許曉琴 王福元

(①鹽城工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鹽城224051；①南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016)

虛擬加工機(jī)床是隨著虛擬制造技術(shù)的發(fā)展而提出的一個(gè)新的研究領(lǐng)域，它的最終目標(biāo)是為虛擬制造建立一個(gè)真實(shí)的加工環(huán)境，用于仿真和評(píng)估各加工過程對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。在虛擬加工機(jī)床中需要建立機(jī)床模型，機(jī)床模型包括機(jī)床的幾何參數(shù)、運(yùn)動(dòng)關(guān)系、伺服系統(tǒng)、剛度和熱影響等［1-3］。電火花成形加工機(jī)床可用于加工復(fù)雜表面或型腔加工，在一般零件加工中，電火花加工機(jī)床的運(yùn)動(dòng)并不復(fù)雜，通常只需要一軸或三軸的運(yùn)動(dòng)就可以完成加工，表面主要利用成形電極拷貝形成，運(yùn)動(dòng)過程較簡(jiǎn)單。為了發(fā)揮電火花加工機(jī)床性能，適應(yīng)于更多零件的加工，當(dāng)前電火花加工機(jī)床已發(fā)展到4～5軸聯(lián)動(dòng)，這樣就可以利用簡(jiǎn)單的電極通過合成運(yùn)動(dòng)加工出復(fù)雜型面或型腔，例如航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤、渦輪機(jī)匣、渦輪盤壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、帶冠整體渦輪盤等，可實(shí)現(xiàn)窄槽、窄縫、深腔、異型盲孔、內(nèi)腔側(cè)向盲孔等特殊形狀加工的工藝要求。利用4～5軸聯(lián)動(dòng)電火花成形加工機(jī)床加工復(fù)雜零件時(shí)，首先要確定電極運(yùn)動(dòng)軌跡，然后根據(jù)電火花成形加工機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)類型進(jìn)行數(shù)控編程。由于不同零件加工表面的不同，在加工前需要對(duì)加工運(yùn)動(dòng)的路徑進(jìn)行規(guī)劃，獲得正確的運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)對(duì)加工過程中可能發(fā)生的干涉進(jìn)行檢查。加工運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)干涉、加工編程、程序驗(yàn)證等加工前所要做的工作，如果不借助于現(xiàn)代的技術(shù)手段難以實(shí)現(xiàn)或花費(fèi)時(shí)間較多。針對(duì)該難題，運(yùn)用計(jì)算機(jī)手段建立起虛擬電火花加工機(jī)床模型，在虛擬電火花加工機(jī)床模型中完成上述工作，這樣會(huì)使加工變得容易，可節(jié)省加工成本與時(shí)間。

1 復(fù)雜表面電火花成形加工工藝

采用多軸電火花加工機(jī)床加工復(fù)雜零件的表面或型腔成為目前及今后的主要加工方法之一。電火花成形加工復(fù)雜零件的加工過程如圖1所示。一般來說，帶冠整體渦輪盤零件的表面復(fù)雜，在電火花加工之前還要采用其它加工方法進(jìn)行粗加工或預(yù)加工提高加工效率。電火花成形加工主要用來獲得加工精度和表面質(zhì)量。根據(jù)加工表面復(fù)雜程度，其加工電極常常需要多塊，加工也分為多道工序，整體表面需要通過加工表面拼接而成。其表面加工運(yùn)動(dòng)也較復(fù)雜，常常需要4軸聯(lián)動(dòng)以上機(jī)床來完成加工。

復(fù)雜零件電火花加工的電極設(shè)計(jì)，加工運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃需要虛擬機(jī)床的支持，以為零件的電火花加工提供運(yùn)動(dòng)干涉、加工過切、程序驗(yàn)證等功能。另外，還可獲得加工的表面質(zhì)量，為復(fù)雜零件的加工提供工具。

2 虛擬機(jī)床裝配模型

2.1 五軸聯(lián)動(dòng)電火花成形加工機(jī)床配置

五軸聯(lián)動(dòng)電火花加工機(jī)床的配置形式較多，有搖籃式、立式、臥式等。通常電火花成形加工機(jī)床的配置形式為3個(gè)直線軸和2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸。例如北京迪蒙機(jī)電新技術(shù)公司推出的N850五軸聯(lián)動(dòng)精密數(shù)控電火花成形機(jī)床，適用于航空、航天等精密復(fù)雜零部件的成形加工，配備X、Y、Z及高精度C軸、B軸。蘇州電加工機(jī)床研究所研發(fā)的固定工作臺(tái)式五軸聯(lián)動(dòng)精密數(shù)控電火花成形加工機(jī)床采用的配置形式為X、Y、Z直線軸及A、C旋轉(zhuǎn)軸。本文中建立的五軸聯(lián)動(dòng)電火花成形加工機(jī)床采用X、Y、Z直線軸及A、C旋轉(zhuǎn)軸配置形式。

2.2 虛擬機(jī)床裝配模型建立

機(jī)床裝配模型是電火花成形加工機(jī)床運(yùn)動(dòng)、去除材料等功能實(shí)現(xiàn)的載體。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床的功能，首先要建立機(jī)床的裝配模型。本課題研究的五軸聯(lián)動(dòng)電火花成形加工機(jī)床，其裝配模型利用UG NX裝配環(huán)境創(chuàng)建，建立的電火花成形加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它包括床身、立柱、滑板(X軸)、滑枕(Y軸)、固定工作臺(tái)、主軸頭及主軸(Z軸)、電極安裝板、C軸旋轉(zhuǎn)、A軸旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、工作液槽等。在機(jī)床裝配模型中，不需要按實(shí)際機(jī)床的結(jié)構(gòu)建立裝配模型，主要建立機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件，例如工作臺(tái)、滑臺(tái)等，而其它部件的功能可以作簡(jiǎn)化處理，以減少計(jì)算機(jī)運(yùn)算開銷，提高運(yùn)行速度。

2.3 裝配模型關(guān)系約束

為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，在機(jī)床的裝模型中需要根據(jù)實(shí)物機(jī)床的部件裝配關(guān)系建立機(jī)床的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在虛擬環(huán)境中，機(jī)床的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)關(guān)系利用約束來實(shí)現(xiàn)。機(jī)床模型中運(yùn)動(dòng)關(guān)系的建立以各坐標(biāo)軸為中心，首先設(shè)置機(jī)床的各坐標(biāo)軸，然后在各坐標(biāo)軸與之相關(guān)聯(lián)的部件之間建立約束關(guān)系。例如，在圖3所示的機(jī)床裝配模型中，Y軸滑枕裝配在X軸滑臺(tái)上，跟隨X軸滑臺(tái)一起移動(dòng)，Z軸安裝在Y滑枕上，跟隨Y滑枕一起運(yùn)動(dòng)，C軸跟隨Z軸一起運(yùn)動(dòng)。因此，在X軸滑臺(tái)、Y軸滑枕、Z軸、C軸之間建立約束關(guān)系，如孔中心對(duì)齊、面貼合、平行、垂直等，當(dāng)約束關(guān)系建立之后，在裝配模型中只要控制X、Y、Z、C軸運(yùn)動(dòng)即可，其余與之有關(guān)聯(lián)的部件通過約束關(guān)系跟隨被控對(duì)象作相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。

2.4 裝配模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

為了操縱裝配模型中的部件運(yùn)動(dòng)，需建立一個(gè)與裝配幾何模型相一致的虛擬裝配數(shù)據(jù)模型，用該數(shù)據(jù)模型把裝配模型的相關(guān)信息加載到建立的數(shù)據(jù)模型中，實(shí)現(xiàn)位姿矩陣的變換運(yùn)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。本系統(tǒng)建立的虛擬裝配數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：

其中，EDM_movement的結(jié)構(gòu)為：

在數(shù)據(jù)模型中，MC_Movement為運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)，它承載了部件的動(dòng)態(tài)特性。EDM_Component為部件節(jié)點(diǎn)，它承載了部件的靜態(tài)特性，如部件的名稱屬性、在裝配空間中的位置屬性，與其它相鄰部件的關(guān)系屬性等。

3 虛擬機(jī)床驅(qū)動(dòng)與加工模擬

3.1 運(yùn)動(dòng)部件的位姿

位姿是裝配部件在參考坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)的統(tǒng)稱。通常機(jī)床的運(yùn)動(dòng)包括直線移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的驅(qū)動(dòng)，必須確定運(yùn)動(dòng)部件在裝配空間的位姿。為了表示部件在裝配空間的位置，需要用兩個(gè)坐標(biāo)系，即裝配空間坐標(biāo)系與部件本身坐標(biāo)系。當(dāng)部件在空間做運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以描述為部件在裝配空間內(nèi)的移動(dòng)和部件繞本身坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動(dòng)。為此，裝配模型要驅(qū)動(dòng)部件，先要獲取移動(dòng)組件的標(biāo)識(shí)與它的位姿矩陣，包括X、Y、Z 軸的 i、j、k分量以及部件的本身坐標(biāo)系在裝配空間中X、Y、Z分量，運(yùn)動(dòng)部件的位姿矩陣一般表示為：

其中，Tprign為部件在模型空間中的位置矩陣，Tcsys為部件坐標(biāo)系在模型坐標(biāo)系中的位姿矩陣。

3.2 運(yùn)動(dòng)矩陣變換

矩陣變換是實(shí)現(xiàn)各坐標(biāo)軸移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)，其矩陣根據(jù)計(jì)算的直線位移量或旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行組合。利用變換矩陣對(duì)原位姿矩陣進(jìn)行變換首先對(duì)變換的矩陣進(jìn)行組合，部件的變換所需的參數(shù)用矩陣表示為：

其中：xdis，ydis，zdis為部件的移動(dòng)量；α，β，γ 為部件繞 X，Y，Z軸的旋轉(zhuǎn)角度。部件的變換矩陣為：

利用變換矩陣Ttrans對(duì)位姿矩陣Tpos實(shí)現(xiàn)變換，變換過程為

通過以上變換得到新的位姿矩陣。新的位置矩陣得到后，在裝配模型中更新部件的位姿矩陣，再利用定位函數(shù)使部件在裝配模型空間中移動(dòng)到新的位置。

3.3 運(yùn)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)

虛擬數(shù)控機(jī)床中各坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)采用尺寸驅(qū)動(dòng)方法實(shí)現(xiàn)［4］。在數(shù)控機(jī)床中，由CNC系統(tǒng)完成加工路徑的插補(bǔ)運(yùn)算，分配各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)脈沖數(shù)，再通過驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或伺服電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)工作臺(tái)、主軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。虛擬數(shù)控機(jī)床中各坐標(biāo)軸驅(qū)動(dòng)與實(shí)際機(jī)床坐標(biāo)軸驅(qū)動(dòng)相似之處，同樣需要插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，為各坐標(biāo)軸分配移動(dòng)量，再通過變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)坐標(biāo)軸驅(qū)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)部件驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)過程如圖3所示。

虛擬數(shù)控插補(bǔ)運(yùn)算類似于數(shù)控系統(tǒng)中軟件插補(bǔ)方法，在單位時(shí)間內(nèi)按加工路徑進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算。運(yùn)動(dòng)加工路徑通過加工路徑計(jì)算模塊計(jì)算得到，虛擬CNC插補(bǔ)模塊完成對(duì)加工路徑的插補(bǔ)運(yùn)算，獲得各個(gè)坐標(biāo)軸的脈沖序列。為了獲得與實(shí)際加工一樣的加工效果，采用定時(shí)模塊對(duì)脈沖輸出進(jìn)行按時(shí)分配、獲得脈沖序列，再通過矩陣變換、定位過程實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)軸驅(qū)動(dòng)。

3.4 運(yùn)動(dòng)控制

機(jī)床人機(jī)接口界面實(shí)現(xiàn)機(jī)床各坐標(biāo)軸控制及各種操作，既能對(duì)機(jī)床進(jìn)行手動(dòng)操作，控制各坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)，又能根據(jù)零件加工路徑計(jì)算模塊的加工路徑，由CNC模塊實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)機(jī)床自動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。機(jī)床模型及其人機(jī)接口是在UGNX軟件中采用VC開發(fā)工具及UG軟件提供的開發(fā)函數(shù)經(jīng)二次開發(fā)完成的。本虛擬電火花成形加工機(jī)床部分控制界面如圖4。

3.5 加工模擬

加工模擬不僅是模擬工件、電極的運(yùn)動(dòng)，還要模擬加工后的工件表面形狀與表面質(zhì)量。為了實(shí)時(shí)地模擬出加工后的表面，采用的方法是在運(yùn)動(dòng)過程中使工件與電極之間連續(xù)做切割運(yùn)算，移除工件與電極相交部分，形成工件加工表面。加工模擬實(shí)現(xiàn)過程如圖5。

4 應(yīng)用實(shí)例

閉式三元流葉輪加工在國(guó)內(nèi)是一個(gè)難題，它的結(jié)構(gòu)如圖6所示。由于該葉輪葉片曲面為自由曲面，葉片扭曲度大，且在葉輪的四周有護(hù)環(huán)包圍，這樣的結(jié)構(gòu)增加了加工的困難。若采用銑削方法加工，刀具無法伸到葉片的里面進(jìn)行加工，刀具可達(dá)性差，另外零件由高溫合金材料制造，該材料也為難加工材料。為了加工此類零件，國(guó)內(nèi)對(duì)該類零件的加工進(jìn)行了研究，采用電解/電火花組合加工方法進(jìn)行了試驗(yàn)，已加工出該零件，它采用分步加工方法，先采用電解加工預(yù)加工出葉片通道，再用電火花成形加工法加工出葉片形狀。

在該零件的電火花加工中，利用虛擬電火花成形加工機(jī)床完成了電極分塊設(shè)計(jì)，葉片加工仿真、加工路徑規(guī)劃、數(shù)控加工程序編程、加工干涉檢查等工作，為該葉輪的加工提供了數(shù)字化制造技術(shù)。利用該虛擬機(jī)床進(jìn)行葉片加工模擬得加工運(yùn)動(dòng)路徑，通過虛擬CNC模塊生成各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)分量，最后通過數(shù)控后處理程序生成機(jī)床的數(shù)控加工程序。

5 結(jié)語

建立了由裝配、控制、人機(jī)接口等模塊組成的虛擬電火花成形加工機(jī)床；采用約束與尺寸驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)床各坐標(biāo)軸的驅(qū)動(dòng)，并利用虛擬數(shù)控電火花加工機(jī)床模型解決了復(fù)雜曲面的加工難題。在實(shí)際應(yīng)用中把它用于閉式三元流葉輪中，成功地解決了該工件的加工模擬、加工路徑計(jì)算，加工自動(dòng)編程、運(yùn)動(dòng)干涉檢查等工作，操作方便、過程直觀，提高了工作效率，其應(yīng)用結(jié)果對(duì)實(shí)際加工具有重要的指導(dǎo)意義。

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