五轴联动电火花加工数控系统及其相关关键技术的研究

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电火花加工技术具有无宏观切削力、加工材料范围广、加工能力与材料的强度与硬度无关等特点。与常规加工工艺相比,多轴联动电火花加工在对具有复杂结构与自由曲面外形、采用难加工材料制造的零部件进行加工时具有独特的优势,因而成为涡轮盘等航空、航天领域关键航天发动机的主流加工方法。设计与实现应用满足实时性、稳定性与可靠性要求的多轴联动电火花加工数控系统是实现多轴联动电火花加工技术的关键。此外,高速抬刀技术、参数化曲线的多轴联动技术等相关技术,也已经或正逐渐成为研究热点。  针对多轴联动电火花加工的要求,本文研究并设计了基于Linux的五轴联动电火花加工数控系统。首先对数控系统进行了总体设计:研究了数控电火花加工机床的组成与结构、分析了全体数控功能、并对数控系统软硬件实现方式进行了研究。在此基础上,分别实现了数控系统软硬件体系的设计:数控系统采用了以PC和Linux为上位机、可编程运动控制器PMAC为下位机的双核体系结构,并采用了全闭环速度指令的运动控制模式。进一步基于数控系统的上、下位机分别实现了非实时、实时数控任务的程序设计。此外,为了保证旋转轴伺服加工的稳定性,研究并实现了旋转轴角速度自适应倍率控制技术。  高速抬刀能够极大改善电火花加工的排屑性能,在加工窄槽类零件时发挥着不可替代的重要作用。为了实现主轴高速抬刀技术,研究与设计了基于PMAC的电火花加工高速抬刀控制系统。该控制系统通过构建全闭环速度指令控制模式、优化运动轴瞬态性能以及合理规划抬刀运动加减速过程等方法,实现了主轴高速抬刀加工功能。实验表明,与传统的中低速抬刀系统相比,本文的高速抬刀控制系统使窄槽加工的最大加工深度与加工效率有了成倍的提高。  传统的参数化曲线电火花加工方法存在一系列不足,如工艺路径规划复杂,数控文件过大并占用大量系统内存,由小线段插补方法带来的“速度损失”与采样周期过长等问题降低了放电稳定性等。为了解决上述问题,本文研究并设计了等弦长实时NURBS插补器。该插补器通过采用一种二次插补的方法,有效解决了传统方法中的“速度损失”并实现了较短的采样周期。实验显示,与传统插补器相比,等弦长实时插补器在弓高误差、速度精度与加工效率等方面均具有不同程度的性能优势。  为了综合验证本文基于Linux的五轴联动电火花加工数控系统的各项性能,进行了闭式整体涡轮叶盘样件的加工实验。实验过程与结果表明,数控系统具备了实现高稳定性伺服加工的性能;所采用的角速度自适应倍率控制技术能够完全取代加工经验,实现倍率的最优化调整,继而提高旋转轴伺服加工的稳定性;通过采用全闭环速度指令的控制模式,具备了高定位精度以及优良的联动控制性能。
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