任蕓丹，高堅(jiān)強(qiáng)，時(shí)解放，陳潔

（1.蘇州市職業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇蘇州215104；2.蘇州新火花機(jī)床有限公司，江蘇蘇州215128）

六軸四聯(lián)動(dòng)聚晶金剛石電火花鏡面加工機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)研究

任蕓丹1，高堅(jiān)強(qiáng)2，時(shí)解放2，陳潔1

（1.蘇州市職業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇蘇州215104；2.蘇州新火花機(jī)床有限公司，江蘇蘇州215128）

為聚晶金剛石的高精度加工研發(fā)了一種新裝備，其關(guān)鍵技術(shù)的研究主要包括：六軸四聯(lián)動(dòng)電火花加工數(shù)控系統(tǒng)；專用脈沖電源系統(tǒng)；高精密和高響應(yīng)性的放電伺服系統(tǒng)；專用數(shù)據(jù)庫及專用機(jī)床。六軸四聯(lián)動(dòng)聚晶金剛石電火花鏡面加工機(jī)床的研發(fā)能給企業(yè)帶來更多的商機(jī)和效益，推動(dòng)高效、高速、高精度刀刃具的發(fā)展。

六軸四聯(lián)動(dòng)；聚晶金剛石；電火花鏡面加工

聚晶金剛石（PCD）是20世紀(jì)70年代開始在國際上研究使用的新型超硬材料，具有接近天然金剛石的硬度、耐磨性及與硬質(zhì)合金相當(dāng)?shù)目箾_擊性，其化學(xué)性能穩(wěn)定，在精密切削等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-2]。也正是由于聚晶金剛石所具有的特殊性能,使其成形和表面光整加工非常困難，在一定程度上妨礙了它的推廣應(yīng)用。因此，研究其加工方法顯得特別重要。

本項(xiàng)目致力于研究六軸四聯(lián)動(dòng)PCD超硬弱導(dǎo)電材料電火花鏡面加工機(jī)床，依靠放電產(chǎn)生的熱量使工件材料熔化、去除。因?yàn)橛捕?、?qiáng)度、塑性等機(jī)械性能對(duì)電加工過程無明顯影響，故適宜應(yīng)用該方法對(duì)PCD材料進(jìn)行深加工。該方法同樣適用于解決目前的高性能超細(xì)合金、超硬弱導(dǎo)電工具材料、復(fù)雜大異制品、精密數(shù)控刀具等的加工問題，從而使PCD超硬弱導(dǎo)電材料加工向精深加工、工具配套方向發(fā)展，向循環(huán)經(jīng)濟(jì)、節(jié)能環(huán)保方向發(fā)展，向精密化、小型化方向發(fā)展。

1 總體方案設(shè)計(jì)

在進(jìn)行項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)時(shí)，主要遵循以下思路和方法：①走自主開發(fā)、外協(xié)合作、引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新的路子。借鑒成功的設(shè)計(jì)思路，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)，根據(jù)市場需要，提出可行性方案及設(shè)計(jì)方案；②堅(jiān)持通用化和模塊化的原則。先分步實(shí)施各部分模塊的研究，并通過實(shí)驗(yàn)逐步綜合，各模塊具有通用性和單獨(dú)運(yùn)行的特點(diǎn)，可方便地進(jìn)行移植、更換和升級(jí)；③采用計(jì)算機(jī)專業(yè)虛擬仿真平臺(tái)，對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，即對(duì)編程、電路原理、功能、技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證和分析，并對(duì)電路板進(jìn)行信號(hào)完整性分析和抗干擾能力分析，調(diào)試出合理的理論值，確保各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到理論設(shè)計(jì)要求；④對(duì)樣機(jī)進(jìn)行功能、性能及工藝等方面的試驗(yàn)，并調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。通過驗(yàn)證，逐步完善、改進(jìn)和提高，并對(duì)特殊工藝提出特殊要求，確保機(jī)器的安全性、穩(wěn)定性及可靠性。本項(xiàng)目技術(shù)路線見圖1。

圖1 技術(shù)路線框圖

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 六軸四聯(lián)動(dòng)電火花加工數(shù)控系統(tǒng)

如圖2所示，在六軸數(shù)控系統(tǒng)研制過程中主要解決以下問題：

（1）復(fù)雜曲線插補(bǔ)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

電火花放電加工是一個(gè)放電和進(jìn)給控制高速、精密配合完成的加工過程，軌跡的進(jìn)給需根據(jù)放電狀態(tài)進(jìn)行控制。為了協(xié)調(diào)高速μs級(jí)別的放電脈沖和ms實(shí)時(shí)進(jìn)給之間的矛盾，采用上下位機(jī)的方式來實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)的控制，由上位軟件實(shí)現(xiàn)軌跡的預(yù)處理、機(jī)床狀態(tài)的監(jiān)控及參數(shù)設(shè)置等。而高速抬刀控制及對(duì)放電狀態(tài)的處理、并將放電狀態(tài)轉(zhuǎn)化為電機(jī)的動(dòng)作則由下位以DSP和FPGA構(gòu)成的控制核心來實(shí)現(xiàn)，兩者之間的數(shù)據(jù)流和控制流的交互采用PC104總線傳輸方式實(shí)現(xiàn)。

圖2 六軸四聯(lián)動(dòng)電火花加工數(shù)控系統(tǒng)框圖

六軸數(shù)控裝置的插補(bǔ)算法采用粗插補(bǔ)和精插補(bǔ)的插補(bǔ)方法。在CAD/CAM模塊中將生成的軌跡段平滑為一段段微小的直線，送入下位運(yùn)動(dòng)控制卡上實(shí)現(xiàn)精插補(bǔ)，這樣，在精插補(bǔ)階段，將只有直線插補(bǔ)動(dòng)作，插補(bǔ)算法只剩下加和減的算術(shù)處理，大大提高了CPU的處理速度；且為了協(xié)調(diào)插補(bǔ)算法和外設(shè)的速度差異，下位硬件實(shí)現(xiàn)了FIFO高速緩沖處理，將上位粗插補(bǔ)細(xì)化的微小直線段送入FIFO進(jìn)行緩沖，而真正的實(shí)時(shí)六軸運(yùn)動(dòng)控制由下位運(yùn)動(dòng)控制板卡來實(shí)現(xiàn)。這種插補(bǔ)實(shí)現(xiàn)方式可利用上位機(jī)的圖形處理能力及下位機(jī)的實(shí)時(shí)處理能力，實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制。

（2）伺服進(jìn)給與回退技術(shù)

實(shí)時(shí)加工時(shí)，需要電極進(jìn)行實(shí)時(shí)回退和進(jìn)給，且在進(jìn)、退的過程中必須保持原軌跡不發(fā)生變化，保證加工面的形狀精度，因此，數(shù)控系統(tǒng)需具備兩個(gè)緩沖區(qū)，一個(gè)負(fù)責(zé)進(jìn)給控制，另一個(gè)負(fù)責(zé)回退控制，且必須具備進(jìn)給和回退緩沖區(qū)的切換控制邏輯，保證進(jìn)給和回退的路徑保持一致。六軸數(shù)控系統(tǒng)在下位機(jī)FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了高速的緩沖區(qū)控制，分別設(shè)定了進(jìn)給線程和回退線程，且為這兩個(gè)線程配置相應(yīng)的緩沖區(qū)，由FPGA內(nèi)部的控制主線程控制進(jìn)給和回退的頻繁切換，保證切換后按原軌跡進(jìn)給或回退。

在軌跡實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給和回退控制的基礎(chǔ)上，對(duì)進(jìn)給和回退中的加速度、速度及位置的控制采用了DSP及配套的高速AD來實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)高速的控制，采用了最簡單且效率最高的權(quán)值查表法來實(shí)現(xiàn)速度和位置的控制，摒棄了復(fù)雜的算法控制。對(duì)由FPGA控制的高速AD采樣的μs級(jí)別的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖處理后，送入DSP中進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)化為十幾μs級(jí)別的數(shù)據(jù)去控制電機(jī)的速度和加速度。其中，對(duì)放電脈沖惡化的情況還專門做了處理，可實(shí)現(xiàn)高速回退控制。

（3）抬刀和搖動(dòng)的實(shí)時(shí)控制及加減速控制

抬刀和搖動(dòng)主要用于改善放電間隙，保證加工的平穩(wěn)性及最終的加工精度。抬刀主要是用于在加工過程中提高加工屑的排除能力、保持放電穩(wěn)定性而采取的一種電火花加工運(yùn)動(dòng)行為，也是一種加工惡化的保護(hù)行為。六軸數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高速抬刀的直線加減速控制和軌跡控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)速度高達(dá)6 m/min的高速抬刀,特別適合于窄槽的加工。

搖動(dòng)加工是靠主伺服軸以外的運(yùn)動(dòng)軸有規(guī)律、周期的插補(bǔ)，配合主加工軸的伺服運(yùn)動(dòng)和加工規(guī)準(zhǔn)的變化進(jìn)行粗精加工的方法。搖動(dòng)、抬刀功能配合促進(jìn)排屑，使加工能穩(wěn)定地進(jìn)行下去。六軸數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了圓形、正方行、正菱形、放射形等12種搖動(dòng)方式，并具備球形搖動(dòng)的方式。這些搖動(dòng)方式可根據(jù)數(shù)控代碼自動(dòng)生成，也可用數(shù)控代碼進(jìn)行設(shè)定。由于主伺服加工軸自由搖動(dòng)的不穩(wěn)定性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了分階梯的搖動(dòng)方式，并具備主軸鎖定搖動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各加工面較均勻的中精修整。

搖動(dòng)和抬刀的控制都是由底層以DSP為核心的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)來進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)極高的實(shí)時(shí)性，在進(jìn)行搖動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)了伺服進(jìn)給和回退的控制，對(duì)改善極間狀況有很大作用。

2.2 PCD超硬弱導(dǎo)電材料專用脈沖電源系統(tǒng)

如圖3所示，主放電回路采用了復(fù)合電壓回路設(shè)計(jì)，主要是為了處理不同工件材料下對(duì)放電能量及放電密度的不同要求而設(shè)計(jì)的，可實(shí)現(xiàn)高、中、低壓的復(fù)合加工；同時(shí)，對(duì)回路的儲(chǔ)能電路也進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在需要高速放出電流的回路中，設(shè)計(jì)的電路雜散參數(shù)做到了最小，回路的雜散電容及雜散電感的減少，對(duì)于微細(xì)放電能量進(jìn)入加工區(qū)間具有重要作用[3]。此外，對(duì)功放及其驅(qū)動(dòng)回路也重新選擇了VMOS器件。這些器件的耐受電壓更高，額定電流更大，開關(guān)速度更高，可實(shí)現(xiàn)高放電能量密度的加工，對(duì)于PCD、硬質(zhì)合金材料的精細(xì)加工尤其有用。

圖3 PCD專用脈沖電源系統(tǒng)框圖

六軸四聯(lián)動(dòng)超硬弱導(dǎo)電材料電火花鏡面加工機(jī)床在放電回路中進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。目前主流的高精度鏡面電火花加工機(jī)床一般只具備鋼件的鏡面加工回路，而六軸電火花鏡面加工機(jī)床針對(duì)超硬弱導(dǎo)電材料等特種材料，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了高能量、窄脈寬、復(fù)合脈沖放電回路，實(shí)現(xiàn)了硬質(zhì)合金及PCD超硬弱導(dǎo)電材料的高效、高光潔度放電加工。該技術(shù)使放電系統(tǒng)的放電效率及大面積、高光潔度（鏡面）技術(shù)超過市場普遍實(shí)現(xiàn)的鏡面加工技術(shù)，整體技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

此放電回路的設(shè)計(jì)是在大量工藝試驗(yàn)的基礎(chǔ)上研發(fā)的，主要采用CPLD為核心的控制器來實(shí)現(xiàn)放電的控制，配以高速的A/D采樣器，采樣速率高達(dá)100 MIPS。對(duì)放電的極間電壓和電流進(jìn)行采樣，并配合上位控制計(jì)算機(jī)送入加工參數(shù)，根據(jù)采樣數(shù)據(jù)和放電參數(shù)對(duì)脈沖調(diào)整方式、幅度及伺服反饋的調(diào)整方式、幅度進(jìn)行加權(quán)求和運(yùn)算，以對(duì)放電脈沖進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整形式主要以調(diào)整脈沖寬度為主。在超硬弱導(dǎo)電材料加工回路中對(duì)加工電流和電壓進(jìn)行了控制，在放電脈沖中加入復(fù)合電壓和調(diào)整電流，即在一個(gè)放電周期中，放電電壓和電流會(huì)發(fā)生變化，以適應(yīng)放電極間狀況的改變，同時(shí)調(diào)整了伺服反饋的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)加工過程中根據(jù)放電狀態(tài)控制軌跡的進(jìn)給和回退。

在穩(wěn)定加工狀態(tài)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了電火花加工防拉弧技術(shù)、防短路脈沖技術(shù)及清弧脈沖技術(shù)。借助于高速AD的采樣，以CPLD為核心的放電控制模塊可在電弧發(fā)生的前期就進(jìn)行檢測，阻止放電脈沖的進(jìn)一步惡化。對(duì)多次阻止惡化脈沖仍然沒有改善的放電狀況，放電控制模塊輸出清弧脈沖以清除沒有放電作用的放電柱的形成。

2.3 高精密和高響應(yīng)性的放電伺服系統(tǒng)

如圖4所示，在伺服控制回路上，通過與脈沖放電系統(tǒng)共用的A/D轉(zhuǎn)換器采樣來的電壓和電流數(shù)據(jù)，在DSP中進(jìn)行轉(zhuǎn)換。高速DSP中預(yù)先存儲(chǔ)了不同加工條件下的伺服進(jìn)給系數(shù)表，根據(jù)上位發(fā)送的脈沖參數(shù)配置數(shù)據(jù)，在系數(shù)表中尋找合適的加權(quán)系數(shù)，再用此加權(quán)系數(shù)同采樣的電壓、電流數(shù)據(jù)及當(dāng)前的脈沖參數(shù)進(jìn)行求和及乘法運(yùn)算，轉(zhuǎn)化為合適的進(jìn)給或回退值，再將該值根據(jù)設(shè)定的伺服驅(qū)動(dòng)器加減速策略送入驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)入驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行動(dòng)作。

圖4 放電伺服系統(tǒng)框圖

在此正常的伺服控制回路之外，六軸四聯(lián)動(dòng)超硬弱導(dǎo)電材料電火花鏡面加工機(jī)床還實(shí)現(xiàn)了直接伺服控制，這主要是為了保護(hù)的需要，如有短路脈沖發(fā)生時(shí)，可直接控制伺服驅(qū)動(dòng)器；下位DSP軟件還為此開發(fā)了同步控制器，以此實(shí)現(xiàn)和上位數(shù)控軟件的同步控制功能。

伺服控制的機(jī)械系統(tǒng)采用了Z軸伺服進(jìn)給與R軸、X軸等運(yùn)動(dòng)聯(lián)動(dòng)的創(chuàng)新運(yùn)動(dòng)控制模式，對(duì)軸承絲杠及運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌都進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使機(jī)床在加工直徑50 mm以上的大截面材料時(shí)，加工表面粗糙度為Ra 0.2 μm，達(dá)到國際先進(jìn)水平。

2.4 PCD超硬弱導(dǎo)電材料加工專用數(shù)據(jù)庫

電火花加工技術(shù)是一種復(fù)合加工技術(shù)，不僅需要操作人員熟悉通用機(jī)床的操作技術(shù)，還需了解電加工機(jī)床的操作及控制技術(shù)，操作人員需熟練掌握加工規(guī)準(zhǔn)選擇、電極損耗補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)的缺失都會(huì)造成加工的錯(cuò)誤，對(duì)于PCD、硬質(zhì)合金的加工就更是如此。因?yàn)镻CD、硬質(zhì)合金材料的復(fù)雜性，所以加工規(guī)準(zhǔn)及加工參數(shù)的選擇較困難[4-5]。六軸四聯(lián)動(dòng)超硬弱導(dǎo)電材料電火花鏡面加工機(jī)床系統(tǒng)開發(fā)配套的PCD超硬弱導(dǎo)電材料工藝數(shù)據(jù)庫見圖5，加工時(shí)只需輸入少量的數(shù)據(jù)，如電極損耗、表面粗糙度、加工工件及電極材料、加工面積、加工深度等，加工時(shí)便可自動(dòng)優(yōu)化參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的加工控制。同時(shí)，在專家數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，新開發(fā)了客戶數(shù)據(jù)庫功能，客戶可針對(duì)不同的加工件及電極添加自己的工藝數(shù)據(jù)，方便以后操作人員使用。

圖5 專用數(shù)據(jù)庫框圖

2.5 六軸數(shù)控高精度電火花加工專用機(jī)床

機(jī)床主機(jī)是本項(xiàng)目的一個(gè)主要組成部分。設(shè)計(jì)研發(fā)的六軸數(shù)控高精度電火花加工專用機(jī)床由兩大部分組成：一部分是3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)軸，即X、Y和Z軸，其行程分別為300 mm×210 mm×270 mm。各軸均采用交流伺服電機(jī)控制，滾珠絲杠傳動(dòng)。其中，X軸、Y軸的最小脈沖當(dāng)量為0.001 mm，Z軸的最小脈沖當(dāng)量為0.0004 mm。定位精度為0.01 mm。各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均為國內(nèi)先進(jìn)水平；另一部分是3個(gè)數(shù)控轉(zhuǎn)軸，即A、B、C（或R）軸。A軸、B軸為數(shù)控轉(zhuǎn)軸，根據(jù)客戶及加工對(duì)象要求，可外購或?qū)ｉT開發(fā)設(shè)計(jì)，各轉(zhuǎn)軸的最小控制當(dāng)量為0.001°，采用伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。C（或R）軸為圍繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的控制軸。在本項(xiàng)目中，為提高大截面（直徑大于50 mm）PCD材料的表面粗糙度，并提高加工效率，采用R軸，數(shù)控轉(zhuǎn)速范圍為200～2000 r/min。

3 結(jié)論

（1）六軸四聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花加工技術(shù)是在數(shù)控機(jī)床上分別添加分度旋轉(zhuǎn)軸A、B、C軸，配合3個(gè)直線運(yùn)動(dòng)軸X、Y、Z軸進(jìn)行多軸聯(lián)動(dòng)的加工方法，其中，X、Y、Z、C軸實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)的控制，A、B軸實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位數(shù)控隨動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)12種搖動(dòng)及平動(dòng)方式，具備球形搖動(dòng)模式，在模具制造領(lǐng)域有非常重要的運(yùn)用，特別是加工表面形狀復(fù)雜的關(guān)鍵性零件時(shí)，更具有不可替代的作用。

（2）模具零件要求加工精度高、表面質(zhì)量好，且具有很好的耐磨性和耐蝕性，這在超硬弱導(dǎo)電材料加工中尤為重要。常規(guī)電火花加工工藝不易獲得低的表面粗糙度值，特別是加工面積增大時(shí)，由于極間寄生電容的影響，很難獲得高質(zhì)量的加工表面；同時(shí)，加工表面會(huì)產(chǎn)生一層具有殘余應(yīng)力，含有較多微裂紋的變質(zhì)層，對(duì)提高模具的使用壽命不利，需在后序工藝中安排拋光和研磨工藝。因此，需設(shè)計(jì)專門的加工機(jī)床及專用的加工工藝參數(shù)才能達(dá)到要求。六軸四聯(lián)動(dòng)超硬弱導(dǎo)電材料電火花鏡面加工機(jī)床可實(shí)現(xiàn)PCD材料（直徑≥50 mm）的鏡面加工，表面粗糙度Ra≤0.2 μm，加工精度≤0.01 mm，此鏡面加工技術(shù)有效地解決了深槽窄縫的不易拋光和加工精度差的問題。

（3）針對(duì)PCD超硬弱導(dǎo)電材料高硬度、高耐磨性的特點(diǎn)，六軸四聯(lián)動(dòng)超硬弱導(dǎo)電材料電火花鏡面加工機(jī)床設(shè)計(jì)了專用的放電回路及專用工藝數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了PCD超硬弱導(dǎo)電材料高效率、高精度加工，粗加工速度達(dá)50 A時(shí)500 mm3，精加工速度80 mm3。

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The Key Technologies Research on Six Axes Four linkages Machine Tool of Polycrystalline Diamond Electric Spark Mirror Surface Process

Ren Yundan1，Gao Jianqiang2，Shi Jiefang2，Chen Jie1
（1.Suzhou Vocational University，Suzhou 215104，China；
2.Suzhou New Spark Machine Tool Co.,Ltd，Suzhou 215128，China）

One kind of new equipment for the polycrystalline diamond precision work has been researched and developed，its key technologies research mainly includes six axes four linkages electric spark numerical control system，special-purpose pulse electrical power system，high precise and high responsive electric discharge servo system，special-purpose database as well as special-purpose machine.The research on the machine tool brings a bigger opportunity and benefit to the enterprise，impels more highly effective，high speed，high accuracy for the development of knife cutting tool.

six axes four linkages；polycrystalline diamond；electric spark mirror surface process

TG661

A

1009－279X（2014）06－0015-04

2014-08-06

蘇州市科技支撐（工業(yè)）計(jì)劃項(xiàng)目（SG201439）

任蕓丹，女，1979年生，副教授。