CN109986152A - 用于电火花加工设备的数控装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于电火花加工设备的数控装置及其控制方法，放电电源控制模块，用于根据数控系统的指令对电火花放电电源进行控制；电极电压采集模块，用于在放电加工过程中，采集放电电压信号进行A/D转换后反馈至数控系统；数控系统，用于根据放电电压通过放电电源控制模块控制电极运动。本发明的任务控制与运动控制之间通过系统的共享通讯缓冲区互相通信，传递命令参数和状态参数等，能最大限度保证运动控制的实时性和控制精度。

Description

用于电火花加工设备的数控装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及数控装置在电火花加工领域中的应用技术，可实现采用数控装置进行三轴电火花机床的专用加工控制，属于数控技术领域。

背景技术

电火花加工是在介质中，利用电极与工件之间的脉冲性火花放电时的电腐蚀现象，对工件进行加工。在电火花加工过程中，电极与工件之间必须保持一定的放电间隙。若放电间隙过大，则脉冲电压不易击穿介质，也不易产生火花放电，降低加工效率；若放电间隙过小，则引起短路和烧蚀，损耗电极。因此，在加工过程中必须自动调节电极与工件的距离，保持最佳的放电间隙，提高加工质量与效率。

在深孔或深窄槽类零件的加工中，工件因放电产生的电蚀颗粒物，会混浊在电极与工件间隙的介质中，并且随着加工时间与加工深度的变化，颗粒物浓度会越来越大，导致放电间隙的控制不稳定，影响加工。通常电极会周期性的沿加工进给的反方向做快速往复运动，即抬刀运动，迫使产生的电蚀颗粒物排出放电间隙，降低加工区域内的碎屑浓度。根据不同的加工状态，抬刀的频率、速度与高度也对加工产生一定的影响。因此，保持适当的抬刀频率、合适的抬刀速度与高度，会大大提高有效放电率与加工稳定性。

在传统的电火花成型机中，加工间隙与抬刀控制一般通过硬件电路或者运动控制卡实现，灵活性与实时性差，控制精度有限。并且，早期出现的电火花数控系统，以单轴系统居多；在加工前对工件的定位，需要使用机械摇臂进行平面的移动控制；在电火花扩孔工艺中，需要加装机械式平动头来实现平动加工。随着计算机的发展以及计算速度的不断提高，采用多轴数控装置进行电火花加工控制，可以满足更加多样化的加工需求。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术的上述不足，提出了一种面向电火花加工的专用数控装置。基于该数控装置，本发明实现了更加灵活高效的进行间隙控制与抬刀控制，以及智能控制专家系统、复杂路径沿原轨迹返回等专用控制方法，用以满足电火花中多样化的加工需求。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：用于电火花加工设备的数控装置，包括：

放电电源控制模块，用于根据数控系统的指令对电火花放电电源进行控制；

电极电压采集模块，用于在放电加工过程中，采集放电电压信号进行A/D转换后反馈至数控系统；

数控系统，用于根据放电电压通过放电电源控制模块控制电极运动。

所述数控系统设有：

运动控制模块，用于对A/D转换后的放电电压信号与最佳放电间隙电压做差值处理，处理后的电压信号在电极与工件达到最佳放电间隙时为零，在大于放电间隙时为正值，小于放电间隙时为负值；根据处理后的电压信号与最佳放电间隙时的电压的比较结果，改变电极的加工速度与方向。

用于电火花加工设备的控制方法，包括以下步骤：

放电电源控制模块根据数控系统的指令对电火花放电电源进行控制；

电极电压采集模块在放电加工过程中，采集放电电压信号进行A/D转换后反馈至数控系统；

数控系统根据放电电压通过放电电源控制模块控制电极运动。

所述数控系统根据放电电压通过放电电源控制模块控制电极运动包括以下步骤：

运动控制模块对A/D转换后的放电电压信号与最佳放电间隙电压做差值处理，处理后的电压信号在电极与工件达到最佳放电间隙时为零，在大于最佳放电间隙时为正值，小于最佳放电间隙时为负值；运动控制模块根据处理后的电压信号与最佳放电间隙时的电压的比较结果，改变电极的加工速度与方向。

所述根据运动控制模块的电压信号与最佳放电间隙时的电压的比较结果，改变电极的加工速度与方向包括以下步骤：

当V-V₀>0时，电极向正向移动，为前进状态；当V-V₀<0时，电极向反方向移动，为回退状态；V表示当前电极电压，V₀表示达到最佳放电间隙时的电极电压。

所述数控系统将运动控制与可编程控制器加载于系统实时内核空间，任务控制与运动控制之间通过系统的共享通讯缓冲区互相通信，传递命令参数和状态参数。

所述运动控制模块还执行抬刀控制，具体为：

读取连续加工时间参数U，插补周期为T，则间隙控制需要进行的周期数为：N＝U÷T；

用计数器来计算当前间隙控制的周期数，当计数器值大于等于N时，则进入抬刀动作，此时记录下抬刀的起始点，即当前的加工位置；

抬刀动作共分为两个阶段：抬刀阶段和降刀阶段；

在抬刀阶段，遍历所有加工轨迹的运动段，将其中的起点与终点位置互换，重新生成反方向运动段，当前已经完成的运动段改为未完成状态，当前未加工的运动段修改为已完成，并且把当前电极的移动速度修改为抬刀速度进行反向插补；当抬刀的路径长度总和大于等于抬刀高度时，进入降刀阶段；

在降刀阶段，再次遍历所有运动段，将其中的起点与终点位置互换，重新生成正方向运动段，当前已经完成的运动段标记为完成状态，当前未加工的运动段修改为未完成，以降刀速度进行正向插补；在降刀阶段，插补的长度为抬刀高度减去降刀余量的长度，在降刀结束后，电极在离抬刀起始点一个降刀余量的距离处开始减速到加工速度。

所述运动控制模块还执行电极沿原轨迹回退控制流程：

以M代码为分隔点，对加工段落进行了划分；

在运动控制模块运行到M代码时，将所有已完成的运动段全部清除出运动队列；

在运行到沿原轨迹回退指令时，首先停止读取后续运动段，保持队列中只有当前段落所有完成运动段；然后忽略当前所读取的电极电压值，直接进行回退动作直到回退至当前段落起始点，此时将队列清空并读取后续运动段，进行后续加工。

本发明有以下有益效果和优点：

1.本发明使用的数控装置，通过串口与电源进行通信，并实时采集电极反馈的电压，通过数控系统软件实现电火花放电控制，使得间隙控制与抬刀控制更加灵活高效；

2.本发明的运动控制模块单独运行于实时内核中，任务控制与运动控制之间通过系统的共享通讯缓冲区互相通信，传递命令参数和状态参数等，能最大限度保证运动控制的实时性和控制精度。

3.本发明的数控软件采用了灵活的运动控制结构，模块化的软件层次，实现了针对电火花工艺的专用控制方法，可满足电火花加工中多样的加工需求。

附图说明

图1为用于电火花加工的数控装置示意图；

图2为电火花间隙控制示意图；

图3为抬刀控制示意图；

图4为复杂路径沿原轨迹回退示意图。

具体实施方案

下面结合附图对本发明方法作进一步详细说明。

一种用于电火花加工设备的数控装置，包括以下模块：

放电电源控制模块，用于对电火花放电电源进行控制。采用RS422串口协议与数控系统进行读写双向通信，可以对加工模式、放电、接触感知、油泵以及放电参数进行控制。在放电开启时，电源会给电极一个较大的脉冲电压，用于电火花加工；在接触感知开启时，电源会给电极一个较小的电压，用于检测电极与工件是否短路。

电极电压采集模块，该模块分为放电电压的采集以及接触感知电压采集两部分。在放电加工过程中，采集放电电压信号进行A/D转换，并对转换后的电压与最佳放电间隙电压做差值处理，处理后的电压信号在电极与工件达到最佳放电间隙时为零，在大于放电间隙时为正值，小于放电间隙时为负值；在接触感知开启时，对接触感知电压信号直接进行采集，在短路时电压为零，触发IO信号输入到数控系统。

数控系统模块，采用人机接口、任务控制、运动控制以及可编程控制器，将运动控制与可编程控制器加载于系统实时内核空间，任务控制与运动控制之间通过系统的共享通讯缓冲区互相通信，传递命令参数和状态参数等。此设计的优势在于，能最大限度保证运动控制的实时性和控制精度。

基于该数控装置的电火花专用控制方法设计如下：

放电间隙控制：数控系统运动模块实时读取经过A/D转换和差值处理的电极电压信号，当电压为正值时，电极向进给方向正向移动，且移动的速度与编程速度和电压值成正比，称为前进；当电压为负值时，电极沿原轨迹负向移动，移动的速度与编程速度和电压的绝对值成正比，称为回退。

抬刀控制：在加工前，系统设置连续加工时间、抬刀高度、抬刀速度与降刀速度。加工过程中，当维持间隙控制时间大于等于连续加工时间时，则触发抬刀，电极沿原轨迹以抬刀速度反方向移动，移动距离为抬刀高度，当到达移动距离后，再沿原轨迹正方向以降刀速度移动回当前加工位置。为了更好的达到清理间隙中颗粒物的效果，抬刀速度和降刀速度要远大于加工速度。为防止降刀速度过大，在回到加工位置时减速时间过长，造成过冲短路现象，本发明设计了降刀余量参数，在降刀过程中，在移动到离当前加工位置一定距离(即降刀余量)时，开始减速到加工进给速度，防止电极因速度过快造成过冲。

智能控制专家系统：将间隙控制和抬刀控制参数作为可变参数，加入到专家系统中。在编辑程序时，用户从专家系统中筛选出所需工艺的电源参数E代码，不仅包含了对电源进行控制的电参数，也加入了加工速度、连续加工时间、抬刀高度、抬刀速度、降刀速度和抬刀余量参数；当程序执行到相应E代码时，通过串口对电源发送相应电参数来控制电源，并且改变运动控制中的抬刀相关参数，实现可变参数的抬刀控制。

找正与电极防碰撞保护：在手动模式下，电源会开启接触感知功能，给电极施加一个较小的脉冲电压，当电极与工件接触时会造成短路，使得电压为零。数控系统在手动模式下通过采集电极的感知电压，来判断电极是否与工件接触；当电极需要定位工件位置时，可利用感知电压变化对工件进行探测；当电极在进行手动移动的时候，可以利用感知电压判断电极是否碰撞到工件，进行防碰撞保护。

复杂路径沿原轨迹回退：在进行复杂路径或者型腔加工时，运动控制模块记录电极在每个段落行进的路径，段落通过M代码进行划分。在执行中断回退指令后，电极会沿着当前段落走过的路径沿原轨迹反方向移动到段落起始点，并继续后面的加工。

如图1所示，本发明中用于电火花加工设备的数控装置分为电源控制模块、电压采集模块、以及数控模块。

电源控制模块采用RS422串口协议与数控系统进行读写双向通信，可以对电源模式、放电、接触感知、油泵以及放电参数进行控制。在放电开启时，电源会给电极一个较大的脉冲电压，用于电火花加工；在接触感知开启时，电源会给电极一个较小的电压，用于检测电极与工件是否短路。电源模式分为加工模式和手动模式，当加工模式开启时，电源可以进行放电和油泵的操作；当手动模式开启时，电源可进行接触感知的开启与关闭。

电压采集模块分为放电电压的采集以及接触感知电压采集两部分。在电源的加工模式下，该模块采集放电电压信号进行A/D转换，并对转换后的电压与最佳放电间隙电压做差值处理，处理后的电压信号在电极与工件达到最佳放电间隙时为零，在大于放电间隙时为正值，小于放电间隙时为负值；在手动模式下，接触感知开启时，对接触感知电压信号直接进行采集，在短路时电压为零，触发IO信号输入到数控系统。

数控系统采用人机接口、任务控制、运动控制以及可编程控制器，将运动控制与可编程控制器加载于系统实时内核空间，任务控制与运动控制之间通过系统的共享通讯缓冲区互相通信，传递命令参数和状态参数等。人机接口、任务控制、运动控制及可编程控制器都是周期性被调度，分别有自己的调度周期，运动控制优先级最高，可编程控制器优先级次之，二者都为软实时任务；任务控制优先级小于可编程控制器，其周期大于运动控制和可编程控制器周期之和；人机接口的优先级最低，其周期大于其它三个模块之和，时效性要求不强。

如图1所示，数控系统与电源之间的串口通信由于实时性不强，在人机接口模块中实现。系统周期读取电源当前的状态，包括模式、放电状态、接触感知状态以及油泵状态；当用户进行操作时，系统向电源发送模式、放电、感知以及冲油指令，在加工过程中周期性发送E代码电参数控制电源放电。

电压采集模块由于实时性强，直接由运动模块以及可编程控制器模块进行读取。在加工模式下，运动模块直接读取电压采集模块经过A/D转换和差值处理后的电压；在手动模式下，感知电压经过处理后转换为感知信号，通过IO模块输入到系统中，可编程控制器周期刷新IO输入，并由运动模块直接读取。

如图2所示，在放电间隙控制过程中，运动模块通过读取电极电压，用以计算电极运动的方向以及加工速度。V表示当前电极电压，V₀表示达到最佳放电间隙时的电极电压，为了使得间隙控制更加稳定，系统可以设置放电基准电压□ΔV，当前编程速度为F，当|V-V₀|≤ΔV时，电极保持平衡状态，速度为0；当|V-V₀|≥ΔV时，电极的加工速度为：

F′＝|V-V₀|×F

且当V-V₀>0时，电极向正向移动，为前进状态；当V-V₀<0时，电极向反方向移动，为回退状态。运动控制模块将收到的当前加工的所有运动段进行保存，最多可以存储2000段。当加工为前进状态时，运动段以正方向进行插补运算，所有完成的运动段被标记完成状态；当加工为回退状态时，遍历所有运动段，修改其中的起点与终点位置，重新生成反方向运动段，当前已经完成的运动段改为未完成状态，当前未加工的运动段修改为已完成。若在回退过程中达到所有段落的起始点，则报警。

如图3所示为抬刀控制流程。系统读取连续加工时间参数U，系统的插补周期为T，则间隙控制需要进行的周期数为：N＝U÷T。用一个计数器来计算当前间隙控制的周期数，当计数器值大于等于N时，则进入抬刀动作，此时记录下抬刀的起始点。抬刀动作共分为两个阶段：抬刀阶段和降刀阶段。与放电间隙控制中的回退动作类似，在抬刀阶段，遍历所有运动段，修改其中的起点与终点位置，重新生成反方向运动段，当前已经完成的运动段改为未完成状态，当前未加工的运动段修改为已完成，并且把当前电极的移动速度修改为抬刀速度进行反向插补，当抬刀的路径长度总和大于等于抬刀高度时，进入降刀阶段；在降刀阶段，再次遍历所有运动段，修改其中的起点与终点位置，重新生成正方向运动段，当前已经完成的运动段标记为完成状态，当前未加工的运动段修改为未完成，以降刀速度进行正向插补。在降刀阶段，插补的长度为抬刀高度减去降刀余量的长度，在降刀结束后，电极在离抬刀起始点一个降刀余量的距离处开始减速到加工速度。

如图4所示，为电极的沿原轨迹回退控制流程。在间隙控制与抬刀控制中，为了进行反向沿原轨迹回退与抬刀，对所有加工过运动段进行了最大2000段的保存。在实际加工中，回退与抬刀的极限距离并非整个程序的起始点，而是一个完整加工段落的起始点。本设计中以M代码为分隔点，对加工段落进行了划分。在运动控制模块运行到M代码时，将所有已完成的运动段全部清除出运动队列。在运行到沿原轨迹回退指令时，首先停止读取后续运动段，保持队列中只有当前段落所有完成运动段；然后忽略当前所读取的电极电压值，直接进行回退动作直到回退至当前段落起始点，此时将队列清空并读取后续运动段，进行后续加工。

Claims (8)

1.用于电火花加工设备的数控装置，其特征在于包括：

放电电源控制模块，用于根据数控系统的指令对电火花放电电源进行控制；

电极电压采集模块，用于在放电加工过程中，采集放电电压信号进行A/D转换后反馈至数控系统；

数控系统，用于根据放电电压通过放电电源控制模块控制电极运动。

2.根据权利要求1所述的用于电火花加工设备的数控装置，其特征在于所述数控系统设有：

运动控制模块，用于对A/D转换后的放电电压信号与最佳放电间隙电压做差值处理，处理后的电压信号在电极与工件达到最佳放电间隙时为零，在大于放电间隙时为正值，小于放电间隙时为负值；根据处理后的电压信号与最佳放电间隙时的电压的比较结果，改变电极的加工速度与方向。

3.用于电火花加工设备的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

放电电源控制模块根据数控系统的指令对电火花放电电源进行控制；

电极电压采集模块在放电加工过程中，采集放电电压信号进行A/D转换后反馈至数控系统；

数控系统根据放电电压通过放电电源控制模块控制电极运动。

4.根据权利要求3所述的用于电火花加工设备的控制方法，其特征在于，所述数控系统根据放电电压通过放电电源控制模块控制电极运动包括以下步骤：

运动控制模块对A/D转换后的放电电压信号与最佳放电间隙电压做差值处理，处理后的电压信号在电极与工件达到最佳放电间隙时为零，在大于最佳放电间隙时为正值，小于最佳放电间隙时为负值；运动控制模块根据处理后的电压信号与最佳放电间隙时的电压的比较结果，改变电极的加工速度与方向。

5.根据权利要求4所述的用于电火花加工设备的控制方法，其特征在于，所述根据运动控制模块的电压信号与最佳放电间隙时的电压的比较结果，改变电极的加工速度与方向包括以下步骤：

当V-V₀>0时，电极向正向移动，为前进状态；当V-V₀<0时，电极向反方向移动，为回退状态；V表示当前电极电压，V₀表示达到最佳放电间隙时的电极电压。

6.根据权利要求4所述的用于电火花加工设备的控制方法，其特征在于，所述数控系统将运动控制与可编程控制器加载于系统实时内核空间，任务控制与运动控制之间通过系统的共享通讯缓冲区互相通信，传递命令参数和状态参数。

7.根据权利要求4所述的用于电火花加工设备的控制方法，其特征在于，所述运动控制模块还执行抬刀控制，具体为：

读取连续加工时间参数U，插补周期为T，则间隙控制需要进行的周期数为：N＝U÷T；

用计数器来计算当前间隙控制的周期数，当计数器值大于等于N时，则进入抬刀动作，此时记录下抬刀的起始点，即当前的加工位置；

抬刀动作共分为两个阶段：抬刀阶段和降刀阶段；

在抬刀阶段，遍历所有加工轨迹的运动段，将其中的起点与终点位置互换，重新生成反方向运动段，当前已经完成的运动段改为未完成状态，当前未加工的运动段修改为已完成，并且把当前电极的移动速度修改为抬刀速度进行反向插补；当抬刀的路径长度总和大于等于抬刀高度时，进入降刀阶段；

在降刀阶段，再次遍历所有运动段，将其中的起点与终点位置互换，重新生成正方向运动段，当前已经完成的运动段标记为完成状态，当前未加工的运动段修改为未完成，以降刀速度进行正向插补；在降刀阶段，插补的长度为抬刀高度减去降刀余量的长度，在降刀结束后，电极在离抬刀起始点一个降刀余量的距离处开始减速到加工速度。

8.根据权利要求4所述的用于电火花加工设备的控制方法，其特征在于，所述运动控制模块还执行电极沿原轨迹回退控制流程：

以M代码为分隔点，对加工段落进行了划分；

在运动控制模块运行到M代码时，将所有已完成的运动段全部清除出运动队列；

在运行到沿原轨迹回退指令时，首先停止读取后续运动段，保持队列中只有当前段落所有完成运动段；然后忽略当前所读取的电极电压值，直接进行回退动作直到回退至当前段落起始点，此时将队列清空并读取后续运动段，进行后续加工。