五軸聯(lián)動虛擬電火花成形加工機床設(shè)計與應用*

許曉琴 王福元

(①鹽城工學院機械工程學院，江蘇鹽城224051；①南京航空航天大學機電學院，江蘇南京 210016)

虛擬加工機床是隨著虛擬制造技術(shù)的發(fā)展而提出的一個新的研究領(lǐng)域，它的最終目標是為虛擬制造建立一個真實的加工環(huán)境，用于仿真和評估各加工過程對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。在虛擬加工機床中需要建立機床模型，機床模型包括機床的幾何參數(shù)、運動關(guān)系、伺服系統(tǒng)、剛度和熱影響等［1-3］。電火花成形加工機床可用于加工復雜表面或型腔加工，在一般零件加工中，電火花加工機床的運動并不復雜，通常只需要一軸或三軸的運動就可以完成加工，表面主要利用成形電極拷貝形成，運動過程較簡單。為了發(fā)揮電火花加工機床性能，適應于更多零件的加工，當前電火花加工機床已發(fā)展到4～5軸聯(lián)動，這樣就可以利用簡單的電極通過合成運動加工出復雜型面或型腔，例如航空發(fā)動機渦輪盤、渦輪機匣、渦輪盤壓氣機轉(zhuǎn)子、帶冠整體渦輪盤等，可實現(xiàn)窄槽、窄縫、深腔、異型盲孔、內(nèi)腔側(cè)向盲孔等特殊形狀加工的工藝要求。利用4～5軸聯(lián)動電火花成形加工機床加工復雜零件時，首先要確定電極運動軌跡，然后根據(jù)電火花成形加工機床的數(shù)控系統(tǒng)類型進行數(shù)控編程。由于不同零件加工表面的不同，在加工前需要對加工運動的路徑進行規(guī)劃，獲得正確的運動軌跡，同時對加工過程中可能發(fā)生的干涉進行檢查。加工運動軌跡規(guī)劃、運動干涉、加工編程、程序驗證等加工前所要做的工作，如果不借助于現(xiàn)代的技術(shù)手段難以實現(xiàn)或花費時間較多。針對該難題，運用計算機手段建立起虛擬電火花加工機床模型，在虛擬電火花加工機床模型中完成上述工作，這樣會使加工變得容易，可節(jié)省加工成本與時間。

1 復雜表面電火花成形加工工藝

采用多軸電火花加工機床加工復雜零件的表面或型腔成為目前及今后的主要加工方法之一。電火花成形加工復雜零件的加工過程如圖1所示。一般來說，帶冠整體渦輪盤零件的表面復雜，在電火花加工之前還要采用其它加工方法進行粗加工或預加工提高加工效率。電火花成形加工主要用來獲得加工精度和表面質(zhì)量。根據(jù)加工表面復雜程度，其加工電極常常需要多塊，加工也分為多道工序，整體表面需要通過加工表面拼接而成。其表面加工運動也較復雜，常常需要4軸聯(lián)動以上機床來完成加工。

復雜零件電火花加工的電極設(shè)計，加工運動軌跡規(guī)劃需要虛擬機床的支持，以為零件的電火花加工提供運動干涉、加工過切、程序驗證等功能。另外，還可獲得加工的表面質(zhì)量，為復雜零件的加工提供工具。

2 虛擬機床裝配模型

2.1 五軸聯(lián)動電火花成形加工機床配置

五軸聯(lián)動電火花加工機床的配置形式較多，有搖籃式、立式、臥式等。通常電火花成形加工機床的配置形式為3個直線軸和2個旋轉(zhuǎn)軸。例如北京迪蒙機電新技術(shù)公司推出的N850五軸聯(lián)動精密數(shù)控電火花成形機床，適用于航空、航天等精密復雜零部件的成形加工，配備X、Y、Z及高精度C軸、B軸。蘇州電加工機床研究所研發(fā)的固定工作臺式五軸聯(lián)動精密數(shù)控電火花成形加工機床采用的配置形式為X、Y、Z直線軸及A、C旋轉(zhuǎn)軸。本文中建立的五軸聯(lián)動電火花成形加工機床采用X、Y、Z直線軸及A、C旋轉(zhuǎn)軸配置形式。

2.2 虛擬機床裝配模型建立

機床裝配模型是電火花成形加工機床運動、去除材料等功能實現(xiàn)的載體。為了實現(xiàn)機床的功能，首先要建立機床的裝配模型。本課題研究的五軸聯(lián)動電火花成形加工機床，其裝配模型利用UG NX裝配環(huán)境創(chuàng)建，建立的電火花成形加工機床的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它包括床身、立柱、滑板(X軸)、滑枕(Y軸)、固定工作臺、主軸頭及主軸(Z軸)、電極安裝板、C軸旋轉(zhuǎn)、A軸旋轉(zhuǎn)工作臺、工作液槽等。在機床裝配模型中，不需要按實際機床的結(jié)構(gòu)建立裝配模型，主要建立機床的運動部件，例如工作臺、滑臺等，而其它部件的功能可以作簡化處理，以減少計算機運算開銷，提高運行速度。

2.3 裝配模型關(guān)系約束

為了實現(xiàn)運動，在機床的裝模型中需要根據(jù)實物機床的部件裝配關(guān)系建立機床的拓撲結(jié)構(gòu)，在虛擬環(huán)境中，機床的拓撲結(jié)構(gòu)、運動關(guān)系利用約束來實現(xiàn)。機床模型中運動關(guān)系的建立以各坐標軸為中心，首先設(shè)置機床的各坐標軸，然后在各坐標軸與之相關(guān)聯(lián)的部件之間建立約束關(guān)系。例如，在圖3所示的機床裝配模型中，Y軸滑枕裝配在X軸滑臺上，跟隨X軸滑臺一起移動，Z軸安裝在Y滑枕上，跟隨Y滑枕一起運動，C軸跟隨Z軸一起運動。因此，在X軸滑臺、Y軸滑枕、Z軸、C軸之間建立約束關(guān)系，如孔中心對齊、面貼合、平行、垂直等，當約束關(guān)系建立之后，在裝配模型中只要控制X、Y、Z、C軸運動即可，其余與之有關(guān)聯(lián)的部件通過約束關(guān)系跟隨被控對象作相應的運動。

2.4 裝配模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

為了操縱裝配模型中的部件運動，需建立一個與裝配幾何模型相一致的虛擬裝配數(shù)據(jù)模型，用該數(shù)據(jù)模型把裝配模型的相關(guān)信息加載到建立的數(shù)據(jù)模型中，實現(xiàn)位姿矩陣的變換運算、數(shù)據(jù)存儲。本系統(tǒng)建立的虛擬裝配數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：

其中，EDM_movement的結(jié)構(gòu)為：

在數(shù)據(jù)模型中，MC_Movement為運動節(jié)點，它承載了部件的動態(tài)特性。EDM_Component為部件節(jié)點，它承載了部件的靜態(tài)特性，如部件的名稱屬性、在裝配空間中的位置屬性，與其它相鄰部件的關(guān)系屬性等。

3 虛擬機床驅(qū)動與加工模擬

3.1 運動部件的位姿

位姿是裝配部件在參考坐標系的位置和姿態(tài)的統(tǒng)稱。通常機床的運動包括直線移動、旋轉(zhuǎn)運動，為了實現(xiàn)對機床運動部件的驅(qū)動，必須確定運動部件在裝配空間的位姿。為了表示部件在裝配空間的位置，需要用兩個坐標系，即裝配空間坐標系與部件本身坐標系。當部件在空間做運動時，可以描述為部件在裝配空間內(nèi)的移動和部件繞本身坐標系的轉(zhuǎn)動。為此，裝配模型要驅(qū)動部件，先要獲取移動組件的標識與它的位姿矩陣，包括X、Y、Z 軸的 i、j、k分量以及部件的本身坐標系在裝配空間中X、Y、Z分量，運動部件的位姿矩陣一般表示為：

其中，Tprign為部件在模型空間中的位置矩陣，Tcsys為部件坐標系在模型坐標系中的位姿矩陣。

3.2 運動矩陣變換

矩陣變換是實現(xiàn)各坐標軸移動和旋轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)，其矩陣根據(jù)計算的直線位移量或旋轉(zhuǎn)角度進行組合。利用變換矩陣對原位姿矩陣進行變換首先對變換的矩陣進行組合，部件的變換所需的參數(shù)用矩陣表示為：

其中：xdis，ydis，zdis為部件的移動量；α，β，γ 為部件繞 X，Y，Z軸的旋轉(zhuǎn)角度。部件的變換矩陣為：

利用變換矩陣Ttrans對位姿矩陣Tpos實現(xiàn)變換，變換過程為

通過以上變換得到新的位姿矩陣。新的位置矩陣得到后，在裝配模型中更新部件的位姿矩陣，再利用定位函數(shù)使部件在裝配模型空間中移動到新的位置。

3.3 運動軸驅(qū)動

虛擬數(shù)控機床中各坐標軸運動采用尺寸驅(qū)動方法實現(xiàn)［4］。在數(shù)控機床中，由CNC系統(tǒng)完成加工路徑的插補運算，分配各坐標軸的運動脈沖數(shù)，再通過驅(qū)動器、步進電動機或伺服電動機、傳動機構(gòu)對工作臺、主軸進行驅(qū)動。虛擬數(shù)控機床中各坐標軸驅(qū)動與實際機床坐標軸驅(qū)動相似之處，同樣需要插補運動，為各坐標軸分配移動量，再通過變換技術(shù)實現(xiàn)對坐標軸驅(qū)動。運動部件驅(qū)動的實現(xiàn)過程如圖3所示。

虛擬數(shù)控插補運算類似于數(shù)控系統(tǒng)中軟件插補方法，在單位時間內(nèi)按加工路徑進行插補運算。運動加工路徑通過加工路徑計算模塊計算得到，虛擬CNC插補模塊完成對加工路徑的插補運算，獲得各個坐標軸的脈沖序列。為了獲得與實際加工一樣的加工效果，采用定時模塊對脈沖輸出進行按時分配、獲得脈沖序列，再通過矩陣變換、定位過程實現(xiàn)坐標軸驅(qū)動。

3.4 運動控制

機床人機接口界面實現(xiàn)機床各坐標軸控制及各種操作，既能對機床進行手動操作，控制各坐標軸運動，又能根據(jù)零件加工路徑計算模塊的加工路徑，由CNC模塊實現(xiàn)運動插補運算，實現(xiàn)機床自動進給運動。機床模型及其人機接口是在UGNX軟件中采用VC開發(fā)工具及UG軟件提供的開發(fā)函數(shù)經(jīng)二次開發(fā)完成的。本虛擬電火花成形加工機床部分控制界面如圖4。

3.5 加工模擬

加工模擬不僅是模擬工件、電極的運動，還要模擬加工后的工件表面形狀與表面質(zhì)量。為了實時地模擬出加工后的表面，采用的方法是在運動過程中使工件與電極之間連續(xù)做切割運算，移除工件與電極相交部分，形成工件加工表面。加工模擬實現(xiàn)過程如圖5。

4 應用實例

閉式三元流葉輪加工在國內(nèi)是一個難題，它的結(jié)構(gòu)如圖6所示。由于該葉輪葉片曲面為自由曲面，葉片扭曲度大，且在葉輪的四周有護環(huán)包圍，這樣的結(jié)構(gòu)增加了加工的困難。若采用銑削方法加工，刀具無法伸到葉片的里面進行加工，刀具可達性差，另外零件由高溫合金材料制造，該材料也為難加工材料。為了加工此類零件，國內(nèi)對該類零件的加工進行了研究，采用電解/電火花組合加工方法進行了試驗，已加工出該零件，它采用分步加工方法，先采用電解加工預加工出葉片通道，再用電火花成形加工法加工出葉片形狀。

在該零件的電火花加工中，利用虛擬電火花成形加工機床完成了電極分塊設(shè)計，葉片加工仿真、加工路徑規(guī)劃、數(shù)控加工程序編程、加工干涉檢查等工作，為該葉輪的加工提供了數(shù)字化制造技術(shù)。利用該虛擬機床進行葉片加工模擬得加工運動路徑，通過虛擬CNC模塊生成各坐標軸的運動分量，最后通過數(shù)控后處理程序生成機床的數(shù)控加工程序。

5 結(jié)語

建立了由裝配、控制、人機接口等模塊組成的虛擬電火花成形加工機床；采用約束與尺寸驅(qū)動技術(shù)實現(xiàn)了對機床各坐標軸的驅(qū)動，并利用虛擬數(shù)控電火花加工機床模型解決了復雜曲面的加工難題。在實際應用中把它用于閉式三元流葉輪中，成功地解決了該工件的加工模擬、加工路徑計算，加工自動編程、運動干涉檢查等工作，操作方便、過程直觀，提高了工作效率，其應用結(jié)果對實際加工具有重要的指導意義。

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