一種用於多軸聯動電火花加工的進給速度後處理器設計方法與流程

2023-04-28 10:44:22 2

本發明涉及電火花過程控制，屬於特種加工技術領域，具體是一種用於多軸聯動電火花進給速度控制器設計方法。

背景技術：
現代數控機械加工包含CAD(計算機輔助設計)，CAM(計算機輔助製造)，後處理，數控加工幾個典型的環節，如圖1所示。由CAD對加工工件進行設計，CAM模擬加工過程生成加工軌跡信息，而後處理過程針對設備或工藝過程對加工代碼進行優化，獲得更好的加工效果。電火花加工是利用工件和電極之間的一系列火花放電，對工件材料進行去除的一種過程。電火花加工普遍被用於模具、航空航天、醫療器械等領域。電火花加工與傳統銑削加工相比，有很多不同的地方。比如電火花加工是非接觸式加工，多軸聯動電火花加工可以加工出非常複雜的型腔，將加工工具電極的表面形狀複製到工件上。例如閉式整體葉盤採用如圖2所示的六軸聯動電火花加工工具機進行加工，利用三根直線軸X、Y、Z和三根旋轉軸A、B、C的合成運動，可以將加工工具電極進給到閉式整體葉盤內部，將電極的表面形狀複製到閉式整體葉盤上，完成葉盤的加工，如圖3所示。在多軸聯動的情況下，電極上放電點相對於工件上對應點之間的相對運動量是合成運動的結果，在電火花工具機數控系統中，採用擴展線位移的方式對直線軸線速度和旋轉軸角速度進行合成，即將N個軸的各自速度值進行正交合成。由於線速度和角速度量綱的不同，直接的不考慮旋轉軸旋轉半徑的合成勢必會造成速度的不匹配，從而影響到加工效果。電火花加工中，與銑削加工中根據的給定的速度進給不同，是根據測量的極間狀態決定加工方向向前還是向後，並且根據當前測量的極間電壓和設定伺服電壓的差值決定向前或向後的速度，根據電極和工件之間放電狀態的不同，可以分為開路，正常放電，短路，電弧等四種狀態。伺服控制系統通過採集電壓、電流等信息估計放電狀態，然後根據經驗公式決定電極的進給速度。在經驗公式中，進給速度是用線速度進行表示的。在有旋轉軸參與的伺服控制中，數控系統並不知道電極和工件的旋轉軸旋轉半徑的大小，這就造成了實際進給量與經驗公式所要求的進給量之間的差距。在這種情況下，同樣的角速度，在加工點的旋轉半徑不同的情況下進行同樣的處理是極不合理的。由於旋轉軸是複雜型腔加工必須採用的，這種情況下，正確處理旋轉軸運動和旋轉軸參與的合成運動是必要的。將旋轉軸與直線軸速度進行統一需要知道旋轉軸的旋轉半徑，在加工之前，有了電極和工件的旋轉半徑信息才可以進行後處理規劃。

技術實現要素：
為克服上述現有技術的不足，本發明提供一種用於多軸聯動電火花加工的進給速度後處理器設計方法，能夠大幅減少量綱不匹配造成的速度波動，避免旋轉軸參與的運動放電狀態不穩定，減少開路與短路狀態的發生，提升電火花加工的效率。本發明的技術解決方案如下：一種用於多軸聯動電火花加工的進給速度後處理器設計方法，該方法包含以下步驟：步驟一：加工工具電極和工件參考點的選取與旋轉半徑的測量，用於後面每個軸運動比率的計算；步驟二：根據各個旋轉軸的旋轉半徑求出各個旋轉軸的運動比率；步驟三：從第一行G代碼開始逐行讀取加工G代碼，根據每一行G代碼的各個運動軸的運動量，通過加權平均法求出該行G代碼的運動比例係數，直至所有行G代碼計算結束；步驟四：從第一行G代碼開始逐行將原先規劃的進給速度乘以該行G代碼的運動比例係數，並用算好的結果替代原來的進給速度，直至所有行G代碼計算結束；步驟五：更改好進給速度後的G代碼傳遞給數控系統，從而能夠減小旋轉軸參與的運動放電狀態不穩定，減少開路與短路狀態的發生，提升有效放電率。本發明原理如下：對於有旋轉軸參與的多軸聯動電火花加工來說，控制的對象是電極和工件之間的相對距離。但是從數控系統伺服控制的角度來看，如果是旋轉軸運動，那麼工件的線速度是角速度和工件上放電點與旋轉軸之間半徑的乘積。旋轉軸運動一個單位的位移需要等於直線軸運動一個單位的位移。以三根直線軸三根旋轉軸參與運動的六軸聯動為例，三根直線軸定義為X、Y、Z，三根旋轉軸定義為A、B、C。所以我們給每個軸引入一個運動比率，這個比率可以表示為：設直線軸的運動係數為1，公式(1)可以簡化為：加工工具電極和工件的旋轉半徑選擇是基於他們的CAD模型的。一般來說，參與放電的部分半徑最大的位置是最容易產生放電集中的位置，所以加工工具電極和工件上沿該運動軸的最大旋轉半徑選為該軸的參考半徑。在得到各個軸的參考半徑後，根據公式(2)就可以求出各個旋轉軸的運動係數，例如軸n的運動係數為：在得到每根軸的運動係數後，採用加權算法算出某行多軸聯動軌跡的運動比例係數。比如，在一行G代碼中各個軸的位移為Δx,Δy,Δz,Δa,Δb,Δc，加權平均算法就是各個軸的速度倍率係數按照一行G代碼中各個運動軸運動量所佔的權重進行加權平均。是i軸的權重。Δx,Δy,Δz合成一個3維空間中的直線，所以他們的運動量應當先進行合成再進行加權平均。其中加權平均多軸聯動軌跡的運動比例係數是各個軸的係數與權重乘積的總和。多軸聯動軌跡的運動比例係數可以表示為：在得到該行G代碼的運動比例係數後，將該行G代碼原先規劃的進給速度乘以該行係數k，並用計算得到的結果替代原來設置的進給速度。將更改後的G代碼傳遞給數控系統，按照修改後的G代碼進行電火花放電加工。與現有技術相比，未處理的加工代碼有著較大的速度波動，在這種情況下，無法保持持續穩定的電火花放電加工。有可能因為旋轉軸參與的進給由於旋轉半徑過大，產生較大的線速度，造成頻繁的短路與拉弧，不但降低了加工效率，還產生了短路拉弧造成的不良加工後果如表面燒蝕、金屬改性。通過採用本發明的用於多軸聯動電火花加工的進給速度後處理器，運動量較大的軸的運動係數佔據較大的權重，可以有效的減小速度波動，實現更為穩定的電火花加工狀態，降低短路、開路、拉弧等不良加工狀態概率，提升電火花加工效率。附圖說明圖1是本發明的實施體系數控加工幾個典型環節示意圖。圖2是本發明用於多軸聯動電火花加工的進給速度後處理器設計方法流程圖。圖3是本發明的實施平臺六軸聯動電火花加工工具機示意圖。圖4是本發明的多軸聯動進給軌跡示意圖。具體實施方式本發明的具體實施例在圖3所示的電極加工閉式整體葉盤G代碼中實施並在上海漢霸機電有限公司生產的HE70電火花成形機上進行。選取的工件的參考旋轉半徑為120mm，加工工具電極的參考旋轉半徑為27.5714mm。實施例：根據測量，選取的工件的參考旋轉半徑為120mm，加工工具電極的參考旋轉半徑為27.5714mm。給每個軸引入一個速度比率，由於A軸並不運動，所以X、Y、Z和A的運動比率設為1。通過公式(3)求出兩根旋轉軸的運動比率，其中kB＝0.4774648，kC＝2.0780874。然後用基於以上結果的旋轉軸係數，從第一行開始逐行讀取G代碼，求出每一行G代碼各個運動軸的運動量，通過加權平均法求出該行G代碼的運動比例係數k，經計算k的取值範圍是(0.4775，1.6185)。從第一行G代碼開始逐行將原先的加工速度按照經驗公式計算為F10，在乘以運動比例係數k後，進給速度的取值變為F4.775到16.185。然後用上述更改好進給速度後的G代碼傳遞給數控系統，進行閉式整體葉盤的加工實驗，與全程採用恆定進給速度F10的代碼進行對比實驗。實驗使用的加工工具電極材料為POCOEDM-C3，閉式整體葉盤工件材料為C45E4鋼。加工條件如下表1所示：表1閉式整體葉盤加工實驗參數工件極性開路電壓峰值電流脈衝寬度脈衝間隔抬刀高度抬刀周期負極120V36A80μs8μs1mm5s每個方法分別採用1個加工工具電極加工3次，具體加工結果的表2所示：表2兩種進給速度控制方法加工結果比較由表2可以看出，無論是在加工時間上還是在工具電極的損耗上，使用基於加權平均的多軸聯動電火花進給速度控制方法得到的結果均好於恆定進給速度。以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。本領域的技術人員應當明白，在不脫離本發明範圍的情況下，可以根據本發明的構思做出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過改變材料或者是特點情況可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護範圍內。