CN105643030B - 一种用于多轴联动电火花加工的进给速度后处理器设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于多轴联动电火花加工的进给速度后处理器设计方法，对于有旋转轴参与的多轴联动电火花加工来说，控制的对象是电极和工件之间的相对距离。旋转轴半径的未知会造成加工速度波动。本发明从电极和工件的模型出发，通过旋转半径定义每根运动轴的运动系数。在此基础上，利用加权平均法对每行G代码运动系数合成得到运动比例系数，将原先规划的每行G代码进给速度乘以该行的运动比例系数，更新加工程序。本发明能够大幅减少量纲不匹配造成的速度波动，避免旋转轴参与的运动放电状态不稳定，减少开路与短路状态的发生，提升电火花加工的效率。
Description
技术领域
本发明涉及电火花过程控制，属于特种加工技术领域，具体是一种用于多轴联动电火花进给速度控制器设计方法。
背景技术
现代数控机械加工包含CAD(计算机辅助设计)，CAM(计算机辅助制造)，后处理，数控加工几个典型的环节，如图1所示。由CAD对加工工件进行设计，CAM模拟加工过程生成加工轨迹信息，而后处理过程针对设备或工艺过程对加工代码进行优化，获得更好的加工效果。
电火花加工是利用工件和电极之间的一系列火花放电，对工件材料进行去除的一种过程。电火花加工普遍被用于模具、航空航天、医疗器械等领域。电火花加工与传统铣削加工相比，有很多不同的地方。比如电火花加工是非接触式加工，多轴联动电火花加工可以加工出非常复杂的型腔，将加工工具电极的表面形状复制到工件上。例如闭式整体叶盘采用如图2所示的六轴联动电火花加工机床进行加工，利用三根直线轴X、Y、Z和三根旋转轴A、B、C的合成运动，可以将加工工具电极进给到闭式整体叶盘内部，将电极的表面形状复制到闭式整体叶盘上，完成叶盘的加工，如图3所示。在多轴联动的情况下，电极上放电点相对于工件上对应点之间的相对运动量是合成运动的结果，在电火花机床数控系统中，采用扩展线位移的方式对直线轴线速度和旋转轴角速度进行合成，即将N个轴的各自速度值进行正交合成。由于线速度和角速度量纲的不同，直接的不考虑旋转轴旋转半径的合成势必会造成速度的不匹配，从而影响到加工效果。电火花加工中，与铣削加工中根据的给定的速度进给不同，是根据测量的极间状态决定加工方向向前还是向后，并且根据当前测量的极间电压和设定伺服电压的差值决定向前或向后的速度，根据电极和工件之间放电状态的不同，可以分为开路，正常放电，短路，电弧等四种状态。伺服控制系统通过采集电压、电流等信息估计放电状态，然后根据经验公式决定电极的进给速度。在经验公式中，进给速度是用线速度进行表示的。在有旋转轴参与的伺服控制中，数控系统并不知道电极和工件的旋转轴旋转半径的大小，这就造成了实际进给量与经验公式所要求的进给量之间的差距。在这种情况下，同样的角速度，在加工点的旋转半径不同的情况下进行同样的处理是极不合理的。
由于旋转轴是复杂型腔加工必须采用的，这种情况下，正确处理旋转轴运动和旋转轴参与的合成运动是必要的。将旋转轴与直线轴速度进行统一需要知道旋转轴的旋转半径，在加工之前，有了电极和工件的旋转半径信息才可以进行后处理规划。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种用于多轴联动电火花加工的进给速度后处理器设计方法，能够大幅减少量纲不匹配造成的速度波动，避免旋转轴参与的运动放电状态不稳定，减少开路与短路状态的发生，提升电火花加工的效率。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于多轴联动电火花加工的进给速度后处理器设计方法，该方法包含以下步骤：
步骤一：加工工具电极和工件参考点的选取与旋转半径的测量，用于后面每个轴运动比率的计算；
步骤二：根据各个旋转轴的旋转半径求出各个旋转轴的运动比率；
步骤三：从第一行G代码开始逐行读取加工G代码，根据每一行G代码的各个运动轴的运动量，通过加权平均法求出该行G代码的运动比例系数，直至所有行G代码计算结束；
步骤四：从第一行G代码开始逐行将原先规划的进给速度乘以该行G代码的运动比例系数，并用算好的结果替代原来的进给速度，直至所有行G代码计算结束；
步骤五：更改好进给速度后的G代码传递给数控系统，从而能够减小旋转轴参与的运动放电状态不稳定，减少开路与短路状态的发生，提升有效放电率。
本发明原理如下：
对于有旋转轴参与的多轴联动电火花加工来说，控制的对象是电极和工件之间的相对距离。但是从数控系统伺服控制的角度来看，如果是旋转轴运动，那么工件的线速度是角速度和工件上放电点与旋转轴之间半径的乘积。旋转轴运动一个单位的位移需要等于直线轴运动一个单位的位移。以三根直线轴三根旋转轴参与运动的六轴联动为例，三根直线轴定义为X、Y、Z，三根旋转轴定义为A、B、C。所以我们给每个轴引入一个运动比率，这个比率可以表示为：
设直线轴的运动系数为1，公式(1)可以简化为：
加工工具电极和工件的旋转半径选择是基于他们的CAD模型的。一般来说，参与放电的部分半径最大的位置是最容易产生放电集中的位置，所以加工工具电极和工件上沿该运动轴的最大旋转半径选为该轴的参考半径。在得到各个轴的参考半径后，根据公式(2)就可以求出各个旋转轴的运动系数，例如轴n的运动系数为：
在得到每根轴的运动系数后，采用加权算法算出某行多轴联动轨迹的运动比例系数。比如，在一行G代码中各个轴的位移为Δx,Δy,Δz,Δa,Δb,Δc，加权平均算法就是各个轴的速度倍率系数按照一行G代码中各个运动轴运动量所占的权重进行加权平均。是i轴的权重。Δx,Δy,Δz合成一个3维空间中的直线，所以他们的运动量应当先进行合成再进行加权平均。
其中
加权平均多轴联动轨迹的运动比例系数是各个轴的系数与权重乘积的总和。多轴联动轨迹的运动比例系数可以表示为：
在得到该行G代码的运动比例系数后，将该行G代码原先规划的进给速度乘以该行系数k，并用计算得到的结果替代原来设置的进给速度。将更改后的G代码传递给数控系统，按照修改后的G代码进行电火花放电加工。
与现有技术相比，未处理的加工代码有着较大的速度波动，在这种情况下，无法保持持续稳定的电火花放电加工。有可能因为旋转轴参与的进给由于旋转半径过大，产生较大的线速度，造成频繁的短路与拉弧，不但降低了加工效率，还产生了短路拉弧造成的不良加工后果如表面烧蚀、金属改性。通过采用本发明的用于多轴联动电火花加工的进给速度后处理器，运动量较大的轴的运动系数占据较大的权重，可以有效的减小速度波动，实现更为稳定的电火花加工状态，降低短路、开路、拉弧等不良加工状态概率，提升电火花加工效率。
附图说明
图1是本发明的实施体系数控加工几个典型环节示意图。
图2是本发明用于多轴联动电火花加工的进给速度后处理器设计方法流程图。
图3是本发明的实施平台六轴联动电火花加工机床示意图。
图4是本发明的多轴联动进给轨迹示意图。
具体实施方式
本发明的具体实施例在图3所示的电极加工闭式整体叶盘G代码中实施并在上海汉霸机电有限公司生产的HE 70电火花成形机上进行。选取的工件的参考旋转半径为120mm，加工工具电极的参考旋转半径为27.5714mm。
实施例：
根据测量，选取的工件的参考旋转半径为120mm，加工工具电极的参考旋转半径为27.5714mm。
给每个轴引入一个速度比率，由于A轴并不运动，所以X、Y、Z和A的运动比率设为1。通过公式(3)求出两根旋转轴的运动比率，其中kB＝0.4774648，kC＝2.0780874。
然后用基于以上结果的旋转轴系数，从第一行开始逐行读取G代码，求出每一行G代码各个运动轴的运动量，通过加权平均法求出该行G代码的运动比例系数k，经计算k的取值范围是(0.4775，1.6185)。
从第一行G代码开始逐行将原先的加工速度按照经验公式计算为F10，在乘以运动比例系数k后，进给速度的取值变为F4.775到16.185。
然后用上述更改好进给速度后的G代码传递给数控系统，进行闭式整体叶盘的加工实验，与全程采用恒定进给速度F10的代码进行对比实验。实验使用的加工工具电极材料为POCOEDM-C3，闭式整体叶盘工件材料为C45E4钢。加工条件如下表1所示：
表1闭式整体叶盘加工实验参数
| 工件极性 | 开路电压 | 峰值电流 | 脉冲宽度 | 脉冲间隔 | 抬刀高度 | 抬刀周期 |
| 负极 | 120V | 36A | 80μs | 8μs | 1mm | 5s |
每个方法分别采用1个加工工具电极加工3次，具体加工结果的表2所示：
表2两种进给速度控制方法加工结果比较
由表2可以看出，无论是在加工时间上还是在工具电极的损耗上，使用基于加权平均的多轴联动电火花进给速度控制方法得到的结果均好于恒定进给速度。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。本领域的技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过改变材料或者是特点情况可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (2)
1.一种用于多轴联动电火花加工的进给速度后处理器设计方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：
步骤一：选取电极和工件上易发生放电集中的点作为参考点，分别测量电极和工件上参考点随旋转轴运动时的旋转半径，定义该旋转半径为该旋转轴旋转半径；
步骤二：根据各个旋转轴的旋转半径求出各个旋转轴的运动比率，所述的旋转轴的运动比率与旋转半径之间的关系表示为：
<mrow>
<msub>
<mi>k</mi>
<mi>n</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mn>180</mn>
<mrow>
<msub>
<mi>&pi;r</mi>
<mi>n</mi>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
式中，rn为该旋转轴旋转半径，kn为运动比率；
步骤三：从第一行G代码开始逐行读取加工G代码，根据每一行G代码的终点位置与上一行G代码的终点的位置的差值，计算该行G代码各个运动轴的运动量，通过加权平均法求出该行G代码的运动比例系数，直至所有行G代码计算结束，所述的该行G代码的运动比例系数由各个旋转轴的运动比率按照运动量加权平均算出；
步骤四：从第一行G代码开始逐行将原先规划的进给速度乘以该行G代码的运动比例系数，并用算好的结果替代原来的进给速度，直至所有行G代码计算结束；
步骤五：更改好进给速度后的G代码传递给数控系统。
2.如权利要求1所述的一种用于多轴联动电火花加工的进给速度后处理器设计方法，其特征在于，步骤一所述的旋转半径为加工中最容易发生放电集中点所对应的电极和工件旋转半径。
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