基于Control-mind數(shù)控系統(tǒng)的電液束設(shè)備控制功能開發(fā)

李玉麒，葉俊強(qiáng)

（1.中國航空制造技術(shù)研究院，北京100024；2.北京科明德科技有限公司，北京101102）

電液束加工是通過在工件兩端施加一定的電壓、以酸性電解液為導(dǎo)電介質(zhì)進(jìn)行電化學(xué)陽極溶解的一種加工方式。電液束加工技術(shù)具有加工出的孔洞無再鑄層、無微裂紋和無熱影響區(qū)等特點(diǎn)，很適合應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的冷卻孔加工[1]。

中國航空制造技術(shù)研究院的科研人員在電液束加工技術(shù)的工藝和設(shè)備開發(fā)方面都開展了較為深入的研究，形成了具有自身特色的電液束加工技術(shù)[2-3]，開發(fā)了包括了數(shù)控、運(yùn)動(dòng)控制卡以及運(yùn)動(dòng)控制器等設(shè)備控制方式的多種電液束加工設(shè)備[4-5]。

現(xiàn)有電液束加工設(shè)備的主流數(shù)控系統(tǒng)為三軸系統(tǒng)，沿著水平X、Y方向移動(dòng)的工作臺(tái)裝卡工件，以垂直于工作臺(tái)的Z軸為加工進(jìn)給軸，其加工方式已經(jīng)很成熟。但現(xiàn)有電液束設(shè)備的控制可擴(kuò)展性不夠，無對(duì)刀功能且加工孔的入口孔型一致性難以得到保證，在人工輸入、修改數(shù)控程序時(shí)易出現(xiàn)錯(cuò)誤。因此，本文以現(xiàn)有設(shè)備為基礎(chǔ)開發(fā)了一款具有定制界面和特定功能的電液束加工設(shè)備，以滿足新的加工工藝需求。

1 設(shè)備控制設(shè)計(jì)

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制技術(shù)的進(jìn)步，電液束設(shè)備的要求也越來越高。本文根據(jù)某型葉片氣膜孔的加工要求開發(fā)一臺(tái)五軸電液束小孔自動(dòng)加工設(shè)備，該設(shè)備需要具備電極自動(dòng)對(duì)刀、自動(dòng)換位等功能。

Control-mind數(shù)控系統(tǒng)使用了目前世界最前沿的軟數(shù)控技術(shù)，能提供給用戶最大的選擇和靈活性，其CNC軟件全部裝在計(jì)算機(jī)中，而硬件部分僅是計(jì)算機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)器和外部I/O之間的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口。用戶可在Windows平臺(tái)上利用開放的CNC內(nèi)核開發(fā)所需的各種功能，從而構(gòu)成各種類型的高性能數(shù)控系統(tǒng)[6]。

1.1 硬件組成

鑒于Control-mind數(shù)控系統(tǒng)具有開放、靈活的特點(diǎn)，以Control-mind數(shù)控系統(tǒng)為核心，搭配相應(yīng)硬件來構(gòu)造新開發(fā)設(shè)備的控制系統(tǒng)，并開發(fā)特定的加工工藝功能，以實(shí)現(xiàn)對(duì)特殊工件進(jìn)行打孔加工。該設(shè)備的控制主要由Control-mind數(shù)控系統(tǒng)、工控機(jī)、交流伺服驅(qū)動(dòng)器以及交流伺服電機(jī)組成（圖1）。

圖1 系統(tǒng)原理圖

X、Y、Z、B軸的交流伺服驅(qū)動(dòng)器和交流伺服電機(jī)分別選用MOTEC的β系列伺服驅(qū)動(dòng)器和SGM系列伺服電機(jī)。C軸作為工作臺(tái)平面的旋轉(zhuǎn)軸，具有一定的空間局限性，故相應(yīng)的交流伺服電機(jī)選用了NIKKI直驅(qū)伺服電機(jī)，并將該直驅(qū)電機(jī)直接連接至驅(qū)動(dòng)部位，可實(shí)現(xiàn)高精度定位。又由于C軸電機(jī)位于工作箱中，需對(duì)其進(jìn)行防腐蝕處理并采用充氣正壓的保護(hù)手段進(jìn)行防護(hù)。

Control-mind數(shù)控系統(tǒng)安裝在工控機(jī)內(nèi)，通過擴(kuò)展端子板發(fā)出脈沖控制交流伺服驅(qū)動(dòng)。交流伺服驅(qū)動(dòng)的操作模式為“脈沖/方向”模式、控制模式為位置控制模式。由直線軸X、Y軸調(diào)整加工電極的位置，由旋轉(zhuǎn)軸B、C軸調(diào)整工件的空間角度。通過這四個(gè)軸，工件可被調(diào)整至空間任意位置。以Z軸為加工軸，當(dāng)工件調(diào)整好加工位置后，Z軸就可按照程序進(jìn)行加工。所有的電機(jī)都選擇絕對(duì)值編碼器，可在斷電情況下記憶當(dāng)前坐標(biāo)位置，當(dāng)恢復(fù)供電及處理故障/報(bào)警后，系統(tǒng)可在停止位置繼續(xù)加工。

1.2 參數(shù)設(shè)置

新開發(fā)設(shè)備的硬件連接好后，即可對(duì)其進(jìn)行軟件方面的調(diào)試。首先，打開安裝目錄下的Mtdrv.ini、Mtasc.ini文件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

以下設(shè)置位于Mtdrv.ini文件內(nèi)：

CoderType=1:（0:不讀取驅(qū)動(dòng)器絕對(duì)值，1:讀取驅(qū)動(dòng)器絕對(duì)值）

（1）單軸輸出及反饋

；Axes/calibration---Tab2:（對(duì)應(yīng)Mtconfig中的軸參數(shù)項(xiàng)）

AcToMcFac=.001.001.001.001.001:電子齒輪比

dAcdCorr=00000:反向間隙

IcFac=11111:編碼器反饋方向（可設(shè)置范圍為:1或-1；若軟件執(zhí)行運(yùn)動(dòng)指令后飛車，此值取反）

（2）范圍限制

；Rangelimits---Tab3:（對(duì)應(yīng)Mtconfig中的范圍限制項(xiàng)）

McLimMin=-1000-1000-1000-1000......：行程最小范圍

McLimMax=1000100010001000......:行程最大范圍

CheckSwLim=3333......:軟限位檢測(cè)（設(shè)置3為生效，0為不生效）

CheckHwLim=0000......:硬限位檢測(cè)（設(shè)置3為生效，0為不生效）

以下設(shè)置位于Matsc.ini文件內(nèi)：

（1）單位設(shè)置

UnitIndex=0

UnitMM=mm

UnitSec=sec

UnitDeg=Grad

UnitVel=mm/sec

UnitAcc=mm/sec2

（2）速度/加速度設(shè)置

：默認(rèn)速度/加速度(對(duì)應(yīng)Mtconfig中的速度/加速度項(xiàng))

SpeedFast=100.0:MF_F

SpeedSlow=50.0:ML_F

SpeedDown=50.0:MLD_F（=0，則為ML_F）

AccelFast=300.0:MF_R

AccelSlow=300.0:ML_R

AccelDown=500.0:MLD_R（=0，則為ML_R）

speedrock=250.00100.002.001.80......:MP_F（搖把速度）

SpeedPosi=50.0008.0009.0007.000......:MP_F（示教器速度）

AccelPosi=500.0500.0500.0500.0......:MP_R（搖把或示教器的加速度）

（3）回原點(diǎn)相關(guān)參數(shù)設(shè)置

RefDir=1111......:回參考點(diǎn)時(shí)運(yùn)動(dòng)方向

RefDist=2.02.00.00.0......:到達(dá)參考點(diǎn)后反向移動(dòng)距離

RefDistCorr=0.00.00.00.0

iRefInput=12131415......:參考點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入點(diǎn)序號(hào)

RefSpeedFast=70.1:回零速度

RefSpeedSlow=5.0:回零后反向移動(dòng)速度

RefSequence=ZYXBC:回零軸順序

RefMask=3:回零掩碼值二進(jìn)制位對(duì)應(yīng)軸號(hào)4321

在本系統(tǒng)中還可對(duì)DefineMacro.ts（定義基本變量/宏文件）、Gclint.ts（定義G代碼文件）、MccScale.ts（螺距補(bǔ)償文件）、PLC.ts（定義PLC文件）等進(jìn)行更改。

（1）DefineMacro.ts定義基本變量/宏文件

主要的幾個(gè)宏有：

①_MotOn伺服使能開，_MotOff伺服使能關(guān)。

②Zmesure，加工機(jī)測(cè)量（Z向下移動(dòng)測(cè)）。

③STest，加工機(jī)測(cè)量的整個(gè)過程（下測(cè)-寫數(shù)據(jù)-抬起），分手動(dòng)測(cè)和自動(dòng)測(cè)兩種方式，可調(diào)用宏ZMesure。

④JMesure，手動(dòng)測(cè)量的整個(gè)過程（到手動(dòng)位置-調(diào)用STest測(cè)量-返回到安全高度）。

⑤Shole，當(dāng)前位置鉆孔的整個(gè)過程(到起鉆位-開電源-下鉆檢測(cè)返液-完成抬起)，分手動(dòng)鉆和自動(dòng)鉆兩種方式。

（2）GcInit.ts定義G代碼文件

G05代碼實(shí)現(xiàn)_gCodeGlb[0].gHandlers[5]的過程如下：

①計(jì)算下一個(gè)孔位置。

②下一個(gè)孔位置與當(dāng)前孔位置B、C軸坐標(biāo)不同時(shí)，Z軸先移動(dòng)到安全位置；B、C軸坐標(biāo)相同時(shí)移動(dòng)到下一個(gè)孔位置/測(cè)量位置。

③B、C軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

④X、Y軸移動(dòng)。

⑤調(diào)用鉆孔（SHole）或測(cè)量（STest）宏。

（3）MccScale.ts螺距補(bǔ)償文件

相關(guān)過程為：

local“nData”;

nData=200；//補(bǔ)償表總數(shù)據(jù)

（drv.fag0）.mcc4nData；//參數(shù)1-補(bǔ)償軸數(shù)，參數(shù)2-所有軸補(bǔ)償數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)

//drv.fag0此處0為第1通道，依次類推。

mcc=>（drv.fag0）.mcc.mcco[0]；//mcco[0]0-軸結(jié)構(gòu)（范圍0～3，上面設(shè)置4個(gè)軸；可以到16個(gè)）

mcc.mccType=1；//補(bǔ)償類型

mcc.iSrc=0；//檢測(cè)運(yùn)動(dòng)距離軸

mcc.iDst=0；//補(bǔ)償軸，與iSrc相同時(shí)為螺距補(bǔ)償。不同時(shí)為目標(biāo)軸根據(jù)源軸距離變化時(shí)運(yùn)動(dòng)（可做成一軸動(dòng)另一軸也運(yùn)動(dòng)）。

mcc.iData=0；//補(bǔ)償數(shù)組MD[]開始索引；最大nData

mcc.nData=5；//總補(bǔ)償數(shù)目

mcc.pFirst=100；//開始的MC位置

mcc.pIncr=100.0；//行程間隔

//產(chǎn)生數(shù)據(jù)表

i=mcc.iData-1；

md[i=i+1]=0.00；//100～200第一個(gè)數(shù)據(jù)必須為較小數(shù)值<0.05(代碼為當(dāng)前數(shù)據(jù)+下一個(gè)的線性分割值)

md[i=i+1]=-2.00；//200～300

md[i=i+1]=-3.00；//300～400

md[i=i+1]=-6.00；//400～500

md[i=i+1]=2.00；//500以上

（drv.fag0）.mcc.cFlag=1；//補(bǔ)償使能

2 特定功能開發(fā)

根據(jù)加工工藝要求，在Control-mind數(shù)控系統(tǒng)里開發(fā)了適合新開發(fā)設(shè)備的定制界面及特定功能。

2.1 對(duì)刀功能

由于電液束的加工電極為玻璃電極，無法像機(jī)械加工一樣進(jìn)行碰觸式對(duì)刀來獲得對(duì)刀位置值，也就無法保證玻璃電極與工件之間的間隙穩(wěn)定。而該穩(wěn)定間隙與加工的小孔入口形狀有很大關(guān)系，因此本文在玻璃電極旁安裝一個(gè)金屬針電極（圖2），并在該金屬針電極和工件之間設(shè)置電信號(hào)處理模塊，當(dāng)金屬針電極和工件發(fā)生對(duì)刀時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)并傳遞給控制系統(tǒng)。金屬針電極和玻璃電極在Z方向位置一致，二者之間在空間上存在（ΔX，ΔY）的偏差，該偏差經(jīng)過預(yù)先校對(duì)并輸入系統(tǒng)里。通過金屬針電極跟工件之間的對(duì)刀，可得到Z方向位置坐標(biāo)，經(jīng)過計(jì)算轉(zhuǎn)換獲取玻璃電極得到補(bǔ)償后的X軸、Y軸的位置值，通過這種方式間接賦予玻璃電極實(shí)際加工的位置值。

圖2 對(duì)刀位置轉(zhuǎn)換示意圖

根據(jù)加工工藝要求，本文在Control-mind數(shù)控系統(tǒng)里開發(fā)了兩種對(duì)刀功能。一種是自動(dòng)對(duì)刀功能。在測(cè)量模式下，根據(jù)理論加工的孔坐標(biāo)（圖3）執(zhí)行對(duì)刀程序。金屬針電極按照理論坐標(biāo)點(diǎn)挨個(gè)進(jìn)行對(duì)刀動(dòng)作，Control-mind數(shù)控系統(tǒng)把每個(gè)孔的對(duì)刀坐標(biāo)記錄下來，生成一個(gè)加工文件（圖4），然后系統(tǒng)切換至加工模式，調(diào)用該加工文件并執(zhí)行該加工。

圖3 理論加工點(diǎn)坐標(biāo)

圖4 對(duì)刀后加工點(diǎn)坐標(biāo)

另一種是手動(dòng)對(duì)刀模式。根據(jù)加工要求，先把金屬針電極運(yùn)行到起始孔位置，點(diǎn)擊“測(cè)量1”鍵，執(zhí)行對(duì)刀動(dòng)作。當(dāng)對(duì)刀信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，金屬針電極停止進(jìn)給，此時(shí)點(diǎn)擊“讀取1”鍵，當(dāng)前金屬針電極位置值、玻璃電極的位置值自動(dòng)添加在列（圖5）。接著，再把金屬針電極運(yùn)行到終止孔，執(zhí)行同樣的動(dòng)作，讀取當(dāng)前位置值。根據(jù)加工的要求，按照這一行孔的個(gè)數(shù)添加均分的數(shù)量，然后再添加代碼，生成單個(gè)孔的加工程序（圖6）。

圖5 首末孔設(shè)置界面

圖6 單個(gè)孔加工程序

如果這一排孔有不同的均分排列，則可在第一段孔的程序生成后，按一下“位置交換”鍵，把第一段孔的終止孔變成第二段孔的起始孔；在第二段孔的終止孔對(duì)完刀并讀取數(shù)值后，勾選“去掉起始孔”選項(xiàng)，這時(shí)再“添加代碼”，就把第二段孔的程序添加在第一段孔的程序后面。依此類推，可針對(duì)一排孔添加多段不同均分的孔程序。

2.2 自動(dòng)判斷安全位置功能

為了提高加工效率及加工過程安全性，本文在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一些保護(hù)功能。

在對(duì)刀過程中，可設(shè)置金屬針的一些屬性。如圖7所示，在機(jī)床參數(shù)中可對(duì)“探針探測(cè)速度”“探針安全位置”“最大探測(cè)距離”進(jìn)行設(shè)置。金屬針以“快速”的速度迅速到達(dá)“探針安全距離”，然后以“探針探測(cè)速度”慢速進(jìn)行對(duì)刀，如果在“最大探測(cè)距離”內(nèi)就發(fā)生對(duì)刀，則記錄當(dāng)前位置值。如果在“最大探測(cè)距離”到達(dá)時(shí)，還沒發(fā)生對(duì)刀，則給系統(tǒng)提示一個(gè)“未完成測(cè)量”的信息，對(duì)刀動(dòng)作結(jié)束。

圖7 機(jī)床參數(shù)設(shè)置

在加工過程中，就同一排孔而言，如果未出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸（B、C軸）變化，則加工軸Z移動(dòng)到下一個(gè)孔高度；如果旋轉(zhuǎn)軸（B、C軸）變化，則加工軸Z先移動(dòng)到安全高度，該安全高度可在“機(jī)床參數(shù)”里根據(jù)實(shí)際情況修改（圖7）；旋轉(zhuǎn)軸（B、C軸）接著再旋轉(zhuǎn)，最后加工軸再進(jìn)給到下一個(gè)孔位置（對(duì)刀位置加上加工間隙）進(jìn)行加工。

3 結(jié)束語

本文開發(fā)的五軸電液束小孔自動(dòng)加工設(shè)備，已經(jīng)在某型葉片加工電液束打孔中得到應(yīng)用。新開發(fā)的機(jī)床增加對(duì)刀功能之后，加工孔入口處的孔型一致性相比原先沒有對(duì)刀功能的機(jī)床要好很多，無論是自動(dòng)對(duì)刀還是手動(dòng)對(duì)刀功能都滿足了加工工藝要求；同時(shí)，新增的自動(dòng)生成加工程序功能則減少了操作人員的輸入錯(cuò)誤，降低加工出錯(cuò)的幾率。此外，Control-mind數(shù)控系統(tǒng)具有根據(jù)工藝要求靈活開發(fā)特定功能的屬性，在新開發(fā)的設(shè)備上也得到了很好的體現(xiàn)。