空間曲面線切割多軸聯動加工系統開發及應用*

王新榮 王 萍 劉新柱

(佳木斯大學機械工程學院，黑龍江佳木斯 154007)

在現有高速走絲電火花線切割加工技術基礎上，筆者開發出通用性很強的空間曲面電火花線切割多軸聯動加工系統。該系統是以“轉擺擺數控工作臺”作為主要硬件裝置，加上三維加工信息流控制技術，與國產高速走絲電火花線切割機床相結合，從根本上解決空間曲面零件高速走絲電火花線切割加工的關鍵技術問題，擴大了電火花線切割加工工藝的應用范圍。與此同時，利用該系統，還可以對現有的高速走絲電火花線切割機床進行改造，擴大這些機床的應用范圍，大幅度提高了復雜曲面電火花線切割加工的加工質量和生產效率［1－2］。

1 多軸聯動加工系統的組成及應用

電火花線切割多軸聯動加工系統是專為實現空間直紋曲面零件加工而開發的數控系統，此系統最大限度地包括了電火花線切割加工的所有運動參數，進一步擴大了線切割加工的工藝范圍。此系統是由高速走絲數控電火花線切割機床和轉擺擺數控工作臺附件組成。通過五軸聯動控制系統控制工件沿X軸、Y軸移動和繞X軸、Y軸、Z軸轉動(即A、B、C)，實現移、移、轉、轉、轉五軸聯動。其主要運動參數有X、Y、A、B、C，運動形式通式為Σ(X+Y+A+B+C)。實質上，前人所研究的平面加工系統、極坐標加工系統、三軸和四軸聯動加工系統都是五軸聯動加工系統在一定條件下的特例。此系統可以加工所有上下異形或同形的三導線曲面零件(如上導線為正六邊形，下導線為圓形的三導線曲面;上、下導線均為三瓣玫瑰線的三導線曲面;上導線為雙紐線，下導線為圓形的三導線曲面等)和多種復雜直紋曲面零件(如正螺旋面;四棱扭轉錐臺;正弦曲線型面;雙曲面;六棱錐等)。

2 五軸聯動加工數學模型的建立

知道了空間曲面線切割加工的運動形式后，可以通過建立母線AtBt運動軌跡方程的方法來建立一般數學模型，進一步分析空間曲面線切割加工的運動規律。

2.1 五軸聯動加工系統的符號說明

如圖1所示，選擇工件旋轉軸線為Zt軸，回轉臺臺面為XtOtYt面。工件繞Zt軸旋轉，角速度為ω，則轉角φ=ωt，而 ρ1(φ)、ρ2(φ)分別為三導線曲面零件中上、下導線極坐標函數，上、下導線所在平面相互平行，并平行于XtOtYt面。選擇下導線ρ2(φ)與電極絲初始接觸于A點，電極絲與上導線 ρ1(φ)初始接觸于B點，O'B與XtOtZt坐標面夾角為φ0，φ0為工件繞Xt軸初始旋轉角，h為上下導線距離。

2.2 一般數學模型的建立

在數學模型的建立過程中，假設工件保持不動，五軸聯動的所有運動都集中復合到電極絲相對于固定工件的運動上來。下面通過數學的方法，建立動直線At Bt的運動軌跡方程，來建立五軸聯動加工的一般數學模型［3］。

(1)At點和Bt點坐標

(2)母線AtBt運動的方程(相對于OtXtYtZt坐標系)電極絲AtBt在t時刻在OtXtYtZt坐標系中的方向數為

式(3)就是動直線掃過的空間直紋曲面的參變量方程，其中S為參變量。

(3)一般數學模型的評述

在式(1)中，除了幾個事先定好的參數φ0、ω、h以外，還有兩個未知的上、下導線函數 ρ1(φ)、ρ2(φ)需要確定，它們是這一部分的關鍵因素。只要已知ρ1(φ)和 ρ2(φ)，事情就可以通過式(1)～(3)全部解決。因此，式(1)～(3)是五軸聯動加工系統的通用數學模型。針對不同的三導線曲面零件的加工，只需要討論具體涉及到的ρ1(φ)和ρ2(φ)就可以了。

3 五軸聯動加工運動分析

轉、擺、擺數控工作臺是線切割五軸聯動加工系統的重要組成部分，其上具有1個轉臺和2個擺臺，傳動原理如圖2所示［4］。步進電動機3固定于基體上，由它通過齒輪副及蝸輪副傳動，實現下擺臺擺動;步進電動機2固定于下擺臺上，由它通過另一套齒輪副及蝸輪副傳動，使上擺臺擺動;步進電動機1固定于上擺臺上，由它通過第3套齒輪副及蝸輪副傳動，使回轉臺轉動。工件裝夾在回轉臺上，這樣工件就可以實現1個轉動、2個擺動的合成運動。如果將轉擺擺數控工作臺與電火花線切割機床的原工作臺配合使用，即可實現五軸聯動加工，也就是實現工件沿X軸、Y軸移動和繞X軸、Y軸、Z軸轉動。

4 轉、擺、擺數控工作臺結構設計

為了使轉擺擺數控工作臺能實現不同半徑尺寸的三導線曲面零件的加工，要求回轉臺的轉動中心與上擺臺的擺動軸心之間的距離可調，即e值大小可調整，如圖3所示。為了加工和調整方便，上、下擺臺的擺動軸線必須相交，而且交點應與回轉臺臺面同高，即交點落在工件的底面上，否則，工件加工前調整困難。由于結構限制(存在3根轉軸)，因此，擺動軸不能做成一根長軸，而需要做成曲軸形狀。但是，眾所周知，曲軸不僅制造困難、裝配也不容易，為此設計了如圖3所示的上擺臺的擺動軸結構及擺動中心調整機構，圖中1、6為擺動軸，它們與滑塊7、9為一體，滑塊為長方體;2為上擺臺的轉軸支座;8為上擺臺臺面，它的兩端有與滑塊相配合的槽，使上擺臺在槽內滑動，以調整擺動中心e值;3為一連接桿，用于安裝調整件，5為調整彈簧，4為調整螺釘。該結構將曲軸一分為三，分別由 1、3、6組成，制造時互不干涉，裝配也簡單。下擺臺的擺動軸結構與上擺臺的擺動軸結構相似，需要做成曲軸形狀，不過下擺臺的擺動中心位置不可調整。

在滿足加工精度及使用要求的前提下，轉擺擺數控工作臺的結構應盡量簡單，工藝性要好，容易制造。此外，設計時還應該注意轉擺擺數控臺的體積小、重量輕、外形美觀等特點。綜合上述各項指標而設計的轉擺擺數控臺如圖4所示，轉擺擺數控工作臺具有普遍的適用性。

5 多軸聯動加工數控系統的開發

基于Windows操作系統和可編程多軸控制器(PMAC)，開發出空間曲面多軸聯動電火花線切割加工數控系統。PMAC是一個多任務實時計算機系統，可以實現復雜的實時運動控制任務，具有高度的開放性。設計并實現了基于可編程多軸控制器(PMAC)的開放式體系結構電火花線切割加工數控系統的硬件體系。該硬件體系實時性強，系統穩定性好，同時具有良好的開放性和可擴展性。多軸聯動電火花線切割加工數控系統主要包括數控裝置、脈沖電源控制機以及間隙電壓檢測裝置、運動控制器等。并開發出一套加工性能穩定的多軸聯動電火花線切割加工數控系統軟件。

6 空間曲面零件五軸聯動加工實驗

6.1 加工結果

現以多軸聯動加工系統在X+B+C+E運動形式下，加工拉拔模為例說明樣件的加工過程。如圖5所示，該拉拔模分兩部分，一段帶斜度，另一段是直壁部分。斜度部分是由圓平滑過渡到矩形的三導線直紋曲面，需要采用轉擺擺數控臺才能加工;直壁部分是四棱柱面，采用機床原有X、Y坐標切割即可。斜度部分與直壁部分需分兩次切割，先進行斜度加工，然后再進行直壁加工。圖6為加工出的拉拔模實體圖。

6.2 影響加工精度的因素

6.2.1 轉擺擺工作臺回擺及絲杠間隙對加工精度的影響

在加工中，由于空間曲面零件的造型特征決定了數控轉擺擺工作臺必須經常回擺，X、Y兩軸也要經常換向運動，才能實現空間曲面加工。由于工作臺以及絲杠的機械結構導致了在回擺及往復運動時有一定的回程間隙，這樣會造成工件回擺角度產生一定偏差，使得實際加工得到的擺角要比期望的擺角小，導致試驗加工得到的零件尺寸比仿真結果尺寸出現偏差。要想改善加工狀況不僅要提高工作臺的制造精度、選用高精度絲杠，還要從原理上提出有效的解決辦法及措施。

6.2.2 數控模型對加工精度的影響

如圖1所示，經過時間t工件旋轉角度為φ=ωt，上導線極徑值為 ρ=ρ1(φ)，下導線極徑值為 ρ=ρ2(φ)，通過在時間t前后上下導線各自極徑的變化得到了X、Y、A、B、C五軸各自的運動增量，這樣就確定了電極絲在t時刻的另一空間位置。兩個位置間用直線連接，這條直線就是工件的實際行走路徑。因此，數控模型決定了電極絲按照分度直線擬合運動而沒有沿著上下導線的參數方程行走，造成原理誤差，實際加工中產生微小加工波紋，尤其在上下導線由幾段參數方程組成時，兩段交點處很容易造成工件形狀的失真［5］。

7 結語

本文對電火花線切割多軸聯動加工進行了詳細分析，研究了空間曲面線切割加工的運動規律，建立了通用數學模型體系。研制了轉擺擺數控工作臺，開發了五軸聯動加工數控系統，為實現電火花線切割五軸聯動加工實踐奠定了基礎。進行了空間曲面零件的加工實驗，加工出理想的空間曲面零件，驗證了所建數學模型的正確性及轉擺擺工作臺的合理性。分析出影響加工精度的主要因素，解決了空間曲面高速走絲電火花線切割加工的加工難題。

［1］趙萬生.先進電火花加工技術［M］.北京:國防工業出版社，2003:170－207.

［2］任福君，劉晉春，趙萬生，等.復雜曲面電火花多軸加工計算機仿真研究［J］.機械工程學報，2000，36(7):78 －85.

［3］任福君.空間曲面電火花線切割運動學及其應用［M］.北京:中國科學技術出版社，2004.

［4］王新榮.電火花線切割多軸聯動加工運動學及其應用研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學，2000.

［5］任福君，姜永成.空間曲面電火花線切割CAD/CAM系統［J］.機械工程學報，2007，43(5).