大導(dǎo)程滾珠螺母滾道電解加工機(jī)床

劉桂賢，張永俊，羅紅平，周　超，王亞南，張傳運

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

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大導(dǎo)程滾珠螺母滾道電解加工機(jī)床

劉桂賢，張永俊，羅紅平，周超，王亞南，張傳運

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

摘要：為了實現(xiàn)電解加工大導(dǎo)程滾珠螺母滾道，研制了專用的數(shù)控電解加工機(jī)床。基于LabVIEW與狀態(tài)圖工具箱設(shè)計開發(fā)了機(jī)床的控制系統(tǒng)軟件，具有運動控制功能、電解液供給功能、電源參數(shù)設(shè)定與監(jiān)控功能，提高了電解加工系統(tǒng)的靈活性與可拓性。通過對電解加工機(jī)床結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)的設(shè)計及工藝試驗的介紹，證明該機(jī)床可實現(xiàn)任意導(dǎo)程滾珠螺母滾道的電解加工。

關(guān)鍵詞：大導(dǎo)程滾珠螺母；滾道；電解加工機(jī)床；LabVIEW

大導(dǎo)程滾珠螺母是絲杠副的關(guān)鍵零部件，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域。滾珠螺母滾道的常用加工方法有車削-磨削工藝[1-2]。由于加工過程中存在磨桿與螺母內(nèi)壁的干涉問題，使?jié)L珠螺母的螺旋升角受到限制，對于螺旋升角＞17°的螺母滾道加工非常困難。

電解加工是利用金屬在外電源作用下，在電解液中發(fā)生陽極溶解的原理，將零件加工成形的一種特種加工技術(shù)。電解加工以工具電極無損耗、無加工殘余應(yīng)力、不受材料硬度及切削性能的影響、加工表面質(zhì)量好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于國防工業(yè)領(lǐng)域，成為制造發(fā)動機(jī)葉片等零部件的主要方法之一?；赑LC或虛擬儀器技術(shù)Labview開發(fā)的電解加工控制系統(tǒng)，其開放性與可拓性在電解加工工藝實驗中得到了驗證[3-5]。劉海擁等對球頭陰極電解加工做了深入的研究，其工藝特點在于加工靈活性強(qiáng)，對于加工復(fù)雜三維曲面具有很好的實用價值[6]。

針對機(jī)械加工滾珠螺母滾道的技術(shù)難點，本文提出了電解展成加工大導(dǎo)程滾珠螺母滾道的新技術(shù)，并可實現(xiàn)任意導(dǎo)程滾珠螺母滾道的加工。

1　機(jī)床結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)的設(shè)計

圖1是數(shù)控電解展成加工大導(dǎo)程滾珠螺母滾道的示意圖。球頭陰極固定在陰極導(dǎo)桿上，陰極導(dǎo)桿與滾珠螺母的軸心線平行；滾珠螺母裝夾在三爪卡盤上，卡盤由伺服電機(jī)驅(qū)動。脈沖電解電源的正、負(fù)極分別與工件、工具電極連接。一定壓力的電解液經(jīng)過球頭陰極的斜噴嘴進(jìn)入加工間隙。通過調(diào)節(jié)陰極導(dǎo)桿進(jìn)給速度與卡盤旋轉(zhuǎn)速度，可實現(xiàn)不同螺旋升角的滾珠螺母滾道的電解加工。

圖1　電解展成加工滾珠螺母滾道示意圖

1.1總體結(jié)構(gòu)

滾珠螺母滾道電解加工系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖2。主要由電解加工機(jī)床、恒溫控制的電解液循環(huán)過濾系統(tǒng)、高頻脈沖電解加工電源和電解加工集成控制系統(tǒng)四部分組成。在集成控制系統(tǒng)下，電解加工機(jī)床可實現(xiàn)精確的定位功能；高頻脈沖電解加工電源向正、負(fù)極提供穩(wěn)定的高頻脈沖電流，同時具有快速可靠的短路保護(hù)與能量釋放功能；電解液循環(huán)過濾系統(tǒng)能向加工間隙供給清潔、電導(dǎo)率較恒定的電解液，保證電解加工的一致性與可控性。

圖2　電解加工系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2機(jī)床結(jié)構(gòu)

在設(shè)計機(jī)床時，應(yīng)與加工工藝緊密聯(lián)系，以滿足特殊的加工工藝要求，如機(jī)床的剛性、耐腐蝕性、抗干擾性及密封性等。電解加工機(jī)床的主體部件主要包括床身、導(dǎo)軌、滑動組件、伺服電機(jī)、陰極部件、工作箱及工件夾具等，機(jī)床實物照片見圖3，特點如下：

（1）剛性好。機(jī)床主體采用龍門式結(jié)構(gòu)，確保了機(jī)床的剛性。

（2）耐腐蝕性強(qiáng)。機(jī)床的基體采用花崗石材質(zhì)，X、Y、Z軸采用封閉式滑臺模組，其外殼選用耐腐蝕性良好的316不銹鋼材料制成。

（3）密封性好。為了防止電解液水蒸氣對關(guān)鍵零部件的腐蝕，將加工過程中產(chǎn)生的氣體密封在工作箱內(nèi)，并通過排風(fēng)系統(tǒng)排出，還能降低有害氣體對人體的危害。

（4）定位精度高。X、Y、Z、U軸采用伺服驅(qū)動控制，配置高精度光柵尺，實現(xiàn)全閉環(huán)運動控制，運動精度達(dá)1 μm；旋轉(zhuǎn)軸（U軸）采用蝸輪蝸桿傳動，傳動比為1∶180，可實現(xiàn)高分辨率的旋轉(zhuǎn)運動，精度為0.01°。

圖3　電解加工機(jī)床實物圖

1.3電解液循環(huán)過濾系統(tǒng)

電解液循環(huán)過濾系統(tǒng)是電解加工設(shè)備中不可缺少的組成部分。為了實現(xiàn)小間隙精密電解加工，系統(tǒng)需保證電解液溫度恒定和微米級別的過濾精度。電解液供液及凈化系統(tǒng)主要由電解液槽、過濾裝置及管道等組成。電解液泵采用不銹鋼多級離心泵，額定出口壓力為1 MPa。工作液恒溫控制系統(tǒng)分為制冷系統(tǒng)與加熱系統(tǒng)：制冷系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器與膨脹閥組成；加熱系統(tǒng)主要由鈦合金材質(zhì)的加熱器與溫度檢測控制器組成。制冷系統(tǒng)與加熱系統(tǒng)通過微機(jī)實現(xiàn)聯(lián)合控制，可將電解液溫度控制在10～35℃范圍內(nèi)，誤差為±1℃。過濾系統(tǒng)由三級過濾器組成，過濾精度為1 μm。

1.4高頻脈沖電解加工電源

電解加工電源主電路采用“逆變+直流斬波+能量釋放模塊”的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以FPGA作為主控芯片，32位處理器（NIOSII）的片上系統(tǒng)（SOPC）作為電源的嵌入式系統(tǒng)。同時，結(jié)合電解加工工藝特點，將短路檢測電路實現(xiàn)全數(shù)字化檢測控制，提高了電源的抗干擾性能；用電流上升率來控制能量釋放器，有效地保護(hù)了工具電極與工件。此外，通過觸摸屏與電源控制板的實時通訊來控制電源參數(shù)，開發(fā)出了如圖4所示的電源操作人機(jī)交互界面。

1.5電解加工集成控制系統(tǒng)

電解加工機(jī)床集成控制系統(tǒng)的功能是對機(jī)床各單元進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，主要分為硬件系統(tǒng)和集成控制系統(tǒng)。如圖5所示，硬件系統(tǒng)包括工業(yè)控制計算機(jī)、PCI接口的運動控制卡（DMC2610）、USB接口的數(shù)據(jù)采集卡（USB-1608）、RS232/RS485接口的電源控制板。DMC2610是一款基于PCI總線的高性能運動控制卡，可控制六軸步進(jìn)或伺服電機(jī)，具有直線和圓弧插補(bǔ)功能，同時還具備編碼器位置鎖存、位置比較等高級功能。USB-1608具有8路全隔離差分輸入端口，可實現(xiàn)8路信號的同時采集、顯示和保存。電源控制板通過自定義協(xié)議與上位機(jī)實時通信，并通過上位機(jī)控制電解加工的電參數(shù)，如峰值電壓或峰值電流、脈沖頻率及占空比等。

圖4　高頻脈沖電解加工電源的人機(jī)交互界面

圖5　集成控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

集成控制系統(tǒng)以PCI總線為基礎(chǔ)，利用Lab-VIEW的虛擬儀器技術(shù)與狀態(tài)圖工具進(jìn)行設(shè)計。控制系統(tǒng)軟件的功能開發(fā)結(jié)合了電解加工工藝的特點，采用了模塊化的設(shè)計方式，集成了運動控制功能（圖6a）、電源參數(shù)設(shè)定與監(jiān)控功能（圖6b）及電解液供給功能（圖6c）。

圖6　電解加工控制系統(tǒng)人機(jī)交互界面

運動控制功能由點動模塊、定長運動模塊、NC程序控制運動模塊和滾珠螺母滾道專用加工模塊等組成，專用加工模塊具有加工短路后按螺旋線軌跡回退的功能。電源參數(shù)設(shè)定與監(jiān)控功能包含控制電解加工電源的峰值電壓或峰值電流、脈沖頻率及占空比、設(shè)定電流上升率的限制值、記錄加工過程中的異常點個數(shù)等功能；當(dāng)加工過程中出現(xiàn)短路時，電源立即保護(hù)自鎖，同時觸發(fā)短路信號，電解加工集成控制系統(tǒng)的運動控制模塊實現(xiàn)進(jìn)給軸的回退，保護(hù)陰極與工件。

2　工藝試驗

工藝試驗在圖3所示的數(shù)控電解加工機(jī)床上進(jìn)行，采用球頭陰極斜噴嘴電解展成加工圓弧滾道的方法，加工現(xiàn)場見圖7。選取的滾珠螺母內(nèi)徑為32 mm，螺母材料為GCr15軸承鋼；球頭陰極直徑為6 mm。電解加工工藝參數(shù)如下：峰值電壓為10 V，占空比為40 %，脈沖頻率為2 kHz，電解液為15 % 的NaNO3溶液，電解液壓力為0.2 MPa，電解液溫度為25℃，進(jìn)給速度為0.3 mm/min。加工得到的滾珠螺母見圖8，螺旋升角為45°。

圖7　電解展成加工滾珠螺母滾道

圖8　電解加工后的滾珠螺母

3　結(jié)語

設(shè)計了專用的加工大導(dǎo)程滾珠螺母滾道的四軸數(shù)控電解加工機(jī)床，基于LabVIEW圖形化程序開發(fā)了控制系統(tǒng)軟件。該軟件的控制功能結(jié)合了電解加工工藝的特點，采用了模塊化的設(shè)計方式，集成了運動控制功能、電源參數(shù)設(shè)定與監(jiān)控功能和電解液供給功能。同時，可根據(jù)工藝特點調(diào)整軟件功能，提高了電解加工系統(tǒng)的靈活性與可拓性。試驗證明，該機(jī)床可實現(xiàn)不同螺旋升角的滾珠螺母滾道加工。

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參考文獻(xiàn)：

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[5]陳遠(yuǎn)龍，王天霽，萬勝美．基于PLC和觸摸屏技術(shù)的數(shù)控電解加工機(jī)床研制[J].電加工與模具，2005（3）：56-59.

[6]劉海擁，康敏，傅秀清，等.球頭陰極電解加工工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響[J].電加工與模具，2010（2）：56-59.

Electrochemical Machine Tool for Manufacturing Large-lead Ball Nut Raceway

Liu Guixian，Zhang Yongjun，Luo Hongping，Zhou Chao，Wang Yanan，Zhang Chuanyun
（School of Electro-mechnical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

Abstract：In order to realize the electrochemical machining of large-lead ball nuts raceway，the special electrochemical machine tool for manufacturing large-lead ball nut raceway is developed. The control system of the machine tool is designed based on LabVIEW and state diagram. The machine posses motion control function，electrolyte supply function，power parameter setting and monitoring functions，which improve the flexibility and extension of electrolytic process system. The structure design，control system design and the process experiment of electrochemical machine tool were introduced，which proved arbitrary lead -ball nut raceway can be machined by the electrochemical machine tool.

Key words：large-lead ball nut；raceway；electrochemical machine tool；LabVIEW

第一作者簡介：劉桂賢，男，1987年生，博士研究生。

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（51105080，51205137）

收稿日期：2015-09-01

中圖分類號：TG662

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009－279X（2016）01－0059-03