i o n a lc n ca b r a s i v ew a t e r j e tm a c h i n e t o o lw i l ib eaw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t k e y w o r d s ：a b r a s i v ew a t e r j e t ；t h r e e d i m e n s i o n a lp r o c e s s i n g ；p m a c ；e l e c t r i c a l c o n t r o ls y s t e m ；f i v e a x i sm a c h i n et o o l 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 作者签名：器转娥矽多年月罗 剔谧各佩历 西华大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，西华大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密口，适用本授权书。 ( 请在以上口内划4 ) 学位论文作者签名：多濂试 指导教师签名： 日期：c 轴j j i j 日期： 暾孬 西华大学硕士学位论文 1 绪论 随着科技的不断进步，各种新型材料不断涌现，特种加工技术被广泛的应 用于各个不同的行业。由于水射流加工以其特有冷态加工工艺，在机械制造、 汽车、航空航天、国防、军工、兵器、核工业、电子电力、石油、化工、轻工、 船舶、食品、医疗、林业、农业、建筑建材、采矿、市政工程等领域都得到了 广泛的应用，尤其是在微细加工领域有着广阔的应用前景。 1 1 磨料水射流技术国内外的研究现状 磨料水射流( a b r a s i v ew a t e rj e ta w j ) 是8 0 年代在纯水射流加工的基础上迅 速发展起来的一种新型技术。其加工原理是磨料与高速流动的水互相混合而形 成的液固两相介质流，以极高的速度经磨料喷嘴射出冲击工件材料，产生冲蚀、 剪切等作用，从而达到去除材料的效果【1 】。磨料水射流的切削作用主要由磨料 来完成，水射流主要起加速固体磨料的作用。 磨料水射流装置的主要部件之一是超高压装置。由于水射流切割过程的效 率在很大程度上与工作压力高低有关，因此增压系统耐压性越高越好。但超过 4 0 0 m p a 极限的至今尚未应用成功。一般压力为3 5 0 m p a 3 8 0 m p a 。问题在于当 压力达到3 0 0 m p a 时，高压增压缸内表面上的应力己达到大多数结构钢的屈服 极限( 甚至在无局部应力集中因素时) 。此外，弹性体密封的寿命目前尚未超过 5 0 0 h 。作为缓冲液压缸活塞反向的压力波动的蓄能器来讲，由于工作头的入口 处压力波动不允许超过5 。而且蓄能器的容量在压力达到4 0 0 m p a 时，高压缸 内水的压缩接近2 0 。因此对蓄能器的安装位置和耐高压能力也提出了较高的 要求。 磨料水射流的水压、磨料粒度和流量、喷嘴结构、靶距和加工速度等参数 影响水射流加工质量和加工精度1 2 吲。其中磨料和喷嘴工艺参数对加工质量的影 响最为直接也较重要。 国内外研究学者在对喷嘴结构进行理论计算、仿真、高速粒子成像技术等 进行相关实验研究后，得出在不同条件下喷嘴最优结构化参数【4 j 。其中，l e a c h 和w a l k e r 从产生最大冲击压力的角度认为1 3 0 锥形收缩角效果晟好。而 西华大学硕士学位论文 v o i t s e k h o v s k y 等从射流紧密性认为3 - 4 0 锥形角最好。同时从射流冲击压力和紧 密性观点出发，圆柱形出口段长度为喷嘴直径3 - - 4 倍时效果最好。b a r k e l 等人 通过实验研究喷嘴几何尺寸对水射流喷嘴切割性能的影响，通过改变喷嘴入口 锥角( 1 3 1 8 0 0 ) 和喷嘴圆柱形部分长度( o 5 - - 4 倍喷嘴直径) ，得出了最好的喷嘴 是锥角6 0 0 ，圆柱段长度为喷嘴直径0 5 倍【5 1 。 磨料水射流在加工过程中，不仅喷嘴的结构对加工质量有影响，其相对工 件的入射角也能影响加工质量。最近由l c h e n 、e s i o r e s 、j w a n g 以切割氧化 铝陶瓷为实验，研究磨料射流入射角对切割深度和切割质量的影响。提出用喷 嘴摆动技术来提高光滑区( 切口质量较高部分) 切割深度，结果发现采用喷嘴 摆动技术可使光滑区切割深度增加3 0 左右【6 1 。j w a n g 认为采用喷嘴摆动方法 可使锥度减小5 4 ，e l e m m a 发现在加工低碳钢和铝材时喷嘴摆动方法可使 表面粗糙度值减小3 0 ，并得出结论：最佳摆动角为1 5 2 0 0 。 近期美国g r e ga m o r t 在对喷嘴耐磨性研究发现，使用长寿命复合碳喷嘴 具有提高生产力及切割质量等优点。根据a s t m 实验标准，在标准磨料射流工 况下，可提供7 0 小时左右的使用寿命，比碳化钨喷嘴的寿命长2 0 倍，最重要 的是它能进行长达3 小时的连续切割工作【7 】。 对磨料的研究证实：磨料最佳粒度为6 0 目，这是由于大颗粒磨料质量大， 不易加速，小颗粒磨料质量小，加速后动能达不到较强的切割能力。近年来还 出现了一些新的磨料射流形式，如低温磨料射流，冰粒磨料射流掣引。 在磨料水射流特种加工应用方面，现今国内大都停留在材料的平面切割。 虽然在铣削、钻削和车削等方面有一定的研究，但较国外还显得不是很成熟， 缺乏实践经验。 1 9 8 7 年，m h a s h i s h 第一次研究磨料水射流车削加工，结果表明磨料水 射流可用于车削碳金属复合材料、玻璃、陶瓷等难加工材料，并可加工出复杂 形状，获得较高的材料去除率。加工表面的粗糙度( 不是波纹度) 主要受磨粒 尺寸的影响，加工表面没有任何微观结构变化【9 1 。a n s a i r 通过研究指出应用磨 料水射流车削对于难加工材料来说要优于普通车床，如加工碳化钛比普通车床 速度快5 1 0 倍1 1 0 】。 随后m h a s h i s h 又提出了磨料水射流铣削的可行性，初步的铣削结果表 明磨料水射流铣削加工具有很大的潜力。h h o c h e n g 研究了磨料水射流铣削加 2 西华大学硕士学位论文 工纤维增强塑料的可行性。通过研究单次铣削、两次铣削和多次铣削的碎屑形 成机理，他预测塑性变形和磨损是铣削纤维增强塑料的主要去除机理u 。 山& 丑硒 f 培1 - it h e t w o - a x h a b r a s i v e w a t e r j e t m a c l - i n e 图1 1 两坐标磨料水射漉机床 1 2 磨料水射流机床研究现状 目前国内磨料水射流主要应用于扳材，仅要求两坐标运动的轴，附加一手 工或自控的轴根据板材的厚度调整靶距，如图11 所示。国外三坐标机器可以 加工范围较广的工件，可倾斜l 弧度，加工曲顶板材。 三维磨料水射流加工系统主要应用于航空工业。由于航空构件大且大量采 用合成材料与特种合金材料，使得常规工艺难于满足加工要求，目前三维磨料 射流切割系统已成为航空制造业中的标准设各，已在逐步取代激光加工方法。 美国麦道飞机公司于1 9 8 8 年制造并安装第一台实用的三维磨料射流切割系统。 后来波音公司在渡音7 7 7 飞机生产中更改磨料射流切割系统的性能参数使其 能够切割多层碳纤维增强复合材料，切割速度可达2 5 m r a i n ，代替原有的按模 板剪切下料的传统工艺可节约材料2 0 ，提高生产效率4 0 0 0 ”】。 随着磨料射流技术的成熟及可靠性、维护性的提高，对三维磨料射流切割 的需求也同益高涨，目前，欧洲及美、加、日等国家的三维磨料射流切割应用 3 西华大学硕士学位论文 已相当广泛，遍布于航空、军工、汽车、机械等制造工业部门。当今世界上已 安装的机电一体化的磨料射流切割系统有2 5 0 0 套以上，并且年增长率达2 0 。 美国的i n g e r s o l l r a n d 公司及c o x & w d g h t 公司在研制磨料射流切割系统方面处 于世界领先地位。 从磨料水射流机床研究来看多轴联动磨料水射流加工中心将成为磨料水 射流特种加工新的发展趋势。五轴磨料水射流机床目前主要用于汽车工业加 工仪表板。五轴机床具有以下的优点：可切割复杂形状的壳体：射流总是垂直于 工件的表面，能补偿与切割方向正交的断面坡口角度：可调整喷射和切削方向 之间的夹角以补偿加工误差，得到高质量的轮廓。 由于国内外对于磨料水射流的研究尚不完善，数控磨料水射流机床的应用 因此也受到了一定的局限。三轴以上的数控磨料水射流机床还未真正推出。国 内自主研制的三轴数控磨料水射流机床整机还在起步阶段，目前市场上投放的 水射流三维加工属于机械手控制方式，如图2 1 。其定位精度和切割质量远远低 于机床加工方式。因此真正意义上高精度、高质量的三维数控水射流机床有待 完善和开发。 f 嘻2im u l t i - d i m e n s i o n a lw a t e r j e tr o b o t 田2 1 多维水射流机械手 从历界国际水射流学术会议( 国际水射流切割技术会议、美国水射流会议、 环太平洋地区水射流会议、日本水射流会议等) 来看，水射流技术的应用很大 西华大学硕士学位论文 一部分将进入微机械领域。同时美国与欧共体已经将微机械作为一个重要的研 究内容：日本早在1 9 9 9 年就启动了一项为期十年的微机械研究计划：而我国也 已经将微机械的研究列为重点发展项目。 在微机械领域对磨料水射流特种加工提出了更高的要求。由于磨料水射流 是一种固液混合的“流体刀具”，其不稳定性和难控性不仅对各机床运动部件提 出了更高的要求，同时对数控系统也提出了相应的要求。 目前，水射流机床的数控系统大都采用传统的c n c 系统，其硬件和软件 多数属于专用型，系统的体系结构不统一，使得各个系统自成一体，互不兼容。 随着水射流技术的不断完善、独特的加工方式具有的优势和水射流数控机床逐 渐普及，各操作系统的兼容性和开放性就凸显重要。开放式数控系统将成为磨 料水射流机床的发展趋势，其控制系统的模块化、重构性和可扩充性能够适应 加工设备的不断更新和变化。 由此磨料水射流的三维仿形加工及多平面加工将成为未来磨料水射流的发 展趋势，随之机床各部件和控制系统的研究开发将以满足未来加工需求服务。 1 3 数控磨料水射流机床的研究目的和意义 我国在磨料水射流加工中心研究方面也开展了一些工作，自行研制了 3 0 0 m p a 磨料水射流切割系统及4 0 0 m p a 高压磨料水射流切割设备，但同国外 的先进技术相比还有较大的差距。 磨料水射流技术作为2 1 世纪的一种新型、高效、环保的特种加工技术，正 不断的向各个制造领域发展，尤其在热敏、脆性、易挥发材料等微电子领域逐 步确立其加工的主导地位。随着信息技术和科技化的不断发展与进步，可以预 见微电子机械( m e m s ) 将成为主流产品。对磨料水射流机床的开发和技术研究 意义重大。 目前，磨料水射流技术在微细加工领域仅仅局限于二维平面的切割，并且 系统控制和加工精度在复杂的平面切割中也未能达到很理想的效果。因此开发 出具有高精度的，高自动化程度和较高稳定性的水射流机床，并且在三维切割 方向取得一定成效，对于水射流乃至整个精密加工行业而言是一项重要的突破 和革新。要完成以上目标和要求，除了机械设备本身的设计水平和质量外，很 大程度上取决于电气控制系统的完善功能的设计和优良的性能。 s 西华大学硕士学位论文 因而针对现今磨料水射流机床在微机械领域存在的各种问题，设计一套以 开放式体系结构的数控微磨料水射流多轴机床将具有重要的社会、经济意义， 其成果有广阔的应用前景。 1 4 问题的提出和研究内容 由于磨料水射流切割机理为固液两相混合成高速射流冲击切割工件，其“软 刀具 的特性带来了很多非常复杂的影响因素，包括磨料颗粒的流量、浓度、 沉降速度、两相介质的动力粘度以及紊动扩散等。由此带来了很多需要解决的 问题，包括： 1 为解决磨料水射流的三维型体加工，首先需要精确控制磨料水射流的切 割深度，其中包括水压压力、磨料重量浓度、进给速度、靶距等多种因素的影 响。 2 为完成更为复杂形状的加工，拓宽磨料水射流的加工领域，而不是仅仅 局限于平面的切、钻、等方面，因此需要开发多轴联动机床用以满足各种加工 需求。 3 在微细加工领域，由于磨料水射流的流体特性，将会成为对材料加工精 度的一个阻碍，造成对机床的控制精度的要求不断的提高。因此迫切需要丌发 适应磨料水射流加工特性的专用设备和控制系统用以补偿其带来的加工缺陷， 用以保证工件的精度要求。 4 传统c n c 系统带来的软硬件的封闭性很大程度上制约了数控机床的更 新与发展，难以适应数控系统飞速发展的今天。 基于国内外对水射流加工技术的研究现状和发展方向，针对现今水射流机 床凸显的问题，在不改变水射流技术本身较传统优越性的前提下，开发与研究 高性能、高精度、高自动化的适合微细精密力i - r _ 的水射流加工系统。 针对上述问题，本论文将研究开发基于 p c 与p m a c 开放式数控系统五轴 磨料水射流机床。工作重点是研究机床的电气控制系统。主要研究内容包括： 1 根据磨料水射流机床的用途和特点，研究确定机床的机械传动方式。拟 定配备x 、y 、z 、旋转主轴a ( 轴) 和磨料运送轴b ( 轴) 五轴机床。 2 根据磨料水射流机床的功能要求，制定电气控制方案，进行电气系统的 设计。 6 西华大学硕+ 学位论文 3 研究分析机床的性能参数，进行系统的调试与参数设置，并对其进行优 化。 4 提高和改善机床性能，进行针对磨料水射流机床的插补、位置精度，速 度补偿等控制软件的研究。 5 实行机床运动控制实验与调试，进行数据分析与系统改良。 7 西华大学硕士学位论文 2 基于p m a c 的数控磨料水射流机床的研究 2 1 数控磨料水射流机床的功能分析 论文所要设计的机床为开放式的数控磨料水射流机床，其主要功能是对工 件进行车、铣、钻、磨等加工。机床可以通过对水射流压力、磨料流量、进给 速度、靶距等参数的调整，实现对工件的加工深度控制，进行三维铣削。各参 数可单独控制，并可应用于微细加工领域进行精密加工。 如图2 1 为数控磨料水射流机床的功能系统图，最终目标是基于磨料水射 流技术的加工原理，通过相应的机械设计和数控系统的电气化设计，实现数控 车、铣、钻、磨、切割等加工方式。铣、钻、磨、切割主要通过工作台的进给 运动来控制工件运动轨迹，完成加工过程【】。车削过程还外加主轴的旋转，通 过控制系统来控制主轴的转动速度、正反转及定向等。 水束压力由高压发生装置提供，并可进行水压的调节。磨料流量的控制需 要通过专用的磨料运输装置对磨料进行混合和精确控制。 控制系统除了对运动部件的控制外，同时还对检测装置( 位置检测单元、 压力检测以及限位开关等) 、控制单元进行监测( 伺服驱动器、变频器等) 和自 动控制以及接受外部控制器信号的输入，如手摇脉冲发生器等。 机床以i p c 作为软件平台，通过软件对硬件系统的设置参数的写入和运动 程序的编写，实现机床的数控控制，如机床的插补运动等。同时对硬件反馈参 数的作后期处理，并在软件界面实现人机交互。 在对数控磨料水射流机床功能进行细分后，可提出机床的大体的机械结构 以及数控系统的规划和设计。 8 西华大学硕士学位论文 f i g 2 ic n ca b r a s i v ew a t e r - j e tm a c h i n et o o lf u n c t i o nd i a g r a m 图2 1 数控磨料水射流机床功能系统图 9 、j；i；ifll。d jiiiit-iliii-iiii-i-liiii、 西华大学硕士学位论文 2 2 基于p m a c 数控磨料水射流机床的系统结构 数控磨料水射流机床主要由磨料水射流系统、机床主体系统、数控系统三 大部分组成。其中磨料水射流系统由超高压系统、磨料供给装置、射流混合装 置和喷嘴等几大部分组成。数控系统以多轴运动控制卡( p m a c ) 为数控核心，工 业计算机( i p c ) 为主要软、硬件件平台，提供人机交互界面。机床的主体结构主 要包括机床的运动系统和磨料与废水的回收系统组成。如图2 2 所示。 f i g 2 2c n c a b r a s i v ew a t e r - j e tm a c h i n et o o lc o m p o n e n t 图2 2 数控磨料水射流机床组成示意图 2 2 1 磨料水射流系统 1 增压系统 增压系统是磨料水射流的核心组成部分，它为最终的磨料水射流提供一稳 定的高压。增压系统主要有增压器、柱塞泵、水泵、溢流阀、换向阀、单向阀、 蓄能器及其他辅助部件组成。其主要是通过液压回路对增压器执行件控制进行 水压增压，并通过蓄能器为水射流提供稳定的高压。射流压力一般可以达到 i o m p a - - 4 0 0 m p a 。 l o 西华大学硕士学位论文 f i g 2 3s c h e m a t i co fa b r a s i v ew a t e r j e th i g hp r e s s u r es y s t e m 图2 3 磨料水射流增压系统原理图 2 磨料水射流形式 磨料水射流可分为前混合式磨料水射流和后混合式磨料水射流。前混合式 磨料水射流原理如图2 4 所示1 1 4 】。其磨料水射流采用磨料流化加压方式【l 引。前 混合式磨料水射流的磨料箱设置在高压泵( 增压器或离心泵) 与喷嘴的中间管 段。磨料箱处在泵压作用下，因此它必须是一个能承受一定压力的容器。磨料 在泵的压力被切断后才能装入磨料箱内。磨料与水在磨料罐内初步混合，使磨 料处于似流体的流化状态。然后，由高压输送至混合室内使流化磨料与水混合， 再通过喷嘴的加速过程使磨料与水介质获得更大的动能，这使前混合式磨料水 射流的能量传输效率显著增长。但对于磨料的供给而言，其流量、浓度的不可 控性更为凸显，且系统不能保证连续作业。 后混合式磨料水射流的磨料供给采用真空抽吸式，即利用高压水束通过密 闭混合腔高速进入喷嘴从而形成一定的真空度，使得与混合腔相连的磨料供砂 管被抽吸。促使磨料箱具有一定的压力差，磨料在压力和自身重力的作用下进 西华大学硕士学位论文 入混合腔，进行磨料的供应。这样的引射方式，使得磨料以较低的初始速度进 入混合腔，磨料不能与高速水束进行充分的紊动混合。少数磨料存在粘附于混 合腔、反复弹射等几率，产生磨料传输效率低下，同时由于其真空度的大小基 本与水射流的速度成正比，使磨料的混合浓度不稳定，甚至极易造成磨料阀的 堵塞。 l 喷嘴2 混合室3 磨料阀4 磨料罐 5 单向阀6 调节阀7 水阀8 高压泵 f i g 2 4p r i n c i p l eo fp r e m i x i n ga b r a s i v ew a t e r j e t 图2 4 前混合式磨料水射流原理图 水喷膏 混合腔 詹料喷嘴 f i g 2 5p r i n c i p l eo fp o s t - m i x i n ga b r a s i v e w a t e r j e t 图2 5 后混合式磨料水射流原理图 为了实现磨料水射流切割深度的精确控制性，磨料流量作为主要影响参数 之一，进行精确、均匀的供砂方法被应用在磨料水射流机床中。微磨料水射流 需要采用高精度的亚微米甚至纳米级磨料粒子，一般不能采用空气引入干磨料 而采用湿磨料( 浆液磨料) ，因此，磨料粒子的选择、制备以及磨料的输送链是 微细磨料水射流的关键。由于通常有机添加物较难处理，且这类添加剂使磨料 水射流的切割能力减弱( 随射流直径变小而加强) ，因此考虑不用添加剂，而采 用磁悬浮技术加无级调速机械搅拌，以维持磨料液( 磨料质量浓度3 0 - 7 0 ) 的稳定。为避免空气进入而对射流束的聚焦性、致密性和连续性产生破坏，浆 液磨料的运载和与水射流的混合是产生微磨料水射流的关键。 1 2 西华大学硕士学位论文 3 喷嘴 喷嘴是流体射流的发生元件，对于前混合磨料水射流来说，喷嘴是磨料颗 粒加速的关键部位。它的功能不单是把高压泵或增压器提供的静压转换为水的 动压，而且还将水的能量尽最大限度传递给磨料颗粒。因此，喷嘴的性能直接 影响前混合磨料水射流的切割效果i i 。 喷嘴按工作孔数分为单孔喷嘴和多孔喷嘴：按内部流线形状分为圆锥形喷 嘴、圆柱型喷嘴、流线型喷嘴等：按工作状态分为固定喷嘴、二维旋转喷嘴和 三维旋转喷嘴。按形状可分为圆柱形喷嘴、扇形喷嘴、异形喷嘴等。 现阶段喷嘴的材料主要有：金刚石、宝石、陶瓷、硬质合金、高级不锈钢 和优质碳素钢( 经过热处理或表面喷涂处理) 等。前几种材料属超高压射流用 喷嘴，后几种材料属中等驱动压力射流用喷嘴。 国内高压磨料水射流大都采用红宝石或蓝宝石喷嘴。同时选择圆锥形或流 线型。这是因为圆锥及流线形喷嘴具有圆滑的过渡，流线性能好，容易将射流 形成包裹体，增加射流内聚【i7 1 。在不同的场合选用不同类型的喷嘴，保证工件 的切割质量。 1 上端支撑轴承 2 磨料罐 3 螺旋叶片 4 螺旋轴 5 螺旋管 6 下端支撑轴承 7 驱动电机 f i g 2 6 a b r a s i v ef e e ds y s t e mw i t hv e r t i c a ls c r e w 图2 6 立式螺旋供砂系统结构简图 西华大学硕士学位论文 4 磨料精确供给装置 、 磨料精确供给方法一数控螺旋供砂【1 8 l 。螺旋式磨料供给系统是由带有螺旋 叶片的转动轴在一密闭的机壳内旋转，当物料进入固定的机壳内时，物料在自 重和旋转的螺旋叶片推动下移动，最后进入磨料软管，输送到混合腔与水混合， 可用于连续短距离的磨料输送。 螺旋供砂装置能够保证供砂均匀，连续，而且当电机停转后，螺旋轴停止 转动，即可停止供砂，可以防止磨料在输送管中堆积。 本论文将使用上述供砂装置将液体磨料输送至混合腔后，由高速水射流加 速、混合，再经聚焦管( 聚焦管孔径l o o 1 5 0 岬) 射出，形成直径西1 0 0 - - 1 5 0 山 n 微细磨料水射流。并在设定磨料类型和尺寸等前提下，通过数控系统对磨料流 量进行实时监控，实现工件的三维切割。 2 2 2 机床的主体结构 机床的拖动机构包括工作台的运动( x 、y 轴运动) 和射流靶距调整( z 轴运动) 。工作台由滚珠丝杠副和机床导轨实现x 、y 向的拖动和支撑作用。最 大工作行程( x 、y ) ：5 0 0 3 0 0 r a m 。机床的导轨具有较高的导向精度、足够的刚 度和优良的摩擦特性。机床使用型号w d 2 0 0 4 2 5 x l j 型外循环双螺母对旋预紧 滚珠丝杠副，公称直径为2 0 m m ，导程4 m m 。丝杠为p 1 级精度丝杠，用以确保 定位精度为0 0 0 5 3 0 0 r a m 。 水射流喷嘴装置和磨料运输装置均由z 轴驱动，其最大行程2 5 0 r a m 。为确 保在靶距调整过程和加工运行中能够承受运载装置的重力和高压水束的反冲 力，机床采用伺服电机带具有双向自锁功能的梯形滑动丝杠。 为完善机床的加工方式、增强机床的加工能力，实现磨料水射流机床车削、 磨削及曲面加工的完备性。机床添加普通车床式旋转主轴a 轴，三爪卡盘至尾 座间有效工作距离为2 0 0 4 0 0 m m 。工件最大工作直径为2 0 0 m m 。 磨料水射流是依靠水射流中混入的磨料颗粒对物料进行冲蚀和磨削，从而 对物料进行有效切割。与此同时，由于水射流的水楔拉伸作用；磨料颗粒与管壁 及喷嘴的摩擦剪切作用；磨料颗粒之间的冲击和剪切作用；磨料颗粒与靶体之 间的冲击和磨削作用等，磨料颗粒将产生一定的损耗【l9 1 。磨料水射流切割过程 1 4 西华大学硕士学位论文 磨料性能和材质并未发生变化，且磨料价格的昂贵，因此机床需要配备相应的 设备对磨料进行回收利用。 磨料回收装置为一简单的回收水箱，靠近底部各有捧水和捧磨料阀，磨料 针对不同加工材料杂质采用不同的回收方法。 水处理系统：前置处理和后置处理系统。前置水处理系统为精滤系统，采 用反渗透技术制造纯水；后置水处理系统为粗滤系统，采用多级池沉淀，再经 过砂滤、碳滤，达到排污级水质以便捧污。 f i 昏z 7 m a c h i n e m o d e l o f t h e m a i n m e c h a n i c a ls t r u c t u r e 图2 7 机床主体机械结构模型图 2 3 基于p m a c 的机床平台运动控制 2 31 机床平台的运动形式和控制要求 数控磨料水射流工作台运动形式类似立式铣床工作台运动方式，x 轴向运 动，平台可带动回收箱和旋转主轴a ，通过双导轨利用滚珠丝杠副于y 向平台 上运动。因此在对x 、y 平台进行伺服系统的动、静态性能分析的时候其函数 的参数是不同的。由于进给系统的坐标精度和轮廓精度受进给运动传动精度、 西华大学硕士学位论文 灵敏度和稳定性的影响。所以机床的运动系统在机械结构上要实现：摩擦阻 力小；传动精度和刚度高：运动部件惯量小等： 为了提高传动精度，减小转动惯量，提高系统响应时间，运动平台采用交 流伺服电机与滚珠丝杠直联的方式。机床平台要求能实现点位、轮廓及快速定 位等控制，定位精度o 0 0 5 m m ，工作台x 、y 轴驱动速度为o 一1 2 0 0 0 m m m i n 。 2 3 2 机床运动平台的伺服系统 数控磨料水射流机床的进给伺服系统由伺服控制电路、伺服驱动装置和交 流伺服电机、检测元件等组成。一般为了提高数控机床的性能，对机床用进给 伺服系统提出很高的要求。 1 高精度：为了保证零件加工质量和提高效率，要保证数控机床的定位精 度和加工精度。因此，在位置控制中要求有高的定位精度，如5 岬、l 岬等： 而在速度控制中，要求有高的调速精度、强的抗负载扰动的能力，也即要求静 态和动态速降尽可能小。 2 快响应：为了保证轮廓切削形状精度和加工表面粗糙度，除了要求有较 高的定位精度外，还要求系统有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的 响应要快，位置跟踪误差( 位置跟踪精度) 要小。 3 宽调速范围：它是指在额定负载时电动机能提供的最高转速与最低转速 之比。对于一般的数控机床而言，要求进给伺服系统能在0 , 、- - 2 4 r r d m i n 下都能 正常工作。 4 低速大转矩：根据机床加工特点，大都是在低速时进行重切削，即在低 速时进给伺服系统有大的转矩输出【2 0 1 。 根据系统定位精度及伺服进给系统的要求进行拟算，确定选用半闭环伺服 系统满足系统对数控系统的要求。而且半闭环伺服控制由于它的环路中非线性 因素少，容易整定，可以比较方便地通过补偿来提高位置控制精度，同时电气 控制部分与执行机械相对独立，系统通用性比较强。 在半闭环控制系统中，多采用编码器作为位置检测元件，通过检测元件进 行位置检测和反馈。p m a c 带有独立的编码器反馈输入口，集成位置控制模块。 伺服驱动器为速度控制模块，接受电机编码器反馈。此半闭环伺服系统为脉冲 1 6 西华大学硕士学位论文 比较的位置伺服系统，整个系统采用位置检测( 增量式编码器) 产生位置反馈脉 冲信号，将由p m a c 发出的现实指令与反馈脉冲比较，取得位置偏差信号。以 位置偏差作为速度给定伺服电机速度进而调节系统。其检测元件随伺服电机的 运动产生脉冲序列输出，其脉冲频率随着转速的快慢而升降，通过采样进行采 集。 工作台! 一l 闰日巳豇盯；+ 1- j 阍日乜由士nr 、广，。 。i 爿1 口j 月r 抛硎r - 11 日j 月叹电影l - 一、v j ，1 7 1 ：什 p i mi o a接 i 胚炅蚬l 一 ： c - i 位置反馈卜 ， f i g 2 8f e e d 辩t v os y s t e mf r a m e 图2 8 进给伺服系统框图 编 码 器 由于指令脉冲与工作台运动过程及反馈有一个极小的时间差，因此将产生 位置偏差：工作台静止，当指令脉冲为o 时，反馈脉冲也为0 ，因此比较环 节位置偏差为0 ，伺服电机给定速度相应为o ，工作台静止。工作台静止，当 指令脉冲为正向脉冲时，由于反馈脉冲为0 ，因此比较环节位置偏差为正，伺 服电机转动，工作台正向进给。按照负反馈原理当指令脉冲和反馈脉冲相同时， 位置偏差为o ，工作台到达指定的位置上。同理脉冲指令为负时，工作台反 向进给，最后达到指定位置。位置偏差信号为数字量需要经过d a 转换后可实 现模拟调速。 主轴驱动伺服系统需要解决主轴速度控制和主轴的定向控制两个方面。由 于磨料水射流机床在车削过程中进行非刚性接触，对旋转主轴扭矩影响较小。 因此采用交流主轴电机通过联轴器连接主轴，简化了主轴传动系统，提高了主 轴传动精度。 1 7 西华大学硕士学位论文 磨料水射流选择主轴的定向控制又称主轴准停控制，是为了在车削过程中， 实现工件的其他加工方式，以得到复杂的加工形状。简化加工工艺流程，提高 加工效率。考虑到工件的加工方式和需求，机床采用编码器主轴定向控制，其 定向范围可在0 - 3 6 0 。任意定向1 2 1 1 。 p m 强电回路 主轴 a 控制主轴电机阿 c 单元 一 f i g 2 9t h em a i ns p i n d l ec o n t r o lc o n n e c t i o n 图2 9 主轴控制连接示意图 电气主轴定向控制较机械低下控制有一定优点： 1 实现方式简单方便，无需更多机械装置： 2 主轴可在高速时直接进行定向，不需要采用齿轮减速，定向时间短： 3 定向采用电路控制，无机械磨损，过程无外力冲击，定向可靠性高； 4 定向控制精度和刚性提高，较好满足定向需求； 因此主轴控制方式将采用带编码器变频主轴电机与变频器，通过p m a c 模拟量与控制信号i o 口对主轴电机进行调速，准停及零点锁定等控制。 2 4 基于p m a c 的水射流机床数控系统 磨料水射流机床数控系统采用开放式硬件结构。即以i p c 为硬件平台，通 过嵌入p m a c 2 a p c 1 0 4 运动控制器和双端口存储器( d p r a m ) 建立主硬件系 统。工控机上的c p u 与p m a c 的c p u ( d s p 5 6 0 0 2 ) 构成主从式双微处理器结构， 两个c p u 各自实现相应的功能，其中p m a c 主要完成机床三轴的运动、控制面 板开关量的控制，工控机则主要实现系统的管理功能。并通过p m a c 功能扩展卡 各功能接口与i p c 、伺服驱动单元、伺服电机、编码器、电磁阀等连接，最终形 1 8 西华大学硕士学位论文 成一个完整的数控系统，实现对机床各个单位伺服控制。其软件系统成开放式 结构，p m a c 软件开发语言，能够在w i n d o w s 、l i n u x 等操作平台上运作，同时还 支持多种高级编译语言，以方便系统开发【2 2 1 。 p m a c 2 a p c1 0 4 数 伺服驱动模块 控 ： 执 蟹码晷接口 意皇制驱动器净罩 ： 行 主 l 抖 审制驱动器咤 ： 平 i i _ 入 = 爿d s