閆曉燊，朱思萌，奚學(xué)程，趙萬(wàn)生

（ 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240 ）

在電火花放電加工過(guò)程中，工具電極存在損耗會(huì)影響加工工件的幾何精度和仿形精度。 相關(guān)學(xué)者在電極損耗方面做了大量的研究。 李冬林等[1]從工具電極的制作工藝著手，通過(guò)在電鑄液中加入特定添加劑，達(dá)到降低工具電極損耗的目的；張?jiān)频萚2]研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)整加工過(guò)程中的電參數(shù)，提高峰值電壓、峰值電流，降低脈寬的方式，能降低電極損耗。 周勇等[3]通過(guò)研究加工過(guò)程中極間電參數(shù)的變化規(guī)律， 結(jié)合放電過(guò)程中出現(xiàn)的正極積碳現(xiàn)象，建立了工具電極損耗模型。 儲(chǔ)召良等[4]通過(guò)對(duì)比不同抬刀速度對(duì)窄槽電火花加工性能的影響，發(fā)現(xiàn)提高抬刀速度能有效提升加工性能穩(wěn)定性，降低電極損耗。 上述文獻(xiàn)在降低工具電極損耗等方面做了大量詳實(shí)的研究，從工具電極的制備、加工電參數(shù)、抬刀速度以及損耗模型等方面分析了降低電極損耗的相關(guān)因素及措施。 但針對(duì)如何檢測(cè)電極損耗情況及針對(duì)電極損耗后如何快速修整研究較少。

本文嘗試通過(guò)自主研制的非接觸式激光測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量損耗后電極形貌，并處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)工具電極進(jìn)行比對(duì)，獲取工具電極損耗情況。 依據(jù)工具電極損耗具體程度，結(jié)合反成形在位修整技術(shù)，設(shè)置合理電參數(shù)，利用反拷塊解決實(shí)際生產(chǎn)中電極損耗后的修整問(wèn)題。

1 非接觸式激光測(cè)量系統(tǒng)

1.1 非接觸式激光測(cè)量系統(tǒng)組成

本文采用的非接觸式激光測(cè)量系統(tǒng)（圖1）由高精度激光位移傳感、激光傳感器定位夾具、自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)和EROWA 定位夾具構(gòu)成。 激光測(cè)量系統(tǒng)搭建在某品牌五軸高精度數(shù)控機(jī)床上，采用實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)，采用三角反射式高精度激光位移傳感器，自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)集成在數(shù)控系統(tǒng)中。

1.2 非接觸式激光測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量原理

非接觸式激光測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量原理見(jiàn)圖2。 通過(guò)激光位移傳感器激光發(fā)射點(diǎn)（以下簡(jiǎn)稱“光點(diǎn)”）在機(jī)床坐標(biāo)系下坐標(biāo)（xmg，ymg，zmg）減去 Z 軸方向的實(shí)測(cè)距離L， 可確定工件表面被測(cè)點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系下的坐標(biāo)（xmc，ymc，zmc）。 其中，光點(diǎn)坐標(biāo)（xmg，ymg，zmg）與工件表面被測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)（xmc，ymc，zmc）的關(guān)系表示為：

1.3 非接觸式激光測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定

在實(shí)際生產(chǎn)加工中，由于激光位移傳感器的安裝誤差以激光傳感器自身精度誤差，激光位移傳感器光點(diǎn)發(fā)射的激光光束方向與Z 軸豎直方向之間存在方向偏差（nx，ny，nz）（即激光束與 x 軸、y 軸、z 軸正方向之間夾角的余弦值）。 此外， 在機(jī)床坐標(biāo)系下，激光位移傳感器光點(diǎn)坐標(biāo)與數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示坐標(biāo)之間也存在固有位置偏差（Δx，Δy，Δz），具體位置關(guān)系見(jiàn)圖3。

由于上述方向偏差（nx，ny，nz）與位置偏差（Δx，Δy，Δz）的存在，被測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)存在偏差。在測(cè)量工具電極損耗情況之前，需對(duì)非接觸式激光測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定[5]。 為此，在分析五軸機(jī)床運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，基于螺旋理論并結(jié)合最小二乘法，開(kāi)發(fā)了自動(dòng)標(biāo)定算法并將該算法自動(dòng)化集成到數(shù)控系統(tǒng)中（圖4）[6]。經(jīng)測(cè)量亞光面陶瓷標(biāo)準(zhǔn)球?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證，標(biāo)定之后的非接觸式激光測(cè)量系統(tǒng)， 其測(cè)量精度可達(dá)±0.01 mm，滿足測(cè)量精度需求。程序相關(guān)界面見(jiàn)圖5，標(biāo)定精度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖6。

2 損耗電極的檢測(cè)

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取

根據(jù)三角反射式激光位移傳感器自身工作原理，為保證測(cè)量精度，需在測(cè)量過(guò)程中確保將被測(cè)表面法向量與激光光束方向向量之間的夾角控制在3°以內(nèi)。本實(shí)驗(yàn)使用的成形電極見(jiàn)圖7。在測(cè)量過(guò)程中需結(jié)合成形電極的具體形狀調(diào)整電極姿態(tài)。

結(jié)合非接觸式測(cè)量系統(tǒng)的五軸空間具體結(jié)構(gòu)，利用運(yùn)動(dòng)學(xué)變換公式，推導(dǎo)得到式（1）所示的刀具坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系的變換矩陣Gtw。

該變換矩陣Gtw表示為：

其中，B 軸變換矩陣Gtwb表示為：

C 軸變換矩陣Gtwc表示為：

平行軸變換矩陣Gtm表示為：

基于刀具坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系兩者之間的變換關(guān)系，利用數(shù)控系統(tǒng)自主生成測(cè)量軌跡，通過(guò)非接觸式激光測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量損耗電極表面形貌，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理、比對(duì)

非接觸式激光測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量得到的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)是在刀具坐標(biāo)系下得到的， 其存儲(chǔ)格式為（xt，yt，zt，B，C，L）。 因此，需將刀具坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)變換矩陣Gtw變換為工件坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)（xw，yw，zw）。

如下：

處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)見(jiàn)圖8。

將損耗電極的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)電極的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，可得到電極的損耗情況。 針對(duì)等腰梯形成形電極，本文從成形電極加工端面平行度對(duì)電極損耗情況進(jìn)行評(píng)估。 圖9 是損耗電極的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)電極的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的對(duì)比圖。 可知，放電加工后的工具電極由于損耗，其加工端面由原來(lái)的水平面變化為與水平面呈1.27°的斜面。根據(jù)以上數(shù)據(jù)確定工具電極的損耗情況，并以此作為工具電極反成形修整階段電參數(shù)的設(shè)置依據(jù)。

3 損耗電極的修整

工具電極損耗后的修整方式主要有以下兩種：一種是根據(jù)工具電極的損耗情況，在電火花放電加工過(guò)程中進(jìn)行補(bǔ)償；另一種是對(duì)工具電極的損耗部位直接進(jìn)行修整[7]。

工具電極損耗部位補(bǔ)償方案劃分為兩種：一種是離線的基于模型的電火花加工工具電極損耗預(yù)測(cè)，一種是在線的基于加工參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的工具電極損耗補(bǔ)償[8]。 前者主要是在先驗(yàn)知識(shí)及大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)學(xué)建模的方式建立電火花工具電極損耗量與加工時(shí)間和加工條件之間的關(guān)系，從而達(dá)到對(duì)加工過(guò)程中工具電極損耗情況預(yù)測(cè)的目的，然而該方法的補(bǔ)償效果很大程度上依賴于所建立的損耗預(yù)測(cè)模型是否精確。 后者主要是通過(guò)對(duì)加工過(guò)程中的電參數(shù)及其他加工狀態(tài)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，達(dá)到對(duì)工具電極損耗情況檢測(cè)的目的，并在加工過(guò)程中根據(jù)檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)對(duì)加工代碼進(jìn)行動(dòng)態(tài)修改，以達(dá)到對(duì)工具電極補(bǔ)償?shù)哪康?，但該方法?duì)電極損耗狀態(tài)判斷的準(zhǔn)確性有較大依賴。

本文采用工具電極修整的第二種方向，即根據(jù)工具電極損耗情況對(duì)工具電極損耗部位進(jìn)行修整，使其恢復(fù)到加工之前狀態(tài)，進(jìn)而保證加工效果。

3.1 反成形修整技術(shù)及工藝

圖10 是為反成形修整工具電極的技術(shù)原理。在修整時(shí)，將待修整工具電極接近反拷板，并將工具電極與修整板的極性按照按正常放電加工時(shí)狀態(tài)反置。 此時(shí)，反拷板為“工具電極”，而待修整的工具電極為“工件”。 進(jìn)行放電加工，即可蝕除工具電極表面材料，從而達(dá)到修整工具電極損耗部位的目的[9]。 本文根據(jù)非接觸式激光測(cè)量系統(tǒng)得到工具電極損耗情況，結(jié)合反形型電火花加工效率及修整效果，設(shè)置相應(yīng)修整加工工藝參數(shù)。

3.2 反拷塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為保證反成形修整效果，需根據(jù)成形電極的具體幾何形狀來(lái)設(shè)計(jì)反拷塊結(jié)構(gòu)。 本文結(jié)合非接觸式激光測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)， 計(jì)算工具電極損耗量，利用反成形修整技術(shù)進(jìn)行成形電極修整。 反拷塊結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖11。

在電火花成形機(jī)床上設(shè)置反拷塊， 采用如表1所示參數(shù)對(duì)損耗的成形電極進(jìn)行修整。

表1 修整電極時(shí)采用的電參數(shù)

3.3 電極修整效果測(cè)量

利用非接觸式激光測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量修整后的成形電極，檢驗(yàn)損耗電極的修整效果，得到如圖12 所示的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。 由圖12 可知，依據(jù)激光測(cè)量所得電極損耗情況進(jìn)行電極反成形修整，修整后的工具電極平行度由修整前的1.27°變?yōu)?.24°， 修整后的成形電極端面平行度相較于修整之前有較大提升。

4 加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 修整電極加工實(shí)驗(yàn)

在電火花成形機(jī)床上，利用未修整的損耗電極和修整后的損耗電極進(jìn)行異形孔加工對(duì)比實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)不同電極加工異形孔的尺寸精度。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本文以電火花成形加工的等腰梯形截面異形孔下底邊長(zhǎng)度為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，分析了相同電火花機(jī)床及相同加工參數(shù)條件下已修整的工具電極和未修整工具的電極所加工異形孔的幾何尺寸精度，從而對(duì)修整電極效果加工效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。 相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 修整與未修整電極所加工異形孔下底邊幾何尺寸

由表2 可得，經(jīng)過(guò)修整后的成形電極所加工的異形孔與未修整的成形電極所加工的異形孔相比，前者的等腰梯形截面下底邊幾何長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)差為0.377 mm， 相較于后者的標(biāo)準(zhǔn)差下降了0.064 mm，加工一致性得到較大提升，且前者的尺寸更接近于標(biāo)準(zhǔn)值2.28 mm， 加工精度也得到改善。 這進(jìn)而證明，基于激光測(cè)量的成形電極損耗檢測(cè)及修整技術(shù)的有效性及可行性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用自主研發(fā)的非接觸式激光測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)已損耗的成形電極加工端面進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)對(duì)比損耗成形電極與標(biāo)準(zhǔn)成形電極兩者間的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，獲取電極損耗情況；根據(jù)電極損耗情況，設(shè)置不同電參數(shù)，并基于反向成形技術(shù)，結(jié)合反拷塊對(duì)成形電極進(jìn)行修整；通過(guò)非接觸式激光測(cè)量系統(tǒng)對(duì)成型電極修整效果進(jìn)行檢驗(yàn)，并將修整后的電極應(yīng)用于加工實(shí)驗(yàn)，通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可知修整后的電極所加工異形孔的尺寸精度及一致性得到較大提升，進(jìn)而驗(yàn)證了基于激光測(cè)量的成形電極損耗檢測(cè)及修整技術(shù)方案的可行性和有效性，為今后成形電極損耗情況的檢測(cè)及修整提供了一種新思路。