岳曉明，徐作珂，陳志遠(yuǎn)，樊 基，張勤河,2，張建華,2

（ 1. 山東大學(xué)機械工程學(xué)院，山東濟南 250061；2. 山東大學(xué)高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，山東濟南 250061；3. 山東大學(xué)蘇州研究院，江蘇蘇州 215123 ）

近年來，隨著復(fù)雜型腔模具的發(fā)展，電火花銑削加工技術(shù)受到了廣泛關(guān)注。 電火花銑削加工是通過工具電極的簡單運動來實現(xiàn)復(fù)雜型腔結(jié)構(gòu)加工，具有工具電極制備簡單、成形范圍廣以及不受被加工材料強度硬度限制等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、精密機械零部件和模具制造等領(lǐng)域[1]。

目前國內(nèi)外學(xué)者針對電火花銑削加工技術(shù)開展了大量的研究工作。 王飛等[2]設(shè)計了基于PMAC運動控制卡的三軸電火花銑削加工機床，通過銑削加工實驗驗證了該加工系統(tǒng)的可靠性。 張世紅等[3]基于三軸聯(lián)動數(shù)控車床進(jìn)行了一系列電火花銑削加工工藝試驗研究，分析了不同加工參數(shù)對加工性能的影響。 唐佳靜等[4]基于三軸機床運用PMAC 運動控制卡編寫運動軌跡實現(xiàn)了微小字母圖案的銑削加工。 朱熙等[5]分析了放電間隙、軌跡重疊率、分層厚度和電極掃描速度對微細(xì)電火花銑削加工性能的影響，實現(xiàn)了簡單型腔結(jié)構(gòu)的加工。 秦月霞等[6]對基于開放式數(shù)控系統(tǒng)三軸聯(lián)動電火花銑削加工技術(shù)進(jìn)行了研究， 提出了一種電極損耗補償算法。Jung Jae Won 等[7]提出了一種基于放電脈沖計數(shù)的微細(xì)電火花加工控制方法，該方法是無需通過復(fù)雜的路徑規(guī)劃來補償電極的磨損，就可快速準(zhǔn)確地實現(xiàn)二維和三維結(jié)構(gòu)的微細(xì)電火花銑削加工。

綜上所述，目前絕大多數(shù)的電火花銑削加工是基于三軸電火花加工機床進(jìn)行，一方面受限于電火花加工機床工作空間，被加工工件的尺寸和重量受到限制，對大型工件及需要現(xiàn)場加工的工件束手無策；另一方面，三軸加工機床自由度有限，無法實現(xiàn)復(fù)雜曲面零部件的銑削加工。

針對上述問題，本文創(chuàng)新性地將電火花銑削加工與六自由度串聯(lián)機器人有機地結(jié)合在一起，提出了一種基于六自由度串聯(lián)機器人的電火花銑削加工系統(tǒng)。 通過六自由度串聯(lián)機器人實現(xiàn)工具電極的復(fù)雜軌跡運動，克服了傳統(tǒng)電火花三軸加工機床加工位姿受限的難題。 此外，與傳統(tǒng)的三軸加工機床相比，本文提出的基于六自由度串聯(lián)機器人電火花銑削加工系統(tǒng)具有移動方便且不受被加工工件尺寸與重量限制的優(yōu)點，可對大型工件及難拆卸工件進(jìn)行現(xiàn)場加工。

1 實驗裝置

加工系統(tǒng)模型見圖1、 實物見圖2。 由圖1 可知，基于六自由度串聯(lián)機器人的電火花銑削加工系統(tǒng)主要由運動控制、運動執(zhí)行和電源使能三部分組成。 其中，運動控制部分包括數(shù)控柜1（電火花加工數(shù)控系統(tǒng)）和機器人控制系統(tǒng)2，二者分別對電火花加工放電狀態(tài)和機器人運動進(jìn)行控制。 運動執(zhí)行部分包括機器人本體3 和末端執(zhí)行器4， 二者分別實現(xiàn)銑削軌跡運動和電極伺服運動。 如圖3 所示，末端執(zhí)行器由伺服電機、精密滾動絲杠平臺、轉(zhuǎn)接板和工具電極夾頭四部分組成。 電火花加工數(shù)控系統(tǒng)通過檢測極間電壓信號來控制伺服電機，進(jìn)而實現(xiàn)工具電極的伺服運動。 電源使能部分主要由高壓脈沖電源5 和低壓脈沖電源6 組成，其中高壓電源負(fù)責(zé)擊穿極間介質(zhì)形成火花放電，低壓電源負(fù)責(zé)提供放電加工電流。 該復(fù)合電源相比于傳統(tǒng)的晶體管脈沖電源，可在相對較低的輸出功率下實現(xiàn)高功率的電火花加工， 更加符合脈沖電源的綠色化要求，其工作原理見圖4。

圖2 加工系統(tǒng)實物圖

圖3 末端執(zhí)行器三維圖

圖4 高低壓脈沖復(fù)合電源原理圖

2 實驗方案

2.1 總體方案

為了驗證基于六自由度串聯(lián)機器人的電火花銑削加工系統(tǒng)的可靠性， 本文設(shè)計開展了直線溝槽、曲線溝槽、方形平面槽和空間曲線溝槽的電火花銑削加工實驗。 具體是：通過直線溝槽銑削加工探究脈沖寬度和電極掃描速度對材料去除率（MRR）和相對電極損耗率（REWR）的影響，其中MRR 為單位時間內(nèi)的材料去除體積，REWR 為電極損耗體積與材料去除體積之比；通過精密電子天平測量出工件和電極的重量，進(jìn)而可計算出銑削加工的MRR 和REWR； 復(fù)雜軌跡溝槽銑削實驗通過機器人在線編程和離線編程擬合出待加工曲線的軌跡，進(jìn)而實現(xiàn)該曲線軌跡的銑削加工，并分析加工結(jié)構(gòu)的形狀誤差；方形平面槽銑削加工實驗分別探究不同的軌跡類型、軌跡重疊率對銑削加工結(jié)果的影響，進(jìn)而優(yōu)化加工參數(shù)組合；空間曲線溝槽銑削加工實驗用以驗證加工系統(tǒng)的加工能力，實現(xiàn)三維銑削。 表1 是電火花銑削加工的實驗條件。

表1 電火花銑削加工實驗條件

基于六自由度串聯(lián)機器人的電火花銑削加工流程如下：首先，通過機器人控制系統(tǒng)對加工坐標(biāo)系進(jìn)行標(biāo)定；其次，對電極末端進(jìn)行工具坐標(biāo)系的標(biāo)定；然后，基于已標(biāo)定的坐標(biāo)系對銑削加工進(jìn)行軌跡規(guī)劃，選取若干關(guān)鍵軌跡點，通過機器人控制系統(tǒng)完成軌跡插補，擬合軌跡曲線；最后，打開加工電源和電火花控制系統(tǒng)，通過機器人軌跡移動和末端執(zhí)行器伺服運動實現(xiàn)電火花銑削加工。

2.2 直線溝槽銑削加工實驗

在直線溝槽的銑削加工中，通過機器人帶動電極做往復(fù)直線運動， 完成直線溝槽的分層銑削加工。其中，實驗一選取直徑3 mm 的紫銅電極分別在脈寬為200、400、500、600、800 μs 時進(jìn)行直線溝槽的銑削加工，通過分析MRR 和REWR 探究脈沖寬度對加工結(jié)果的影響， 進(jìn)而優(yōu)選出合適的加工脈寬； 實驗二分別選取電極掃描速度為0.4、0.8、1.2、1.6、2.0 mm/s，探究電極掃描速度對MRR 和REWR的影響，進(jìn)而優(yōu)選出合適的電極掃描速度。

2.3 曲線溝槽銑削加工實驗

在進(jìn)行曲線溝槽銑削加工之前， 首先需通過CAD 繪圖軟件繪制出待銑削加工的軌跡曲線，并從曲線上選取一定數(shù)量的關(guān)鍵點，獲取這些關(guān)鍵點的位置坐標(biāo)信息；然后，將這些點位信息輸入機器人控制系統(tǒng)，運用機器人的在線編程和腳本編程擬合出加工軌跡曲線， 最終完成曲線溝槽的銑削加工。實驗三選取圖5 所示的軌跡進(jìn)行復(fù)雜軌跡溝槽銑削加工，并對加工尺寸誤差進(jìn)行分析。

圖5 曲線溝槽軌跡

2.4 方形平面槽銑削加工實驗

在方形平面槽的銑削加工中，首先需進(jìn)行加工軌跡的布置，如果加工軌跡布置不合理，銑削平面內(nèi)會存在較大的殘切區(qū)域， 導(dǎo)致銑削平面不平整。因此，實驗四選取圖6 所示四種銑削軌跡，探究了軌跡類型對方形平面槽銑削加工結(jié)果的影響。

圖6 方形平面槽銑削采用的四種軌跡類型

在方形平面槽的銑削加工過程中，由于電極底部的電極損耗不均勻，電極外側(cè)存在側(cè)邊放電的情況且外側(cè)的電極損耗比內(nèi)側(cè)的大。 即使選取的軌跡類型比較合理，電極可遍歷整個加工平面，但電極底部的不均勻損耗也會導(dǎo)致銑削平面上存在加工殘切區(qū)域。 因此，在布置軌跡時需選取一定的軌跡重疊部分（圖7 所示剖面線填充部分為電極重疊區(qū)域）。 實驗五以0.1 mm 的變化量逐漸增加軌跡重疊量，直至加工殘切區(qū)域消失，從而探究出合適的軌跡重疊量。

圖7 軌跡重疊示意圖

2.5 空間曲線銑削加工實驗

相比于平面曲線銑削加工實驗，空間曲線銑削加工實驗的銑削加工結(jié)構(gòu)為空間曲線溝槽、加工表面基于空間曲面。 與平面曲線銑削加工實驗相似，空間曲線加工也需獲取曲線上的路點信息，通過插補形成加工軌跡。 此外，在進(jìn)行空間曲線銑削加工時，應(yīng)保證電極始終與加工表面垂直。 這就要求在規(guī)劃機器人末端移動軌跡的同時，要對機器人末端執(zhí)行器的姿態(tài)也進(jìn)行相應(yīng)的規(guī)劃，以保證加工電極始終垂直于加工表面或加工表面的切面。 實驗六將加工面選取為半球面，其加工結(jié)構(gòu)見圖8。

圖8 空間曲線加工結(jié)構(gòu)示意圖

3 工藝實驗與結(jié)果分析

3.1 直線溝槽加工實驗結(jié)果分析

3.1.1 實驗一結(jié)果分析

實驗一探究了脈沖寬度對直線溝槽銑削加工結(jié)果的影響。加工介質(zhì)及加工電參數(shù)見表1，在電極掃描速度為2.0 mm/s、銑削加工層數(shù)為40 層、完成長度為20 mm 的條件下開展了直線溝槽銑削加工。圖9 是不同脈寬條件下的MRR 和REWR，圖10 是直線溝槽的加工實例。

圖9 不同脈寬下的MRR 和REWR

圖10 直線溝槽加工實例

由圖9 可看出，隨著脈沖寬度的增加，放電能量增加、材料去除率升高，但材料去除率的升高速率則逐漸降低；此外，銑削加工時的電極相對損耗率呈下降趨勢，這是因為在負(fù)極性加工條件下隨著脈寬的增加，極性效應(yīng)愈發(fā)明顯，使得電極損耗不斷降低。

3.1.2 實驗二結(jié)果分析

實驗二探究了電極掃描速度對直線溝槽銑削加工結(jié)果的影響。 加工介質(zhì)及加工電參數(shù)同表1 所示。 根據(jù)實驗一的結(jié)論，選取脈沖寬度為800 μs、電極掃描速度分別為0.4、0.8、1.2、1.6、2.0 mm/s， 對應(yīng)銑削加工層數(shù)為8、16、24、32、40， 完成長度20 mm的直線溝槽銑削加工。 圖11 是不同電極掃描速度下的MRR 和REWR。

圖11 不同電極掃描速度下的MRR 和REWR

從圖11 可看出，隨著電極掃描速度的增加，材料去除率逐漸升高且相對電極損耗率逐漸降低。 這是因為隨著電極掃描速度的提高，改善了加工介質(zhì)的流場條件，促進(jìn)了蝕除屑的排出，減少了電極與蝕除屑之間的無效放電。 因此，選取較大的電極掃描速度，在一定程度上可提高材料去除速率且降低電極損耗率。

3.2 曲線溝槽加工實驗結(jié)果分析

實驗三為曲線溝槽的銑削加工實驗，加工介質(zhì)及部分加工電參數(shù)同表1 所示。 根據(jù)實驗一與實驗二的結(jié)論，選取脈沖寬度為800 μs、電極掃描速度為2.0 mm/s、銑削加工層數(shù)為30 層，完成不同形狀的曲線溝槽銑削加工實驗。 圖12 是復(fù)雜軌跡溝槽的加工實例，表2 是曲線溝槽加工誤差表。

表2 復(fù)雜軌跡溝槽加工結(jié)果

圖12 復(fù)雜軌跡溝槽加工結(jié)果

從圖12 可知，復(fù)雜溝槽的銑削加工表面平整，實際加工形狀與設(shè)計形狀相同。 此外，從表2 可知，溝槽寬度誤差在1.33%以內(nèi)、 加工面積誤差在1.67%以內(nèi)。 因此，利用本文的加工系統(tǒng)可以實現(xiàn)較低誤差的曲線溝槽銑削加工，能滿足電火花半精加工的要求。

3.3 方形平面槽加工實驗結(jié)果分析

3.3.1 實驗四結(jié)果分析

實驗四探究了軌跡類型對方形平面槽銑削加工結(jié)果的影響。 加工介質(zhì)及部分加工電參數(shù)同表1所示。 根據(jù)實驗一與實驗二的結(jié)論，選取電極脈寬為800 μs、電極掃描速度為2.0 mm/s、銑削加工層數(shù)為40 層、 軌跡重疊量為0 mm， 再分別選取圖6所示的四種軌跡類型， 完成了15 mm×15 mm 方形平面槽銑削加工。 圖13 是四種軌跡類型銑削加工的加工結(jié)果圖。

圖13 四種軌跡類型銑削加工的加工實例

從圖13a 所示盤蛇形軌跡一的加工結(jié)果可見，盤蛇形軌跡一的銑削加工表面殘切區(qū)域較大，加工結(jié)果較差，這是由于軌跡布置不合理以及加工過程中存在電極損耗；從圖13b 所示盤蛇形軌跡二的加工結(jié)果可見，盤蛇形軌跡二的銑削加工邊緣輪廓更加工整，但仍存在較大的加工殘切區(qū)域；從圖13 c所示折線形軌跡一的加工結(jié)果可見，折線形軌跡一的銑削加工由于軌跡布置不合理，加工的邊緣殘切區(qū)域最大；從圖13d 所示折線形軌跡二的加工結(jié)果可見， 折線形軌跡二的銑削加工殘切區(qū)域最小、表面形貌最好。 另外由圖6d 可知，折線形軌跡二的電極往返方向是垂直的，在電極折返過程中有殘切區(qū)域被加工，使加工的殘切區(qū)域變小、加工表面更加平整。 因此，折線形軌跡二是最優(yōu)的加工軌跡。

3.3.2 實驗五結(jié)果分析

實驗五了探究軌跡重疊量對方形平面槽銑削加工的影響。加工介質(zhì)及部分加工電參數(shù)同表1。選取直徑為3 mm 的紫銅電極、脈沖寬度為800 μs、軌跡類型為折線形軌跡二，另根據(jù)實驗五選取電極掃描速度為1.2 mm/s、銑削加工層數(shù)為24 層、軌跡重疊量以0.1 的階梯量不斷增加，完成如圖14 所示的不同軌跡重疊量對應(yīng)的加工實例。 可見，施加一定量的軌跡重疊量后，加工殘切凸起減少；當(dāng)軌跡重疊量為0.3 mm 時，加工殘切凸起消失，表面出現(xiàn)加工紋路。 這是由于施加軌跡重疊后，重疊區(qū)域出現(xiàn)少量重復(fù)加工。 綜上可知，當(dāng)軌跡重疊量為0.3 mm時，加工表面最平整。因此，0.3 mm 為合適的軌跡重疊量。

圖14 四種軌跡重疊量的加工結(jié)果圖

3.4 空間曲線結(jié)構(gòu)加工實驗結(jié)果分析

實驗六為空間曲線結(jié)構(gòu)銑削加工實驗。 加工材料為半球形的304 不銹鋼，其他參數(shù)見表1。 304 不銹鋼的加工特性與高速鋼不同，部分參數(shù)的選取與高速鋼也不同。實驗選取直徑2 mm 的紫銅電極、脈沖寬度為200 μs、電極掃描速度為0.5 mm/s、銑削加工層數(shù)為2 層、軌跡重疊量為0 mm，完成了如圖7 所示結(jié)構(gòu)的銑削加工。圖15 是空間曲線結(jié)構(gòu)的加工結(jié)果圖。

圖15 空間曲線結(jié)構(gòu)銑削加工結(jié)果

從圖15 可看出， 運用六自由度串聯(lián)機器人輔助電火花加工系統(tǒng)可對復(fù)雜空間曲面工件進(jìn)行銑削加工，完成了傳統(tǒng)電火花加工機床無法完成的加工工作。

4 結(jié)論

本文創(chuàng)新性地將電火花銑削加工與六自由度串聯(lián)機器人有機地結(jié)合在一起，提出了一種基于六自由度串聯(lián)機器人的電火花銑削加工系統(tǒng)，并基于該系統(tǒng)進(jìn)行了直線溝槽、曲線溝槽、方形平面槽和空間曲線溝槽的銑削加工實驗，得到如下結(jié)論：

（1）隨著電極掃描速度的增加，基于六自由度串聯(lián)機器人的電火花銑削加工材料去除速率提高且電極損耗率降低。

（2）當(dāng)銑削加工方形平面槽時，采用橫向和縱向交叉往復(fù)的折線形軌跡可獲得較小的加工表面殘切區(qū)域。 當(dāng)選取直徑3 mm 的紫銅電極進(jìn)行加工時， 在軌跡布置時施加0.3 mm 的軌跡重疊量可消除加工殘切區(qū)域。

（3）本文所提出的加工系統(tǒng)可實現(xiàn)復(fù)雜空間曲面工件的銑削加工，相比于傳統(tǒng)的電火花銑削加工具有更高的加工自由度和靈活性，具有廣闊的應(yīng)用前景。