（机械电子工程专业论文）导电性硬脆材料数控电火花铣削技术研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 数控电火花铣削加工是一种新型电火花成型加工工艺。它具有电火花加工不 受工件材料强度、硬度、韧性等机械性能制约以及电极制造简单、工艺准备周期 短、成本低、易于实现柔性化生产等优点，在脆硬材料加工和模具加工中应用前 景十分广阔。 本文根据电火花铣削加工的原理与特点，探讨了电火花铣削加工的几项关键 技术，通过理论分析和工艺试验，着重对电火花铣削加工成形运动规律、电极损 耗模型补偿方法、电极运动规律的算法进行了研究在此基础上，完成了工件的 电火花铣削自动编程、数控代码的正确性检查和刀具轨迹的仿真程序编写 电火花铣削自动编程系统克服了传统的手工编程速度慢，设计周期长，可靠 性差，容易出错，加工前需要检查代码。需要试切等缺点，充分利用计算机高速、 准确、高效的特点、在运行过程中结合人的经验、知识及创造性，形成人机交互， 各尽其长、紧密配合的系统，更适应当前多品种、小批量、短周期、现代生产的 需求，节省了人力、物力，缩短制造周期，降低生产成本。 电火花铣削自动编程系统采用了分层去除的电火花铣削加工方法和等损耗补 偿策略。首先读取工件和毛坯的d x f 文件获得工件几何信息和实体造型信息，由 于获得的图形数据冗余现象比较严重，要进行数据冗余处理，然后通过交互方式 输入加工参数，建立型腔分层截面模型，获得分层截面边界信息，采用行切法切 削路径，获得刀具路径信息，生成工件的数控加工代码文件；采用编译原理的方 法进行代码的正确性检查：应用o p e n g l 技术进行加工过程仿真，可以在屏幕上动 态或静态地显示刀具轨迹或者仿真加工过程。由于软件部分比较大，采用了模块 化设计方法，设计过程清晰，易于调试和系统集成。 从系统运行情况和加工试验结果来看，整个系统完成了预定功能。解决了部 分工件的自动编程工作，可以对符合r s 2 7 4 标准的g 代码程序进行正确性检查和仿 真，系统运行稳定。 关键词电火花铣削；等损耗；自动编程；仿真 一 i 一 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t n c e d mm i l l i n g 。w h i c hi sa n e wk i n do f e d m ( e l e c t r i c a ld i s c h a r g e m a c h i n i n g ) t e c h n o l o g ya n di su s e dt om a c h i n i n gm e c h n i c a lp a r t sw i t hh i g hh a r d n e s s ， i n t e n s i t ym a dt o u g h n e s s f o rt h ea d v a n t a g e do f f l e x i b i l i t y , m a k i n ge l e c t r o d ee a s i l y , l o w c o s t ，s h o r tp r e p a r et i m e ，i tw i l lb ea p p l i e di n c r e a s i l ya n db ep r o m i s i n gi nm a c h i n i n g m o u l d s a c c o r d i n gt op r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so f n c - e d mm i l l i n g , t h i sp a p e r r e s e a r c h ss e v e r a lk e yt e c h n i q u e s ，i n c l u d i n gs h a p i n gm e t h o d ，t o o lw e a l c o m p e n s a t i o n , a g o r i t h mo f t o o lp a t hg e n e r a t i o n b a s e do nt h o s e ，w eb u i l das y s t e mt h a tc a r lg e n e r a t e s n cc o d ea u t o m a t i c l y ，c h e c kn cc o d ea n ds i m u l a t et o o lt r a c k sf o rn c e d m m i l l i n g t h ea u t o m t i cn c p r o g r a m m i n gs y s t e mo f n c - e d mm i l l i n g o v e r c o m e st h e s h o r t a g e so f m a n u a lp r o g r a m m i n g ，s u c ha sd e s i g n i n gt i m ei sl o n g , r e l i a b i l i t yi sn o tg o o d , i ti se a s yt om a k et 茁 o r sa n dp r o g r a m sa r en e e d e dt om a c h i n et e n t a t i v e l y ，a n ds o0 1 1 i t n o to n l ym a k e sf u l lt m ea d v a n t a g eo f c o m p u t e r ，f o re x a m p l eh i g hs p e e d ，a c c u r a c y , e f f i c i e n c y , b u ta l s ei n t e g r a t e sm a n sc r e a t i v i t ya n de x p e r i e n c e s t h es y s t e mf i t sc u r r e n t p r o d u c t i v en e e d so f m o r ef l e x i b i l i t y , n 1 0 r er a r i t ya n d s h o r t e rt i m e i ts a v e sm a n - p o w e r , r e d u c e sp r o d u c t i v et i m ea n dc o s t t h ea u t o m a t i cn cp r o g r a m m i n gs y s t e ma p p l i e ss t r a t e g yo f t h es l i c i t t g a n dt h r o b o fu n i f o r mw e a ro nt h et i po f e l e c t r o d ei no r dt os i m p l i f yt h et o o lc o m p e n s a t i o n f i r s t l y , i ta c q u i r e sm e c h n i c a lp a r t si n f o r m a t i o na n df o r m a t i v ei n f o r m a t i o nt h r o u g hd x ff i l e s ， b e c a u s et h ed a t ai sr e d u n d a n t ，i tn e e d st or e d u c ed a t a s e c o n d l yi ta c q u i r e sm a c h i n i n g i n f o r m a t i o nb ym a n u a lo p e r a t i o n ，a n db u i l ds l i c i n gm o u l dt h e ng e t ss l i c i n gi n f o r m a t i o n ， l e t st o o lp a t hb ep a r a l l e lt oo n el i n e ，t h e na c q u i r e st h et o o lt r a c ki n f o r m a t i o n ，a n d g e n e r a t e sn cc o d ef i l e sf i n a l l y i tc a l lv e r i f yt h ec o r r e c t i o no f n oc o d ew i t ht h e c o m p i l e rp r i n c i p l e ，a n dt o o lt r a c k i n gc a nb ed i s p l a y e do ns c r e e nb yt h et e c h n o l o g yo f o p e n g ld y n a m i c a l l yo rs t a t i c a l l y , a n dt h ep r o c e s so f m a c h i n i n gc a l lb es i m u l a t e d w e a p p l y m o d u l a r i t yd e s i g nm e t h o d sb e c a u s et h es y s t e mi sh u g e , i ti se a s yt od e b u ga n d i n t e g r a t e 一 i i 山东大学硕士学位论文 t h ew h o l es y s t e ma c h i v e sp r e d e t e r m i n a t ef u n c t i o n sa n dl 1 i r l ss t a b l ya c c o r d i n g i t c a r lg e n e r a t en cc o d ef o r8 0 m em e c h i n a c a lp a r t s , a n dc h e c kr s 一2 7 4gc o d ep r o g r a m s v a l i d l ya n dc a l ld i s p l a yt o o l t r a c k so r = t h es c r e e na n ds i m u l a t et h em a c h i n i n gp r c e 鼹 k e yw o r d sn c - e d mm i l l i n g ：u n i f o r mw c a r ；a u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m i n g ； s i m u l a t e 。 原创性声明 ：本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：垃i 庭丛!日期； 甜：r 功 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留，使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 做储躲邋匝导师签未他l 嗍华泗 山东大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 电火花加工( e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ，简f f 朱e d m ) ，是在一定介质中 利用工具电极和工件之间的脉冲性火花放电对工件材料进行去除，以达到一定形 状尺寸和表面粗糙度要求的一种加工方法。电火花加工与传统的机械加工有着本 质的区别。它是一种非接触式加工，能够实现对高硬度，高强度、高韧性和易脆 性等导电材料的加工：另外，在加工过程中基本没有宏观作用力，能够加工窄槽、 异形孔，微细孔及薄壁等零件。由于电火花加工特有的工艺优势，弥补了机械加 工的某些不足。使其成为模具加工的重要手段j 在电火花成型加工过程中，必须用成形电极来加工所需要的型腔，因此需要 设计和制作电极。由于电极的制造精度决定了加工精度，要得到高精度零件，就 要制造高精度电极。此外，有时从粗加工到精加工需要数个电极，电极的制作费 用较高。由于加工过程中工具电极不可避免地产生损耗，并且一般是不可补偿的， 而且在微细电火花加工中，电极的相对损耗更大在对高精度复杂型腔进行成形 加工时，往往需要租、中和精加工工序，因此加工一个工件往往需要几个电极， 提高了加工费用和生产准备时间，给加工过程控制和加工精度带来较大影响1 2 1 。 由于现代产品种类多，批量相对小而且更新快、换代快，使得制造业生产模 式也必须进行相应的调整，因而对现代制造技术提出了更高和更新的要求。譬如： 应具有充分的柔性，以适应市场的快速变化；应具备高速自动化以适应市场快速 变化：应具备高度自动化以实现“无人化生产”；应该具有高精度和稳定加工复 杂形状零件的能力：应向智能加工技术( i m t ) 和智能加工系统( i m s ) 发展。传统 的电火花成形加工却难以胜任这种柔性生产模式。主要问题是需要制造成形电极， 加工不同的工件需要准备不同的电极，复杂成形电极的设计、制造占用了大量的 时闻 为减少工具电极制造时间和避免使用成形电极，提高电火花成形加工的柔性， 应从两个方面着手：1 ) 拓展电火花成形加工的运动方式，增强加工能力；2 ) 将 电火花成形加工与其它制造工艺有机结合，充分发挥自身优势，克服不足 山东大学硕士学位论文 因此，面向现代制造技术的要求，在电火花加工技术的发展道路上，机遇与 挑战并存，如何在技术上不断创新和进步，向柔性化、无人化、高精度化和智能 化发展任重而道远。 1 2 电火花铣削技术简介 电火花铣削加工是2 0 世纪9 0 年代发展起来的电火花成形加工技术。它利用简 单电极( 或称为标准电极，如棒状电极) 在数控系统控制下，按照一定轨迹做成 形运动，借鉴数控铣削加工方式，通过简单电极与工件之间在不同相对位置( 刀 位) 的放电，加工出所需要工件形状电火花铣削加工技术已经成为三维型腔电 火花加工的有力手段之一 2 9 j 数控电火花铣削加工的成形运动与数控机械铣削加工类似，同时又独具特色 能够进行孔、平面、斜面、沟槽、曲面、螺纹等典型零件的加工，如图1 1 所示。 其工具电极在加工中可以做类似铣刀的高速旋转运动( 如图l 中的a 、b ，c 、d 所示) 。 这种情况下可将c 轴用于展成运动，这一点是数控机械铣削加工所不能实现的。如 采用方形电极不可旋转，可以加工清棱清角的表面，如图i 1 ( e 、f ) p 6 】1 3 舯。 移 埘蛇廓加工 b 旃轮廓加zo 淘檀加工 蕊国 d 曲蔺加工e 二亨屯投抽工 碾电极_ 抽工 图卜1 电火花数控铣削加原理示意图 电火花铣削加工与传统的成形加工相比，具有以下优点： ( 1 ) 电火花铣削加工可以解决传统成形加工有困难、甚至无法加工的任务，如 复杂圆弧、直线组成的又长又深的窄糟。 ( 2 ) 电火花铣削加工可有效的解决采用复杂成形电极而造成的放电间隙中电介 一 2 一 山东大学硕士学位论文 液流畅不均匀、工作状态不一致以及损耗不均匀等不利因素，并简化了电极损耗 的补偿策略。 ( 3 ) 传统的成形加工中，随着加工面积增大，由于电容效应作用，很难获得较 高的表面质量。而简单电极则可在保证相对加工面积较小的状态下进行加工，从 而有效地减少电容效应，获得更好的表面质量，并有效避免了电弧放电和短路现 象。 ( 4 ) 电火花铣削加工可通过c a d c a m 系统，直接由模具零件图生成n c 程序， 并且对加工过程进行仿真，这样缩短了零件的生产制造时间，也更容易估计整个 模具的生产周期f 6 l 。 综上所述，数控电火花铣削加工技术具有柔性好、适应范围大、工具电极设 计简单、制造成本低等优点。这种融合电火花成型加工与数控铣削加工方式的工 艺方法，是电火花成形加工柔性化发展的方向。 1 3 电火花铣削加工研究现状与发展 目前电火花成形加工主要采用成形电极“拷贝”式加工方法，还不能有效地 象电火花线切割加工那样使用标准的电极丝，通过数控x 、y 、z 、u 和v 坐标联动 的方法加工三维型腔，这主要与电火花机床数控系统有关。要想完成电火花铣削 加工功能，电火花机床数控系统不仅要能象数控铣床那样在各坐标轴方向进行几 何位置的插补运算，同时还要有检测电极放电状态及控制各个坐标方向运动的伺 服功能。由此可见，它比一般铣床数控系统要复杂的多，国内外近年来研究出了 高档数控电火花成形机床，其联动坐标最多已达五个，为将电火花成形加工和数 控铣削加工相结合，进行数控电火花铣削加工研究准备了基础。 自二十世纪八十年代后期开始，世界各地的电加工界研究机构对数控电火花 铣削加工的几个重要问题进行了研究 一、精度问题 由于电极损耗是影响电火花加工铣削加工精度的重要因素，研究人员对电极 的损耗规律、检测方法以补偿技术进行了大量的研究工作。日本学者t k a n k o 、 n m o 晡、n s a t i o 等人对电火花铣削加工的有关技术进行了有益的探索和研究，他 们利用多轴数控电火花成形机床加工中心，采用各种形状的电极( 圆柱状、棱柱 一 3 一 山东大学硕士学位论文 状以及线框电极等) 进行电火花加工，对于电极损耗分别采取了更换电极、机上 修整和检测电极损耗和补偿措施。通过在加工过程中按一定测量周期进行电极损 耗检测，根据实际测量值进行补偿的方法，改善了加工精度，原理如图1 2 。 由于在检测电极损耗时中断了加工，若 检测周期过短，则影响加工效率的提高，为 了协调加工精度与加工效率，可根据电极损： 耗补偿量的预测偏差来改变检测时间间隔， t 依据当前电极的位置补偿情况预测下一补偿 量。如果预测偏差超过允许偏差，则减小测 加工时闻 量时问间隔，反之，则可以适当增大测量时 豳1 - 2 电担攘耗补偿对闯同盛的调整 间间隔 2 1 2 4 j 哈尔滨工业大学赵万生教授领导的课题组对电火花铣削加工技术进行了比较 深入地研究，提出了基于分层去除制造电火花铣削加工方式；南京航天航空大学 刘正埙教授课题组较为系统地对电火花铣削加工参数对主要工艺指标的影响以及 电极损耗的在线补偿技术进行了研究，提出了几种新的在线补偿策略，并且应用 到某些模具的加工上，效果明显。 二、效率问题 实现较高的加工效率是电火花铣削加工工艺得到广泛应用的重要前提。通过 研究各种电参数及工艺参数对加工过程的影响，尤其是对生产效率的影响，通过 优化工艺参数，改进工艺，可以提高加工效率，同时缩短辅助时间也是提高生产 效率的一条途径。 比利时人l a u w c r s 和k u r t h 等人通过对简单棒形电极进行铣削加工工艺的研究， 得出结论：用棒形电极铣削型腔比用成形电极加工稳定，电流密度大；而材料的 去除率随着棒形电极( 侧面) 放电面积的增加而提高，同时为了保证加工的几何 形状精度，同一电规准下电极在各放电位置的放电时间应保持一致 2 0 j 。 三、c a d c a m 技术的应用 c a d c a m 技术在数控机械铣削中的研究与应用为其应用于数控电火花铣削 加工提供了经验。但是电火花铣削加工对c a d c a m 有特殊的要求，特别是在数控 自动化编程方面。比利时的l a u w 耐 f f k r u t h 等人对c a d c a m 技术在电火花加工领 一4 一 山东大学硕士学位论文 域中的应用进行了研究，在瑞士夏米尔公司的数控机床上开发了电火花加工c a d ， c a m ，c a p p 集成系统，基于制造特征以及这些特征之间关系的工作描述进行c a d 造型，基于工件特征描述的c a p p 产生经过优化加工工艺，c a m 模块产生刀具路径 和刀位文件，并转换成数控程序以及工艺数控程序另外，他们还对放电间隙的 向量补偿进行了探讨【”1 1 2 6 1 在工业应用方面，国外以瑞士夏米尔公司、阿奇公司、日本沙迪克公司、三 菱公司为代表，皆推动了各功能强大的新型号多轴联动电火花成形机床，国内一 些厂家也引进和制造相应的机床。在此基础上，国际加工界更着重提出了面向产 品零件的三维型腔面加工技术，这在使用成形电极“拷贝”式加工中很难实现， 因而相应的数控电火花铣削加工的研究与应用越来越受到重视。 从面向市场的数控电火花铣削加工c a d c a m 系统来看，瑞士c h a m i l l e s 研制的 r o b o f o r m l 0 0 0 电火花成型机床，其采用自身开发的c a d ，c a m 模块，配备了完整的 工艺数据库，可自行进行工艺参数选择和优化。其c a d ，c 删系统根据几何图形信 息生成加工程序，电极损耗由数控系统通过一定算法给出并加以控制和补偿。这 种自动编程系统的优点是：语句紧凑简练，功能完整强大，特别适合于各种具有 复杂形状及轮廓的工件编程。日本推出的创成放电加工机e d s s c a n s e ，也专门为 创成放电加工开发了c a d c a m 系统，并且可以与a u t o c a d 等通用c a d 进行数据交 换，同时在c a m 系统中支持在线测量 7 1 s l l 9 】1 1 0 l 。 1 4 课题的来源及主要研究任务 1 4 1 课题的来源及意义 本课题系山东省科委资助项目。首先完成了超声嗷电磨削复合加工，从试验 中可以得出结论：超声波电火花磨削复合加工法加工导电性陶瓷材料，脉冲放电 更为均匀，加工过程更为稳定，且加工效率比单独电火花放电加工法提高约3 0 ， 加工表面粗糙度提高约1 0 。在此基础上利用现有的机床设备实现电火花对脆硬材 料的铣削加工，主要目的解决脆硬材料的加工，研究电火花铣削加工规律，完成 电火花铣削自动编程系统的设计 脆硬材料的加工一直是一个难以解决的问题，利用传统加工方法很难加工， 有时甚至是不可能的，电火花加工解决了由材料机械特性所决定的可加工性问题。 一 5 一 山东大学硕士学位论文 同时电火花铣削加工简化了电极设计和制造，减少了电极制作的费用和时间，满 足了现在小批量、多批次生产要求，因此采用电火花铣削加工方式，利用简单电 极完成对多种复杂零件加工，增加7 生产柔性。 电火花铣削自动编程系统克服了传统手工编程速度慢，设计周期长，容易出 错，加工前还要检查代码，需要试切等缺点，充分利用计算机高速、准确、高效 的特点，在运行过程中结合人的经验、知识及创造性，形成人机交互，各尽其长、 紧密配合的系统。 1 4 2 本人在课题中的主要研究工作 为了实现电火花铣削加工广泛应用到脆硬材料加工，简化编程和加工前代码 的检查和试切，提高加工效率，本人编写了数控电火花铣削加- l - 自动编程和数控 代码的正确性检查和仿真程序；并以s g 4 导电陶瓷材料为试验对象，进行脆硬材料 的电火花铣肖加工规律研究，并对生成的数控代码进行加工试加工；为了使以前 编写的数控系统满足现在的需求，本人还对原数控系统软件部分进行了改善，使 系统更容易应用。 一 6 - 山东大学硕士学位论文 第2 章基于p m a c 开放式数控系统 2 1 电火花铣削加工设备功能及结构组成 因为电火花铣削加工是在完成超声放电磨削复合加工之后，在现有设备基础 上进行研究和试验，所以本机床可以实现多种形式的加工过程，即超声波加工、 电火花放电加工，超声放电复合加工和高速磨削以及超声振动高速磨削复合加工 等功能，现在为其增加新的加工工艺电火花铣削加工 电火花铣削加工机床的机构主要由数控系统、机床本体以及数控电火花脉冲 电源与超声波发生器组成。数控系统用于完成加工程序编制、加工过程控制与加 工状态显示等：机床本体是完成加工运动的基础部件；超声波发生器和电火花脉 冲电源分别为工具超声波振动和电火花脉 冲放电提供脉冲能源并完成其他一些专项 功能。电火花铣削机床选用立式结构，主 要包括主轴头、十字工作台和工作液循环 系统等功能部分图2 1 是机床本体部分结 构示意图，能够完成：工具的伺服进给运 动( z 向) 、旋转运动( c ) 和超声波振动 以及工作台的x 、y 方向移动；工具的迸给 运动是加工必须的基本运动，而工具的旋 转运动可以用于实现高速磨削加工，也可 以作为超声波加工、放电加工以及超声波 电火花复合加工的辅助运动。超声波振动 体( 包括换能器和变幅杆) 安装在升降溜 板上，为工具提供超声频振动。在工作台 圈2 1 多动能复台加工机床本体结构示孽图 上装夹工件，x 、y 方向的联合运动可用于加工定位或者多工位的复杂型面加工 工具电极能实现微量迸给，可满足电火花或超声加工的特殊要求，而旋转机构能 够实现特型工具的转角定位以及圆孔加工时的工具旋转，有利于排屑与加工尺寸 精度的提高；工具超声振动除具有锤击加工作用外，在复合加工中还有助于排屑。 一 7 一 山东大学硕士学位论文 工作液循环系统为放电加工提供具有一定压力、一定介电性能工作液，并为超声 加工提供硬质磨料。 为了实现高水平的复合加工。对机床的进给机构和工作台运动机构提出了以 下设计技术要求：( 1 ) 有较高的速度调节跟踪范围并有很好的低速运行特性，以适 应各种条件下加工过程的需要；( 2 ) 有足够高的灵敏度，可动部分惯量小，以满足 间隙状态的快速调节；( 3 ) 有足够的稳定性和承载能力，能够抵制各种干扰，实现 稳定性加工；( 4 ) 传动间隙小，剐度大，实现较高精度加工；( 5 ) 伺服机构结构简 单可靠、体积小而且维修方便。为此，采用滚动导轨、滚动丝杠和交流伺服电机 组成高性能的伺服运动执行机构。p m a c 卡配合交流伺服电机的位置编码器每转一 周可以输出1 0 0 0 0 个位置分辨脉冲，因而能够获得较高的伺服控制性能和精度【3 3 】 3 7 1 。 2 2 新型控制器p m a c 本文运动控制部分利用p c 机和p m a c 运动控制卡组成双c p u 控制系统，用于 完成加工过程伺服控制、脉冲电源工作控制、超声电源工作控制以及加工程序编 制、数据管理与状态显示等。p m a c 运动控制器是一种计算机接口板卡，具有独立 的c p u ，插接在计算机的扩展槽中形成双c p u 控制系统，通过驱动器对直流伺服电 机、交流伺服电机或者步进电机等进行多个通道的多轴伺服联动控制。p m a c 卡自 身带有功能全面的函数，能够完成的伺服控制功能非常强大 1 、p m a c 应用于应用于电火花铣削系统的可行性 电火花铣削加工和复合加工是在复杂环境下，基于复杂任务，对复杂对象的 控制，因而传统的控制系统已不能满足自动化加工的要求，它需要的是建立多输 入、多输出的控制系统。建立在开发性体系结构的思想基础上的p m a c 运动控制器， 具有强大的控制功能，又具有高的灵活性，可适应于工业控制领域内的任何用户 在其基础上构建满足不同要求的控制系统，且方便用户二次开发。相比于其它控 制体系，基于p m a c 的控制系统具有强大的开发性，灵活性、兼容性，控制精度高， 性能价格比高。因此，基于这种模式的控制系统已成为今后工业控制领域控制系 统开发研究的主流之一。 2 、p m a c 简介 一 8 一 山东大学硕士学位论文 可编程多轴控制器p m a c 是一个拥有高性能伺服运动的控制器，它可以利用高 级计算机语言( 如c 语言、v c + + ，v b 等) ，最多同时实现八轴的运动控制通过 一个功能强大的数字信号处理器( d s p ) ，处理了所有有关的计算与控制。p m a c 卡既可以以脱机方式运行，又可以通过串行接口或总线接口用一台主机来控制它 运行。 p m a c 主要提供了机床功能，机器人特性、计时检测及通用自动化的性能，可 处理运动控制、逻辑控制、资源管理及主机的交互工作。就硬件结构的开放性而 言，它适应多种硬件操作平台，适应所有电机，包括交流电机、直流电机、伺服 电机、步进电机、直线电机、陶瓷电机等。可接收各种检测元件的反馈。p m a c 的大部分地址向用户开放。就软件结构的开放性而言，p m a c 支持各种高级语言， 可同其他相关软件接d 【t 3 。 事实上，p m a c 可以被看作一台完整的计算机，它可以通过存储在内部的程序 进行单独的操作和运算，而且它是实时的多任务的计算机，能够自动对任务进行 优先级判别。即使p m a c 与一台计算机连接到一起进行使用，它们之间的通信也应 该被认为是一台计算机与一台计算机之间的通讯，而不是主计算机与外围设备之 间的通讯。p m a c 能够同时执行多个任务并能够正确地进行优先级排序的能力，使 它能够在处理时间和任务切换的复杂性方面大大减轻主机和编程器的负担，提高 整个控制系统的运行速度和控制精度【l ” 图2 2 电火花铣削加工数控系统功能结构图 一 9 一 山东大学硕士学位论文 2 3 数控系统的硬件软件功能结构分析 从整个数控系统的结构分析来看，如图2 - 2 所示，该加工机床系统涉及到多个 独立的c p u ，包括p c 、p m a c 、脉冲电源和超声电源中共四个这些高性能的c p u 除了能完成自身的任务之外，还可互相协调通信，达到协同工作的目的。 p c 主机主要实现人机界面接口操作，复杂的控制运算，后台任务管理等。 p m a c 接收p c 机发出的控制命令及控制程序，接收来自检测元件的信息并根据信 号的类别做相应的处理，同时向p c 主机发出控制信息，与p c 主机进行实时、可靠、 稳定的数据交互。 考虑到控制系统的稳定性、通用性、可靠性、实时性，p c 主机的应用程序部 分是在w i n 2 0 0 0 平台下，借助与m i c r o s o rv i s u a lc + + 6 0 软件编制完成的。其主要实 现的功能有：( 1 ) 提供基于入机工程学原理的良好的应用程序人机接口；( 2 ) 完成大量的控制运算及加工程序解释；( 3 ) 接收来p m a c 的信息并作相应的处 理；( 4 ) 向p m a c 发送控制程序、任务。 2 4 电火花铣削加工过程中的抬刀 电火花加工中必须使工具和工件间维持合理的距离，在该距离范围内，既可 满足脉冲电压不断击穿介质产生火花放电，又可适应在火花通道熄灭后介质消电 离及排出蚀除产物的要求。放电间隙状态是进行伺服控制和脉冲电源自适应调整 的基本依据，其检测环节是电火花加工设备中一个必不可少的重要组成部分，它 的性能好坏直接影响到加工过程的稳定性和加工质量。利用间隙电压检测电路检 测加工问隙。并将检测结果送至p m a c 运动控制卡输入输出口，通过上位机实时检 测p m a c 输入输出口的状态判断当前的加工状态，当电火花加工出现电弧或短路 时需要进行抬刀，以保持正常的放电加工状态。 抬刀是电火花加工中在正常的伺服加工过程中为了提高加工屑的排出能力， 保持放电的稳定性而采取的一种运动行为，是在加工状态恶化时一种保护行为。 从动作上讲大部分的抬刀行为是电极在加工方向的反方向上作的一次运动，先是 快速抬起一定高度，再慢速抬起一定高度，利用比较快的电极移动将加工间隙的 切削排出，然后返回到抬刀的初始位置运动。 一 l o 山东大学硕士学位论文 2 4 1 运动程序及p l c 编程调试 p m a c 运动控制器的内存可以存储多达2 5 6 个运动程序任意坐标在任何时候 可以执行这些程序中的任意一个。在已经有一个坐标系正在执行程序的情况下， 另一个程序也可以在任何一个坐标系下运行，个运动程序能够将任意一个别的 运动程序调用作为子程序，调用时可带变量，也可不带变量。 在p m a c 运动控制器上执行的运动控制语言具有b a s i c 或c 等高级计算机语 言的特点，并且可以直接接收g 代码命令，计算结构和逻辑结构与计算机语言相似， 并且运动规范与机床工业种所使用的也相似。 p m a c 有i 、p 、q 、m 四大类变量i 变量为初始化变量，共1 0 2 4 个，它们分别 对整个板、每个轴、每个坐标系统及编码通道进行初始化。i 变量大多数为整型变 量，可预先设置并放在存储器的固定位置p 、q 变量为通用的用户变量，它们各 有1 0 2 4 个，均为4 8 位的浮点数，不需要事先设定。p 变量在整个系统中使用，q 变 量仅在坐标系统中使用。m 变量亦为1 0 2 4 个，通过m 变量用户可方便地与存储器、 i ，0 打交道。可存3 2 段p l c 程序，用来处理模拟和数字输入、输出，传送数据，改 变数值，决定运行，停止顺序等p 】。 对于数控系统的重要文件g 代码、m 代码的解释程序，可在用p m a c 可执行程 序对系统进行调试时下载至t p m a c 的固定内存中。它们以运动程序的形式存在，在 实际加工中被p m a c 调用。当p m a c 在运动程序中遇到带有一个数值的字母g ，它 将认为这是调用运动程序1 0 n 0 ，这里的n 是g 后面所带值的百位上的数字百位之 后的数乘以1 0 0 0 表示将要跳至程序p r o g l o n 0 的行号。当遇至l j r e t u m 语句时，返回 调用处。例如，6 9 7 3 1 将跳到p r o g1 0 9 0 的n 7 3 1 0 0 行。一般的，这些代码的数字在 o 到9 9 之间，所以只需要执行p r o g l 0 0 0 1 0 0 1 、1 0 0 2 、1 0 0 3 。若超过1 0 0 ，将执行p r o g 1 0 1 0 1 0 1i t 3 1 。 为了使p m a c 用起来比较容易，本人在编程时运动控制语句采用了大家都比较 熟悉的g 代码语句。当运动程序在前台有序的同步运行时，p m a c 运动控制器可以 在后台运行多达3 2 个异步p l c 程序。这些程序会完成一些可编程逻辑控制( p l c ) 的功能。p l c 程序可以极高采样速率监视模拟输入和数字输入，设定输出值，发送 信息监视运动参数，改变增益值，以及命令运动停g r 启动序列。p l c 程序还可 以像从主机发送命令那样对p m a c 运动控制器发送命令。这些高速的异步程序附加 山东大学硕士学位论文 q 于运动程序，功能非常强大。 2 4 2 部分运动控制语句的介绍 ( 1 ) c a l l 字母) 【 字母) 数值) 】 此命令为p m a c 子程序调用语句。 其中，第一个 数值 是一个浮点型常数或一个表达式，从1 0 0 0 0 0 到 3 2 7 6 7 9 9 9 9 9 ，它的整数部分代表被调用的运动程序段号，小数部分代表被调用程 序段的行标号( n 或o ) 。 ( 2 ) l i s tp c i ， 常量) 刀 此命令列出程序计数器所指程序的内容。 其中f 常量 代表列出程序字数的正整数。 此命令使p m a c 列出所在坐标系计算的程序行数，第一行前标有程序号，后续 行前标有初始地址，此命令列出的程序是将要执行的下一条程序。为了使该指令 正确的得到正在执行指令的下条指令，还需要设置i 变量i x 9 2 = 1 。 ( 3 ) i x 9 2 参数 该参数为坐标系x 运动混合使能设置，如果该变量被设置为零，那么编程混合 运动( 例如，l i n e a r 、s p l i n e 和c i r c l e 模式) 的加减过程将混合，使速度曲 线平化过渡，在当前运动期间将会计算即将开始的运动。如果该参数被设置为l ， 那么在下一个运动被计算的期间和在每一可编程的运动之间将会有一个明显的停 顿( 相当于加入了d w e l l0 命令) 停顿时间将由i l l ( i n 设为0 ) 来决定。该命 令只有在用r 和s 命令开始执行程序时才会起作用1 3 】 2 4 3 抬刀的实现 为了实现在加工过程中检测短路后快速抬刀，在切断放电通道后又留有余量 的快速进给。在加工过程中将运动程序分成两部部分主程序和子程序，其中主程 序的主要功能是为子程序加工设置加工条件和调用子程序，子程序的主要功能是 刀具路径的控制。 为了使用命令l i s t p c 准确得到当前正在执行程序的位置，子程序的每个运动 语句| 都必须加行标号。并且标号从n 0 0 0 0 1 开始，按照从上到下递增的顺序标注， 一 1 2 山东大学硕士学位论文 m 这是因为命令l i s tp c 得到是下一条将要执行语句的行标号，因此要推算上条的 语句行标号。得到行标号之后，读取主运动程序，更改主运动程序中子程序调用 命令中的子程序开始运行的行标号然后停止程序的运行，开始调用回退运动程 序，程序执行完毕后，重新执行运动主程序，它会在修改后子程序的行标号位置 开始运动 主程序和子程序的例子如下； 。 主程序： o p e np r o g1 0c l e a r 主程序为程序1 0 g 1 7g g o f i 0 0 0 $ 5 0 0 m 0 3 c a l l1 1 0 0 0 0 2子程序为程序1 1 ，并且从行标号为2 开始执行 c l o s e 结束 子程序： o p e np r o ( ；1 1c l e a 。 n 0 0 0 0 1g 0 0 x oy o n 0 0 0 0 2g 0 2 x 5y 5 1 1 0j 1 0 。 c l o s e 2 ，5 本章小结 本章详细介绍了电火花开放式数控系统加工设备的功能及结构组成。机床的 数控部分采用p c j f l p i v i a c 运动控制卡实现，分别从硬件、软件两个角度介绍了数 控系统的功能原理与实现方法以及对p a m c 卡进行了介绍。然后对在电火花铣削加 工过程中出现的抬刀实现具体方法和相关的比较重要的命令进行了比较详细的分 析和介绍。 一 1 3 一 山东大学硕士学位论文 第3 章电火花铣削加工成形方式和补偿策略 电火花铣削加工自动编程的基础是确定成形运动规律。事实上电火花铣削加 工成形运动规律同机械铣削加工以及电火花“拷贝”成形加工都有区别。电火花 加工是一种非接触式加工，电极与工件之间存在放电间隙，而且在加工过程中存 在较大的电极损耗，直接影响加工精度。电极损耗的在线补偿更是与成形规律有 着密切联系，因此，有必要对电火花铣削加工所采用的成形方式以及由此带来的 不同电极损耗补偿策略进行研究。 3 i 平面类零件的成形方式和补偿策略 三 加工面平行于水平面或者与水平面夹角为定角的零件称为平面类零件。平面类 零件特点是，各个加工单元面是平面或可以展成平面。平面类零件的数控电火花 铣削加工般只需用3 坐标数控电火花 成形机床。使用两坐标联动就可以把它 们加工出来。典型的加工方法有轮廓加 工( e d m p r o f i l i n g ) 、沟槽加工( e d m g r o o v i n g ) 、平面内槽加工( e d m p o c k e t i n g ) 等，如图3 1 所示。 轮l 啪工铷，施工平面矧藿加工 田争l 乎面粪零件舡 目前，针对此类零件的电火花加工有两种铣削方式：一种是采用分层去除加 工，即利用棒( 管) 状电极的底面部分放电，以层状形式去除工件，并且重复进 行达到所需的深度，粗加工去除厚度为1 0 - 3 0 0 i lm ，精加工去除厚度为i 1 0 i lm ； 另外一种方式则是以圆柱状电极的侧面部分进行横向加工而得到所要求的轮廓形 状”。这两种方式的电极损耗补偿也不相同。下文将分别予以介绍。 3 1 1 分层去除电极的补偿方式 在微细电火花加工中，日本学者采用了分层加工方式，三菱电机公司也采用 了电极底面放电代替侧面放电的加工方式来进行微细加工，开发出的创成放电加 工机e d s c a n 8 e ，就是采用分层加工的原理。使用简单的管状电极，同时电极损 一 1 4 山东大学硕士学位论文 | e e 自自目| ! s 自e ! 自! ! s 自! ! 自! ! ! 自自! ! ! ! e ! ! ! e 自! ! | 自! j 日目! e e 目e ! 自! 目! ! ! ! s 自! _ e ! ! | ! | ! 目e 自自! ! s ! ! ! 自阜 耗进行自动补偿，实现了高精度加工。从图3 2 可以看出，在加工过程中，除了采 用低损耗加工条件外，每一层的加工厚度还应小于放电间隙，将放电过程局限于 电极底面，一直靠电极的底面放电来蚀除工件材料。此时，电极损耗也将只发生 在电极底面，从而可有效的避免电极侧面及 尖角损耗。事实上，如果在这种有损耗的条 件下进行加工，只是通常的横向扫描，由于 电极损耗使得电极长度变短，工件的加工形 状发生倾斜，并且放电也不能继续下去。因 此，必须采用合适的电极补偿策略，这种成 形方式才有应用价值【4 l 】。 齿捺t 因此，研究人员提出了等损耗加工工艺，即在每分层中，采取适当的迸给方 式使得加工完成后电极底部夹角仍然完好，电极只在轴向( z 向) 存在损耗，实现 了等损耗加工，从而简化了电极的补偿策略。 3 1 1 1 损耗加工模型 为了说明等损耗加工的理论依据，可以结合模型来进行讨论，以加工某层为例， 让我们将该层加工沿电极轨迹展开( 假设每层加工过程中电极均匀损耗) ，得到 的模型如图3 3 。加工开始时电极沿z 轴进给a z ，电极侧面因参与放电而受损耗， ( 假设长度为h ) ，然后电极在z 轴方向保持不动，沿水平方向运动。在此过程中， 就会获得电极底面参与放电的效果， 后，电极底面就可以恢复原来没 有损耗的形状图中假设最终加 工深度为k ，电极损耗长度为 ，为了说明清楚，设工件材料 蚀除体积为吃，工件某层加工面 积为& ，电极底面放电部分面积 电极受损耗部分将逐渐蚀除。该层加工完成 - _ - _ _ - 1 u t - 电 梗 ：ih l彭一仫 l c h l