六軸聯(lián)動(dòng)電火花加工數(shù)控系統(tǒng)及機(jī)床

陳 昊，陳 默，奚學(xué)程，趙萬(wàn)生

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

由于電火花加工技術(shù)能解決各種難切削材料和復(fù)雜形面的加工問(wèn)題，所以被廣泛應(yīng)用于航空航天產(chǎn)業(yè)，如噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)OGV、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的整體渦輪葉盤(pán)、航天航空陀螺儀等[1]。由于戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)的敏感性，多軸聯(lián)動(dòng)電火花加工機(jī)床一直被發(fā)達(dá)國(guó)家列為對(duì)華實(shí)行禁運(yùn)的高技術(shù)產(chǎn)品。因此，多軸聯(lián)動(dòng)電火花成形加工機(jī)床及其相關(guān)技術(shù)的研究具有非常重要的意義。作為航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件，渦輪葉盤(pán)很大程度上決定了動(dòng)力系統(tǒng)的性能、可靠性、壽命和成本[2]。閉式整體渦輪葉盤(pán)具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)，成為各國(guó)渦輪類(lèi)零部件優(yōu)先發(fā)展的對(duì)象。多軸聯(lián)動(dòng)電火花加工所具備的諸多優(yōu)點(diǎn)，如無(wú)宏觀切削力、能加工難切削材料、成形精度高等，使其成為閉式整體渦輪葉盤(pán)的首選加工方法。

數(shù)控系統(tǒng)是現(xiàn)代機(jī)床的核心。多軸聯(lián)動(dòng)電火花加工數(shù)控系統(tǒng)要遵循實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性與可靠性的設(shè)計(jì)原則[3]?，F(xiàn)有的商用數(shù)控系統(tǒng)由于不夠開(kāi)放，且絕大部分功能針對(duì)切削加工設(shè)計(jì)，難以直接滿(mǎn)足多軸聯(lián)動(dòng)電火花加工技術(shù)的要求。開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)在通用性、可擴(kuò)展性、可靠性上有著突出的優(yōu)勢(shì)，具有較好的應(yīng)用前景。PMAC（Programmable Multi Axis Controller）是美國(guó)某公司出品的可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器，其開(kāi)放性好、穩(wěn)定性強(qiáng)、可靠性高。硬件核心采用56001 系列DSP 芯片，所有實(shí)時(shí)運(yùn)算均在DSP中運(yùn)行。

國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)展基于PMAC 的多軸聯(lián)動(dòng)電火花加工機(jī)床及其數(shù)控系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)工作數(shù)年。近年來(lái)，蘇州電加工機(jī)床研究所有限公司與上海交通大學(xué)等單位合作，承擔(dān)了國(guó)家"十一五"科技重大專(zhuān)項(xiàng)課題——固定工作臺(tái)式五軸聯(lián)動(dòng)電火花成形加工機(jī)床，采用Linux 操作系統(tǒng)與PMAC 運(yùn)動(dòng)控制器相結(jié)合的方案，研發(fā)出了五軸聯(lián)動(dòng)電火花加工數(shù)控系統(tǒng)，并用于DK7140 型五軸聯(lián)動(dòng)電火花成形加工機(jī)床，并初步實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化[4]。絕大多數(shù)正在服役的用于加工閉式整體葉盤(pán)的數(shù)控電火花加工機(jī)床均為五軸聯(lián)動(dòng)控制，僅德國(guó)企業(yè)有六軸聯(lián)動(dòng)電火花加工機(jī)床銷(xiāo)售。

然而，現(xiàn)有的五軸或六軸聯(lián)動(dòng)電火花加工機(jī)床都是由用于模具加工的四軸聯(lián)動(dòng)電火花加工機(jī)床通過(guò)增加附加回轉(zhuǎn)軸部件演變而來(lái)，并沒(méi)有專(zhuān)門(mén)為閉式葉盤(pán)等航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)零件加工的特殊要求量身定制一些更有效的功能。這就導(dǎo)致在實(shí)際加工過(guò)程中遇到一些共性問(wèn)題：①?gòu)?fù)雜的空間進(jìn)給路徑和電極姿態(tài)角必須用為數(shù)眾多小線(xiàn)段來(lái)逼近；②加工效率普遍偏低；③一些在四軸聯(lián)動(dòng)模具加工中行之有效的特殊工藝無(wú)法在六軸聯(lián)動(dòng)加工中應(yīng)用；④缺乏CAD/CAM 系統(tǒng)的無(wú)縫集成功能。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文全新設(shè)計(jì)了六軸聯(lián)動(dòng)電火花加工專(zhuān)用數(shù)控系統(tǒng)。采用基于Linux 操作系統(tǒng)與PMAC 可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器相結(jié)合的上下位機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和全閉環(huán)伺服控制方式，實(shí)現(xiàn)了六軸聯(lián)動(dòng)加工。針對(duì)航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)零件的六軸聯(lián)動(dòng)電火花加工的特殊需求，研究了同時(shí)控制空間曲線(xiàn)路徑和電極姿態(tài)角的六軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)新技術(shù)、六軸聯(lián)動(dòng)伺服進(jìn)給與回退技術(shù)、曲線(xiàn)路徑的六軸聯(lián)動(dòng)抬刀技術(shù)等。通過(guò)閉式葉盤(pán)樣件等典型難加工零件的加工實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了六軸聯(lián)動(dòng)電火花加工數(shù)控系統(tǒng)的加工性能與機(jī)床的穩(wěn)定性。

1 六軸聯(lián)動(dòng)電火花加工機(jī)床硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床一般采取3 個(gè)直線(xiàn)軸加2 個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的配置方案，大體上有雙轉(zhuǎn)臺(tái)式、轉(zhuǎn)臺(tái)加擺頭式和雙擺頭式3 種形式[5]。雙擺頭式一般運(yùn)用于銑削機(jī)床或加工中心，對(duì)于閉式葉盤(pán)等利用形面拷貝方法加工的情況并不適合。擺頭與雙轉(zhuǎn)臺(tái)式對(duì)于加工不同類(lèi)型零件各有優(yōu)勢(shì)，為綜合這兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)空間可達(dá)性，本文用六軸取代五軸作為新型電火花加工機(jī)床的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)配置。

本文研制的數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)為六軸聯(lián)動(dòng)電火花加工機(jī)床的典型布局（圖1）。從機(jī)構(gòu)學(xué)角度來(lái)看，包含了3 個(gè)平動(dòng)自由度與3 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，平動(dòng)自由度決定電極與工件的空間位置，轉(zhuǎn)動(dòng)自由度決定電極相對(duì)于工件的空間姿態(tài)。根據(jù)數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，X、Y、Z 表示驅(qū)動(dòng)工件進(jìn)給的笛卡爾直角坐標(biāo)，A、B、C 分別為繞X、Y、Z 或其平行線(xiàn)的回轉(zhuǎn)坐標(biāo)，X′、Y′、Z′表示驅(qū)動(dòng)工具電極進(jìn)給的直角坐標(biāo)，A′、B′、C′表示驅(qū)動(dòng)電極旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)坐標(biāo)（圖2）。A 軸與B 軸采用雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)；B 軸與C 軸可按任意角度旋轉(zhuǎn)；A 軸采用擺頭結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)角度為±90°。并采用將A 軸擺頭與B 軸轉(zhuǎn)臺(tái)相結(jié)合的機(jī)床附件，該附件可浸油工作，完全滿(mǎn)足電火花成形加工需求。

圖1 六軸聯(lián)動(dòng)電火花成形加工機(jī)床

圖2 六軸聯(lián)動(dòng)電火花成形加工機(jī)床坐標(biāo)系定義

2 六軸聯(lián)動(dòng)電火花加工數(shù)控系統(tǒng)

由于六軸聯(lián)動(dòng)電火花成形加工工藝的特殊性，其數(shù)控系統(tǒng)除了常規(guī)的工具軌跡控制之外，還需具有諸如脈沖電源控制、放電間隙伺服控制、六軸聯(lián)動(dòng)正反向可逆插補(bǔ)、抬刀等功能。本文基于六軸機(jī)械平臺(tái)及其直線(xiàn)光柵反饋和編碼器反饋系統(tǒng)構(gòu)建全閉環(huán)的速度指令模式的控制體系（圖3）。其中，3根直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)軸采用直線(xiàn)光柵的全閉環(huán)反饋系統(tǒng)，3根旋轉(zhuǎn)軸采用編碼器全閉環(huán)反饋系統(tǒng)。

圖3 六軸聯(lián)動(dòng)電火花加工數(shù)控系統(tǒng)體系架構(gòu)

本文采用基于Linux 操作系統(tǒng)與PMAC 可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器構(gòu)成的上下位機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，開(kāi)放程度高，便于添加六軸聯(lián)動(dòng)電火花加工所需的各項(xiàng)新功能。這種雙核體系結(jié)構(gòu)，是數(shù)控系統(tǒng)的硬件核心。設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)時(shí)，將所有控制任務(wù)依據(jù)其對(duì)實(shí)時(shí)性要求的強(qiáng)弱，分為實(shí)時(shí)任務(wù)與非實(shí)時(shí)任務(wù)，并進(jìn)行模塊化。將非實(shí)時(shí)模塊基于上位機(jī)開(kāi)發(fā)，而將所有實(shí)時(shí)模塊基于下位機(jī)開(kāi)發(fā)，以充分利用下位機(jī)強(qiáng)健的實(shí)時(shí)運(yùn)算與處理能力，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；同時(shí)，上位機(jī)的強(qiáng)大資源在人機(jī)交互操作、非實(shí)時(shí)任務(wù)的調(diào)度與執(zhí)行上具有明顯優(yōu)勢(shì)，而這些都是下位機(jī)不擅長(zhǎng)的。將非實(shí)時(shí)與實(shí)時(shí)模塊分別基于上下位機(jī)運(yùn)行，可充分發(fā)揮雙核系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)；另一方面，由于PMAC 系統(tǒng)已經(jīng)充分成熟，對(duì)于加工航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)閉式葉盤(pán)類(lèi)零件擁有充分的可靠性保障。

本文同時(shí)研究了全新的插補(bǔ)算法——單位弧長(zhǎng)增量插補(bǔ)法，來(lái)實(shí)現(xiàn)電極空間進(jìn)給路徑和姿態(tài)的六軸聯(lián)動(dòng)控制。不同于以往采用眾多小線(xiàn)段進(jìn)行逼近的方法，單位弧長(zhǎng)增量插補(bǔ)法能用較少的插補(bǔ)指令完成較復(fù)雜的曲線(xiàn)曲面多軸聯(lián)動(dòng)加工。該方法的特點(diǎn)是以累積弧長(zhǎng)作為參數(shù)，每次插補(bǔ)沿弧線(xiàn)進(jìn)給一個(gè)插補(bǔ)單位步長(zhǎng)（旋轉(zhuǎn)軸需要將角度依據(jù)電極或工件半徑轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)度單位），幾個(gè)坐標(biāo)軸分別累積單位弧長(zhǎng)增量在其上的投影分量，當(dāng)該分量達(dá)到或超過(guò)一個(gè)插補(bǔ)單位步長(zhǎng)時(shí)，就在該運(yùn)動(dòng)軸產(chǎn)生一個(gè)插補(bǔ)單位步長(zhǎng)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。終點(diǎn)判別采用預(yù)設(shè)弧長(zhǎng)的方法進(jìn)行判別。這種插補(bǔ)方法可減小插補(bǔ)環(huán)節(jié)的誤差，將插補(bǔ)誤差控制在一個(gè)插補(bǔ)單位步長(zhǎng)內(nèi)。同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)以往插補(bǔ)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，如用一條指令進(jìn)行多圈圓弧的加工，直線(xiàn)圓弧的歸一化處理，各種參數(shù)曲線(xiàn)的直接插補(bǔ)，各種復(fù)雜的聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)等。

人機(jī)交互界面是用戶(hù)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行交互操作以實(shí)現(xiàn)控制的軟件接口，理想的人機(jī)交互界面應(yīng)當(dāng)功能齊全、穩(wěn)定可靠、用戶(hù)友好。本文利用Qt-4.7.0 開(kāi)發(fā)了六軸聯(lián)動(dòng)電火花加工數(shù)控系統(tǒng)的人機(jī)交互界面（圖4）。按操作流設(shè)計(jì)的分頁(yè)界面包括準(zhǔn)備區(qū)、加工區(qū)、維護(hù)區(qū)3 個(gè)順序工作區(qū)，能引導(dǎo)操作人員進(jìn)行順序操作。準(zhǔn)備區(qū)包含工件找正、坐標(biāo)切換、參數(shù)設(shè)置、回零操作、手動(dòng)操作等功能界面；加工區(qū)包含文件操作、坐標(biāo)值及狀態(tài)顯示、設(shè)備開(kāi)關(guān)等功能界面；維護(hù)區(qū)包含PMAC 通訊、機(jī)器參數(shù)設(shè)置、補(bǔ)償設(shè)置等功能界面。該界面提供完整的坐標(biāo)顯示與各種報(bào)警提示功能，為用戶(hù)提供了較完善的功能接口。

圖4 數(shù)控系統(tǒng)的人機(jī)交互界面

3 空間曲線(xiàn)路徑的六軸聯(lián)動(dòng)伺服進(jìn)給與回退技術(shù)

電火花加工伺服進(jìn)給與回退的原理是：在每個(gè)伺服周期內(nèi)，首先進(jìn)行間隙平均電壓檢測(cè)，利用其與參考電壓的差值決定速度矢量的方向?yàn)檫M(jìn)給或是回退，然后根據(jù)速度大小及插補(bǔ)周期計(jì)算出單步插補(bǔ)當(dāng)量，從而實(shí)現(xiàn)各軸位置增量控制。在旋轉(zhuǎn)軸的插補(bǔ)當(dāng)量計(jì)算上，面臨著角度單位與長(zhǎng)度單位轉(zhuǎn)化的問(wèn)題，根據(jù)每個(gè)軸不同的回轉(zhuǎn)半徑，分別設(shè)置其轉(zhuǎn)化系數(shù)，將伺服進(jìn)給速度從直線(xiàn)速度最終轉(zhuǎn)化到每個(gè)插補(bǔ)周期旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)幾個(gè)插補(bǔ)當(dāng)量。

在加工過(guò)程中，伺服回退與抬刀都是沿著加工原路徑返回的，否則會(huì)發(fā)生電極與工件的干涉，使工件受損。因此，數(shù)控系統(tǒng)中需要有用于保存運(yùn)動(dòng)軌跡的緩沖區(qū)。本系統(tǒng)采用循環(huán)緩沖區(qū)的方式，實(shí)現(xiàn)了正反向運(yùn)動(dòng)軌跡的保存和調(diào)取。循環(huán)緩沖區(qū)的工作原理是：將軌跡坐標(biāo)通過(guò)PMAC 的P 變量保存，共用X、Y、Z、A、B、C 6 個(gè)循環(huán)緩沖區(qū)保存6 個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)；軌跡坐標(biāo)的調(diào)用通過(guò)M 變量實(shí)現(xiàn)。M 為指向P 變量地址的指針，只要改變M 指針的值，就能改變所指向的P 變量。M 指針?lè)譃楫?dāng)前點(diǎn)指針、首點(diǎn)指針和末點(diǎn)指針。初始狀態(tài)下，首點(diǎn)指針和末點(diǎn)指針均指向第1 個(gè)坐標(biāo)的地址。當(dāng)PMAC讀入一條新的G 代碼指令時(shí)，向當(dāng)前末點(diǎn)指針?biāo)赶虻牡刂穼?xiě)入6 個(gè)坐標(biāo)的指令值，再令末點(diǎn)指針指向下一坐標(biāo)的地址。若循環(huán)緩沖區(qū)已填滿(mǎn)，則首點(diǎn)指針也要改為指向下一坐標(biāo)的地址，開(kāi)始進(jìn)行緩沖區(qū)的循環(huán)填充。運(yùn)動(dòng)位置指令連同當(dāng)前點(diǎn)指針在循環(huán)緩沖區(qū)所存儲(chǔ)的路徑段之內(nèi)來(lái)回變動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的進(jìn)給與回退。

4 閉式葉盤(pán)加工實(shí)驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)的六軸聯(lián)動(dòng)電火花加工機(jī)床是針對(duì)航空航天閉式整體葉盤(pán)的加工需求而設(shè)計(jì)的。為檢驗(yàn)其功能，進(jìn)行了閉式葉盤(pán)等樣件的加工實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了其加工與控制功能。

運(yùn)用六軸聯(lián)動(dòng)伺服進(jìn)給與回退功能，可方便地實(shí)現(xiàn)成形電極的進(jìn)刀、形面拷貝、退刀等運(yùn)動(dòng)。每個(gè)流道的加工都分別從流道的進(jìn)口和出口兩個(gè)端面由外向內(nèi)進(jìn)行，兩個(gè)加工過(guò)程分別采用成形電極的相應(yīng)形狀。樣件選用不銹鋼材料，直徑為88 mm，共有23 個(gè)流道。樣件加工所采用的加工條件見(jiàn)表1。

表1 閉式整體渦輪葉盤(pán)樣件加工條件

在加工樣件時(shí)，放電間隙伺服過(guò)程平穩(wěn)，火花放電明亮穩(wěn)定，無(wú)短路、拉弧等非正常放電現(xiàn)象，具有較高的加工效率。整個(gè)加工過(guò)程總耗時(shí)71 h，與現(xiàn)有商用電火花加工機(jī)床加工類(lèi)似零件時(shí)間接近。本文研制的六軸聯(lián)動(dòng)電火花加工機(jī)床采用了全閉環(huán)速度指令模式，因此在快速移動(dòng)速度與抬刀速度方面優(yōu)于現(xiàn)有機(jī)床。在采用自適應(yīng)控制技術(shù)后，加工效率還會(huì)有較大幅度的提升空間。實(shí)驗(yàn)加工出的閉式葉盤(pán)樣件的葉片分布均勻，具有清晰完整的外形輪廓，葉片均勻光潔，無(wú)積碳，具有優(yōu)良的表面加工質(zhì)量。圖5 是閉式葉盤(pán)加工樣件局部放大圖。

圖5 閉式葉盤(pán)樣件局部放大

5 結(jié)論

基于上下位機(jī)體系結(jié)構(gòu)的六軸聯(lián)動(dòng)電火花加工機(jī)床，對(duì)航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件制造有著極其重要的作用。本文研究了六軸聯(lián)動(dòng)電火花加工數(shù)控系統(tǒng)及機(jī)床，基于PMAC 實(shí)現(xiàn)了六軸全閉環(huán)控制。由于擁有全部核心技術(shù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，專(zhuān)門(mén)針對(duì)閉式葉盤(pán)的特殊加工需求，研發(fā)了多種對(duì)提高精度與效率行之有效的新功能，如六軸聯(lián)動(dòng)的單位弧長(zhǎng)直接插補(bǔ)方法、伺服進(jìn)給與回退技術(shù)和六軸聯(lián)動(dòng)抬刀技術(shù)等。進(jìn)行了閉式葉盤(pán)樣件的加工實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該六軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)及機(jī)床的控制能力與加工性能。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。

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