黃海鵬，李茂盛，費 翔，遲關(guān)心，王振龍

(1.廈門理工學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，福建 廈門 361024；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

電火花加工用復(fù)雜電極形狀精度檢測研究*

黃海鵬1，李茂盛2，費 翔2，遲關(guān)心2，王振龍2

(1.廈門理工學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，福建 廈門 361024；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

針對電火花加工復(fù)雜電極形狀精度檢測成本高，場地受限的問題，研究出了一種接觸式測量方法，開發(fā)出了一種精度檢測設(shè)備，提出了一種精度檢測方法。研究了特征點數(shù)據(jù)的提取方法，并開發(fā)出了提取軟件。確定了目標(biāo)點計算矩陣。提出了電極形狀精度的評定方法，并進行了仿真驗證。進行了實際的精度檢測試驗，結(jié)果表明文中的研究成果可以在生產(chǎn)現(xiàn)場高效的完成復(fù)雜電極的形狀精度檢測，具有較強的實際應(yīng)用價值。

電火花加工；電極；形狀精度

0 引言

電火花加工屬于特種加工方法中的一種。加工用電極和被加工工件分別安裝在兩極，電極通過兩極間的放電，對工件進行蝕除，從而完成加工[1]。其具體加工形式為反拷貝成型加工，需要依據(jù)被加工工件的理論表面形狀，來制作電極的形狀，然后通過電極反拷貝加工出工件的表面[2]。這就要求電極，尤其是具有復(fù)雜形狀的電極，必須有足夠高的形狀精度，以保證成型后的工件表面形狀精度符合要求[3]。

目前，電火花加工技術(shù)已經(jīng)在航空、航天領(lǐng)域的關(guān)鍵零部件加工中發(fā)揮著越來越重要的作用。整體式渦輪盤作為液體火箭發(fā)動機的關(guān)鍵零部件，主要是利用復(fù)雜形狀電極通過電火花反拷貝加工而成。目前這些電極的形狀精度主要通過三坐標(biāo)測量儀進行測量[4]。由于檢測成本較高，而且必須在實驗室中進行，場地受限，導(dǎo)致只能進行抽樣檢測，增加了加工的風(fēng)險性。另外電極在加工中易受磨損，需要頻繁的進行更換[5]，如果電極由于檢測造成供給不及時，會造成加工的停滯，嚴(yán)重影響加工效率。本文針對上述問題，對渦輪盤加工現(xiàn)場的電極檢測技術(shù)進行了研究，實現(xiàn)在加工現(xiàn)場對每個加工用電極的形狀精度進行快速檢測，不但能夠保證渦輪盤的加工精度和可靠性，而且能夠提高加工效率，具有很實際的應(yīng)用價值。

1 形狀精度檢測原理與設(shè)備

圖1為渦輪盤加工所采用的某些型號電極。這些電極形狀比較復(fù)雜，具有狹窄面，用光學(xué)非接觸式測量方法容易產(chǎn)生干涉，造成數(shù)據(jù)點的丟失。故針對這種情況，本文采用接觸式測量方法。

圖1 電火花加工用復(fù)雜電極

接觸式測量方法的檢測原理如圖2所示。檢測單元和被測電極分別安裝在感知電路兩極。檢測單元由細長的探針和較小的測頭組成。當(dāng)測頭與電極表面處于臨界接觸之時，極間電場增強，擊穿極間介質(zhì)，極間電壓迅速下降。通過對感知電路的感知電壓信號進行監(jiān)控，即可判斷測頭與被測電極之間的接觸情況。當(dāng)二者處于臨界接觸時，即可提取接觸點的坐標(biāo)信息。通過提取電極表面的離散點云數(shù)據(jù)，與理想(設(shè)計)數(shù)據(jù)進行比較，即可判定電極的形狀精度。

圖2 接觸式測量感知電路

形狀精度檢測設(shè)備硬件平臺如圖3a所示，采用輕量化設(shè)計[6]。左側(cè)為電極安裝機構(gòu)，電極安裝在旋轉(zhuǎn)軸C上，通過C軸旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)電極的位姿變換；右側(cè)為三軸水平臂式測量機，檢測單元安裝在測量機的X直線軸上，通過X、Y、Z軸的聯(lián)動進行檢測工作。檢測設(shè)備的控制軟件如圖3b所示，包含：坐標(biāo)系設(shè)定、移動、定位、精度檢測等功能，精度檢測結(jié)果能夠以報表和圖線等形式給出。

(a)硬件平臺

(b)控制軟件圖3 形狀精度檢測設(shè)備

2 形狀精度檢測流程

接觸式形狀精度檢測的流程為：根據(jù)電極設(shè)計模型，提取電極特征點理想坐標(biāo)數(shù)據(jù)；以理想坐標(biāo)數(shù)據(jù)為參考確定目標(biāo)點，驅(qū)動檢測單元，獲取與特征點對應(yīng)的表面實際點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)；通過對測量數(shù)據(jù)和設(shè)計模型進行比對分析，判定電極的形狀精度。

2.1 特征點數(shù)據(jù)提取

復(fù)雜電極型面為自由曲面，數(shù)據(jù)信息量巨大且不規(guī)則，無法直接作為測量數(shù)據(jù)，故特征點數(shù)據(jù)提取為精度檢測的前提。

自由曲面檢測的一般方式為：曲面—截面線—離散點—特征點集，即對自由曲面進行網(wǎng)格劃分，將各節(jié)點作為特征點來提取特征數(shù)據(jù)。由于電極型面以被拷貝葉片型面作為依據(jù)，而葉片在設(shè)計時采用分層截面設(shè)計，故電極在葉高方向的分層面應(yīng)與葉片設(shè)計截面重合。而電極分層截面線的離散化，則需要確定特征點數(shù)量，然后對特征點進行合理分布。合理的選擇特征點的數(shù)量，能夠在保證檢測精度的前提下提高檢測效率。本文采用以下經(jīng)驗公式進行特征點數(shù)量確定：

式中：N—檢測點數(shù)量；

K—工藝能力系數(shù)；

zγ—標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)概率分布的γ分位數(shù)。

在分層截面線的特征點數(shù)量確定后，對于曲率變化不大的截面線，可采用等間距法布置特征點；對于曲率變化較大的截面線，可依據(jù)曲率變化進行布點，在曲率較大的位置增加布點密度，在曲率較小的位置減少布點密度，但要保證每條截面線上的離散數(shù)據(jù)點數(shù)量一致。

在特征點確定后，就需要從電極的三維設(shè)計模型中提取特征點理想坐標(biāo)數(shù)據(jù)。目前電極三維模型設(shè)計普遍采用SolidWorks或UG等三維建模軟件，這些軟件本身并不具備指定點數(shù)據(jù)提取和輸出功能。故本文通過UG/Open對UG進行二次開發(fā)[7]，構(gòu)建電極特征數(shù)據(jù)提取模塊，模塊運行如圖4所示。特征點提取數(shù)據(jù)格式為：

Pn=[xn,yn,zn,cosαn,cosβn,cosγn]

式中:Pn—第n個特征點；

xn、yn、zn—第n個特征點坐標(biāo)值；

cosαn、cosβn、cosγn—第n個特征點各方向余弦。

2.2 目標(biāo)點確定

特征點理想坐標(biāo)數(shù)據(jù)為電極表面數(shù)據(jù)，而檢測單元運行的目標(biāo)點實為測頭的球心，故需要依據(jù)特征點的法矢量進行測頭半徑補償，補償公式如下：

xijk、yijk—第i個檢測面的第j條截面線上的第k個特征點的坐標(biāo)值；

r—測頭半徑；

cosαijk、cosβijk—第i個檢測面上的第j條截面線上的第k個特征點的法向量沿指定方向的余弦。

目標(biāo)點確定后，將相應(yīng)特征點的法向量作為目標(biāo)點的法向量，規(guī)劃好檢測路徑后，便可驅(qū)動檢測單元對電極進行檢測，測得電極表面的實測點坐標(biāo)。沿檢測路徑規(guī)劃好的目標(biāo)點數(shù)據(jù)可用如下矩陣進行表示：

3 形狀精度評定

3.1 評定方法

對電極形狀精度的評定，可以采用自由曲線輪廓度誤差評定法，即對電極截面線的輪廓度誤差進行評定。自由曲線輪廓度誤差是理論曲線上的特征點與實測曲線和特征點法線的交點之間的線段長度。故評定流程為：采用三次B樣條曲線通過實測點對實測曲線進行重構(gòu)，求解實測曲線和特征點法線的交點，求解特征點與交點的距離(誤差)，評定誤差是否在合理范圍內(nèi)，如圖5所示。求解交點可采用一維尋優(yōu)法。又因為三次B樣條曲線具有單凸性，故可采用Newton迭代尋優(yōu)方法求取尋優(yōu)解。

圖4 形狀精度評價流程

3.2 仿真實驗

為了驗證尋優(yōu)法求解所得的交點是否能夠滿足精度要求，本文進行了仿真實驗，將所求得交點進行三次B樣條曲線重構(gòu)，并與重構(gòu)的實測曲線進行比較，通過計算精度誤差來判斷交點是否能夠客觀反映實測曲線情況。仿真的偏差色斑如圖6所示，這里只列出具有四個工作面的電極的第一面和第二面的仿真結(jié)果。通過仿真，兩個曲線的最大偏差為0.007mm。由于電極檢測精度要求為0.02mm，故采用尋優(yōu)法求解能夠滿足精度要求。

(a) 電極第一面 (b)電極第二面圖5 仿真偏差色斑圖

4 精度檢測試驗

圖7為本文所開發(fā)出的形狀精度檢測設(shè)備。利用該設(shè)備在生產(chǎn)現(xiàn)場對某型號電極進行了形狀精度檢測。實際檢測時間(不含安裝時間，該時間與操作者操作熟練程度有關(guān))約為10min(該時間與電極大小、形狀和復(fù)雜程度等因素有關(guān))。表1為部分特征點的理想坐標(biāo)數(shù)據(jù)，表2為這些特征點所對應(yīng)的尋優(yōu)點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，表3為計算所得的精度誤差。根據(jù)該型號電極的精度誤差要求，被測電極的形狀精度符合要求，可以用作實際加工。與傳統(tǒng)的采用三坐標(biāo)測量儀檢測相比，雖然在檢測精度方面略有不足(三坐標(biāo)測量儀檢測精度可達0.001mm)，但已足夠滿足電極的檢測精度要求，且檢測時間少，檢測成本低，適用于在渦輪盤加工現(xiàn)場對加工用電極進行檢測。

圖6 精度檢測設(shè)備

表1 部分特征點理想坐標(biāo)數(shù)據(jù) (mm)

表2 部分尋優(yōu)點坐標(biāo)數(shù)據(jù) (mm)

表3 精度誤差 (mm)

5 結(jié)論

通過仿真和實驗驗證，可得如下結(jié)論：

(1)本文所研發(fā)的檢測方法和檢測設(shè)備適用于電火花加工復(fù)雜電極的形狀精度檢測。

(2)在生產(chǎn)加工現(xiàn)場，可以利用該設(shè)備在生產(chǎn)的同時對加工用電極逐個進行精度檢測，不但能夠提高檢測效率，還能夠提高生產(chǎn)的可靠性，具有較強的實際應(yīng)用價值。

在今后的研究工作之中，可在提升檢測精度方面做進一步的研究。

[1] Ming Zhou, Fuzhu Han, Yongxain Wang,et al . Assessment of the dynamical properties in EDM process-detecting deterministic nonlinearity of EDM process[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2009,44 (1): 91-99.

[2] 王超，丁浩，朱世根. 基于Pro /E 的電火花微細異形零件加工工藝研究[J].組合機床與自動化加工技術(shù), 2013 (9): 125-128.

[3] Shinya Hayakawa，Masahiro Takahashi，F(xiàn)umihiro Itoigawa,et al. Study on EDM phenomena with in-process measurement of gap distance[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2004, 149 (6): 250-255.

[4] Ping Xueliang，Zhou Rurong，Dang Yaoguo. Novel CMM Measuring Method for Unknown Free For Surface[J]. Mechanical Science and Technology, 2005,24(4):491-493.

[5] 李茂盛. 五軸聯(lián)動電火花加工機床及其復(fù)雜電極預(yù)裝系統(tǒng)的研制[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[6] 吳珊，肖琪聃，孫金磊，等. 基于ANSYS 的臥式龍門銑床輕量化設(shè)計[J].組合機床與自動化加工技術(shù), 2015 (8): 55-58.

[7] 任國棟，鄭峰,葛春榮,等. 基于UG的汽輪機葉片CAD系統(tǒng)二次開發(fā)[J].組合機床與自動化加工技術(shù), 2015 (1): 46-48.

(編輯李秀敏)

AccurateInspectingofTool-electrodewithComplicatedShapeforEDM

HUANG Hai-peng1，LI Mao-sheng2，F(xiàn)EI Xiang2，CHI Guan-xin2，WANG Zhen-long2

(1.School of Mechanical and Automotive Engineering, Xiamen University of Technology, Xiamen Fujian 361024, China; 2.Department of Mechanical Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

To avoid the high-cost and space limit of accuracy inspecting of tool-electrode with complicated shape for Electronic Discharge Machining (short for EDM), a kind of contact measuring method has been researched, an inspecting equipment has been developed, an inspecting method has been proposed. The extracting method of feature methods' data has been researched, and the extracting software has been developed. Computing matrix of target point has been established. The evaluating method of tool-electrode's accuracy has been proposed, and emulation proof has been carried out. The accuracy inspecting experiment has been carried out, and it shows that the research results of the paper can inspect the accuracy of tool-electrode with complicated shape at production field efficiently, and has great value of practical application.

EDM; tool-electrode; accuracy

TH161;TG506

：A

1001-2265(2017)09-0076-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.09.020

2016-11-16；

：2016-12-15

國家863重點項目 (2009AA044201)；國家數(shù)控機床重大專項(2009ZX04003-022)；廈門理工學(xué)院高層次人才科技類項目(YKJ16005R)

黃海鵬(1981—)，男，哈爾濱人，廈門理工學(xué)院高級工程師，博士，研究方向為特種加工技術(shù)，(E-mail)huanghaipeng@xmut.edu.cn。