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（1. 蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘇州 215021；2. 蘇州明谷納科技有限公司，蘇州 215131）

0 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)具有高扭矩、高壽命、低油耗和低排放優(yōu)勢(shì)，柴油機(jī)已成為解決汽車能源問(wèn)題最現(xiàn)實(shí)和最可靠的手段。然而要提高柴油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性，降低排放率、噪音率，就要求噴射系統(tǒng)產(chǎn)生足夠高的噴射壓力，確保燃油霧化良好，同時(shí)還必須精確控制噴油始點(diǎn)和噴油量。噴油嘴作為燃油噴射系統(tǒng)的重要組成部分，其噴孔的尺寸、形狀、入口圓角以及表面形狀等，對(duì)噴孔的流量系數(shù)、噴霧射程、霧滴直徑的均勻性和燃油與空氣混合的均勻性有著非常顯著的影響[1]。

鉆削加工噴孔的工藝很難適應(yīng)噴孔直徑越來(lái)越小的要求，國(guó)內(nèi)噴油嘴生產(chǎn)廠家加工微噴孔使用的工藝主要是：熱處理—精加工中孔座面—電火花打噴孔—擠壓研磨噴孔。目前電火花打噴孔加工設(shè)備的生產(chǎn)技術(shù)為少數(shù)幾個(gè)外國(guó)公司所壟斷，如瑞士的POSALUX公司、英國(guó)的Amchen公司及美國(guó)的Raycon公司。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)擁有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電火花打噴孔設(shè)備非常必要，具有重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[2,3]。

本項(xiàng)目主要是針對(duì)市場(chǎng)上需加工符合國(guó)Ⅲ（歐Ⅲ）及以上排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)噴油嘴偏心孔要求，專門設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的六軸噴油嘴微噴孔電火花加工專用機(jī)床。能加工偏離噴油嘴旋轉(zhuǎn)中心的噴孔，解決了此類產(chǎn)品常規(guī)機(jī)床無(wú)法加工的難點(diǎn)。研究電火花微噴孔加工控制系統(tǒng)是研制電火花打噴孔的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要存在以下技術(shù)難點(diǎn)亟待突破和解決：高精度多軸數(shù)控系統(tǒng)；高性能微進(jìn)給伺服控制系統(tǒng)；高頻微能量自適應(yīng)脈沖電源；放電狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)識(shí)別和加工過(guò)程智能化控制技術(shù)等。

1 微噴孔數(shù)控電火花機(jī)床結(jié)構(gòu)

高精度微噴孔數(shù)控電火花機(jī)床與普通電火花穿孔機(jī)放電加工方式區(qū)別不大。加工過(guò)程中，均采用電極絲旋轉(zhuǎn)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)復(fù)合的電極旋轉(zhuǎn)進(jìn)絲機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電極對(duì)工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)加工零件的不同（材料、孔徑和孔深等）來(lái)確定放電參數(shù)（脈沖頻率、脈沖寬度和放電間隙等），加工過(guò)程中工具電極和工件間沒(méi)有接觸應(yīng)力，靠極間連續(xù)脈沖放電蝕除工件。但不同的是微孔加工孔徑非常小，只能使用實(shí)心鎢鋼或鎢絲作電極，主軸進(jìn)給采用的是微進(jìn)給伺服機(jī)構(gòu)，脈沖電源具有高頻微能的特性，以實(shí)現(xiàn)微噴孔的穩(wěn)定加工[4]。

設(shè)備由機(jī)床框架，軸立柱，五根定位軸，一根旋轉(zhuǎn)軸，電極進(jìn)給機(jī)構(gòu)，工件夾持機(jī)構(gòu)，電控箱、工作液系統(tǒng)及氣動(dòng)系統(tǒng)等部分組成。電極由導(dǎo)向器導(dǎo)向，加工時(shí)，首先將旋轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)到吹氣孔的位置，打開(kāi)夾緊裝置吹氣，將電極絲吹出。主軸帶動(dòng)電極絲在伺服系統(tǒng)控制下作微量進(jìn)給，脈沖電源在電極與工件之間施加高頻脈沖放電，高壓水質(zhì)工作液在電極的外圍噴射，對(duì)加工區(qū)域?qū)嵤?qiáng)迫排屑冷卻，保證加工的順利進(jìn)行。

為滿足噴油嘴自動(dòng)多孔加工的要求。主機(jī)采用獨(dú)特的機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用精密加工的機(jī)械零件，配上日本進(jìn)口THK導(dǎo)軌，NSK軸承，精密旋轉(zhuǎn)主軸頭，關(guān)鍵支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有良好的剛性，變形量小，幾何精度高，保證了機(jī)床的加工精度。本設(shè)計(jì)的機(jī)床軸示意圖如圖1所示。

圖1 微噴孔電火花加工機(jī)械軸構(gòu)成示意圖

本機(jī)床Z軸、W軸、C軸、B軸、Y軸是位置軸，決定了加工工件加工孔的位置和角度。R軸是旋轉(zhuǎn)軸，決定了電極絲旋轉(zhuǎn)速度。機(jī)床各軸設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 機(jī)床各軸設(shè)計(jì)指標(biāo)

2 微噴孔電火花加工控制系統(tǒng)組成

本項(xiàng)目控制系統(tǒng)以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱IPC）和運(yùn)動(dòng)控制板為核心、配備自適應(yīng)高頻脈沖電源、加工狀態(tài)檢測(cè)、主軸伺服進(jìn)給控制以及位置軸交流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)控制、機(jī)床電氣控制等組成。微噴孔電火花加工控制系統(tǒng)硬件模塊示意圖如圖2所示。

圖2 微噴孔電火花加工控制系統(tǒng)硬件模塊

該機(jī)床采用6軸數(shù)控，可加工特殊材料、空間位置復(fù)雜的群孔工件。整個(gè)控制過(guò)程除裝夾工件和更換電極外，整個(gè)加工過(guò)程均可自動(dòng)完成，可以自動(dòng)修整電極，自動(dòng)找零位，加工過(guò)程中自動(dòng)切換工藝參數(shù)，加工深度到一定位置后自動(dòng)回退，機(jī)床電極損耗可通過(guò)進(jìn)給機(jī)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，電極用完可以自動(dòng)報(bào)警等。機(jī)床提供開(kāi)放式孔位編輯功能，用戶可以設(shè)置孔號(hào)，連續(xù)群孔加工；也可以任意指定孔號(hào)進(jìn)行單獨(dú)加工。工藝參數(shù)和電參數(shù)根據(jù)工藝要求，可進(jìn)行設(shè)置，加工狀態(tài)、和工藝參數(shù)可由彩色液晶屏顯示。

3 微噴孔電火花加工控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 智能化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

柴油機(jī)噴油嘴微噴孔電火花加工顯著特點(diǎn)是加工放電面積小、單個(gè)脈沖放電能量微小、放電蝕坑小、放電間隙微小、脈沖電源頻率高、極難獲得穩(wěn)定的火花放電狀態(tài)且一個(gè)噴頭上要自動(dòng)加工5個(gè)以上的微噴孔。其特點(diǎn)決定了對(duì)加工狀態(tài)的監(jiān)控有著極高的要求。如果不良放電檢測(cè)和處理不及時(shí)，則產(chǎn)生不良的加工放電狀態(tài)，如空載、短路和拉弧等。也就是說(shuō)各種可能造成的不良加工放電狀態(tài)，在間隙過(guò)小時(shí)發(fā)生的概率相對(duì)高些。只有精心調(diào)節(jié)伺服進(jìn)給，間隙大小適當(dāng)，才能維持較佳放電狀態(tài)，從而獲得較高的加工效率和更強(qiáng)的加工能力。微噴孔智能化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架示意圖如圖3所示。

圖3 微噴孔智能化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

可見(jiàn)，微噴孔控制系統(tǒng)以智能化數(shù)控系統(tǒng)為核心，加工間隙和放電狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的頻率及反饋環(huán)節(jié)的精度，直接影響脈沖電源的放電能量和伺服進(jìn)給加工的穩(wěn)定性。

3.2 數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)備軟件具有硬實(shí)時(shí)、軟實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)任務(wù)相混合的多任務(wù)特性，這些特點(diǎn)決定了其硬件結(jié)構(gòu)適合采用主從開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，即“PC+NC”結(jié)構(gòu)。以IPC為平臺(tái)的數(shù)控系統(tǒng)共享眾多的PC先進(jìn)技術(shù)，為數(shù)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和開(kāi)放化奠定了硬件基礎(chǔ)，在PC的總線上插上具有NC功能的運(yùn)動(dòng)控制器完成實(shí)時(shí)性要求較高的NC內(nèi)核功能[5]。根據(jù)加工需求，在IPC上配置了一塊4軸PCI運(yùn)動(dòng)控制板、一塊基于FPGA的Z軸伺服板、一個(gè)自適應(yīng)高頻脈沖電源、加工間隙檢測(cè)板和I/O接口板等。數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)

B、C、W、Z、Y定位軸及R旋轉(zhuǎn)軸均采用進(jìn)口交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)；操作鍵盤為觸摸鍵盤，具有防水功能；手搖編碼器軸向進(jìn)給，精度高，操作方便。

運(yùn)動(dòng)控制卡將實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的底層軟件和硬件集成在一起，具有伺服電機(jī)控制所需的各種速度、位置控制功能。這些功能通過(guò)計(jì)算機(jī)可方便地調(diào)用。再將上層計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令轉(zhuǎn)換為伺服電機(jī)的控制信號(hào)，帶動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)，由編碼器將電機(jī)運(yùn)動(dòng)的位置信號(hào)反饋給運(yùn)動(dòng)控制器，從而構(gòu)成了數(shù)控系統(tǒng)的閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。

3.3 數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

“PC+NC”式數(shù)控系統(tǒng)，軟件結(jié)構(gòu)適合采用層次化結(jié)構(gòu)，以減少設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，提高信息流的規(guī)范性，提供一個(gè)清晰的開(kāi)放的環(huán)境。根據(jù)需求，選擇Windows XP操作系統(tǒng)，依據(jù)OSEC(open system environment for controller)開(kāi)放式控制器的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的層次結(jié)構(gòu)思想，系統(tǒng)軟件被分為3層，即：應(yīng)用層，功能層和設(shè)備層。基于“IPC+運(yùn)動(dòng)控制器”的開(kāi)放式微噴孔電火花加工數(shù)控系統(tǒng)軟件平臺(tái)的結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

最上層是應(yīng)用層，在IPC上實(shí)現(xiàn)，主要完成數(shù)控系統(tǒng)任務(wù)中非實(shí)時(shí)任務(wù)，如加工程序的編輯和解釋譯碼，系統(tǒng)參數(shù)、工藝參數(shù)、功能模塊配置，監(jiān)控與報(bào)警，用戶操作界面等。

中間層是功能層，由專用模板完成所有實(shí)時(shí)任務(wù)，包括間隙狀態(tài)檢測(cè)、判斷；放電間隙伺服控制；自動(dòng)抬刀控制；旋轉(zhuǎn)控制；位置速度檢測(cè)；軸運(yùn)動(dòng)控制；與脈沖電源并行數(shù)據(jù)通信；I/0控制和報(bào)警自檢；上下位機(jī)數(shù)據(jù)與信息傳遞。

最底層是設(shè)備層，包括具有標(biāo)準(zhǔn)接口的位置控制板、主軸伺服板、脈沖電源和放電狀態(tài)檢測(cè)板等設(shè)備的驅(qū)動(dòng)軟件，根據(jù)控制功能劃分模塊，編寫相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)軟件。

3.4 智能化實(shí)時(shí)控制技術(shù)

智能化實(shí)時(shí)控制就是根據(jù)用戶輸入的信息和間隙狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果，自動(dòng)控制電脈沖參數(shù)，伺服參考電壓等，以避免拉弧，達(dá)到高效穩(wěn)定加工。放電狀態(tài)的快速檢測(cè)和智能化專家系統(tǒng)是解決高精度微噴孔電火花加工的關(guān)鍵技術(shù)。

圖5 數(shù)控系統(tǒng)軟件平臺(tái)

本項(xiàng)目檢測(cè)單元采用電流上升沿檢測(cè)的方法，應(yīng)用16位高速A/D轉(zhuǎn)換器件來(lái)監(jiān)視異常放電，通過(guò)FPGA硬件電路對(duì)間隙電流波形上升沿進(jìn)行判斷，快速地反映微細(xì)放電間隙的狀態(tài)。根據(jù)間隙狀態(tài)識(shí)別電路制定控制策略，構(gòu)成一個(gè)更為精細(xì)多回路的閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于微噴孔間隙放電過(guò)程極其復(fù)雜，給間隙放電狀態(tài)的實(shí)時(shí)識(shí)別帶來(lái)極大困難，尤其是如何將對(duì)加工質(zhì)量影響極大的電弧放電從正常火花放電中區(qū)分出來(lái)更為困難。

電火花加工過(guò)程單個(gè)脈沖波形的“時(shí)態(tài)”有五種基本形態(tài)，即正?；鸹ǚ烹姟⑦^(guò)渡電弧(可恢復(fù)性不穩(wěn)定電弧)、穩(wěn)定電弧、短路和開(kāi)路(空載)。本設(shè)計(jì)采用分類統(tǒng)計(jì)方法，通過(guò)對(duì)放電狀態(tài)辨識(shí)電路對(duì)正常火花放電狀態(tài)占有率進(jìn)行分析，控制放電參數(shù)(開(kāi)路電壓、峰值電流和脈寬)和控制參數(shù)(脈沖間隔、抬刀周期和伺服電壓)，提高加工穩(wěn)定性[6,7]。

微噴孔脈沖電源在放電加工時(shí)，放電能量小，脈沖寬度窄。精確控制放電回路脈沖放電能量、波形和頻率，使其具有良好的抗干擾能力，穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。通常脈沖電源輸出的放電脈沖(Ton、Toff、Ip) 是固定的，自適應(yīng)控制脈沖電源則可以根據(jù)加工狀態(tài)的不同自適應(yīng)調(diào)整。

Z軸主軸伺服進(jìn)給加工采用交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，可很好地滿足微細(xì)電火花加工的高精度進(jìn)給和短路時(shí)快速回退的要求，使系統(tǒng)在提高加工精度的同時(shí)保證了加工速度。不僅可實(shí)現(xiàn)較大行程的電火花加工,而且可實(shí)現(xiàn)很高的進(jìn)給分辨率和定位精度,實(shí)現(xiàn)電火花快速響應(yīng)和高效穩(wěn)定加工，最終達(dá)成放電伺服進(jìn)給系統(tǒng)的高性能控制。

4 加工試驗(yàn)結(jié)果

蘇州明谷納科技有限公司已將該項(xiàng)目成功運(yùn)用于噴油嘴微噴孔加工，機(jī)床整體外形圖如圖6所示。

圖6 機(jī)床整體外形圖

控制系統(tǒng)使用15”LCD顯示器，具有五軸坐標(biāo)，加工參數(shù)、加工深度、加工時(shí)間和實(shí)時(shí)電壓等信息顯示；人機(jī)對(duì)話采用中文界面；可儲(chǔ)存上千種工件加工程序；具有電極自動(dòng)補(bǔ)償，自動(dòng)找零，加工到預(yù)定深度后自動(dòng)回退，更換電極自動(dòng)報(bào)警等功能；根據(jù)工藝要求，增加了修絲功能，可設(shè)定修整磨損的電極絲，保證孔型和一致性。數(shù)控系統(tǒng)軟件界面如圖7所示。

圖7 數(shù)控系統(tǒng)軟件界面

該機(jī)床自主研發(fā)，具有目前國(guó)內(nèi)先進(jìn)的微細(xì)電火花放電技術(shù)，合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，與國(guó)外同類產(chǎn)品媲美的加工精度。結(jié)合中國(guó)企業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)，進(jìn)一步強(qiáng)化了產(chǎn)品的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性，能夠更好地滿足中國(guó)企業(yè)的需要，是進(jìn)口機(jī)床的理想替代品。

本機(jī)床加工的噴油嘴噴油孔，可滿足歐Ⅲ及以上排放標(biāo)準(zhǔn)。解決我國(guó)φ0.1mm φ0.2mm尺度的微噴孔幾乎全部依賴進(jìn)口機(jī)床的狀況。經(jīng)試驗(yàn)加工噴油嘴噴孔流量離散度在±3%之內(nèi)，可用于各類發(fā)動(dòng)機(jī)上的噴油嘴噴油孔等各類精密微孔，具有高精度、高光潔度，孔徑一致性高。有效地提升了我國(guó)燃油噴射和控制技術(shù)，改進(jìn)內(nèi)燃機(jī)節(jié)能與環(huán)保性能。技術(shù)指標(biāo)分析如表2所示。

表2 技術(shù)指標(biāo)分析

5 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)目前尚無(wú)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、能夠加工滿足歐Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)的噴孔加工設(shè)備，歐Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)一旦實(shí)施，龐大的噴孔加工市場(chǎng)和噴孔加工設(shè)備市場(chǎng)將徹底被外資壟斷。今后圍繞滿足更高的排放法規(guī)要求這一方向，對(duì)噴油嘴的噴孔加工技術(shù)將作以下七個(gè)方面的研究：1）降低最小放電能量單位，改進(jìn)脈沖波形的時(shí)序電路，以提高表面粗糙度；2）采用高速大容量FPGA、高速高精度AD采樣等技術(shù)，改進(jìn)狀態(tài)檢測(cè)硬件電路及處理算法；3）在線對(duì)單位時(shí)間內(nèi)加工狀況數(shù)據(jù)模型的識(shí)別自適應(yīng)調(diào)整放電參數(shù)，以提高放電間隙控制的穩(wěn)定性；4）完善智能化專家?guī)欤?）減少噴孔直徑；6）完善錐形的噴孔加工技術(shù)；7）設(shè)計(jì)和配置穩(wěn)定、高剛性的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

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