電火花成形加工數(shù)控系統(tǒng)研制與實驗研究

盧建鳴，徐 成，竇春雨，王 津，呂宇航，周志凱，韓福柱

（1.蘇州三光科技股份有限公司，江蘇蘇州215129；2.清華大學機械工程系，北京100084；3.清華大學北京市精密/超精制造裝備和控制重點實驗室，北京100084；4.工程兵學院，江蘇徐州221004）

電火花成形加工數(shù)控系統(tǒng)研制與實驗研究

盧建鳴1，徐 成2,3,4，竇春雨4，王 津2,3，呂宇航2，周志凱1，韓福柱2,3

（1.蘇州三光科技股份有限公司，江蘇蘇州215129；2.清華大學機械工程系，北京100084；3.清華大學北京市精密/超精制造裝備和控制重點實驗室，北京100084；4.工程兵學院，江蘇徐州221004）

針對目前國內電火花成形加工數(shù)控系統(tǒng)精度不高、穩(wěn)定性較差的現(xiàn)狀，在廣泛調研的基礎上，采用PC機與NC板相結合的方式，自主開發(fā)出了以PC機與Windows操作系統(tǒng)為頂層控制系統(tǒng)，PCI橋接芯片、DSP與FPGA為底層控制系統(tǒng)的高速高精度電火花數(shù)控系統(tǒng)。實現(xiàn)了具備平面搖動與三維搖動、中心抬刀與非中心抬刀的多軸聯(lián)動搖動加工功能，有效提高了電火花數(shù)控系統(tǒng)的加工穩(wěn)定性和加工精度。將數(shù)控系統(tǒng)應用于電火花成形機床，進行了不同搖動及抬刀方式的加工實驗，驗證了數(shù)控系統(tǒng)的加工性能，并探索了不同搖動參數(shù)、不同抬刀方式對加工效率、精度和穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

電火花成形加工；數(shù)控系統(tǒng)；電火花加工工藝

近年來，電火花加工技術得到了快速的發(fā)展，在模具、汽車、航空航天領域得到了廣泛的應用[1]。然而，目前國內的電火花數(shù)控系統(tǒng)存在加工精度不高、穩(wěn)定性較差等問題，難以滿足當前市場的需要；隨著國內制造業(yè)的發(fā)展和升級，亟待開發(fā)出具備高級功能的數(shù)控系統(tǒng)。

目前國內電火花數(shù)控系統(tǒng)大都停留在仿制和引進階段，對于很多復雜功能尚無自主核心技術[2]，如多軸聯(lián)動抬刀、多軸聯(lián)動搖動加工等功能的開發(fā)研究尚處于起步階段，而這些功能恰恰是目前提高電火花加工精度、速度和穩(wěn)定性的有效方式[3-6]。鑒于上述國內現(xiàn)有電火花成形加工數(shù)控系統(tǒng)存在的

不足，本研究以PC機與Windows操作系統(tǒng)為平臺，采用PC機與數(shù)控NC板相結合的方式，開發(fā)出了具備多軸聯(lián)動搖動加工功能的先進成形電火花數(shù)控系統(tǒng)，有效改善了上述問題，填補了國內相關領域的研究缺失。

本研究開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)分為兩部分：一部分為以PC機與Windows操作系統(tǒng)為頂層控制系統(tǒng)；另一部分為由PCI橋接芯片、DSP與FPGA組成的底層控制系統(tǒng)。頂層控制系統(tǒng)開發(fā)了加工自動編程、手動控制、自動加工、故障檢測和圖形坐標顯示等功能；底層控制系統(tǒng)完成了軌跡插補、多軸聯(lián)動搖動、高速抬刀、速度位置控制等功能。本文通過不同搖動、抬刀方式的相關實驗研究，驗證了本數(shù)控系統(tǒng)的加工能力，且將不同搖動和抬刀方式對加工穩(wěn)定性和精度的影響規(guī)律進行了探索和總結。

1 數(shù)控系統(tǒng)的整體結構

1.1 數(shù)控系統(tǒng)的整體構成

本研究開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)采用軟硬件結合的設計方式（圖1）。

圖1 電火花數(shù)控系統(tǒng)的層次圖

軟件系統(tǒng)對機床所需的各個功能進行具體設計，包含界面操作層、信息處理層及加工控制層。界面操作層的主要功能為輸入數(shù)控程序、設定加工參數(shù)、顯示圖形坐標、執(zhí)行人機交互命令等，是數(shù)控系統(tǒng)與外部交流的接口。信息處理層接受到上層傳遞的數(shù)據(jù)后，對其進行譯碼、預處理，如記錄命令信息、進行刀具補償、處理抬刀和搖動的各項參數(shù)等。加工控制層將預處理過的數(shù)控代碼進行插補，同時對抬刀和搖動命令進行進一步加工處理，與插補過的數(shù)據(jù)進行疊加輸出，還控制脈沖電源的脈寬、脈間等各項參數(shù)。

硬件系統(tǒng)作為數(shù)控功能的承載和執(zhí)行機構，所有的功能操作最終都由硬件系統(tǒng)來實現(xiàn)。硬件層作為實際的命令執(zhí)行系統(tǒng)，包含多軸運動軌跡執(zhí)行機構、脈沖電源系統(tǒng)及油泵等外圍輔助設施。

1.2 數(shù)控系統(tǒng)的結構模型

目前，以PC機為核心的控制系統(tǒng)已被工業(yè)控制領域廣泛接受。采用PC機在Windows操作系統(tǒng)下通用的數(shù)控系統(tǒng)，已成為數(shù)控發(fā)展的潮流[7]。本數(shù)控系統(tǒng)采用的是PC機與NC控制卡相結合的硬件方式（圖2）。

圖2 數(shù)控系統(tǒng)結構模型圖

PC機主要用來執(zhí)行人機界面交互、信息和命令處理等非實時性工作。在PC機的PCI擴展板上插有NC控制卡、IO控制卡及電源控制卡，這3塊板卡構成了底層數(shù)控系統(tǒng)。NC控制卡主要用來控制運動軌跡，包括加工軌跡插補運算、搖動控制、抬刀控制、速度控制等工作；其硬件核心為DSP，它采用C6000系列芯片，該系列DSP浮點計算能力強，可很好地勝任插補計算等工作；NC控制卡上的算法通過嵌入式編程實現(xiàn)。IO控制卡主要用來控制IO信號，由FPGA實現(xiàn)，通過對FPGA的讀寫，完成對各類繼電器開關及手盤的操作。電源控制卡主要負責控制脈沖電源，同樣由FPGA實現(xiàn)，通過對不同的加工狀態(tài)進行檢測，從而發(fā)出不同的脈沖控制信號，控制加工電源。

2 數(shù)控系統(tǒng)的具體實現(xiàn)

2.1 頂層數(shù)控系統(tǒng)設計

頂層控制系統(tǒng)是機床操作者能直接看到和使用的程序，包括加工自動編程及快速設置系統(tǒng)、手動控制系統(tǒng)、自動加工系統(tǒng)、故障檢測系統(tǒng)、圖形坐標等狀態(tài)顯示功能和文件輸入管理幾大部分。

本研究開發(fā)了自動編程及快速設置系統(tǒng) （圖3），通過簡單的選擇和輸入，能配置相關參數(shù)及生成數(shù)控代碼，方便了操作者，提高了生產效率。該自動編程系統(tǒng)可將界面設置的加工信息轉化為兩部分內容：一部分為數(shù)控程序代碼，包括G代碼和M代碼；另一部分為加工參數(shù)，如抬刀高度、搖動半徑等。轉換完的數(shù)控程序代碼和加工參數(shù)傳遞給自動加工模塊的加工信息預處理程序，進而被轉換為底

層控制系統(tǒng)可識別的標準信息，最終進行插補及運動控制。

圖3 自動編程及快速設置系統(tǒng)界面

本數(shù)控系統(tǒng)的頂層控制系統(tǒng)與底層控制系統(tǒng)通過PCI總線連接，載有DSP的NC板卡插在PC機的PCI擴展槽上，板卡上的PCI2040橋接芯片和PCI驅動程序將底層控制系統(tǒng)的DSP片上內存和外部存儲映射為PC機上的一段共享內存，這樣，頂層控制系統(tǒng)就能通過訪問DSP的HPI接口方便地查看底層控制系統(tǒng)的全部程序內存。

2.2 底層數(shù)控系統(tǒng)設計

底層控制系統(tǒng)主要由PCI橋接芯片、DSP與FPGA共同構成。其中，PCI橋接芯片主要用來連接上下位機通訊，DSP主要負責數(shù)據(jù)插補計算、運動控制、IO轉發(fā)，F(xiàn)PGA芯片則是對最終DSP傳送的速度、位移、IO信號等信息進行輸出處理。加工數(shù)據(jù)由頂層控制系統(tǒng)發(fā)出，經(jīng)PCI驅動程序和PCI橋接芯片中轉至DSP芯片中，由DSP對其處理完成后，傳入FPGA芯片作輸出處理，處理完的數(shù)據(jù)最終被傳輸?shù)綑C床執(zhí)行系統(tǒng)中。

電火花成形加工數(shù)控系統(tǒng)的底層控制系統(tǒng)軟件組成結構見圖4。通過PCI總線接收頂層控制系統(tǒng)傳送的加工數(shù)據(jù)、抬刀和搖動相關參數(shù)，并根據(jù)設定對加工軌跡、抬刀和搖動軌跡進行插補運算，最后進行運動軌跡合成，并將其轉化為最終的運動輸出信號。

圖4 底層控制系統(tǒng)軟件組成結構

此外，底層控制系統(tǒng)還進行各軸的伺服速度和位移控制。一方面，對正常加工的各軸進行速度伺服控制；另一方面，在抬刀運動和快速移動時，底層控制系統(tǒng)智能地加入加減速控制，避免形成沖擊。

2.2.1 搖動軌跡處理

搖動控制可有效增強加工過程中的排屑能力，使加工穩(wěn)定，同時，能修光底面和側面，降低表面粗糙度值，加工出棱角較清晰的側壁和底邊。本系統(tǒng)實現(xiàn)的搖動方式見圖5。

圖5 搖動方式示意圖

在搖動加工過程中，伺服控制軌跡數(shù)據(jù)是由兩部分軌跡合成而來的：一部分來自被加工零件的加工軌跡；另一部分則是電火花主軸以加工軌跡當前點為中心，按一定的搖動方式進行的搖動軌跡。兩部分數(shù)據(jù)在運動軌跡合成器中合成為一個伺服控制數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將被存放在伺服控制數(shù)據(jù)存儲管道中，供電火花主軸前進或后退時調用。如果在搖動中有抬刀控制，則仍和常規(guī)加工一樣，在達到抬刀時間時，主軸執(zhí)行抬刀動作，抬刀完畢后，主軸從剛才的加工點繼續(xù)進行加工。

本數(shù)控系統(tǒng)在抬刀操作開始后，首先判斷是單軸抬刀還是多軸抬刀；如為多軸聯(lián)動抬刀，則涉及到搖動和抬刀協(xié)同運動的情況，這時，抬刀又分為兩種情況：一種是不進行回中心操作，直接進行抬刀控制；另一種是主軸先進行回中心操作，然后再進行抬刀控制。兩者不同之處在于：中心抬刀方式由于主軸回中心后，與側面距離較遠，故大大減小了抬刀過程中的側面放電幾率，提高了加工精度。

2.2.2 抬刀軌跡處理

抬刀運動是指主軸在正常伺服加工狀態(tài)過程中，當達到某一指定條件時，向加工進給的相反方向快速運動，而后又快速回到剛才加工位置的運動行為。其目的在于及時將放電間隙的電蝕產物排出。較大的抬刀速度一方面可使非加工時間縮短，從而提高有效加工的時間；另一方面，可使加工液更快進入型腔內部，沖走加工屑。因此，本數(shù)控系統(tǒng)研發(fā)了抬刀加減速控制環(huán)節(jié)，有助于提高加工穩(wěn)定性和加工效率。抬刀速度控制曲線見圖6。抬刀開始時，為避免出現(xiàn)抽真空現(xiàn)象，主軸應以較小的速度離開加工面，隨后再高速抬起；而在抬刀結束時，為避免與工件碰撞，在電極距離工件還有一定距離時改為伺服控制，從而更好地和正常加工相銜接。

圖6 抬刀加減速控制示意圖

3 加工實驗研究

3.1 中心抬刀與非中心抬刀的加工對比實驗

在進行實際抬刀加工中，可運用兩種抬刀模式：一種是中心抬刀模式；另一種是非中心抬刀模式。一般來說，采用中心抬刀模式的加工精度相對較高；而采用非中心抬刀模式省略了回中心操作，故加工總耗時相對較短。本文針對兩種抬刀模式進行了一系列的實驗研究，以期得出不同抬刀方式對加工效率和加工精度的影響。

中心抬刀和非中心抬刀的加工對比實驗采用相同的工藝參數(shù)條件（表1），實際加工完成后的工件剖面見圖7。

表1 實驗加工參數(shù)

圖7 不同抬刀方式的加工工件實物圖

圖8是加工蝕除率隨加工深度的變化曲線?？煽闯?，隨著加工深度的增加，非中心抬刀加工蝕除率開始減小，而中心抬刀的加工蝕除率曲線基本保持恒定，說明中心抬刀加工方式在維持加工穩(wěn)定性方面的性能較好。

圖8 加工蝕除率隨加工深度的變化曲線

圖9是加工孔徑隨加工深度的變化曲線。實驗結果表現(xiàn)出兩方面的差異：一方面，非中心抬刀加工的整體孔徑尺寸比中心抬刀大；另一方面，非中心抬刀加工孔的錐度比中心抬刀大。說明采用非中心抬刀加工的側面放電現(xiàn)象更頻繁，導致加工出的孔徑偏大且錐度變大；而采用中心抬刀加工模式時，由于主軸進行中心抬刀，抬刀過程中工具電極側面和孔側壁的距離較遠，使側面放電現(xiàn)象較少，故加工孔徑的精度較高。

圖9 孔徑隨加工深度的變化曲線

3.2 搖動與非搖動加工的對比實驗

本實驗主要研究在常規(guī)抬刀加工中，加入不同參數(shù)的搖動控制對加工結果的影響，對比了不同參數(shù)的搖動加工對穩(wěn)定性和加工精度的影響。

加工時，搖動軌跡選取圓軌跡，搖動半徑分別設定為20、60、100 μm，抬刀方式為中心抬刀，其他加工工藝參數(shù)同表1。圖10是加工完成后的工件剖面對比圖。

圖10 不同搖動參數(shù)的加工工件實物圖

圖11是不同搖動參數(shù)時加工蝕除率隨加工深度變化關系圖?？梢钥闯?，無搖動加工時，隨著加工深度的增加，蝕除率從加工開始時的0.098 g/min減小至加工結束時的0.052 g/min；搖動半徑20 μm時的加工結果和無搖動加工類似，蝕除率曲線也基本

和無搖動加工蝕除率曲線相仿。當搖動半徑為60 μm時，加工蝕除率曲線相對于無搖動加工時的下降幅度較小，這是由于搖動半徑較大，起始時刻的加工速度比無搖動加工慢，蝕除率低（0.084 g/min）；隨著加工深度的增加，速度下降趨勢較小，至加工完成時的蝕除率為0.06 g/min，表明在加工深度為20 mm處時，搖動半徑60 μm的加工蝕除率已超過無搖動加工和搖動半徑20 μm的搖動加工。當搖動半徑為100 μm時，加工蝕除率曲線基本恒定，加工開始時為0.045 g/min，結束時為0.046 g/min，這表明此時的加工深度變化對加工蝕除率的影響已非常小，加工穩(wěn)定性明顯提高。

圖11 加工蝕除率隨加工深度的變化曲線

4 結論

本文采用PC機與NC卡相結合的數(shù)控結構，以PC與Windows操作系統(tǒng)為頂層控制系統(tǒng)，PCI橋接芯片、DSP與FPGA為底層控制系統(tǒng)，共同構成了五軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)。頂層程序開發(fā)了包括加工自動編程及快速設置系統(tǒng)、手動控制系

式中：n、Q、H、N分別為離心泵額定的轉速、流量、揚程、功率；n1、Q1、H1、N1分別為離心泵變頻調速后的統(tǒng)、自動加工系統(tǒng)、故障檢測系統(tǒng)和圖形坐標顯示等人機交互、信息預處理等功能；底層控制系統(tǒng)完成了軌跡插補、高速復雜抬刀、多軸聯(lián)動搖動、速度位置控制等功能。通過抬刀加工、搖動加工等相關實驗研究，驗證了本數(shù)控系統(tǒng)的加工能力，且對搖動加工和抬刀加工如何影響加工穩(wěn)定性和加工精度的規(guī)律進行了探索和總結。實驗結果表明，本數(shù)控系統(tǒng)功能完善，性能優(yōu)異，具備良好的人機交互性能和加工穩(wěn)定性。

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因此，調整工作液泵的流量和壓力，宜采用泵的電機變頻調速方法。

（3）采用圖4所示的電火花成形機床工作液循環(huán)系統(tǒng)控制方案，既能滿足電火花成形加工工藝要求，又節(jié)約了能源，同時也降低了離心泵的工作噪聲，延長了泵的使用壽命；更重要的是采用該離心泵變頻控制方案，有利于工作液系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制，提高電火花機床的自動化水平。

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Development and Experimental Research on Sinking Electro-discharge Machining Numerical Control System

Lu Jianming1，Xu Cheng2,3,4，Dou Chunyu4，Wang Jin2,3，Lü Yuhang2，Zhou Zhikai1，Han Fuzhu2,3
（1.Suzhou Sanguang Science&Technology Co.,Ltd，Suzhou 215129，China；2.Tsinghua University，Beijing 100084，China；3.Beijing Key Lab of Precision/Ultra-precision Manufacturing Equipments and Control，Tsinghua University，Beijing 100084，China；4.The Institute of Engineering Corps，Xuzhou 221004，China）

To improve the lower precision and the stability of the domestic EDM CNC system，the research developed the high-speed and high-precision EDM CNC system which on the basis of the modern PC platform and NC controller.In this system，a PC and Windows operating system was employed as the principal computer,and the PCI，DSP，F(xiàn)PGA was employed as the subordinate computer.It was able to achieve multi-axis orbital machining and high-speed complex jump machining.By being applied to EDM machine and carrying out the experiments of jump and multi-axis orbital machining，the system validated its performance of high stability and reliability.

sinking electro-discharge machining；CNC system；EDM technique

TG661

A

1009－279X（2014）03－0017-05

2014-04-15

盧建鳴，男，1960年生，高級工程師。