五軸聯(lián)動電火花加工機床及其復雜電極預裝系統(tǒng)的研制.pdf

1、目前，先進國家的多軸聯(lián)動電火花加工機床已經(jīng)進入工業(yè)應用和商業(yè)銷售階段，而國內(nèi)對多軸聯(lián)動(五軸或六軸)電火花加工機床的研制尚處于起步階段。由于多軸聯(lián)動電火花加工機床的應用背景多涉及航空、航天、軍事等敏感領域，所以國外對我國實行嚴格禁運。因此，研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的多軸聯(lián)動電火花加工機床，對我國航空、航天、國防以及制造業(yè)的發(fā)展具有重大的現(xiàn)實意義。
　　作為液體火箭發(fā)動機的關(guān)鍵零部件——噴嘴和渦輪盤，一直是制造業(yè)關(guān)注的焦點。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。本文針對五軸聯(lián)動微細電火花加工機床和成形電火花加工機床設計中的共性技術(shù)，開展了五軸聯(lián)動電火花加工機床的誤差分析與設計研究工作；針對帶冠整體渦輪盤的電火花加工中復雜電極檢測與調(diào)整輔助時間過長，進而造成加工效率低下的問題，開展了復雜電極預裝系統(tǒng)的研究工作。
　　針對噴嘴切向小孔、斜向小孔的電火花加工要求，本文以多體系統(tǒng)運動學為理論基礎建立了五軸聯(lián)動

3、微細電火花加工機床的拓撲結(jié)構(gòu)及低序體陣列，應用齊次坐標變換原理推導出了五軸聯(lián)動微細電火花加工機床的空間位置誤差模型；并結(jié)合機床實際應用情況，簡化了誤差模型。以此為基礎分別給出了五軸聯(lián)動成形電火花加工機床及其復雜電極預裝系統(tǒng)的簡化誤差模型。簡化誤差模型對于機床結(jié)構(gòu)設計中各零部件的誤差分配和最終整機的誤差補償具有一定的指導意義。
　　針對噴嘴上切向小孔的微細電火花加工，本文在分析微細電火花加工對加工裝備的技術(shù)要求基礎上，結(jié)合推導出的簡

4、化誤差模型，研制了一臺五軸聯(lián)動微細電火花加工機床。該機床由機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)組成。主軸伺服控制系統(tǒng)是微細電火花加工機床的重要組成部分，對微細電火花加工的加工效率、加工質(zhì)量及電極相對損耗等有很重要的影響。本文針對基于直線電機的主軸伺服控制系統(tǒng)進行了 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，能夠?qū)崿F(xiàn)“短路、開路大位移運動，偏短路、偏開路小位移運動”的伺服進給控制策略；針對在航空、航天領域逐漸廣泛應用的難加

5、工材料，設計了高低壓復雜脈沖電源，能夠在滿足精度要求的前提下，提高微細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、復雜型面零件，是五軸聯(lián)動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)合推導出的簡化誤差模型，確定了五軸聯(lián)動成形電火花加工機床的總體方案和主要部件的設計精度指標。為提高機床的幾何運動精度，本文提出了區(qū)間分割補償算法。該算法能夠保證在整個補償區(qū)間內(nèi)得到均勻補償，保證區(qū)間內(nèi)每一點的精度誤差都能夠達

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

7、面，設計了低電壓外形檢測電路；針對模型已知的復雜電極，通過UG二次開發(fā)功能提取檢測曲面的采樣點信息，依據(jù)采樣點信息生成避障點信息及檢測路徑；將同一截面線的理論點和實測點信息在同一坐標系中采用3次均勻B樣條曲線擬合；并以實測點為迭代初始點，利用Newton一維尋優(yōu)方法在實測曲線上得到理論點的近似對應點(尋優(yōu)點)；通過對比理論點與尋優(yōu)點之間的距離在理論點法線上的投影長度與電極型面的設計公差，最終判斷復雜電極的合格性和位姿調(diào)整的正確性。