（机械制造及其自动化专业论文）空间曲面电火花线切割加工cam应用技术研究.pdf

佳木斯大学硕士学馋论文 摘要 随着科学技术的不断发鼹，模具、航天等行业中一些批量不大、精度要求高的 复杂曲面零件，仅仅依靠传统的切削方法很难实现这些零件的加工。在我国传统高 速走丝毫火花线谚割撬痰上，蕊上转、摆、整数较装置侵工件实现一个转动、两个 摆动或转、摆、摆联动是加工空间复杂直纹曲面的有效方法之一。本文是基于黑龙 江省辩技攻关顼曩“空阕曲蘸电火花线切害加工c a m 技术礤究”秘黑龙江密杰出 青年科学基金项目“空间曲面电火花线切割加工c a d c a p p c a m 一体化披术研 究”的研究过程而开展的，主要内容是研制基于_ 丌方式体系结构的五轴联动电火花 线凌饕热王数控系绞。 本文藏于w i n d o w s 操作系统和可编程多轴运动控制器( p m a c ) 研制了丌放式 五轴联动曦火花线切割加工数控系统。p m a c 是一个多任务实时计舞掇系统，可以 实现复杂的实时运动控制任务。其开放了所有的软硬件接翻，具有黼度的开放性， 这种优良特性使得五轴联动电火花线切割加工数控系统可以满足数控系统的各项设 诗要求。 本文对空间曲面电火花线切割加工c a m 技术进行了大量研究工作。主饕工作 及取得的成果体现在以下几个方匿： 1 设计并实域了基于可编程多辅控制器( p 凇c ) 的电火花线切割加工数控系统的 开放式硬件体系结构。 2 于 发塞了一套壹羹工瞧簸稳定懿聂辍联动邀火花线谚割鸯l 工数控系统软 季。 3 详细设计了转、摆、摆数控工作台，绘制了一套加工图纸，并研制成功了转、 摆、摆数控工作台实验样机。 4 完成了对整个系统的搭建，调试。为样件的加工做好了准备。 关键词：电火花线切割加工：空闯曲露；五轴联动加工；c a m ；数控软件；转、 摇、摆王箨台；p m a c 佳术斯大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho ft h e a p l i c a t i o nt e c n o l o g yo fw e d m c a m a b s t r a c t w 濂t h ec o n s t a n td e v e l o p m e n to f s c i e n c ea n dt e c l m o l o g y 。s m a l lb a t c h e so f h i g hp r e c i s i o n w o r k - p i e c e sw i t hc o m p l e xc u r v e ds u r f a c ea r eo f t e n n e e d e di nt h ei n d u s t r i e so f m o d d ，a v i a t i o n a n ds oo n , a n di ti su s u a l l yi m p o s s i b l et om a c h i n et h o s ew o r k - p i e c e so n l yb yt r a d i t i o n a lc u t t i n g m e t h o d s h o w e v e r , w ec a nm a k et h ew o r k - p i e c er e a l i z eo n e r o t a t i o na n dt w os w i n g s ，o rt h e l i n k a g eo f o n er o t a t i o na n dt w os w i n g sb yt h en u m e f i c a lc o n t r o l l e da c c e s s o r ym o u n t e do nt h e t r a d i t i o n a lw i r ee l e c t r i cd i s c h a r g em a c h i n i n g - h s ( w e d m h s ) m a c l l i n et o o l s t h e r e f o r e 。t h i s p a p e rm a k e s al o to f r e s e a r c h e s0 nt h ec o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g ( c a m ) t e c h n o l o g yo f m a c h i n i n gc o m p l e xc u r v e ds u r f a c eb yw e d m t h e s e r e s e a r c h e sb a s eo nt h ei t e mo f ”s t u d yo n c a mt e c h n o l o g yo f m a c h i n i n gc o m p l e xc u r v e ds u r f a c eb yw e d m ”，w h i c hi st h et a c k l i n gk e y i t e mo f h e i l o n g j i a n gp r o v i n c e ；m a dt h ei t e mo f ”s t u d yo nc a d 飑a p p c a mt e c h n o l o g yo f m a c h i n i n gc o m p l e xc u r v e ds u r f a c eb yw e d m ”，w h i c h i st h es c i e n c ef i m do f t h eo u t s t a n d i n g y o u t hi nh e i l o n g j i m a gp r o v i n c e t h e 融采nc o n t e n to f t h _ i sp a p e r i st od e w l o pa l lo p e n - a r c h i t e c t u r e5 - 托x i e sw e d mc n cs y s t e m a n o p e n a r c h i t e c t u r e5 - a x i e sw e d m c n cs y s t e mb a s e do nw i n d o w sa n dp r o g r a m m a b e m u t i - a x i e sc o n t r o l l e r ( p m a e i sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n p m a ci t s e l f i s am u t i - t a s kr e a l - t i m ec o m p u t e rs y s t e m ，a n di tc a l ld os o p h i s t i c a t e dm o t i o np l a n n i n gc a l c u l a t i o n s p m a co p e na l li t sh a r d w a r ea n ds o t t w a r ei n t e f f a c e s ，a n dh a v eah i g ho p e n n e s s u s i n gt h e c a p a b i l i t i e so f p m a c ，t h et e c h n o l o g yr e q u i r e m e n t so f 5 - a x i e sw e d m c n c s y s t e mc a n b e f u l f i l l e d i nt h i sp a p e r ，al o to f r e s e a r c hw o r kh a sb e e nd o n ef o rt h et e c h n o l o g yo f s p a c ee 1 f i v e s u r f a c ew e d mc a m a n dt h em a i nw o r ka l s ot h er e s u l t sa sf o l l o w i n g ： d e s i g n e da n dr e a l i z e dt h eh a r d w a r eo p e n - a r c h i t e c t u r eo f w e d mc n cs y s t e mb a s e do n t h ep r o g r a m m a b em u f i - a x i e sc o n t r o l l e r ( p m a c ) d e v e l o pah i g h - p e r f o r m a n c e5 - a x i e sl h 3 k a g ew e d m c n cs y s t e ms o f t w a r e 。 t h i sp a p e rd e s i g n st h es t r u c t u r eo f t h ew o r k i n gt a b l ew i t ht h er o t a t i o n ，a n dt w os w i n g si n d e t a i l sa n dm a k e sas e to f & a w i n g s ，a l s om a k et h ee x p e r i m e n tm a c h i n es u c c e s s 捌l y t i l ew h o l es y s t e mh a sb e e ns e tu pa n dt e s t , a n dh a sp r e p a r e df o rt h em a c h i n i n gp a r t s k e yw o r d s ：w e d m ；c o m p l e xc u r v e ds u r f a c e ；5 一a x e sl h a k a g em a c h i n i n g ；c a m ：t h e n u m e r i c a lc o n t r o l l e ds o f t w a r e ；t h ew o r k i n gt a b l ew i t ht h er o t a t i o na n dt w os w i n g s ；p m a c 2 - 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个入在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的土也方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 佳木斯大学或箕 也教育视构的学位躐证书所使用过的材料。与我一同工 作的同恚对本研究所做鲍任何贡献均已在论文中饿了明确懿说明并表示 了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解佳本斯大学有关保留、饺照学位论文的撬定，罄：学 校有权保魍送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印域其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：肄导师签名：触日期：一 佳本辑大学颈士学位论文 引言 本溧题是结合任禧瓣毂授主持的黑龙江餐秘技攻关顼晷“空闲麴覆电火菇线切割热 3 2c a m 技寒磺究”帮慧麓江省杰整专年辩学蘩金项磊“空海基掰魄火花线拐雾l 热工 c 艄a p p c a m 一体化技术研究”而开展的。 本课题研究的目的程于：在前人研究工作的基础上，对空间复杂曲面电火花线切割 加工c a m 控制系统技术避行研究，开发出撼于p c 结合多轴运动控制器( p m a c ) 的 数控系绫软锌，探索如傍穆空瓣复杂睦西电火花线切割鸯霹工c a m 按摹系统与毫速走丝 数羧滚火菝线凌軎l 热工辊臻结台超来，以扩大囊速走丝电突花线甥害l 趣工兹工艺范嚣， 提高空间曲面电火花线切割加工的加工质量和生产率。 如果本课题研究成功，则可在高速走丝电火花线切割机床上加工所有的三导线曲面 和大部分三维空间复杂曲面零件，不仅扩大了高速走丝电火花线切割加工的工艺范围， 还可对现有鲍普通毫速走丝毫火花线切割机床遴行改造，扩大这魑线切塞枕庶的应用藏 爨，获疆本主解决毫逮走戆奄欠蓖线凌害l 懿庶鸯 l 工空阖馥瑶翡关键液零蠲莲，大福凌掇 高空间曲面电火花线切割棚工的加工质量和生产率。因此，该项鞘的研究，既有深远的 理论意义，又有可观的经济和社会效益。 本课题主要围绕以下几个方面进行： ( 1 ) 谚制数控转摆摆工佟台。 ( 2 ) 送行鏊令数控系绫戆连菝蟊 霹试( 箕中毽捂：踅瓤、黼e 卡、接口卡、步遴毫 机及其驱动器，以及数控转摆摆工作台几大部分) 。 ( 3 ) 开发能够进行样件加工的数控软件。 佳木斯大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 电火花加工又称放电d h i ( e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c l f i n i n g 简称e d m ) ，在2 0 世纪 4 0 年代开始研究并逐步应用于生产。它是在加工过程中，使工具和工件之间不断产生 脉冲性的火花放电，靠放电时局部、瞬时产生的高温把金属蚀除下来。因放电过程中可 见到火花，故称之为电火花加工，日本、英、美称之为放电加工，前苏联也称电蚀加 工。电火花加工的主要特点是可以利用较软材料制成的工具加工高韧性、高硬度材料的 零件，并且在电火花加工过程中基本上没有宏观切削力。因此，这种加工方法受到了世 界各国工业界的普遍重视，现已成为一种不可缺少的现代机械加工方法。电火花线切割 加工( w i r ec u te d m ，简称、e d m ) 是在电火花加工基础上于上世纪5 0 年代末最早在 前苏联发展起来的一种新的工艺形式，是用线状电极( 钼丝或铜丝) 靠火花放电对工件 进行切割，故称为电火花线切割加工，有时简称线切割。根据电极丝的运行速度，电火 花线切割机床通常分为两大类：一类是高速走丝电火花线切割机床( w e d m h s ) ，这 类机床的电极丝做高速往复运动，一般走丝速度为8 - 1 0 m s ，这是我国生产和使用的主 要机种，也是我国独创的电火花线切割加工模式；另一类是低速走丝电火花线切割机床 ( w e d m l s ) ，这类机床的电极丝作低速单向运动，一般走丝速度低于0 2 m s ，这是 国外生产和使用的主要机种。 电火花线切割加工技术经过近半个世纪的发展，现已十分成熟，并达到了相当高的 工艺水平：最大的切割速度可达3 2 5 删n 2 ，m i l l ，最佳表面粗糙度达r a 0 1 0 2um ，加工 尺寸精度可控制在几个微米之内，高速走丝电火花线切割机还能稳定切割l m 的超厚工 件。为了提高电火花线切割加工工艺水平，提高机床自动化程度和智能化程度，满足市 场的不同要求，国n # i - 研究人员及制造商都在积极进行深入开发研究，向电火花线切割 加工信息化、智能化和绿色化方向发展i ij 。 1 2 电火花线切割加工c a m 控制系统技术的研究与应用现状 谈到c a m 技术，就不能不涉及到c a d 和c a p p 技术，所以先简单介绍一下c a d 技术和c a p p 技术的情况。 1 _ 2 1c a d 技术和c a p p 技术的简单回顾 c a d 技术起步于2 0 世纪5 0 年代后期，它是指工程技术人员以计算机为辅助工 具，完成产品设计的构思和论证，产品总体设计，技术设计，零部件设计，有关零件的 2 佳术斯大学硕士学位论文 强度、刚度、热、电、磁的分析计算和产品图绘制等工作。6 0 年代主要是采用二维、 三维线框造型技术，7 0 年代主要是采用自由曲面造型技术，8 0 年代中期至今采用的是 基于约束的实体造型技术。目前流行的技术基础理论主要是参数化造型理论和变量化造 型理论两大流派，它们都属于基于约束的实体造型技术。 c a p p 是利用计算机技术来辅助完成工艺过程的设计并输出工艺规程。但为了满足 c a d c a p p c a m 集成系统及c i m s 发展的需要，对c a p p 认识应进一步扩展， “p p ” 不单纯理解为“p r o c e s sp l a n n i n g ”，还含有“p r o d u c t i o np l a n n i n g ”的含义，这就产生了 c a p p 的广义概念：c a p p 的一方面向生产规划最佳化及作业计划最佳化发展，作为 m i 心i i 的一个重要组成部分；c a p p 向另一方面扩展能够生成n c 指令 2 】。 1 2 2c a m 技术的简单回顾 c a m 技术发展较晚，它是在数控机床广泛应用基础上发展起来的，有狭义和广义 两种定义。狭义c a m 通常是指计算机辅助数控加工程序的编制，包括刀具路径规划、 刀位文件生成、刀具轨迹仿真、n c 代码生成以及与数控机床数控装置的软件接口等。 广义c a m 一般指利用计算机辅助完成从生产准备到产品制造整个过程的活动，包括工 艺过程设计、工装设计、n c 自动编程、生产作业计划、生产控制、质量控制等。 c a d c a p p c a m 技术的实施，可以大大提高产品设计质量，缩短产品开发周期， 降低产品开发成本，提高企业的管理水平，而电火花线切割加工作为特种加工的一种手 段，由于其种种优点，已成为机械加工中不可缺少的手段。所以在电火花线切割加工中 如何有效运用c a d c a p p c a m 技术，电火花线切割加工与c a d c a p p c a m 技术如何 有机地结合起来，越来越受到业内人士的关注“。 1 2 3 国内外应用现状 近年来，一批反映时代潮流的商品化c a d c a m 软件在我国应用只益广泛，例如 p r o e 、i d e a s 、c a t i a 、u g i i 、c i m a t r o n 、a u t o c a d 、s o l i d w o r k s 、s o l i d e d g e 、 i n v e n t e r 、m a s t e r c a m 等。另一方面，国内一些公司开发出一批具有自主知识产权的 c a d c a m 系统，如广州红地技术公司推出的金银花c a d 系统、北航海尔公司丌发的c a x a 系列软件、武汉开目公司的开目系列软件等。这些系统已具有很强的实用性和先进性， 价格大大低于国外软件，进一步促进了c a d c & m 技术在我国的应用和发展。 1 2 3 1 国外应用现状 从目前来看，由于国外电火花线切割加工c a d c l i 系统发展早，技术先进、产品成 熟、售后服务周到，已经占据了主要的市场份额。随着象w i n d o w s n t 这样的3 2 位操 3 佳术斯大学硕士学位论文 作系统的流行和微机性能的摄高，一些主要以工作站为硬件綦础的软件开始支持微机， 麴i - d e a s 、u g 、p r o e n g i n e e r 等纷纷麸u n i x 乎台移蕊戮n t 平台；要一瓣是从 w i n d o w s 环境向上发展的系统，近年来发戚较快的中低档c a d c a m 软件有 m d t ( a u t o d e s k 公司开发，以a c i s 为几何核心) 、s o l i d w o r k s 、采用毖予组件对象模型 ( c o 麓) 技术和s t r e a m 按术静s o l i d e d g e ( u g 浚麓i n t e r g r a p h 公司豹产磊并改遥) ，以色襄 c i m a 打o n 公司的c i m a t r o n 是錾于c a d c a m p d m 的产品，荚国d pt e c h n o l o g y 救术公 司开发麴e s p 褂t 、c n cs o f t w a r ei n c 开发戆m a s t e rc a m 等。 1 ，2 3 2 国内应用现状 经过多年的开发研究，我国的电火花线切割加工已经能利用计算机进行零件绘图、 冬动编程、著遗牙热工辘迹较麓。返凡年，又搀c a d 和c a m 各模映集中在一怒，形 成一个从图形输入划加工过程控制的c a d c a m 系统，有的还在建立工艺数据库的基 础上，开发了包括工艺参数优化选取的皴宠整的c a d c a m 系统。 苏州电加工研究所在国产快走丝线切割机床上，利用他们研制的三维夹具和相应的 三维控制系统，结台相应的加工工艺，加工出了凸型三维零件。 猞尔滨工监大攀赵万生教授等，在镶2 聿梵工雩# 站移徽壤土，采焉w i n d o w s 9 8 搽 爹系 统，以面向对象的v i s u a lc + + 和o p e n g l 为开发工具，开发了集成化的c a d c a m 线切 害4 编程系绕。该系统对电火花线切割c a d c a m 系筑的几何模型内核、f 后置处理方 法、软件接口等进行了详细的研究，完成了基于w i n d o w s 的线切割c a d c a m 鬃成系 统的研制，并利用此软件完成了复杂上下异形面工件的数控自动编程和切割实验。 广东工监大学弱爹夸年等，耋嚣开发瓣线韬害l 疆强极鼗羧装置，露有莰角瘦豢臻静 参数编程和插补方法，己切割出不同尺寸大小的上圆下方直纹面体，扩展了线切割机的 功能。 南昌航空工业学院的马镄平等，开发出了电火花线切割c a d c a m 控制软件 4a w e d 其具有四轴联动功能，可对输入线切割c a d c a m 系统的数控加工程序进行 浮婚，完戏电摄丝半径季 缮、速疫楚瑾及工俘轮薅蕊捶 运葵，著设有参数显示、宅投 丝中心轨迹显示、数控加工程序显示等功能，可实王见普通= 维工件、锥度工件和上下异 型面工件的加工。 天津大学静薛欣伟等，采用筒蕊开发技术及v i s u a lc “5 0 对a u t o c a d 进行二次 丌发，将网形化输入、编辑、自动寻迹、刀具轨迹补偿和nc 编程的整个过程都在 a u t o c a d 乎台一f 完成，臣篷火蓖线切害l 税改造为爨稼实瑗了c a d c a m 翦集藏”“。 一4 佳木斯大学硕士学位论文 苏州中科时代电子技术开发公司编制的p a t h f i n d e r 电火花线切割自动编程系统在 w i n d o w s 平台下运行，采用约束算法、锥度补偿、三维动态显示等多项先进技术，实现 了计算机辅助绘图、线切割电极丝运行轨迹自动生成、数控代码后置处理、计算机三维 动态仿真加工等完整的c a d c a m 功能，除具有一般c a d 系统具有的直线、圆、圆弧等图 形元素的输入外，还可实现椭圆、抛物线、双曲线、螺旋线等标准曲线和齿轮等标准件 的输入。该系统支持i s o 代码、3 b 、4 b 代码格式，还设置了电加工工艺数据库，使用 户能方便的选择加工规准，而且由于系统在w i n d o w s 平台下开发，软件的操作符合 w i n d o w s 操作习惯，用户界面友好，操作简便。 c a x a 技术是北京北航海尔软件有限公司开发的专业计算机辅助设计制造分析 ( c a j ) c a m c a e ) 、企业系统集成及网络与工程服务的高科技软件，是一种面向市场 需求的、高品质的、低价位的国产c a d c a p p c a m 软件。目前，c a x a 软件已经成为 我国市场上占有率最大的c a d c a p p c a m 软件。 其中的”c a x a 线切割v 2 “是由北京北航海尔软件有限公司自主开发的线切割自动 编程系统，是面向线切割加工行业的c a d c a p p c a m 集成软件，它可以为各种高低速 走丝线切割机床提供快速、高效、高品质的数控编程代码。c a x a 首先将线切割编程软 件移植到了w i n d o w s 平台推出了“c a x a 线切割v 2 ”，它在使用上更方便，操作上更简 单。 y c u t 2 0 0 2 线切割编程系统是为实现我国线切割行业编程自动化而推出的中国首套完 全图形化界面的线切割编程软件，该软件以全球广泛采用的a u t o c a d 为平台，可以 轻松实现从绘图到生成g 代码直至传送到机床进行加工的全过程。完全人性化图形界 面，彻底摆脱手工编程和d o s 工作界面，效率之高超乎想象。它应用广泛，实用性 强，交流方便，价格低廉，是线切割行业首选的编程系统1 4 _ 。 佳木斯大学的李小海等利用v i s u a lc + + 和o p e n g l 为开发工具，以三导线曲面为 例，编制了三维显示的c a d 软件。 佳木斯大学的任福君教授，依据空间解析几何中直纹曲面形成的基本原理，系 统地建立了各类复杂曲面电火花线切割加工系统对应的数学模型体系。为计算机图 形仿真研究和建立复杂曲面电火花线切割加工c a d 、c a p p 、c a m 系统提供数学依 据。以v i s u a lc ”6 0 为工具，进行了直纹曲面线切割计算机图形仿真技术的研究工 作，设计了与各类复杂直纹曲面电火花线切割加工系统典型运动形式对应的图形仿 真程序。以空间曲面电火花线切割加工运动学的理论为基础，推导建立了空间曲面 电火花线切割五轴联动加工系统的数控模型。转、摆、摆工作台是空问曲面电火花 5 佳木新大学顿士学位论文 线切割五轴联动加工系统的主要硬件基础，对转、摆、摆工作台的结构进行了详细 设计，并绘制了一套图纸。 l 。3 颦前电灭花线耋刃剡秀l 工c a m 控制系统存在的问题及发展趋势 1 3 1 存在的问题 目前，国外的_ | v e d m 的工艺指标已经达到了相当高的水平，即使对形状复杂的零件的 加工，生产率最高也可以超过3 0 0 m m 2 min ，尺寸精度可以达到5 m 2 h m ； 嚣纛，鑫动貔程瘦毫，热王稳定捷努，已恳无人纯热工方岛发展。我溪猿麓教毫遮龟犬芯 线切割枫床，经过国内磺究久员静不酝努力，密了较大静发展，磊前年产量约4 0 0 0 台，全 国拥有量为3 万余台，在中低档的模具和零件加工中适用性好，而麒在国际上也有一定的 市场。高速线切割机床的切割速度已由过去的6 0 8 0 mm 2 mi1 1 ，普遍提高到1 0 0 m m y mi1 1 以上，目前能达到的尺寸精度为0 0 1r r lm ，工件的表面糕糙度一般为ra2 。5 pm 。毽是，与国终的僬遽走丝线切害极床稳魄，国产的毫邃走丝线切謇l 较痣，无论是黼 王精度、自动纯程度，述怒赧工豹稳定性、王麓指标等方面都有较鞠显静差距。 c a m 数控系统是机腺的核心，高速走丝线切割机床的c a m 数控系统的发展是较慢 的。圈产高速走丝线切割机床多采用单板机或单片机做为c a m 数控系统，这样的c a m 数 控系统有以下缺点： ( 1 ) 硬 孛故诗冀遮艇矮，存谤器容量，l 、虽难隧进一步逑行扩餍。 ( 2 ) 与当前鹫舔流行豹c a m 数控系统不兼容，秘萁它数控穰臻之闯数据抟递缀溺 难，不利于将高速走丝线切割机床集成到先进的制造系统中。 ( 3 ) 单板机或单片机的软件开发工具很肖限，编程代码格式不统一，给再开发带来 很大困难。 黧忿，这棒的e 磁数控系统已不琵适应市溺发震匏需要。鼹肇投掇或摹片辍 乍为擦 潮系统已经疆褥了离遥惫丝线褥羹辊庆静逡一步发展。所以，必磷大力研究开发薪一代 高性能的高速走丝电火花线切割机床的c a m 控制系统。 1 3 2 发展趋势 离速走丝线切割机由于受到电极丝损耗、机械部分的结构与精度、进给系统的_ 丌环 控剃、加工中王馋液导魄率熬变纯、女e 工坯凌豹澄度变化及本身舅l 王数楚点( 如运丝逮 菠浚、振源 较多、喾耱磨损太) 等霾素影畹祝床静燕工精度有疆。以鹫静橇床的现状， 要在较短的时间内与低速走丝线切割机在加工精度方面进行竞争，潮难是相当大的，而且 研究开发的代价也会很简，机床的制造成本将大幅度提高，从我国的实际情况和市场的角 6 。 佳木斯大学硕士学位论文 度来考虑都是不太适宜的。因此，高速走丝线切割机的发展策略是扬长避短，以发展中低 档机床为主，使机床向适当) j h 3 ：精度、良好的加工稳定性和容易操作的方向发展，来满足 不断发展的生产需要。目前市场上高速走丝线切割机最大的优势在于拥有良好的性能价 格比，机床的进一步发展必须以此为基本出发点，不能过分强调机床加工精度，而忽视机床 性能价格比的因素。如违背这一原则，机床制造商和用户都难以接受。为在较短的时间 内使高速走丝线切割机的加工性能有较大的提高，在今后的发展中应优先注意以下方面 的研究 1 ) 基于pc 的数控系统的开发数控系统是数控机床的核心部分，其控制性能不 仅直接影响机床加工的质量和稳定性，而且也是扩大机床加工范围、实现复杂 加工的重要手段。 目前，各国都非常重视数控技术的研究，将其作为实现制造技术突破性发展的一个重 点。数控系统技术当前发展的一个重要趋势是开放式数控系统。其含义是：数控系统的 开发者在一个统一的体系结构下开发自己的产品，该体系结构是一个广泛认可且透明的 规范。这种结构对电加工机床数控系统的重要性已非常明确了。高速走丝线切割机要进 一步发展，必须摆脱单板机作为数控系统的现状，采用新的开放式数控系统。根据目前国 际上数控系统发展趋势及pc 的发展情况，应开发和使用基于pc 的数控系统。众所周 知，pc 本身是插卡式结构，是标准的开放式体系结构的系统。如高速走丝线切割机开发 基于pc 的数控系统，那将是国产高速走丝线切割机数控系统向开放式数控系统发展的 一个有效方法。当前，pc 的价格持续下降，而性能和稳定性不断增强，使用pc 不仅为高 速走丝线切割机数控系统提供了优越的硬件平台，而且能保持机床性能价格比的优势。 目前国内已有基于pc 的高速走丝线切割机数控系统，但其主要功能是) 3 n i 轨迹编程，机 床加工控制功能还很不完善，没有充分利用pc 的资源。今后，可在以下几个方面开展工 作： ( 1 ) 传统的伺服进给控制系统多采用分立元件组成逻辑电路，对放电状态的检测一般 采用平均电压法，这种方法的缺点是对放电间隙状态的检测不够准确，对放电开路状态较 敏感，而对正常放电和短路放电状态响应较慢，难以进行准确的进给跟踪，因此加工的稳定 性差。解决放电间隙的检测必须对放电状态进行分类统计，并建立控制模型，可采用单独 的芯片实现对放电间隙的检测，控制模型以软件的形式存在于pc 中，芯片与pc 以r s - 2 3 2 接口或主板插卡的方式连接。 7 佳木斯大学硕士学位论文 ( 2 ) 传统的脉冲电源多为等频的矩形和分组脉冲信号，放电信号不随放电加工中的间 隙状态而自适应变化，加工效果差，因此研制数字自适应脉冲电源的意义重大，该电源可直 接与pc 相连接，获得放电间隙状态的信息，并根据一定的算法进行自适应控制。 ( 3 ) 加工参数的优化选取对高速走丝线切割加工也非常重要。长久以来，高速走丝线 切割的工艺数据库和加工参数优选功能为国内机床制造商所忽略，高速走丝线切割的工 艺参数优化及自动选取软件将是新一代高速走丝线切割机必备的，同时基于pc 的数控 制系统可十分容易地将此软件模块进行集成。 ( 4 ) 目前的高速走丝线切割机几乎没有教育培训功能，因此机床的操作培训难，机床的 的使用性能依赖操作人员的水平，已是众所皆知的问题 而基于pc 的数控系统将充分利 用目前pc 日益成熟的多媒体技术，将为这一功能的实现提供良好的软、硬件基础。充 分利用pc 的资源来开发高性能的数控系统，将是高速走丝线切割机的一个重要发展方 向。 2 ) 人工智能( ai ) 技术的运用智能化数控系统也是当前数控技术发展的另一个 重要趋势。 由于在机床加工控制系统中使用了智能控制技术，机床自动如有经验的操作者一样 使加工过程持续、稳定、优化地进行。人工智能技术也成功地运用到加工参数的设定、 加工程序的生成、工件位置的测定及d h i 结果的测量等整个机床操作过程，大大地提高 了机床的加工性能和自动化程度，降低了对操作者的要求，使非熟练操作者也能取得熟练 操作者的加工效果。此外，人工智能技术多以计算机软件的形式存于主控系统中，因此 研究开发的成本低，而且功能易于扩展、使用灵活、更新的速度快，在当前提高数控机床 的自动化、可操作性和增强机床的功能中所起的作用越来越大。高速走丝线切割加工由 于运丝速度快、开环控制等加工特点，故放电加工过程具有复杂的随机性，传统理论对其 研究进展缓慢，加工机理至今还不十分明了。人工智能技术的兴起，为高速走丝线切割加 工技术的进一步发展提供了新的有效方法。低速走丝线切割机中，机械部分已是相当稳 定，现在主要是软件的功能不断更新、增强，并逐步发展到运用人工智能技术。作为有中 国特色的高速走丝线切割机，应抓住这次机会，充分重视人工智能技术的研究和运用。人 工智能技术运用到电火花线切割加工，在国际上也是一个新的领域，因此有一定的难度，在 研究中要针对高速走丝线切割加工的关键性环节，同时注意借鉴国外发展的经验，使高速 走丝电火花线切割机向智能化方向发展，以提高机床的整体加工性能。 3 ) 机床设计的改善为改善高速走丝线切割机的加工精度，必须进一步改进机床 的结构，使其更为合理。 8 一 佳木斯大学硕士学位论文 目前机床的整体结构多为音叉式，此种结构的刚度差，固有频率低，易发生振动，且放电 d h ；y - 将产生大量的热，使机床的本体发生较大的热变形，这都在一定程度上影响了高速走 丝线切割机的加工精度。因此，在设计机床整体结构时，必须充分利用先进的技术手段进 行分析以提高机床结构的合理性。这方面的研究将涉及到运用先进的计算机有限元模拟 软件对机床的结构进行力学和热稳定性分析。同时，机床运动精度的改善对提高加工精 度也是十分重要的，传统的方法是通过提高工作台传动链的零件精度与传动刚度来改善 线切割机的运动精度，但这将使机床的成本大为增加。而建立在基于pc 数控系统的高 速走丝线切割机，可方便地运用螺距误差与间隙补偿技术来提高机床的运动精度，这种方 法可在进给系统开环控制状态下，较大幅度地提高机床的加工精度，且成本低，非常适合高 速走丝线切割机。高速走丝线切割机的一个重要特征是电极丝高速往复循环使用，这使 机床运丝系统的稳定性较差。当丝高速运行时，引起的振动较大，且导轮磨损大，此外电极 丝的恒张力控制及张力分档调节较难，运丝系统的这些特点在一定程度上影响了加工精 度。因此，必须加强对走丝系统结构的深入研究并进行改进，保证放电加工时电极丝运动 的稳定性。对于电极丝的往返循环使用使电极丝产生放电损耗是不能忽视的，它会对加 工精度产生影响。此外在重视商品包装的今天，机床的外观设计和包装也十分重要注意 运用人机工程学和美学对高速走丝线切割机进行设计是很重要的，这对富有中国特色的 高速走丝线切割机走向世界具有重要意义。总之，改善机床设计的研究涉及面较广，在考 虑保持机床性能价格比优势的前提下，研究开发的难度是很大的，然而，一旦有所突破，将对 高速走丝线切割加工技术产生重大的影响。 4 ) 多次切割工艺的应用多次切割加工是高速走丝线切割加工技术的一个重要发 展方向。 目前无论是金属切削机床还是低速走丝线切割机，在一次加工中都无法得到良好的 加工效果，欲达到较高的加工精度，都必须在粗加工后再做精加工才能获得良好的加工效 果。低速走丝线切割机能达到很高的加工精度，也因由于它采用了多次切割工艺。为改 善高速走丝线切割机的加工品质，必须进行多次切割加工的研究。以往的高速走丝线切 割机由于功n a r d 结构所限，不具备进行多次切割的基础。近年来，高速走丝线切割机的脉 冲电源、进给策略和电极丝的张力控制等方面有了较大的提高，为多次切割工艺的应用 提供了可能性。目前有的高速走丝线切割机已能实施多次切割加工，并能一定程度地提 高加工精度，但是目前研究应用的深度还不够。为更好地实现多次切割加工，机床的功 能和结构有待于进一步改进和提高；为保证多次切割加工的效率，仍须大幅度提高一次加 工的速度，第一次切割加工的速度应保持在l o o m m 2 min 以上。国内的研究机构在进 9 佳木斯大学硕士学位论文 行多次切割研究的同时，要注意尽快地把研究成果转化到机床的加工技术中，以实现加工 精度的提高闭。 1 0 佳木斯大学硕士学位论文 2 空间曲面电火花线切割运动学简要回顾 2 1 引言 随着社会和科学技术的发展，在生产实践中遇到的机械零件的形状和结构也在 不断地变化，尤其是各种模具和航天、导弹、人造卫星、武器生产等部门，有很多 精度要求比较高的、形状复杂的曲面零件，这些零件的加工常常是传统d n i 方法难 以完成的。解决这些零件的加工问题，成为产品更新换代的关键，而不断发展的数 控电火花线切割加工技术为解决上述问题提供了条件。 佳木斯大学的任福君教授，依据空间解析几何中直纹曲面形成的基本原理，已 经系统地建立了各类复杂曲面电火花线切割加工的运动学模型。 2 2 空间直纹曲面的形成与分类 空间衄面可以看作是一条直线( 或曲线) 在空间运动的轨迹。形成曲面的动线称为 母线。母线( 直线或曲线) 按照一定的规律运动可以形成规则曲面。由直母线运动形成 的曲面叫直纹面( 或直线面) 。出曲母线运动形成的曲面叫非直纹面( 或曲线面) 。 2 2 1 直纹曲面的形成条件 根据空间解析几何的有关原理，一条直线在空涮运动，要形成某一确定的曲 面，就必须让这条直线只有一个自由度运动，这样才能在通过空间某一定点时，该 直线有而且仅有一个固定的位置。 从直线的方程中可以看出，一条直线在空间有四个自由度。例如，直线的两个 正投影方程是： 髓譬： 汜t ， 以上两个方程中共有四个参数：k ，、k ，、b ，和b ，它们各自独立变化，都会使 直线改变位置而其中没有重复。因此，决定一条直线有四个参数，也就是直线在空 间运动有四个自由度。直线只有在一个自由度下运动才能形成直纹曲面。要使直线 运动只有一个自由度，就必须用条件来限制其另外三个自由度。 2 2 2 常见直纹曲面的形成 工程中常见的直纹曲面有锥面、柱面、回转直纹曲面、螺旋面、回折棱曲面、 双曲抛物面、三导线曲面等。 佳木斯大学硕士学位论文 从空间解析几何的有关原理出发，概括地讲，失去一个自由度就在空间失去。 条直线，失去三个自由度，就失去o 。3 条直线，剩下o o 条直线组成曲面，所以一个复 杂直纹曲面上有无穷多条直线。 空间直纹曲面的种类很多，这里只选择一些电火花线切割可以加工的直纹曲面 来研究。通过对直纹曲面形成原理的分析可知，直纹曲面的形成方式主要有以下几 种： 1 ) 直线绕某一坐标轴旋转而形成的直纹曲面，如柱面，锥面和单叶双曲面 等。 2 ) 直线沿某一坐标轴移动，并绕该坐标轴旋转所形成的直纹曲面，如螺旋面 等。 3 ) 直线同时绕两个坐标轴旋转所形成的直纹曲面，如圆形过渡到椭圆、由圆 形过渡到正六边形，由圆形过渡到正n 边形直纹曲面等。一般来说，上下两 条导线中，有一条是圆的空间曲面，大多数可以由这种运动方法形成。 直线绕两个坐标轴旋转，同时又沿另一坐标轴移动所形成的直纹曲面，如上、下正 多边形直纹曲面、上下椭圆直纹曲面，等。一般来说，只要上下两条导线为非圆曲线， 大多数此类直纹曲面可以由这种运动方法形成。 2 2 3 五轴联动电火花线切割加工系统运动形式 五轴联动加工系统的运动形式通式为： 三( x + 】，+ 爿+ 日+ c ) 上式可以展开为9 0 种相对独立的运动形式( 其中x 、y 、z 、a 、b 、c 是各个轴 的向量) 。 2 2 4 五轴联动电火花线切割加工系统的数学模型 牙+ 矿+ j + 豆+ e 是五轴联动加工系统的一般运动形式，而其它加工系统的运动 形式都可以通过上式中参数的变换得出来。通过分析可知，多轴( 三、四、五) 联动加 工系统加工出的往往是三导线直纹曲面。可以通过数学的方法，建立出五轴联动加工系 统运动的一般数学模型。 2 2 4 1 五轴联动加工系统的坐标系及符号说明 图2 1 为电火花线切割五轴联动加工系统坐标系简图。图中，选择工件旋转轴线为 z 。轴，工作台面为x ，q i 面。工件绕z ，轴相对于x ，d ，r 面顺时针旋转，角速度为彩， = 功- t ，p = n ( 痧) ，p = p ：( 庐) 分别为上下导线并作为电极丝运动的两条准线，皆为 1 2 佳木斯人学硕士学位论文 平面曲线，上下导线所在平面相互平行并平行于j ，o ，r 面。选择下导线p = p ：( 庐) 与电 极丝初始接触于4 点。电极丝与上导线p = n ( 庐) 初始接触于b 点，o b 与，q z 。坐 标面夹角为九，做为初始参数给定。 在整个模型的建立过程中，假设工件a o ，z ，z z ，坐标系保持不动，五轴联动的所 有运动都集中复合到电极丝相对于坐标系q x 。z 。的运动上来。要给出在o ，x ，r , z 。坐 标系上电极丝运动的一般数学方程，还需要对一些参数和函数说明如下： 庐。工件初始旋转角； 国工件旋转角速度； p = n ( ) 上导线极坐标函数； p = p ：( 庐) _ 下导线极坐标函数； 一上下导线距离， 0 ； 。_ 下导线与卫，d r r 平面的距离。 iz t up = p 1 ( + ) i 甓怒一j j j | j j 0p1 j 。j j 2t i。j 92 。2 。 ” ，h 0 a t 图2 1 五轴联动加工系统坐标系 2 2 4 2 五轴联动j n t 系统一般数学模型建立 下面通过建立动直线爿，b ，运动轨迹方程的方法来建立一般数学模型。 ( 1 ) 爿，、b ，点坐标 1 3 佳木斯大学硕士学位论文 爿。点坐标为 z ：= p 2 ( 痧) c o s 庐 e = p ：( ) s i n 妒 即 乙= h o 同理，b t 点的坐标为： 丑：= p 2 沏t ) c o s c o t f = p 2 ( 甜t ) s i n 国r ( 2 2 ) z j = h o ：= p 1 ( 庐+