（机械电子工程专业论文）微磨料水射流精密加工数控系统的研究.pdf

、 i 1 二| i 、r t 西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：夏南帛 日期：z o ( o f 、f 指导教师张靠。易 日期跏c 口6 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，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，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。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：墨划肇 日期：纠o 、ff 指导教师签名：嘞荔 日期易f 口，占 y 西华大学硕士学位论文 摘要 微磨料水射流( m i c r oa b r a s i v ew a t e rj e t ，m a w j ) 技术是在传统磨料水射流技术的 基础上，发展起来的一种全新的微加工技术。具有无热影响区、切口质量好、无污染、 能量集中等优点，特别适于有许多小几何形状的模具制造及表面加工，逐渐成为硬脆材 料精密微细加工的重要基础技术。但随着现代制造业的快速发展，传统水射流机床数控 系统兼容性差、功能不易扩展、人机界面不灵活等缺点日益显现。 本文对微磨料水射流精密加工的相关技术进行了理论研究。详细分析了微磨料水射 流精密加工数控系统的基本结构。为克服传统水射流加工数控系统的固有缺陷，结合现 代数控系统的发展方向，本文提出基于“i p c + p m a c ”的主从分布式双微处理器的微磨 料水射流精密加工数控系统硬件体系控制方案，构建了一套开放式运动控制系统。系统 以l p c 机为基础，p m a c 多轴运动控制器为核心，采用i p c 机的总线与p m a c 通讯， 形成该系统的控制中心。系统选用松下伺服电机及配套驱动构成半闭环的伺服驱动系 统，接收控制中心的控制信号驱动数控执行机构，实现了系统的四轴联动控制。 本文通过对数控水射流加工机床软件系统框架的分析，运用软件工程的思想，完成 数控系统软件功能模块的规划。并选择在实时性较强的w i n d o w s 操作系统上基于 v i s u a l c + + 6 0 模块化的编程技术，实现了i p c 与p m a c 之间的通讯功能模块和系统管 理软件中各功能模块的设计与开发。利用p m a c 自带的通信驱动程序p c o m m 3 2 p r o 实 现了i p c 与p m a c 之间快速、稳定的通信，从而实现了对硬件的实时操作。同时在系 统管理软件的仿真模块中分析设计了等弧长分割的轨迹仿真算法。该方法对圆弧进行拟 合，算法简单，容易实现。可以根据需求来划分等分点，提高了运算效率。 在完成数控系统的整体设计后，通过对系统控制参数进行合理的调试和设置来获得 了满意的系统性能。在设计制作的四轴水射流数控机床模型上，对简单零件g 代码进行 了系统整体仿真运行测试实验。实验结果表明所开发的数控系统具有良好的实时性和开 放性，基本满足微磨料水射流精密加工数控系统的要求。 关键词：微磨料水射流；数控系统；p m a c ；v i s u a l c + + 6 0 微蘑料水射流精密加工数控系统的研究 a b s t r a c t m i c r oa b r a s i v ew a t e rj e t ( m a w j ) t e c h n o l o g yi san e wm i c r o - p r o c e s s i n g t e c h n o l o g y d e v e l o p e do nt h e b a s i so ft h et r a d i t i o n a la b r a s i v ew a t e rj e t ( a w j ) t e c h n o l o g y w i t ht h e a d v a n t a g e so fn oh e a ta f f e c t e dz o n e ，g o o dc u tq u a l i t y ，n op o l l u t i n g ，e n e r g yc o n c e n t r a t i o n ，i ti s p a r t i c u l a r l ys u i t a b l ef o rm a n ys m a l lm o l dg e o m e t r ya n ds u r f a c ef i n i s h i tb e c o m e sa n i m p o r t a n tf o u n d a t i o n f o r s o p h i s t i c a t e dm i c r o f a b r i c a t i o nt e c h n i q u e s f o rh a r da n db r i t t l e m a t e r i a l s b u tw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e m m a n u f a c t u r i n g ，t h et r a d i t i o n a ln u m e r i c a l c o n t r o l l e ds y s t e mh a ss h o r t c o m i n g ss u c ha sp o o rc o m p a t i b i l i t y ，h a r de x p a n s i o n ，n of l e x i b i l i t y m a n m a c h i n ej n t e r f a c e i nt h i sp a p e r , t h e o r e t i c a lr e s e a r c ho nm a 、jp r e c i s i o nm a c h i n i n gt e c h n o l o g yh a sb e e n c a r r i e do u t t 1 l eb a s i cs t r u c t u r eo fc n c s y s t e mf o rm a 、wp r e c i s i o nm a c h i n i n gw a sa n a l y z e d i nd e t a i l t oo v e r c o m ei n h e r e n td e f e c t so ft h et r a d i t i o n a l w a t e r - j e tm a c h i n i n gc n c s y s t e m ，c o m b i n e dw i t hm o d e mc n cs y s t e m sd e v e l o p m e n t ，b a s e do n “i p c + p m a c m a s t e r s l a v ed i s t r i b u t e dd u a lm i c r o p r o c e s s o rc n c s y s t e mf o rm a w jp r e c i s i o nm a c h i n i n gi s p r o p o s e di n t h i sa r t i c l e a no p e nm o t i o nc e n t r e ls y s t e mw a sc o n s t r u c t e d i p cm a c h i n e b a s e d s y s t e m ，p m a cm u l t i a x i s m o t i o nc o n t r o l l e ri st h ec o r e i p ca n dp m a cw i t hb u s c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ef o r mo ft h es y s t e mc e n t r e lc e n t e r p a n a s o n i cs e r v om o t o ri s s e l e c t e d as e m ic l o s e d l o o ps e r v od r i v es y s t e mi sb u i l t c e n t r e ic e n t e rr e c e i v e st h ec o n t r o i s i g n a lt od r i v et h ec n ce x e c u t i v eb o d y f o u r 。a x i sc e n t r e ll i n k a g ei sr e a l i z e d b a s e do nt h ec n cw a t e rj e tm a c h i n et o o l ，s o f t w a r es y s t e r nf r a m e w o r ki sa n a l y z e d b y u s eo fs o f t w a r ee n g i n e e r i n g , t h ec n c s y s t e ms o f t w a r em o d u l e sp l a n n i n gi sc o m p l e t e d i nt h e r e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e mw i n d o w s ，b a s e d o nv i s u a l c + + 6 0m o d u l a r p r o g r a m m i n g t e c h n i q u e s ，t h ei p ca n dt h ep m a cm a i nc o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nt h em o d u l e sa n ds y s t e m s m a n a g e m e n ts o f t w a r ei sa c h i e y e d e a e l lf u n c t i o n a lm o d u l ei sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d u s i n g p m a c so w nc o m m u n i c a t i o nd r i v e rp c o m m 3 2 p r o ，t h ei p ca n dt h ep m a cf a s t ，s t a b l e c o m m u n i c a t i o n s ，r e a l - t i m eo p e r a t i o no ft h eh a r d w a r ei sa c h i e v e d a tt h es a m et i m e ，i nt h e s y s t e mm a n a g e m e n ts o f t w a r e ，s i m u l a t i o nm o d u l es u c ha sa r cl e n g t ho ft h et r a j e c t o r y s i m u l a t i o na l g o r i t h ms e g m e n t a t i o ni s d e s i g n e d u s i n gt h i sm e t h o da r cf i t t i n ga l g o r i t h mi s s i m p l ea n de a s yt oi m p l e m e n t i tc a nb ec l a s s i f i e di nd e c i l eo nd e m a n d , a n di m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fo p e r a t i o n s i i it h eo v e r a l ld e s i g no fc n c s y s t e m ，t h es y s t e mc o n t r o lp a r a m e t e r st h r o u g hd e b u g g i n g a n ds e tr e a s o n a b l e ，as a t i s f a c t o r ys y s t e mp e r f o r m a n c ei so b t a i n e d w i t hr e f e r e n c et od e s i g na f o u r - a x i sc n cw a t e rj e tm a c h i n em o d e l ，a n dt h es i m u l a t i o nr u n n i n gt e s te x p e r i m e n t so fg c o d ef o r s i m p l ep a r t w a sd o n ei n t h i sm o d e t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h e l i _ 一堕竺奎兰堡主堂垡笙奎 d e v e l 叩m e mo fc n c s y s t e mh a sg o o dr e a l - t i m ea n do p e n ，b a s i c a l l ym e e tt h er e q u i r e m e l l t so f m a w j p r e c i s i o nm a c h i n m g k e yw o r d s ：m i c r oa b r a s i v ew a t e rj e t ；c n cs y s t e m ；p m a c ；v i s u a i c + + 6 0 1 1 1 微譬譬水射流精密加工数控系统的研究 目录 摘! 要i a b s t r a c t i i 1 绪论l 1 1 弓i 言1 1 2 磨料水射流加工技术2 1 3 数控系统的国内外研究状况及发展趋势5 1 3 1 数控系统的国内外研究状况5 1 3 2 数控系统的发展趋势6 1 4 本文研究的目的和意义6 1 5 本文主要研究内容7 2 微磨料水射流精密加工技术。8 2 1微磨料水射流加工技术的研究现状8 2 2 微磨料水射流关键技术9 2 2 1 微磨料水射流的产生方法9 2 2 2 微磨料水射流关键技术1 1 2 3 微磨料水射流加工机理。1 3 2 3 1 磨料的加速过程1 3 2 3 2 微磨料水射流加工的力学模型1 3 2 4 微磨料水射流加工技术的应用1 4 2 5 本章小结1 6 3 微磨料水射流精密加工数控系统硬件结构设计1 7 3 1 开放式数控系统1 7 3 1 1 数控系统的特点1 7 3 1 2 开放式数控系统体系结构1 8 3 2 系统硬件总体结构设计1 9 3 2 1 工业控制计算机( 1 p c ) 一2 1 3 2 2 多轴运动控制卡2 1 3 2 - 3 交流伺服系统2 2 3 3 p m a c 运动控制卡2 2 3 3 1 p m a c 的特点及其开放性2 3 i v 西华大学硕士学位论文 3 3 2p m a c 2 a - p d l 0 4 的硬件结构2 4 3 3 3p m a c 2 a - p c 1 0 4 的接口技术2 5 3 3 4p m a c 与i p c 的通讯2 6 3 3 5p m a c 内部变量说明2 7 3 4 伺服系统控制方案2 8 3 4 1 伺服电机的选择。2 9 3 4 2 伺服系统的伺服类型确定。3 0 3 4 3 伺服控制电路设计3 1 3 5 本章小结3 2 4 微磨料水射流精密加工数控系统软件结构设计3 3 4 1 数控软件系统的功能分析3 3 4 2 微磨料水射流精密加工数控系统软件开发环境和总体设计3 3 4 2 1 数控系统软件丌发环境3 3 4 2 2 数控系统软件的总体框架3 5 4 2 3 数控系统软件的总体结构设计3 6 4 3 微磨料水射流精密加工数控系统软件各功能模块的设计3 7 4 3 1p m a c 实时控制软件3 7 4 3 2 通讯功能模块4 1 4 3 3系统管理软件4 6 4 4p m a c 运动程序5 7 4 4 1 坐标系和轴的运动单元5 7 4 4 2 运动程序的基本框架结构。5 7 4 4 3 运动程序语法。5 7 4 4 4 运动程序的编写保存及执行5 8 4 5 本章小结5 9 5 数控系统调试与仿真运行测试实验6 1 5 1 系统的p i d 参数调整。6 1 5 1 1p m a c 的p i d 控制算法。6 1 5 1 2p i d 参数整定6 3 5 2p m a c 调试6 6 5 2 1开环测试。：6 6 5 2 2闭环测试6 7 v 微瞎科水射流精密切工数控系统的研究 5 3 系统仿真运行测试实验6 7 5 3 1 系统仿真运行测试环境6 7 5 3 2 仿真运行测试方案6 9 5 3 3 仿真运行测试过程及结果6 9 5 4 本章小结：7 l 结 论。7 2 参考文献。7 4 攻读硕士学位期间学术论文及科研情况7 7 致 射。7 8 v i 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1引言 高压水射流技术是近3 0 年来发展起来的一 门新技术l l j ，作为表面处理、清洗、切割、破碎 工具，水射流具有其独特的优点。随着大型化、 智能化、模块化、专用化的高压水射流装备的迅 速发展，其应用日趋广泛。目前在航空航天、机 械制造、汽车、采矿业、兵器工业、铸造业、电 力电子、建筑业等部门得到了比较广泛的应用。 近年来随着高科技的迅速发展，激光束、电子束、 等离子体和水射流技术都成为新型的加工技术， 但激光束、电子束、等离子体属于热加工范畴， 而水射流技术是唯一一种冷加工技术，与其他加 图1 1 高速水射流切割加l ： f i g 1 1h i g hs p e e dw a t e rj e t m a c h i n g 工方法相比，具有无热影响区、加工力小、加工精度高、加工范围广和可加工复杂形状 等优点，所以它的发展为难加工材料的加工提供了切实可行的手段，特别是在加工陶瓷 和玻璃等脆性材料及复合材料、半导体材料方面显示出巨大的潜力。图1 1 所示为高速 水射流切割加工。 水滴石穿体现了柔软的水本身潜在的威力，高压水射流技术就是利用这种原理，以 达到去除材料的目的。水射流技术最初应用于采矿业，2 0 世纪3 0 年代水射流技术被应 用到采煤，到二十世纪5 0 年代，高压水射流切割的可能性才起源于苏联，然而，第一 项切割技术专利却在美国产生，即1 9 6 8 年由美国密苏里大学林学教授诺曼弗兰兹博 士发明的高压水射流切割实验装置，该装置的压力可以达到3 4 4 7 m p a 。1 9 7 1 年美国制 造出了世界上第一台高压力纯水射流切割机，并广泛应用于家具制造业，由于纯水射流 技术的切割能力较差，它仅仅适用于切割布匹、塑料、橡胶、木材等软质材料。要用它 来切割金属、岩石、玻璃等硬质材料时，则需要较高的压力，约为7 0 0 - 1 0 0 0 m p a ，要 达到如此高的压力是比较困难的。为了能够实现切割硬质材料，人们又开始研究切割能 力较强的水射流加工技术，磨料水射流切割技术就是在这种情况下发展起来的，由于磨 料射流系统简单、成本低廉，切割效率是相同条件下的高压水射流的8 1 0 倍，因此， 磨料水射流切割技术迅速在清洗、表面处理、切割和破碎岩石业中得到了广泛的应用。 微磨料水射流精密加j 数控系统的研究 随着制造技术的不断发展，对零部件的尺寸精度和表面质量的要求越来越高，对于 一些小型、微型零件，如仪器仪表、医疗器械、半导体器件、微通道以及难加工材料的 加工和处理都很难用磨料水射流技术或传统加工的方法来实现。因此，微磨料水射流精 密加工技术应运而生。 1 2 磨料水射流 j n t 技术 磨料水射流加工技术是最近几十年发展起来的一种特种加工技术【2 1 ，这项技术是在 纯水射流加工技术的基础上逐步发展起来的。美国于1 9 8 2 年设计制造出磨料水射流切 割机床，从此以后磨料水射流加工技术便得到迅速发展。目前，磨料水射流技术已经成 为发展最快的特种加工技术之一1 3 】。磨料水射流加工的材料范围非常广泛，能切割硬质 合金、大理石、金属、硅酸盐玻璃、陶瓷等材料【“j ，在纤维复合材料加工中也表现出 独特的优越性，同时在表面涂层剥离加工中也得到了广泛的应用。 磨料供给系统 喷头系统 一一一一一一一一一一一一一一1 - l! 磨 磨料 _ - 一 l i 混 加速管 料 喷头： 加1 厶 水 口 岳、+ i l 射 t i 普通水 弋嘏i i 腔 - 流 高压水t i i 1 一一一一。一一一。一一一一。 i - 一一一一一i 供水系统 图1 2 磨料水射流加工原理图 f i g 1 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fa b r a s i v ew a t e rj e tm a c h i n g 磨料水射流的加工原理如图1 2 所示。高压水与磨料首先进行混合，形成高速磨料 水射流，然后以高速度经混合腔后从磨料喷嘴喷出，以一定的冲蚀动能冲击工件表面。 由此导致材料局部表面形成高度应力集中，产生冲蚀、剪切作用，直至材料失效而被去 除。磨料水射流的材料去除主要由磨料来完成。 根据水与磨料的混合方式不同，可分为前混合磨料水射流和后混合磨料水射流两 种。前混合磨料水射流工作原理图如图1 3 所示i z 5 j ，磨料先和水均匀混合成磨料料浆， 然后经喷嘴喷射形成磨料射流称为前混合磨料射流。这种混合方式效果好，所需的压力 低，但装置复杂，喷嘴磨损严重，容易堵塞。 2 西华大学硕士学位论文 图1 3 前混合磨料水射流工作原理图 f i g 1 3p r i n c i p l eo fp r e - m i x i n ga w j 1 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 - 压力源 图1 - 4 后混式磨料水射流：i ：作原理图 f i g 1 4p r i n c i p l eo fp o s t m i x i n ga w j 1 水喷嘴2 混合腔3 磨料喷嘴 4 - 磨料箱5 高压水管 后混合磨料水射流工作原理如图1 4 所示，这种混合方式是高压水射流在混合管中 与磨料进行混合而形成磨料水射流。这种混合方式效果稍差，但喷嘴磨损小，是目前常 规射流生成的最佳方式。后混合磨料水射流的压力一般可达到4 0 0 m p a 左右。通过水喷 嘴形成的高速水射流，因射流的卷吸作用在混合室内产生一定的真空度。水射流的速度 越高，混合室内产生的真空度越大。这使得磨料罐与混合腔之间形成一定的压力差，磨 料在自重和压力差的作用下进入混合腔，立即与水射流发生剧烈碰撞、掺混与扩散，最 终经磨料喷嘴喷出形成磨料水射流。 磨料水射流是由水、磨料以及空气组成的三相流，空气所占体积比可达到9 5 ，对 水射流与磨料之间的能量传递会产生较大影响。在此过程中，大约2 0 的水射流动能可 以直接传递给磨料粒子。水射流作为载体对磨料粒子加速，由于磨料粒子硬度高、质量 大，所以磨料水射流与纯水射流比较，其射流动能更大，切割能力更强。在切割加工中 磨料起到的作用占9 0 左右，可见磨料在水射流切割加工中的重要性，一般常用于水射 流的磨料为碳化硅、氧化铝、氮化硅及石榴石等材料。磨料的消耗费用占到设备运行总 费用的7 5 左右，现在已有学者对磨料的循环利用进行了研究，并取得了一定的成果。 典型的磨料水射流系统包括以下几个主要模块：增压系统、磨料供给系统、喷射系 统、运动控制系统、工作台和收集器等。增压系统为磨料水射流提供高压水，其核心部 件是增压器，一般采用油水往复式增压泵，增压比通常选用1 0 ：1 - 2 0 ：1 ，通过液压系统 的油压来调节增压器的输出水压。通过增压泵的增压，可使水的压力增至1 0 0 - - 4 0 0 m p a ， 最高可达6 5 0 7 0 0 m p a 。高压水路连接增压系统和喷射系统。为了输送高压水和适应喷 射系统快速灵活运动的要求，高压水管道通常采用具有耐超高压的不锈钢管，并由若干 3 微磨料水射流精密加工数控系统的研究 个旋转管接头组成。磨料供给系统为磨料水射流供给磨料，它的基本构成包括料仓、磨 料流量阀和输料管。磨料水射流喷射系统包括高压水开关阀、宝石水喷嘴和混合管，有 时在混合管外面还带有保护套。磨料喷嘴与水喷嘴直径一般保持3 - 4 5 的比例。磨料喷 嘴要求耐磨性高，一般采用硬质合盒制成，粗切割寿命约1 0 小时左右。w c c o 材料的 混合管的精切割寿命约4 小时以上，采用特殊陶瓷制造的喷嘴，粗切割寿命可达2 0 1 0 0 小时。磨料水射流的运动系统分为移动式和多关节机器人式两种类型。台式加工系统大 多采用移动式运动系统。运动系统直接控制喷射系统的运动轨迹，对加工系统的动态加 工性能有较大影响。喷射系统运动的控制方式一般采用c n c 控制方式。工作台用于装 央与固定工件。目前，使用比较多的是用于大件加工的栅板和用于小件加工的水射流砖， 有时也附以压板和平口钳进行固定。接收装置位于工件下方，用来收集切割剩余的射流， 具有环保、降低噪声、消耗剩余的能量、防止飞溅和安全等功能。 磨料水射流加工技术与传统加工方法相比，具有许多优点【1 4 】： 图1 4 磨料水射流切字、异形加工( 不锈钢) f i g 1 4 a b r a s i v ew a t e rj e tc u t t i n g c h a r a c t e r 、h e t e r o m o m h o u s 图1 5 磨料水射流加工玻璃 f i g 1 5 a b r a s i v ew a t e rj e tm a c h i n gg l a s s 4 图i 6 磨料水射流力叮槽、圆弧、孔 f i g 1 6 a b r a s i v ew a t e rj e tm a c h i n g t r o u g h 、c i r c u l a ra r c 、h o l e 图1 7 磨料水射流加工齿轮 f i g 1 7a b r a s i v ew a t e rj e tm a c h i n gg e a r s 西华大学硕士学位论文 ( 1 ) 可加工材料的范围广泛，可加工钢材、钛合金、镍合金、铜合金、铝合金、玻 璃、陶瓷、石英晶体、石材、复合材料、易燃材料、涂层钢板等。 ( 2 ) 冷态切割，不会造成材料结构变化或热变形等不利影响，这对许多高性能、 热敏材料和磁性材料】的加工尤为重要。 ( 3 ) 可控性好，切割可以从工件上任意点开始，在任意方向上进行。可以加工常 规工艺难以加工的零件，特别适于切割复杂形状的工件； ( 4 ) 具有很强的切割力。 ( 5 ) 具有环境友好性，无粉尘、油污、烟雾、火花、气味等污染，属于清洁安全 切割。 ( 6 ) t 艺准备时间短，生产率高。 近年来，由于水射流加工的优势越来越明显，超高压系统也同趋完善，水射流技术 己迈入高科技行列，世界上工业发达国家都在竞相丌发，许多学者对磨料水射流加工技 术进行了大量研究，其应用也同益广泛。如图1 4 1 7 所示是磨料水射流的一些应用实 例。 1 3 数控系统的国内外研究状况及发展趋势 1 3 1 数控系统的国内外研究状况 数控系统是一种位置控制系绀7 】，其工作原理是根据输入指令插补出理想的运动轨 迹，然后输入到执行机构，加工出所需要的零件，刀具与工件的相对运动轨迹是由编程 设定的。而数控系统作为数控机床的控制中枢，是发展最迅速的组成部分，是数控技术 不断进步的标志。数控系统一般由数控装置和伺服装置组成。日本是数控系统生产大国， f a n u c 公司的产量约占全球产量的l 2 以上。1 9 8 7 年推出了至今仍占世界领先地位的 f a n u c 1 5 ，先后又推出了f a n u c - 1 6 ，f a n u c 1 8 和f a n u c - 2 0 等数控系统。2 0 世纪 8 0 年代，美国为了改变制造业衰退的状况，提出了振兴美国国内机床工业的行动计划， 即由空军与国家制造科学中心( n c m s ) 共同领导下的“下一代工作站机床控制器 体系 结构的研究计划( t h en e x tg e n e r a t i o nw o r k s t a t i o n m a c h i n ec o n t r o l l e r ( n g c ) a r c h i t e c t u r e p r o g r a m ) 。欧共体的自动化系统中开放式体系结构o s a c a ( o p e ns y s t e m a r c h i t e c t u r ef o r c o n t r o lw i t hi na u t o m a t i o ns y s t e m s ) 、e s p r i t5 4 7 1 、f a m e ( f i v e a x e sm a n u f a c t u r i n g e n v i r o n m e n t ) 。法国、意大利等西方研究结构也在积极开展数控系统体系结构的研究开 发工作。 同样如此，近年来国内开放式数控技术也得到迅速发展，我国已经把数控系统的开 发和研究列为国家“八五 、“九五 期间的重点攻关项目，重点集中在改组改造，优 5 微磨料水射流精密加工数控系统的研究 化结构。现己成功开发出具有自主版权的中华i 型、华中i 型、蓝天i 型和航天i 型四 个数控系统。以华中数控为例，除开发生产出各类磨床、铣床、钻床、车床加工中心的 通用数控系统外，还研制开发出激光加工、齿轮加工等多种专用数控系统，利用开放式、 模块化以及嵌入式等多种形式的硬件结构，使系统具有较好的开放性、模块化、层次化 等特点，其通用性好，扩展和伸缩性好，方便用户进行二次开发。我国的数控技术也正 以惊人的速度向前发展。 1 3 2 数控系统的发展趋势 近年来，由于计算机技术、微电子及功率电子技术的迅速发展和以现代控制理论为 基础的高精度、高速响应交流伺服系统的出现，使数控系统性能同趋完善，各项性能指 标大为提高，主要具有以下的发展趋势和发展特点： ( 1 ) 开放式、模块化、层次化、多处理器结构。 ( 2 ) 不断完善的工作站功能。 ( 3 ) 丰富的编程方式。 ( 4 ) 采用先进、高效的精度保障技术。 ( 5 ) 通讯联网功能不断加强。 ( 6 ) 智能化。 总之，数控技术正在向高精度、高柔性、高效率、开放式和智能化方向发展。 1 4 本文研究的目的和意义 根据微磨料水射流加工技术的发展趋势和要求，瞄准该项技术研究的前沿，基于现 有的数控平台、p c 机和可编程多轴运动控制卡，试图开发出一套开放式微磨料水射流 精密加工数控系统。 微磨料水射流加工( m i c r 0a b r a s i v ew a t e rj e tm a c h i n i n g m a w j ) 是在传统磨料水射 流技术的基础上，发展起来的一种全新的微型加工技术，在冲蚀加工过程中不改变材料 的力学、物理和化学性能，具有无热影响区、切口质量好、无火花、无污染、能量集中 等优点【引，特别适于有许多小几何形状的模具制造及表面加工，并且已经逐渐成为硬脆 材料精密微细加工的重要基础技术。但微磨料水射流数控系统往往采用传统的c n c 系 统。然而，现今市场上组成c n c 系统( 以f a n u c ，s i e m e n s 等为代表) 的硬件模块和 软件结构 相同，这 争的加剧 两华人学硕十学位论文 统没在体系结构上给予强有力的支撑，因而系统的扩充和修改极为有限，往往不能满足 设备制造的特殊要求，软件的升级困难，二次开发也具有相当的难度。 随着对加工精度要求的提高，如何使微磨料水射流加工轨迹行程精确、响应速度快、 定位准确度高，这就需要设计一种新型的模块化、可重构、可扩充的智能化微磨料水射 流精密加工数控系统，因此，本课题的研究将具有重要的社会、经济意义，其成果具 有广阔的应用前景。 1 5 本文主要研究内容 本课题的展丌利用现有的微磨料水射流加工设备，基于i p c ( i n d u s t r i a lp e r s o n a l c o m p u t e r ) 和p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t ia x i sc o n t r o l l e r ) 运动控制卡，研究和设计微磨料 水射流精密加工数控系统。并进行如下的工作： ( 1 ) 微磨料水射流精密加工技术的理论研究。主要研究微磨料水射流的产生方法 与关键技术，以及微磨料水射流的加工机理。 ( 2 ) 针对微磨料水射流精密加工的特点，选用“i p c + p m a c ”的双c p u 硬件结构 作为本数控系统的基础，在应用要求和使用方法的基础上，设计数控系统总体硬件体系 结构，研究p m a c 运动控制卡硬件设置及其接口技术，利用选择的硬件模块构建微磨 料水射流精密加工数控系统的硬件平台。 ( 3 ) 分析数控水射流加工机床软件系统框架，运用软件工程的方法，对数控系统 软件部分进行功能划分，确定微磨料水射流精密加工数控系统总体软件结构体系。 ( 4 ) 利用v i s u a lc + + 高级编程语言，在w i n d o w s 操作系统平台上完成数控系统软 件的各功能的开发，主要包括系统管理软件功能、i p c 与p m a c 的通讯功能和p m a c 实时控制软件功能，并建立友好的数控系统人机界面。 ( 5 ) 系统调试与仿真运行测试实验。通过对系统控制参数进行合理的调试和设置 来获得性满意的系统性能。参照设计制作运动数控实验平台并进行系统仿真运行测试。 微磨料水射流精密加t 数控系统的研究 2 微磨料水射流精密加工技术 微细磨料射流( 射流直径在1 册1 0 0 z m 之间) 切割技术是一种全新的微型加工技 术1 9 l ，是唯一一种“软、冷 切割加工方式，具有无热影响区、切口质量好、无火花、 降尘、噪音小、无污染、能量集中等独特的优点【引。微型磨料射流设备与普通磨料射流 设备相比要小得多，水与磨料的消耗量只占普通磨料射流的1 左右，可以切割适用普 通磨料射流切割的一切材料。尤其适合加工不易使用热加工技术的硬脆材料。 2 1微磨料水射流加工技术的研究现状 在微机电系统的推动下，1 9 9 9 年英国d m i l l e r 等人【9 】在第十届美国水射流会议上首 次提出微型磨料水射流( m i c r oa b r a s i v ew a t e r j e t ) i j h t 技术，并成功研制出一台前混合式 微型磨料脉冲水射流加工系统。机床工作时，采用气液增压泵，产生的最高水压为 7 0 m p a ，这样可以限制水的压缩量在3 以内。水的流量为1 l h - - 1 0 m ，磨料流量为 2 k g h ，使用的磨料少，适合批量生产。使用氮化硅磨料喷嘴，产生射流束直径3 0 l m 7 0 u m 。工作台面积l o o m m l o o m m ，重复定位精度2 m 。 设计者在保证加工过程中不产生高压水回流，即磨料不会流入增压泵的前提下，设 计了简单的流体回路。该流体回路有两个工作模式：1 ) 将从泵流出的高压水全部引向 磨料喷嘴。同时，少量的高压水进入磨料罐底部，使得其顶部少量的水流到流量控制器。 这样，产生纯水射流。2 ) 将从泵出来的一部分高压水引向磨料喷嘴，一部分引向磨料 罐，促使磨料从磨料罐底部流出进入磨料喷嘴，产生磨料水射流。该微磨料水射流可对 4 u m 5 0 z m 厚的金属、聚合物、玻璃、三合板、电路板及碳纤维复合材料板进行轮廓 加工。对于5 0 9 m 厚的材料，喷嘴横移速度可达4 0 0 m m m i n ；对于3 r a m 厚的材料，喷 嘴横移速度可达1 5 m m m i n 。与激光加工相比，微磨料水射流可切割材料的深宽比更大。 通过钻削加工发现，微磨料水射流可在厚度5 0 比m 的不锈钢板上，以2 5 - 孑l s 的速度钻 出直径为8 7 的孔【l引。um 在国内，汪庆华等人对铝件进行了初步的抛光试验。通过试验得出射流压力对零件 表面粗糙度及加工去除量影响最大；加工时间越长，去除量越大；靶距对零件的加工去 除量有影响，靶距过小和过大都会影响加工质量。黄传真等对喷嘴内部流场进行了仿真 研究【1 0 1 ，王建生等对小喷嘴磨料水射流进行了仿真与实验研列1 1 12 1 ，为进一步研究微磨 料水射流工作打下了基础。 微型磨料射流可以在几乎所有的材料上进行精密切割、钻孔等，这是一种新兴的微 型加工技术，不远的将来，微型磨料水射流将会在微型加工领域占有一席之地。 8 西华人学硕十学位论文 2 2 微磨料水射流关键技术 2 2 1微磨料水射流的产生方法 根据磨料粒子进入方式的不同，微磨料水射流的产生方法一般分为即引入式、悬浮 式和运载式三种方式1 1 引。 ( 1 ) 引入式 引入式微磨料射流是利用水射流的高速 流动，在水喷嘴( o r i f i c e ) 和聚焦管( m i x i n g t u b e ) 之间的混合腔产生负压，由空气将磨料 粒子引入硬质合金聚焦管( 混砂管) 产生磨料 射流的方法，如图2 1 所示。 普通磨料水射流大都采用引入式。由于 聚焦管直径一般是水射流直径的3 - 4 5 倍左 右，因此，引入式磨料射流的直径通常在 1 0 0