五轴联动数控展成电解磨床原理与控制.pdf

第 12 卷第5 期2005 年10 月工程设计学报Journal of Engineering DesignVol.12 No.5Oct.2005收稿日期:2005-06-05.基金项目:“十五”国防科技预研资助项目;常州市“831 工程”资助项目;常州市科技计划资助项目(CQ2004005).作者简介:干为民(1960-),男,江苏常州人,副教授,博士,从事实验力学和电化学加工等研究,E-mail:ganwm .五轴联动数控展成电解磨床原理与控制干为民1,徐家文2(1.常州工学院 机电工程学院,江苏 常州 213002;2.南京航空航天大学 机电学院,江苏 南京 210016)摘要:为解决整体叶轮叶片型面的精加工难题,进行了五轴联动数控展成电解磨削整体叶轮的基础研究.根据数控展成电解磨削整体叶轮叶片型面这一加工方法的特点,在分析了数控展成电解磨削整体叶轮原理的基础上,对磨削系统的结构与运动进行了总体设计,提出了经济型多轴数控系统及其联动控制方法,建立了电解磨削非平行直纹展成曲面的数学模型,开发了五轴联动数控展成电解磨削自动数控编程系统,对航空发动机整体叶轮的叶片型面进行了电解磨削.五轴联动数控展成电解磨削技术为整体叶轮叶片型面的精加工提供了一种新的加工手段.关键词:数控展成;电解磨床;整体叶轮;控制中图分类号:T G580文献标识码:A文章编号:1006-754X(2005)05-0280-04Principle and control of 5-axis numerical controlelectro-chemical contour evolution grinderGAN Wei-min1,XU Jia-wen2(1.Mechanical&Electrical Engineering School,Changzhou Institute of T echnology,Changzhou213002,China;2.Mechanical&Electrical College,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China)Abstract:To solve the problem of precisely machining of integral impeller blade,research on 5-axis Numerical Control Electro-chemical Contour Evolution Grinding(NC-ECCEG)was done.According to the features of method of NC-ECCEG,on the basis of analysis on principle of NC-ECCEG,the design of structure and movement of grinding system is conducted.Furthermore,combined multi-axis NC system and its linkage control are presented and the mathematical modelof electrochemical contour evolution grinding impeller blade by unparallel line was erected.In ad-dition,an auto-programming system in 5-axis NC-ECCEG was developed.It had been applied togrinding integral impeller and now 5-axis NC-ECCEG technology is a new method for final finish-ing of integral impeller blade.Key words:NC-contour evolution;electrochemical grinder;integral impeller;control整体叶轮是火箭发动机、飞机发动机以及航空机载设备的重要零件之一.整体叶轮叶片一般为薄型,型面复杂,通道狭窄,加工余量大,材料切削性能差,因而难于采用机械铣削方法进行加工 1.为解决整体叶轮的叶片型面的精加工难题,特进行五轴联动数控展成电解磨削的基础研究.数控展成电解磨削工艺是一种将电解加工技术、磨削技术与数控技术相结合的新型加工方法,数控展成电解磨削复杂曲面是利用导电磨轮的母线切削刃相对于被加工零件运动,由磨轮母线运动所形成的包络面来形成给定的曲面.导电磨轮作阴极接直流电源的负极,整体叶轮作阳极接电源的正极,导电磨轮以一定的压力与整体叶轮的叶片型面相接触,加工区域中喷入电解液,在电解和机械磨削的复合作用下,叶片型面被磨削(图 1).电解磨削比电解加工有更好的加工精度和表面质量;比机械磨削有更高的生产率、较小的磨削力,而且不受工件材料强度、硬度的影响 2.图 1导电磨轮的展成运动Fig.1The movement of conducting grinding wheel1非平行直纹展成电解磨削复杂曲面的方法1.1曲面形成方法非平行直纹展成电解磨削复杂曲面,是利用导电磨轮的母线切削刃相对于被加工零件运动,由磨轮母线运动所形成的包络面来形成给定的曲面,即在磨削过程中,导电磨轮的母线切削刃始终与各条非平行直纹保持重合.显然这种方法一次可成形一段较宽的曲面(图 1).在理论上,一个任意的复杂曲面是不能由一个回转包络面所代替 3.但是,只要在工艺参数上选择得合适,使这两者之间的误差控制在允许的范围内,在工程上又是可行的.所以采用直纹展成电解磨削复杂曲面不仅要解决数学模型的建立问题,计算一系列刀位点,而且要解决一系列工艺参数的选用问题.1.2导电磨轮图 2 为经过专门设计制造的多种电镀金刚石导电磨轮照片,图 3 为多种电镀金刚石导电磨轮示意图.导电磨轮的夹持部分直径为 3 mm,导电磨轮的磨削部分设计成圆柱形、圆锥形、圆柱球头形、圆锥球头形、圆柱开槽形以及圆锥开槽形等结构.球头形导电磨轮能自然磨出整体叶轮叶片根部的圆角;圆锥形导电磨轮用于扭曲叶片型面的精加工;在磨轮表面开槽,一方面可以改善电解液的供给条件,使间隙中充满电解液,确保电解磨削能正常进行,另一方面可以起到脉冲电源电解磨削的作用.脉冲电源电解磨削比直流电源电解磨削有更高的精度和更好的表面质量 4.金刚石磨料具有很高的耐磨性,能比较稳定地保持导电磨轮的基体与工件间的距离,使加工间隙稳定,而且可以在断电后对像硬质合金一类的高硬度材料进行精磨,可提高磨削精度,降低零件表面粗图 2特制的电镀金刚石导电磨轮Fig.2Tailor-made conducting grinding wheels with di-amond图 3特制的电镀金刚石导电磨轮示意图Fig.3 Schematic drawing of tailor-made conductinggrinding wheels with diamond糙度.2五轴联动数控展成电解磨床的运动构成2.1展成运动分析为了实现整体叶轮叶片复杂型面的数控展成电解磨削加工,导电磨轮相对于工件的展成运动必须是五轴联动.展成运动可分解为x 向、y 向和z 向的3 个直线运动分量以及绕z 轴、y 轴和x 轴的5 个转动分量,其中前 5 个运动分量需要五轴联动,最后 1个绕 x 轴的转动为磨轮的匀速转动(图 4).而且工件旋转送进运动(Cw)和 z 轴送进运动是主送进运动.图 4五轴联动数控展成电解磨床Fig.45-axis linkage NC-ECCEM/ECCEG system281第 5 期干为民,等:五轴联动数控展成电解磨床原理与控制2.2展成运动的实现根据非平行直纹展成电解磨削整体叶轮叶片型面的要求,研制了五轴联动数控展成电解磨床 5.该机床运动机构的功能如下:1)导电磨轮相对于工件的 z 轴方向直线运动分量,由机床导电磨轮支承带动导电磨轮沿 z 轴的直线运动来实现(0.0005 mm/脉冲).2)导电磨轮相对于工件的 x 轴方向直线运动分量,由机床工作台带动工件沿 x 轴的直线运动来实现(0.001 mm/脉冲).3)导电磨轮相对于工件的 y 轴方向直线运动分量,由机床工作台带动工件沿 y 轴的直线运动来实现(0.001 mm/脉冲).4)导电磨轮相对于 y 轴的转动分量,由导电磨轮支承上的步进电机 Ct来实现(0.004/脉冲).5)工件的旋转送进运动,由机床工作台转盘绕其心轴 C?的转动来实现,工件的分度运动也由机床工作台转盘绕其心轴 C?的转动来完成(0.00216/脉冲).6)导电磨轮的磨削运动为绕x 轴的匀速转动n.3数控展成电解磨削非平行直纹展成曲面的数学模型如图 1 所示,只要使磨轮在移动过程中始终与这两条截形线相切,这样加工出来的曲面就必定与叶片型面重合.由于受传统的曲面加工和检测方法的限制,至今大部分叶片型面仍用平行平面截形线上的离散点来定义(图 5).所以,首先必须对这些离散点进行曲线拟合,然后根据加工精度要求,进行加密处理,从而获得符合要求的两条平面截形线(图6).图 5整体叶轮叶片型面上的离散点Fig.5The discrete points on an integral impeller blade在图 6 中,磨轮轴线上的定点坐标为:D(X,Y,Z),磨轮轴线与 X OY 平面的夹角为 Ct,磨轮轴线在XOY 平面内的投影与 x 轴的夹角为 Cw;两条截形线上两个切点坐标分别为 Q1(CQ1,YQ1,ZQ1)和 Qn(CQn,YQn,ZQn),两个切点处切线的斜率分别为 ZQ1图 6确定磨轮轴线的两个角度Fig.6Determination of two angles of axes of grindingwheel和 ZQn.根据叶片型面为非平行直纹面 6和磨轮与叶片相切的条件,可推导得出如下方程组 7:X=CQn+RZQntgCw-tgCtsecCw(ZQntgCw-tgCtsecCw)2+Z2Qn+1(1)Y=YQn+R-ZQn(ZQntgCw-tgCtsecCw)2+Z 2Qn+1(2)Z=ZQn+R1(ZQntgCw-tgCtsecCw)2+Z2Qn+1(3)R2(1+Z 2Qn)=(Y-YQ1)ZQn-(Z-ZQ1)2(4)ZQn=ZQ1(5)X2+Y2=r2(6)式(1)(6)中,R 为磨轮的半径,r 为整体叶轮叶根圆的半径.由于未知量的数目多于方程的数目,故取Z 为参变量来求解以上方程组,并求出各联动坐标的增量:?Zi,?Xi,?Yi,?Cti和?Cw i.4经济型五轴数控系统及其联动控制方法4.1经济型五轴数控系统为了克服现有的经济型数控系统(如单片机控制系统)不能进行多轴联动控制的致命弱点,将单片机控制单元与微型计算机构成组合系统,由一台微型计算机来统一控制五个单片机控制单元,继而控制相应的运动轴.由于单片机控制单元的设计、制造及应用技术都较成熟,利用它对加工机床进行控制,性能稳定可靠,但其中关键在于以往不能使各控制单元所控制的运动轴实现同步联动.为此提出了五轴相对同一虚拟基准轴(五个两轴联动数控单元均指定一轴,合五为一虚拟基准轴;五个两轴联动数控单元的另外五个轴分别控制 x,y,z,Ct和 Cw轴)进行线性插补运算联动控制的方法,从而解决了这一难题.282工程设计学报第 12 卷4.2五轴联动控制方法针对上述数控系统,五轴联动控制方法为:1)将需加工工件的整个曲面通过数学运算分解成若干小段曲面的组合,每一小段曲面再分解为各运动轴的单元位移段.2)计算各运动轴在每一单元位移段上的位移量(脉冲量):?Xi,?Yi,?Zi,?Cti,?Cwi,使磨轮加工刃通过五轴运动所形成的加工包络面相对设计曲面之间的误差被控制在允许范围内,并使整个包络面连续光滑.3)对各运动轴控制单元设立一个虚拟的公共基准轴,并设每一个单元位移段上各控制单元的基准轴位移量?i及位移速度 Vi都相同,?iMax(?Xi,?Yi,?Zi,?Cti,?Cw i,).4)将各控制单元的实际控制轴的位移量(?Xi,?Yi,?Zi,?Cti,?Cw i,)相对于虚拟基准轴位移量?i进行线性插补运算.5)按上述线性插补关系编制加工程序,由计算机输入到各控制单元,对相应的运动轴进行操作控制.该“经济型多轴数控系统及其联动控制方法”获国家发明专利(专利号:ZL 96 1 16810.2,公开号:CN1155111A,2000年 11 月 10 日批准).5结论五轴联动数控展成电解磨削工艺为整体叶轮叶片型面的精加工提供了一种高效的手段.例如,某型号发动机的导风轮和蜗轮二级盘的叶片型面均为非平行直纹展成面,由于叶片型面复杂再加上材料为难加工的高温镍基合金,在现行生产中是靠手工抛光去除余量来达到叶型的形位、尺寸精度的,导致劳动生产率低,废品率高,加工成本很高,工人劳动条件恶劣,噪音大,粉尘污染严重,而且易出工伤事故.应用五轴联动数控展成电解磨削的新工艺,对某型号发动机的导风轮和蜗轮二级盘进行型面试加工,可提高生产率 12 倍以上.数控展成电解磨削也可以加工一些具有复杂型面的高硬度的零件,例如各种硬质合金刀具、量具、模具等.随着我国科学技术的飞速发展,一些尖端科学部门和新兴工作领域的许多装备常在高温、高压以及恶劣环境中工作,因而高硬、难熔及具有特殊物理性能的材料得到广泛应用,材料愈来愈难以加工.这必将为数控展成电解磨削这一新技术提供广阔的应用领域.参考文献:1 徐家文.整体叶轮的特种加工方法J.航空精密制造技术,1992,(4):19-21.XU Jia-wen.Non-traditional machining of integral im-pellerJ.Aviation Precision Manufacturing T echnolo-gy,1992,(4):19-21.2 王建业,徐家文.电解加工原理及应用M .北京:国防工业出版社,2001.295-296WANG Jian-ye,XU Jia-wen.Principle and Applicationof ECM M.Beijing:Defense Industry Prees,2001.295-296.3LIU X W.Five-axis NC cylindrical milling of sculp-tured surfaceJ.Computer-Aided Des,1995,27(12):887-894.4 徐玉春.脉冲电解磨削工艺规律的研究J.电加工,1999,(1):25-28.XU Yu-chun.Research on technology law of pulseelectrochemical grinding J.Electromachining,1999,(1):25-28.5 干为民,徐家文.五轴联动数控展成电解磨削整体叶轮的控制方法J.东南大学学报,2002,32(2):228-231.GAN Wei-min,XU Jia-wen.Control method on 5-axisnumerically controlled electrochemical contour evolutiongrinding of integral impellerJ.Journal of Southeast U-niversity,2002,32(2):228-231.6 施法中.计算机辅助几何设计与非均匀有理 B 样条M.北京:北京航空航天大学出版社,1994.27-36.SHI Fa-zhong.CAGD&NU RBSM.Beijing:BeijingUniversityofAeronautics andAstronauticsPress,1994.27-36.6 干为民.数控展成电解磨削整体叶轮的基础研究D.南京:南京航空航天大学机电学院,2003.GAN Wei-min.Basic Research on Numerically Con-trolled Electrochemical Contour Evolution Grinding ofIntegral ImpellersD.Nanjing:Mechanical&Electri-cal College,Nanjing University of Aeronautics and As-tronautics,2003.283第 5 期干为民,等:五轴联动数控展成电解磨床原理与控制