数控展成电解加工展成运动及阴极原轨迹回退功能的实现

奋斗一生

1　问题的提出
　　数控电解加工是80年代中后期发展起来的一项崭新的加工技术，它是在原拷贝式电解加工（阴极做直线进给运动）的基础上引入计算机控制技术，增加了阴极轨迹控制的灵活性从而简化了阴极设计，大大地缩短了产品的生产周期。其主要目的是解决航空、航天产品中各类扭曲叶片型面的难加工问题。由于电解加工自身的特点，如加工过程中进给参数选择不当或电解液存在导电微粒，或机床刚性不足引起的振动等原因，可能在加工中引起短路。这时，可通过对故障点的处理以恢复加工。但在处理过程中，阴极必须退出工作区，然后按原轨迹进至加工点再加工。由于是扭曲型面的加工，必须是严格按原轨迹反向回退。如果没有回退功能，发生故障时只能拆卸阴极，等处理完故障再装夹并重新校正位置，其工作过程非常麻烦，且难以保证重新对刀的精度，影响加工的精度。
2　展成运动的实现及曲面拟合方法
! U8 A. x% x; g# ^" |2.1　展成运动的实现
" k/ I8 U/ l' l1 g4 |# P　　数控展成电解加工主要面向以整体叶轮扭曲叶片型面为代表的一类直纹面的加工，无论采用旋转阴极或非旋转阴极都需多轴联动（四轴以上）。理想的方法是设计专用的数控电解加工机床和专用的数控系统，但由于数控展成电解加工成形规律比较复杂，且受多轴联动控制技术的限制，一套综合考虑各参数的控制系统国内外尚未见报道，我们采用改进常用的经济型数控系统实现多轴联动数控展成运动，对五轴电解加工机床，采用上、下位机组合的控制方案，即机床的每轴都由一套可靠的经济型数控单元控制，如图1所示。
1 |% {% R1 M; l  d! c. w1 ~: L
  o5 H# r3 d# B/ b图1　多轴数控展成运动实现原理
0 \) Q( i2 S0 _! T2.2　曲面的拟合
　　在上位机将叶片曲面插值计算划分成许多曲面片，再对每一曲面实施直纹面拟合，从而简化联动各轴的轨迹控制。通过后置处理生成各轴的数控代码，由通讯口传输给下位机，控制各数控单元的联动加工。这种方案较好的克服了国外引进数控系统的昂贵和国内多轴系统运行不够稳定的缺点，且每轴都有相当的调节独立性，给系统的调试带来很大方便。重要的是通过特定编程技术解决了各轴之间的同步联动问题（此技术已经申请发明专利），并通过了工艺实验验证，效果良好。
; C: e* e% x" H3　阴极原轨迹回退功能的实现
: b- T; }; e; [, D　　阴极沿原轨迹回退是进给加工的逆过程，也是进给过程的反问题求解。为了求得阴极回退的轨迹，通常的方法是通过阴极摆轴中心点的位置求得阴极刃边的实际位置（发生故障，停止进给时的位置），以此位置作为起始点，对原加工型面进行拟合、插补，求得阴极回退的轨迹坐标，进一步计算出阴极摆轴中心点的轨迹，形成回退的数控代码；而电解加工是有间隙加工，加工间隙远大于插补的误差，因此，直接从控制加工送进的数控代码中得到回退的数控代码，则可以避免重新插补、拟合运算，编程也简单。其原理如图2所示：程序主要有两部分组成。一是中断指令号的获得。它根据故障停止时的系统坐标获取数控系统此时的中断指令号，因为系统故障急停时，不显示当时的指令号；二是段代码分析子程序。它通过对进给代码的分析获得回退数控代码。

图2　实现阴极原轨迹回退的原理
3.1　程序中断指令号的获得
　　开始，输入故障停止时基准轴的坐标值Z。判断原数控指令是相对编程或绝对编程。若绝对编程则逐段计算Zi-Z(Zi为第i段指令Z向坐标值),若相对编程则逐段计算∑Wi-Z(Wi为第i段指令Z向相对坐标值),直到数控指令的结束。根据Zi-Z或∑Wi-Z的符号变化次数，获取中断指令号。若变号次数为一次则可以断定i-1是当前指令号，若变号次数多于一次，说明阴极轨迹坐标Z向非单调递增或递减，应输入X向的坐标值进一步确定当前指令号k。然后从第k段指令开始按指令号递减的方向逐段取出，调用段代码分析子程序，生成阴极回退数控代码。
0 y5 A& Y- h8 P0 r: [2 Q6 o3.2　段代码分析子程序
  A9 G) [' Z$ z) V* B　　段代码分析子程序是通过对一段代码的分析，包括编程方式、是直线还是园弧，是圆弧则进一步断判顺圆还是逆圆及是否过象限。然后根据进给段代码的坐标求得对应的回退段代码的坐标。图3是第一象限顺圆加工，相对编程方式，求取回退代码的示例。原代码G02 U(x2-x1) W(z2-z1) I(x0-x1) K(z0-z1) Fv,v是进给加工的速度。用运动坐标系UW移至该段指令位置的终点，以相对编程方式表示，形成的回退段代码为G03 U-x1 W-z1 I(x0-x2) K(z0-z2)Fv'，v'是回退的速度（可以根据工艺要求设定）。若是故障停止指令段，则用停止处坐标代替(x2,z2)。直线段指令的回退代码较简单，在此从略。

& D$ j$ t! n" C( w# D& ~5 w' n图3　计算示例
　　程序的研制过程中充分考虑了故障点的随机性及机床本身和数控系统的控制精度及反向间隙补偿量的控制。充分考虑了由于上、下位机有效位数的不同可能引起的小进给量加工时可能引起的无效指令代码等。经过联机考查和程序运行，完全可以实现数控展成电解加工中阴极按原轨迹回退的要求。
" `( D' s  g; b2 C: L) }4　结论
　　数控展成电解加工阴极原轨迹回退和再进给加工是数控电解加工中必须解决的关键技术问题。该程序已和原计算机辅助编程系统集成在同一界面下，应用方便可靠，并获得良好的实验效果。【MechNet】
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