空间曲面线切割多轴联动加工系统开发及应用

空间曲面线切割多轴联动加工系统开发及应用
王新荣;王萍;刘新柱
【摘要】开发了能实现空间曲面零件电火花线切割加工的多轴联动加工系统,分析了系统的组成和运动参数.依据空间解析几何直纹曲面形成原理,建立了五轴联动加工的数学模型体系,获得了五轴联动加工三导线曲面零件的数学模型.研制了多轴联动加工系统的执行机构转摆摆数控工作台及数控系统,加工出理想的实验样件.解决了空间曲面零件的加工难题,拓宽了高速走丝电火花线切割加工的应用范围.该方法在模具制造及空间曲面零件加工中得到广泛应用.%In this paper, a WEDM multi-axis linkage machining system of space curved surface was developed, and the systemic buildup and its corresponding motion parameters were analyzed. According to the spatial analytical geometry forming principle of ruled surface, the mathematics modeling of five-axis linkage was done, and the mathematics general models of machining three-axle curved surface by five—axis linkage WEDM system were obtained. The rotary table with two sways which served as actuating mechanism and its NC system were developed, and the satisfactory work—pieces can be machined. This system can solve the problem of machining complex space curved surface, and widen the application range of HS-WEDM machine tool, and this method will be increasingly used in the fields of mould manufacture and the space curved surface machining.【期刊名称】《制造技术与机床》
【年(卷),期】2012(000)002
【总页数】4页(P86-88,91)
【关键词】电火花线切割;五轴联动;加工系统;建模
【作者】王新荣;王萍;刘新柱
【作者单位】佳木斯大学机械工程学院,黑龙江佳木斯154007;佳木斯大学机械工
程学院,黑龙江佳木斯154007;佳木斯大学机械工程学院,黑龙江佳木斯154007【正文语种】中文
【中图分类】TG66
在现有高速走丝电火花线切割加工技术基础上，笔者开发出通用性很强的空间曲面电火花线切割多轴联动加工系统。

该系统是以“转摆摆数控工作台”作为主要硬件装置，加上三维加工信息流控制技术，与国产高速走丝电火花线切割机床相结合，从根本上解决空间曲面零件高速走丝电火花线切割加工的关键技术问题，扩大了电火花线切割加工工艺的应用范围。

与此同时，利用该系统，还可以对现有的高速走丝电火花线切割机床进行改造，扩大这些机床的应用范围，大幅度提高了复杂曲面电火花线切割加工的加工质量和生产效率［1－2］。

1 多轴联动加工系统的组成及应用
电火花线切割多轴联动加工系统是专为实现空间直纹曲面零件加工而开发的数控系统，此系统最大限度地包括了电火花线切割加工的所有运动参数，进一步扩大了线切割加工的工艺范围。

此系统是由高速走丝数控电火花线切割机床和转摆摆数控工作台附件组成。

通过五轴联动控制系统控制工件沿X轴、Y轴移动和绕X轴、Y轴、Z轴转动(即A、B、C)，实现移、移、转、转、转五轴联动。

其主要运动参数有X、Y、A、B、C，运动形式通式为Σ(X+Y+A+B+C)。

实质上，前人所研究的平面加
工系统、极坐标加工系统、三轴和四轴联动加工系统都是五轴联动加工系统在一定条件下的特例。

此系统可以加工所有上下异形或同形的三导线曲面零件(如上导线
为正六边形，下导线为圆形的三导线曲面;上、下导线均为三瓣玫瑰线的三导线曲面;上导线为双纽线，下导线为圆形的三导线曲面等)和多种复杂直纹曲面零件(如正螺旋面;四棱扭转锥台;正弦曲线型面;双曲面;六棱锥等)。

2 五轴联动加工数学模型的建立
知道了空间曲面线切割加工的运动形式后，可以通过建立母线AtBt运动轨迹方程的方法来建立一般数学模型，进一步分析空间曲面线切割加工的运动规律。

2.1 五轴联动加工系统的符号说明
如图1所示，选择工件旋转轴线为Zt轴，回转台台面为XtOtYt面。

工件绕Zt轴旋转，角速度为ω，则转角φ=ωt，而ρ1(φ)、ρ2(φ)分别为三导线曲面零件中上、下导线极坐标函数，上、下导线所在平面相互平行，并平行于XtOtYt面。

选择下导线ρ2(φ)与电极丝初始接触于A点，电极丝与上导线ρ1(φ)初始接触于B点，
O'B与XtOtZt坐标面夹角为φ0，φ0为工件绕Xt轴初始旋转角，h为上下导线
距离。

2.2 一般数学模型的建立
在数学模型的建立过程中，假设工件保持不动，五轴联动的所有运动都集中复合到电极丝相对于固定工件的运动上来。

下面通过数学的方法，建立动直线At Bt的运动轨迹方程，来建立五轴联动加工的一般数学模型［3］。

(1)At点和 Bt点坐标
(2)母线AtBt运动的方程(相对于OtXtYtZt坐标系)电极丝AtBt在t时刻在OtXtYtZt坐标系中的方向数为
式(3)就是动直线扫过的空间直纹曲面的参变量方程，其中S为参变量。

(3)一般数学模型的评述
在式(1)中，除了几个事先定好的参数φ0、ω、h以外，还有两个未知的上、下导线函数ρ1(φ)、ρ2(φ)需要确定，它们是这一部分的关键因素。

只要已知ρ1(φ)和
ρ2(φ)，事情就可以通过式(1)～(3)全部解决。

因此，式(1)～(3)是五轴联动加工系统的通用数学模型。

针对不同的三导线曲面零件的加工，只需要讨论具体涉及到的ρ1(φ)和ρ2(φ)就可以了。

3 五轴联动加工运动分析
转、摆、摆数控工作台是线切割五轴联动加工系统的重要组成部分，其上具有1
个转台和2个摆台，传动原理如图2所示［4］。

步进电动机3固定于基体上，由它通过齿轮副及蜗轮副传动，实现下摆台摆动;步进电动机2固定于下摆台上，由
它通过另一套齿轮副及蜗轮副传动，使上摆台摆动;步进电动机1固定于上摆台上，由它通过第3套齿轮副及蜗轮副传动，使回转台转动。

工件装夹在回转台上，这
样工件就可以实现1个转动、2个摆动的合成运动。

如果将转摆摆数控工作台与电火花线切割机床的原工作台配合使用，即可实现五轴联动加工，也就是实现工件沿X轴、Y轴移动和绕X轴、Y轴、Z轴转动。

4 转、摆、摆数控工作台结构设计
为了使转摆摆数控工作台能实现不同半径尺寸的三导线曲面零件的加工，要求回转台的转动中心与上摆台的摆动轴心之间的距离可调，即e值大小可调整，如图3
所示。

为了加工和调整方便，上、下摆台的摆动轴线必须相交，而且交点应与回转台台面同高，即交点落在工件的底面上，否则，工件加工前调整困难。

由于结构限制(存在3根转轴)，因此，摆动轴不能做成一根长轴，而需要做成曲轴形状。

但是，
众所周知，曲轴不仅制造困难、装配也不容易，为此设计了如图3所示的上摆台
的摆动轴结构及摆动中心调整机构，图中1、6为摆动轴，它们与滑块7、9为一体，滑块为长方体;2为上摆台的转轴支座;8为上摆台台面，它的两端有与滑块相
配合的槽，使上摆台在槽内滑动，以调整摆动中心e值;3为一连接杆，用于安装
调整件，5为调整弹簧，4为调整螺钉。

该结构将曲轴一分为三，分别由 1、3、6组成，制造时互不干涉，装配也简单。

下摆台的摆动轴结构与上摆台的摆动轴结构相似，需要做成曲轴形状，不过下摆台的摆动中心位置不可调整。

在满足加工精度及使用要求的前提下，转摆摆数控工作台的结构应尽量简单，工艺性要好，容易制造。

此外，设计时还应该注意转摆摆数控台的体积小、重量轻、外形美观等特点。

综合上述各项指标而设计的转摆摆数控台如图4所示，转摆摆数
控工作台具有普遍的适用性。

5 多轴联动加工数控系统的开发
基于Windows操作系统和可编程多轴控制器(PMAC)，开发出空间曲面多轴联动电火花线切割加工数控系统。

PMAC是一个多任务实时计算机系统，可以实现复
杂的实时运动控制任务，具有高度的开放性。

设计并实现了基于可编程多轴控制器(PMAC)的开放式体系结构电火花线切割加工数控系统的硬件体系。

该硬件体系实时性强，系统稳定性好，同时具有良好的开放性和可扩展性。

多轴联动电火花线切割加工数控系统主要包括数控装置、脉冲电源控制机以及间隙电压检测装置、运动控制器等。

并开发出一套加工性能稳定的多轴联动电火花线切割加工数控系统软件。

6 空间曲面零件五轴联动加工实验
6.1 加工结果
现以多轴联动加工系统在X+B+C+E运动形式下，加工拉拔模为例说明样件的加
工过程。

如图5所示，该拉拔模分两部分，一段带斜度，另一段是直壁部分。

斜
度部分是由圆平滑过渡到矩形的三导线直纹曲面，需要采用转摆摆数控台才能加工;直壁部分是四棱柱面，采用机床原有 X、Y坐标切割即可。

斜度部分与直壁部分需分两次切割，先进行斜度加工，然后再进行直壁加工。

图6为加工出的拉拔模实
体图。

6.2 影响加工精度的因素
6.2.1 转摆摆工作台回摆及丝杠间隙对加工精度的影响
在加工中，由于空间曲面零件的造型特征决定了数控转摆摆工作台必须经常回摆，X、Y两轴也要经常换向运动，才能实现空间曲面加工。

由于工作台以及丝杠的机
械结构导致了在回摆及往复运动时有一定的回程间隙，这样会造成工件回摆角度产生一定偏差，使得实际加工得到的摆角要比期望的摆角小，导致试验加工得到的零件尺寸比仿真结果尺寸出现偏差。

要想改善加工状况不仅要提高工作台的制造精度、选用高精度丝杠，还要从原理上提出有效的解决办法及措施。

6.2.2 数控模型对加工精度的影响
如图1所示，经过时间t工件旋转角度为φ=ωt，上导线极径值为ρ=ρ1(φ)，下
导线极径值为ρ=ρ2(φ)，通过在时间t前后上下导线各自极径的变化得到了X、Y、A、B、C五轴各自的运动增量，这样就确定了电极丝在t时刻的另一空间位置。

两个位置间用直线连接，这条直线就是工件的实际行走路径。

因此，数控模型决定了电极丝按照分度直线拟合运动而没有沿着上下导线的参数方程行走，造成原理误差，实际加工中产生微小加工波纹，尤其在上下导线由几段参数方程组成时，两段交点处很容易造成工件形状的失真［5］。

7 结语
本文对电火花线切割多轴联动加工进行了详细分析，研究了空间曲面线切割加工的运动规律，建立了通用数学模型体系。

研制了转摆摆数控工作台，开发了五轴联动加工数控系统，为实现电火花线切割五轴联动加工实践奠定了基础。

进行了空间曲面零件的加工实验，加工出理想的空间曲面零件，验证了所建数学模型的正确性及转摆摆工作台的合理性。

分析出影响加工精度的主要因素，解决了空间曲面高速走丝电火花线切割加工的加工难题。

参考文献
［1］赵万生.先进电火花加工技术［M］.北京:国防工业出版社，2003:170－207. ［2］任福君，刘晋春，赵万生，等.复杂曲面电火花多轴加工计算机仿真研究［J］.机械工程学报，2000，36(7):78 －85.
［3］任福君.空间曲面电火花线切割运动学及其应用［M］.北京:中国科学技术出
版社，2004.
［4］王新荣.电火花线切割多轴联动加工运动学及其应用研究［D］.哈尔滨:哈尔
滨工程大学，2000.
［5］任福君，姜永成.空间曲面电火花线切割CAD/CAM系统［J］.机械工程学报，2007，43(5).。