高堅(jiān)強(qiáng),時(shí)解放

(蘇州新火花機(jī)床有限公司,江蘇蘇州215128)

電火花小孔高速加工機(jī)床及其加工工藝是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來(lái)的一種新型高效的深小孔加工技術(shù),它可在各種導(dǎo)電材料及一些高強(qiáng)度、高硬度的難加工材料上進(jìn)行高速加工,常用加工孔徑范圍0.2～3 mm,加工速度可達(dá)20～60 mm/min,最大深徑比超過(guò)300。目前該工藝已廣泛應(yīng)用于航天、航空、模具、汽車及液壓等工業(yè)生產(chǎn)中。

本公司的六軸數(shù)控小孔機(jī)加工設(shè)備是在原有單軸小孔加工機(jī)床的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)控技術(shù)升級(jí),即在原有X、Y軸的基礎(chǔ)上裝備A、B旋轉(zhuǎn)軸、直線運(yùn)動(dòng)軸W、Z軸,構(gòu)成六軸數(shù)控加工,并配合具有六軸示教功能的手控盒,實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜幾何體上的小孔及群孔自動(dòng)編程加工。該設(shè)備在上述相關(guān)制造領(lǐng)域具有重要的作用,特別是在表面形狀復(fù)雜的零部件的微小孔及群孔加工中,具有不可替代的作用。

1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

六軸數(shù)控小孔機(jī)編程控制系統(tǒng)集CAD/CAM/CNC一體化,并基于Windows 7操作系統(tǒng),是一個(gè)開放式數(shù)控系統(tǒng)。它主要由軟件和硬件兩大部分組成。系統(tǒng)軟件部分主要分為CAD、CAM 和CNC三個(gè)部分:CAD部分主要負(fù)責(zé)圖形的繪制及軌跡的生成,目前能實(shí)現(xiàn)二軸圖形的繪制,加上手動(dòng)編程,可實(shí)現(xiàn)六軸數(shù)控;CAM部分主要負(fù)責(zé)G代碼的生成、數(shù)控軌跡的仿真、移軸控制及反向間隙補(bǔ)償和螺距補(bǔ)償?shù)裙δ?CNC部分主要負(fù)責(zé)插補(bǔ)控制、機(jī)床加工狀態(tài)控制、電加工參數(shù)的設(shè)置等功能。系統(tǒng)硬件部分主要由高速DSP和CPLD來(lái)組成,完成實(shí)時(shí)控制CNC部分,負(fù)責(zé)硬件級(jí)的插補(bǔ)控制,機(jī)床的加工狀態(tài)控制,對(duì)中、對(duì)邊和定深等控制,以及電參數(shù)和伺服參數(shù)的控制。

(1)軟件控制主界面

機(jī)床使用的操作系統(tǒng)為目前全球使用最穩(wěn)定且安全性最高的Windows 7操作系統(tǒng),兼容絕大多數(shù)的主板及各種外設(shè),其穩(wěn)定性高、運(yùn)行速度快、圖形圖像處理效果好。圖1是Windows 7操作系統(tǒng)的界面。

數(shù)控加工的主界面分為CAD界面(圖 2)和CAM/CNC界面兩部分(圖3)。

(2)軟件功能

CAD軟件能實(shí)現(xiàn)一維圖形的繪制,并可實(shí)現(xiàn)對(duì)圖形的修改和編輯及圖元信息的輸入和輸出,可自動(dòng)選取圖元信息,并將圖元信息轉(zhuǎn)化為軌跡信息輸出給CAM軟件進(jìn)行處理。

CAM和CNC部分主要負(fù)責(zé)軌跡信息轉(zhuǎn)化為加工信息,并實(shí)時(shí)監(jiān)控加工狀態(tài),可實(shí)現(xiàn)群孔和單孔的加工控制及移軸和對(duì)中、對(duì)邊等控制,可對(duì)加工的電參數(shù)進(jìn)行任意設(shè)置,系統(tǒng)還具備自定義客戶專有數(shù)據(jù)庫(kù)功能。

(3)示教功能

示教功能是針對(duì)形狀復(fù)雜的加工工件而設(shè)計(jì)的功能,其界面見圖4。操作者可用具備六軸控制功能的手控盒對(duì)任意軸進(jìn)行控制,并將定位數(shù)據(jù)記錄下來(lái),形成加工文件。轉(zhuǎn)為自動(dòng)加工狀態(tài)時(shí),機(jī)床可根據(jù)加工文件所形成的軌跡自動(dòng)進(jìn)行加工。

圖4 示教功能界面

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)采用目前主流的開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu),即上位PC應(yīng)用軟件負(fù)責(zé)界面和圖形的控制及加工中的監(jiān)控,下位機(jī)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)插補(bǔ)和運(yùn)動(dòng)控制。系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制板卡是專為六軸數(shù)控小孔加工而自行研制的,采用高速DSP和CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ)和運(yùn)動(dòng)控制。上下位機(jī)的通信目前采用串口通信,但可升級(jí)為USB接口協(xié)議來(lái)進(jìn)行通信傳輸。

(1)運(yùn)動(dòng)控制單元

運(yùn)動(dòng)控制單元由高速DSP來(lái)實(shí)現(xiàn),主振頻率達(dá)150 MHz,具備8級(jí)流水線操作能力,能保證實(shí)時(shí)控制的需要。外設(shè)配置大容量RAM存儲(chǔ)單元來(lái)對(duì)加工代碼進(jìn)行存儲(chǔ),大容量FIFO存儲(chǔ)芯片負(fù)責(zé)光柵尺和編碼器數(shù)據(jù)與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)間的快速傳輸,CPLD主要實(shí)現(xiàn)接口的控制、邏輯電平的粘合及編碼器的編解碼控制,外加自動(dòng)定深模擬檢測(cè)和控制電路,定深精度達(dá)1 mm。

(2)放電控制

配備公司已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利的數(shù)字化脈沖電源系統(tǒng),主要由CPLD單元負(fù)責(zé)放電脈沖的產(chǎn)生,并在功率管驅(qū)動(dòng)部分配置高速驅(qū)動(dòng)電路,能實(shí)現(xiàn)脈沖寬度為1 s的放電脈沖加工控制,功率晶體管采用大容量VMOS管,以實(shí)現(xiàn)大電流加工的能力。

(3)伺服控制單元

采用直流伺服電機(jī)雙PWM伺服控制技術(shù),電機(jī)慣量小,響應(yīng)速度快,可實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)特性的伺服加工。

3 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

普通的單軸數(shù)控小孔機(jī)主要作為線切割機(jī)的配套機(jī)器來(lái)使用,如為線切割機(jī)打穿絲孔等,定深功能使用不方便,無(wú)多軸數(shù)控加工能力。而六軸數(shù)控小孔機(jī)能實(shí)現(xiàn)多軸的加工控制,加工復(fù)雜圖形就具有很大的優(yōu)勢(shì),配合示教功能的使用,可實(shí)現(xiàn)靈活的加工工藝安排。此外,數(shù)控加工中實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)定深的控制及對(duì)中、對(duì)邊的自動(dòng)控制,比單軸小孔機(jī)的人工控制精度有了大幅提高,并使群孔加工的勞動(dòng)強(qiáng)度大幅降低。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于Windows 7操作系統(tǒng)而開發(fā)的帶有示教功能的六軸數(shù)控電火花小孔加工機(jī)床控制系統(tǒng),是目前國(guó)內(nèi)為數(shù)不多的多軸數(shù)控小孔加工系統(tǒng),它的穩(wěn)定性高,編程靈活性大,加工控制自動(dòng)化程度高,這些優(yōu)勢(shì)都為我國(guó)的數(shù)控小孔加工提供了新的思路和方法。