五軸聯(lián)動(dòng)電火花加工機(jī)床及其復(fù)雜電極預(yù)裝系統(tǒng)的研制.pdf

1、目前，先進(jìn)國(guó)家的多軸聯(lián)動(dòng)電火花加工機(jī)床已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用和商業(yè)銷售階段，而國(guó)內(nèi)對(duì)多軸聯(lián)動(dòng)(五軸或六軸)電火花加工機(jī)床的研制尚處于起步階段。由于多軸聯(lián)動(dòng)電火花加工機(jī)床的應(yīng)用背景多涉及航空、航天、軍事等敏感領(lǐng)域，所以國(guó)外對(duì)我國(guó)實(shí)行嚴(yán)格禁運(yùn)。因此，研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多軸聯(lián)動(dòng)電火花加工機(jī)床，對(duì)我國(guó)航空、航天、國(guó)防以及制造業(yè)的發(fā)展具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。
　　作為液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件——噴嘴和渦輪盤，一直是制造業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。但由于其材料

2、及結(jié)構(gòu)特征的特殊性，加工難度很大，多軸聯(lián)動(dòng)電火花加工技術(shù)是解決上述零部件加工的有效手段。本文針對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)微細(xì)電火花加工機(jī)床和成形電火花加工機(jī)床設(shè)計(jì)中的共性技術(shù)，開(kāi)展了五軸聯(lián)動(dòng)電火花加工機(jī)床的誤差分析與設(shè)計(jì)研究工作；針對(duì)帶冠整體渦輪盤的電火花加工中復(fù)雜電極檢測(cè)與調(diào)整輔助時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，進(jìn)而造成加工效率低下的問(wèn)題，開(kāi)展了復(fù)雜電極預(yù)裝系統(tǒng)的研究工作。
　　針對(duì)噴嘴切向小孔、斜向小孔的電火花加工要求，本文以多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)為理論基礎(chǔ)建立了五軸聯(lián)動(dòng)

3、微細(xì)電火花加工機(jī)床的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及低序體陣列，應(yīng)用齊次坐標(biāo)變換原理推導(dǎo)出了五軸聯(lián)動(dòng)微細(xì)電火花加工機(jī)床的空間位置誤差模型；并結(jié)合機(jī)床實(shí)際應(yīng)用情況，簡(jiǎn)化了誤差模型。以此為基礎(chǔ)分別給出了五軸聯(lián)動(dòng)成形電火花加工機(jī)床及其復(fù)雜電極預(yù)裝系統(tǒng)的簡(jiǎn)化誤差模型。簡(jiǎn)化誤差模型對(duì)于機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中各零部件的誤差分配和最終整機(jī)的誤差補(bǔ)償具有一定的指導(dǎo)意義。
　　針對(duì)噴嘴上切向小孔的微細(xì)電火花加工，本文在分析微細(xì)電火花加工對(duì)加工裝備的技術(shù)要求基礎(chǔ)上，結(jié)合推導(dǎo)出的簡(jiǎn)

4、化誤差模型，研制了一臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)微細(xì)電火花加工機(jī)床。該機(jī)床由機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)組成。主軸伺服控制系統(tǒng)是微細(xì)電火花加工機(jī)床的重要組成部分，對(duì)微細(xì)電火花加工的加工效率、加工質(zhì)量及電極相對(duì)損耗等有很重要的影響。本文針對(duì)基于直線電機(jī)的主軸伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行了 PID參數(shù)調(diào)整，調(diào)整完畢的系統(tǒng)具有分辨率高、精度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)“短路、開(kāi)路大位移運(yùn)動(dòng)，偏短路、偏開(kāi)路小位移運(yùn)動(dòng)”的伺服進(jìn)給控制策略；針對(duì)在航空、航天領(lǐng)域逐漸廣泛應(yīng)用的難加

5、工材料，設(shè)計(jì)了高低壓復(fù)雜脈沖電源，能夠在滿足精度要求的前提下，提高微細(xì)電火花加工的加工效率。
　　帶冠整體渦輪盤是一種典型的難加工材料、復(fù)雜型面零件，是五軸聯(lián)動(dòng)電火花成形加工的典型代表。本文依據(jù)其加工要求，并結(jié)合推導(dǎo)出的簡(jiǎn)化誤差模型，確定了五軸聯(lián)動(dòng)成形電火花加工機(jī)床的總體方案和主要部件的設(shè)計(jì)精度指標(biāo)。為提高機(jī)床的幾何運(yùn)動(dòng)精度，本文提出了區(qū)間分割補(bǔ)償算法。該算法能夠保證在整個(gè)補(bǔ)償區(qū)間內(nèi)得到均勻補(bǔ)償，保證區(qū)間內(nèi)每一點(diǎn)的精度誤差都能夠達(dá)

6、到最小，并以五軸聯(lián)動(dòng)成形電火花加工機(jī)床的C軸的回轉(zhuǎn)定位誤差補(bǔ)償為例驗(yàn)證了該算法的正確性。
　　復(fù)雜電極的位姿離線調(diào)整與檢測(cè)是縮短帶冠整體渦輪盤生產(chǎn)周期的有效途徑和有益補(bǔ)充。本文依據(jù)復(fù)雜電極的位姿調(diào)整及檢測(cè)要求，并結(jié)合推導(dǎo)出的簡(jiǎn)化誤差模型，提出和研制了基于接觸感知的導(dǎo)電式零件外形面的檢測(cè)方法的面向帶冠整體渦輪盤電火花加工的復(fù)雜電極預(yù)裝系統(tǒng)，做到了電極檢測(cè)與實(shí)際加工工藝的統(tǒng)一。為實(shí)現(xiàn)高重復(fù)定位精度的型面檢測(cè)及避免在檢測(cè)過(guò)程中損傷電極表

7、面，設(shè)計(jì)了低電壓外形檢測(cè)電路；針對(duì)模型已知的復(fù)雜電極，通過(guò)UG二次開(kāi)發(fā)功能提取檢測(cè)曲面的采樣點(diǎn)信息，依據(jù)采樣點(diǎn)信息生成避障點(diǎn)信息及檢測(cè)路徑；將同一截面線的理論點(diǎn)和實(shí)測(cè)點(diǎn)信息在同一坐標(biāo)系中采用3次均勻B樣條曲線擬合；并以實(shí)測(cè)點(diǎn)為迭代初始點(diǎn)，利用Newton一維尋優(yōu)方法在實(shí)測(cè)曲線上得到理論點(diǎn)的近似對(duì)應(yīng)點(diǎn)(尋優(yōu)點(diǎn))；通過(guò)對(duì)比理論點(diǎn)與尋優(yōu)點(diǎn)之間的距離在理論點(diǎn)法線上的投影長(zhǎng)度與電極型面的設(shè)計(jì)公差，最終判斷復(fù)雜電極的合格性和位姿調(diào)整的正確性。