基于PMAC的商用五軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)

梁 速,徐 輝,陳 默,康小明,趙萬生,盧智良,萬符榮,吳 強,吳國興,朱 寧

(1.上海交通大學機械與動力工程學院機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室,上海200240;2.蘇州電加工機床研究所有限公司,江蘇蘇州215011)

渦輪葉盤是航空發(fā)動機中的關(guān)鍵部件,多軸聯(lián)動電火花加工已成為實現(xiàn)其制造的關(guān)鍵技術(shù)。由于國外于此類技術(shù)及裝備對我國實施禁運,加快研制多軸電火花加工機床并使之產(chǎn)業(yè)化將具有重要的戰(zhàn)略意義。作為電火花加工機床的核心,數(shù)控系統(tǒng)需要在實時性、穩(wěn)定性及可靠性等方面滿足較高的要求[1-2]。數(shù)控系統(tǒng)必須能依照獲取的極間放電狀態(tài),快速地控制多軸完成相應(yīng)的伺服動作,因此需要較強的實時性;加工穩(wěn)定性要求電火花加工過程中保持放電連續(xù)、伺服平穩(wěn);此外,由于電火花加工過程耗時較長,數(shù)控系統(tǒng)還需保證其運行具有良好的可靠性。

可編程運動控制器PMAC(Programmable Multi Axis Controller)憑借其在實時運算與數(shù)據(jù)處理、多軸精密聯(lián)動控制、運行穩(wěn)定性及開放性等方面的優(yōu)良性能,已在數(shù)控機床、機器人、航空航天和醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[3]。同時因其優(yōu)良的運動控制性能與強實時性,也成為電火花加工數(shù)控系統(tǒng)理想的開發(fā)平臺。在基于PMAC開展多軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)研究與開發(fā)方面,李論[4]通過運用PMAC系統(tǒng)設(shè)計了五軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng),并加工出渦輪盤模擬樣件。然而,基于PMAC開發(fā)的電火花加工數(shù)控系統(tǒng)大多還停留在實驗室與樣機階段,其在產(chǎn)業(yè)化方面仍面臨著諸多問題,主要表現(xiàn)在系統(tǒng)兼容性不強、不具備滿足市場需要的特殊加工功能、尚未達到商品化的開發(fā)標準及系統(tǒng)成熟度與可靠性不足等。

本文研制了一種基于可編程運動控制器PMAC的五軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)。其采用了全閉環(huán)速度模式的控制體系,通過PMAC平臺實現(xiàn)了電火花成形加工控制中包括伺服進給回退運動、間隙電壓檢測、五軸聯(lián)動及高速抬刀運動等在內(nèi)的多項關(guān)鍵技術(shù)。該數(shù)控系統(tǒng)已應(yīng)用于DK7140型商用五軸聯(lián)動電火花成形加工機床,通過閉式整體渦輪葉盤樣件及窄縫窄槽等典型零件的加工實驗,驗證了其良好的加工與控制性能。同時按照商業(yè)化標準完善了數(shù)控系統(tǒng),有力地推動了其產(chǎn)業(yè)化進程。

1 五軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)硬件體系

五軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)采用了上下位機的體系結(jié)構(gòu),見圖 1。上位機以工業(yè)控制計算機(IPC)為平臺,下位機以PMAC運動控制器為核心。數(shù)控系統(tǒng)采用了基于速度指令模式與高分辨率直線/圓光柵尺構(gòu)成的全閉環(huán)XYZAC伺服控制平臺的方案。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)

上位機IPC采用了Ubuntu 8.04的Linux操作系統(tǒng)。其包括GUI、代碼解釋器、工藝數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)通訊、文件操作、線程管理及控制器驅(qū)動等功能模塊,提供了較全面、完善的人機交互操作功能。IPC系統(tǒng)通過外圍元件擴展接口總線PCI(Peripheral Component Interconnect)連接下位機PMAC。

下位機運動控制器系統(tǒng)由運動控制卡及其各功能附件板卡組成,主要完成伺服運動控制和過程控制等實時任務(wù)。運動控制卡采用主頻為20 MHz的MOTOROLA DSP 56001/56002作為主處理器;由于PMAC的單軸伺服更新率可達 55 μ s(接近20 MHz),并能同時精確控制八軸協(xié)調(diào)運動,因而可使電火花加工的伺服周期降低到1～2 ms;同時因其程序的執(zhí)行速率快,并具有多線程并行運算與處理數(shù)據(jù)的能力,檢測環(huán)節(jié)的實時性得到增強[5]。

PMAC通過JMACH接口ACC-8P端子板、I/O附件ACC-34AA、A/D附件ACC-28A等附件板卡用以實現(xiàn)運動控制器與各類外部設(shè)備的信號通訊?？刂破魍ㄟ^JMACH接口板連接直線/圓光柵編碼器和電機驅(qū)動器,主要實現(xiàn)模擬量速度指令的輸出和位置反饋信號、限位信號的輸入等;通過I/O附件實現(xiàn)對電火花加工脈沖電源的電參數(shù)設(shè)置及對機床各開關(guān)量的控制。為了獲取極間平均電壓,PMAC通過A/D附件采樣二類來自電火花加工脈沖電源的電壓信號:接觸感知電壓和極間平均電壓。

數(shù)控系統(tǒng)還包含其他硬件系統(tǒng):伺服驅(qū)動系統(tǒng)主要由伺服驅(qū)動器及交流伺服電機組成;光柵位置反饋系統(tǒng)包括安裝于各直線/旋轉(zhuǎn)軸上的直線/圓光柵及配套的細分盒;I/O控制系統(tǒng)通過接收來自ACC-34AA的電平信號,并通過繼電器進一步控制機床各硬件設(shè)備的開關(guān)(如蜂鳴器、液泵)以及控制對電火花加工脈沖電源各電參數(shù)的設(shè)置等。

2 基于PMAC的關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

針對五軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計要求,基于下位機PMAC開發(fā)了各類軟件功能模塊,包括A/D與軟濾波模塊、伺服進給回退運動程序、五軸聯(lián)動程序、主軸高速抬刀程序及PLC順序控制模塊等,實現(xiàn)了間隙電壓檢測、伺服進給回退運動、高速抬刀運動等電火花加工控制的多項關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 基于A/D與軟件濾波模塊實現(xiàn)間隙電壓檢測

數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計了A/D與軟件濾波模塊實現(xiàn)間隙平均電壓的檢測。此功能模塊是基于PMAC的A/D附件及其軟PLC程序開發(fā)的。作為伺服檢測的關(guān)鍵環(huán)節(jié),在模塊構(gòu)建的過程中充分依照了實時與準確的設(shè)計原則。其設(shè)計原理如下:首先,電火花加工專用脈沖電源通過將極間電壓濾波處理來獲得間隙平均電壓,PMAC的A/D附件ACC-28A實時地對平均間隙電壓進行采樣及模數(shù)轉(zhuǎn)換,并將電壓數(shù)值保存在相應(yīng)地址的寄存器中(ACC-28A的采樣頻率為18 kHz,模數(shù)轉(zhuǎn)換精度為16 bit)。基于軟PLC平臺設(shè)計的軟濾波程序,以70 μ s的輪詢周期訪問寄存器,通過多次采樣并進行均值計算實現(xiàn)信號的軟件濾波,并將軟濾波后所得到的平均間隙電壓值保存為全局變量,供伺服進給回退運動程序的進一步引用。傳統(tǒng)數(shù)控體系通常采用以總線通訊的方式,經(jīng)上位機系統(tǒng)軟實時運算來處理間隙平均電壓,本數(shù)控系統(tǒng)直接基于底層系統(tǒng)的A/D與軟件濾波的硬實時模塊實現(xiàn)間隙電壓檢測,不僅簡化了數(shù)控系統(tǒng)的層次,使檢測周期降至1 ms以內(nèi),同時保證了信號的實時性與精確性。

2.2 伺服進給回退運動程序設(shè)計

電火花加工放電過程根據(jù)平均間隙電壓和伺服參考電壓的差值來決定前進、回退或保持不動。平均間隙電壓信號可通過A/D與軟件濾波模塊實時獲取,數(shù)控系統(tǒng)需在預(yù)設(shè)的伺服周期內(nèi)將平均間隙電壓與伺服參考電壓作比較,并完成相應(yīng)的位置控制。位置控制的關(guān)鍵在于實現(xiàn)正反向插補,本系統(tǒng)采用基于速度規(guī)劃的軌跡分段方法來實現(xiàn)正反向插補。

在電火花加工中,壓差(平均間隙電壓與伺服參考電壓的差值)可作為對放電狀態(tài)的模糊表征,因而可根據(jù)壓差決定進給速度:壓差的正負決定進給方向的正反,而其絕對值的大小則可對應(yīng)于進給速率的大小。當電火花加工進行時,在每個伺服周期內(nèi),先判斷壓差,決定速度方向及大小,接著根據(jù)速度及插補周期計算出單步當量,繼而實現(xiàn)各軸相應(yīng)的位置控制,完成后再進入下一伺服周期,如此反復直到進給到終點或回退到起點。分段運動的時間間隔即為電火花加工的伺服周期,對于電火花加工極為重要。本數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計分段運動運行時間為2 ms,實驗證明滿足了電火花穩(wěn)定加工的要求。

PMAC提供了基于各類插補方法實現(xiàn)的多種運動模式,包括RAPID模式、LINEAR模式(2次B樣條)、CIRCLE模式(3次B樣條),PVT模式(Hermite樣條)和SPLINE模式(均勻非有理3次B樣條)等。其中SPLINE模式的計算速度快、精度高,能實現(xiàn)軌跡連續(xù)規(guī)劃,速度平滑處理[5]。電火花加工的間隙伺服控制是一種反饋控制,伺服過程需根據(jù)差值頻繁地執(zhí)行小幅向前或向后的運動程序,從而使電火花加工放電過程連續(xù)穩(wěn)定,這種特性的運動適合采用SPLINE模式設(shè)計。

本數(shù)控系統(tǒng)采用基于速度規(guī)劃的正反向插補原理,并通過調(diào)用SPLINE模式實現(xiàn)了伺服進給回退程序設(shè)計,達到了依據(jù)放電狀態(tài)實施頻繁往復運動的要求。圖2是伺服進給回退程序流程圖。

圖2 PMAC運動程序流程圖

2.3 主軸高速抬刀運動的實現(xiàn)

在加工高深寬比型腔如窄縫窄槽時,高速抬刀能顯著提高其最大加工深度及加工效率,發(fā)揮不可替代的作用[6]。通過以下技術(shù)的實現(xiàn),本數(shù)控系統(tǒng)具備了主軸高速抬刀運動的功能。首先構(gòu)建了基于PMAC的全閉環(huán)速度指令模式的控制體系,使運動軸具備高速運動能力;其次利用PMAC先進的PID控制算法實現(xiàn)了優(yōu)良的主軸動態(tài)伺服性能;再是采用S形曲線合理規(guī)劃抬刀運動的加減速過程;最后將設(shè)計的抬刀程序嵌入于伺服進給回退程序,實現(xiàn)了加工過程定時抬刀的功能。結(jié)合商用機床的主軸進行測試實驗,證明可實現(xiàn)最高速度達12 m/min、最大加速度約1 g的穩(wěn)定高速抬刀運行性能。

PMAC提供了PID+速度前饋+加速度前饋的運動控制算法。結(jié)合商用機床的主軸,通過階躍位置與正弦速度等響應(yīng)特性實驗,實現(xiàn)了對控制器各環(huán)節(jié)參數(shù)的優(yōu)化,使主軸動態(tài)伺服性能達到了理想水平。經(jīng)調(diào)試后的各項瞬態(tài)參數(shù)如下:上升時間10 ms、調(diào)整時間25 ms、最大超調(diào)量 0.9%、跟隨誤差-4～8 μ m,運動軸具備了快速響應(yīng)能力與優(yōu)良的速度跟隨性能。

高速抬刀易帶來機械沖擊、過沖量大等問題,因此需合理規(guī)劃高速抬刀運動的加減速過程,本數(shù)控系統(tǒng)采用S形曲線來設(shè)計。PMAC提供了基于特征參數(shù) Ts與 Vm自行規(guī)劃S曲線加減速的插補器,其中加速時間常數(shù) Ts為S曲線加速過程所需的時間,目標速度 Vm為經(jīng)過S曲線加速后進入勻速狀態(tài)的最大速度。通過精心設(shè)計 Ts與Vm,可在保證跟隨性能的前提下,得到加速性能最優(yōu)的速度曲線。當目標速度 Vm為12 m/min時,設(shè)計Ts為50 ms,此時最大跟隨誤差小于100 μ m,抬刀加速行程約5 mm,抬刀最大加速度達9.68 m/s2。通過高速抬刀加工實驗證明,高速抬刀S型加減速過程的運動性能穩(wěn)定,無明顯的振動與沖擊。

為了實現(xiàn)定時抬刀運動,設(shè)計了抬刀運動程序,并嵌入到伺服進給回退程序中。首先確定抬刀程序中的主要變量,如:當前Z軸位置、抬刀目標位置、抬刀速度及緩沖區(qū)大小等。當前位置即是啟動抬刀程序時Z軸的伺服位置,抬刀目標位置為當前位置+抬刀高度,抬刀速度由用戶設(shè)定,緩沖區(qū)是為防止抬刀復位過程的過沖影響放電區(qū)域而預(yù)留的緩沖距離,其大小由抬刀速度決定。接著,根據(jù)當前位置和目標位置,采用絕對坐標(ABS)和線性插補模式(LINEAR)設(shè)計抬刀運動的往復動作。與伺服進給回退程序集成的關(guān)鍵在于定時器(計數(shù)器)的設(shè)計,當伺服周期與抬刀周期一定時,啟動抬刀運動程序的計數(shù)器閾值即為抬刀周期/伺服周期,計數(shù)器隨著伺服過程逐漸累加,當達到閾值時執(zhí)行抬刀運動程序,并于抬刀復位時清零,如此反復以實現(xiàn)其定時抬刀功能。其程序流程見圖3。

3 典型樣件加工實驗

通過將本數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用于DK7140型五軸聯(lián)動電火花成形加工機床(圖4),進行包括窄槽窄縫與閉式整體渦輪葉盤在內(nèi)的多種類的典型樣件加工實驗,以驗證系統(tǒng)的各項加工與控制性能。

3.1 窄槽加工實驗

為體現(xiàn)本數(shù)控系統(tǒng)高速抬刀的性能優(yōu)勢,分別采用基于本數(shù)控系統(tǒng)的DK7140型機床和商用窄槽窄縫加工專用機床,在完全相同的加工條件下,進行窄槽加工實驗以對比其加工性能。實驗采用60 mm×1 mm×120 mm(長×寬×深)的石墨電極在45鋼工件上加工窄槽。加工采用的電規(guī)準如下:空載電壓 120 V,最大加工電流 12 A,脈寬 120 μ s,脈間60 μ s。實驗結(jié)果為:最大加工深度達到100 mm,其中加工深度在30～40 mm期間,平均加工效率為7.5 mm/h。圖5是100 mm深的窄槽加工樣件及加工后的石墨電極。

而商用窄槽窄縫加工專用機床的最大加工深度僅為38 mm,在深度為30～38 mm期間的平均加工效率僅為1.6 mm/h。通過窄槽加工的對比實驗,充分證明了本數(shù)控系統(tǒng)的高速抬刀功能在最大加工深度與加工效率方面具有顯著的優(yōu)勢。

3.2 閉式整體渦輪葉盤樣件加工實驗

結(jié)合正方向軌跡插補原理及五軸聯(lián)動等比例插補算法,開發(fā)了五軸聯(lián)動伺服進給與回退程序,使數(shù)控系統(tǒng)具備了穩(wěn)定的五軸聯(lián)動電火花加工功能。為了驗證多軸聯(lián)動的加工性能與效果,進行了閉式整體渦輪葉盤樣件的加工實驗。整個加工過程中數(shù)控系統(tǒng)具備優(yōu)良的伺服穩(wěn)定性,短路率極低,加工效率較高,加工出的閉式整體渦輪葉盤具有良好的表面質(zhì)量及較高的尺寸精度。

圖5 高速抬刀窄槽加工樣件

4 結(jié)論

利用可編程運動控制器PMAC優(yōu)良的多軸精密聯(lián)動控制與數(shù)據(jù)實時處理能力,研制了一種基于PMAC的五軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)。本數(shù)控系統(tǒng)采用全閉環(huán)速度模式的控制體系,實現(xiàn)了電火花加工過程中的間隙電壓檢測、伺服進給回退運動、高速抬刀運動、五軸聯(lián)動及各類搖動等多項關(guān)鍵控制技術(shù)。通過應(yīng)用于DK7140型五軸聯(lián)動電火花成形加工機床,進行了包括窄縫窄槽與閉式整體渦輪葉盤樣件等典型零件在內(nèi)的加工實驗,驗證了數(shù)控系統(tǒng)優(yōu)異的加工與控制性能。同時按照商用機床的標準完善了數(shù)控系統(tǒng),在推動其產(chǎn)業(yè)化開發(fā)方面做出了有益的嘗試。

[1]趙萬生.先進電火花加工技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2003.

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[5]郭銳,趙萬生,李論,等.基于Linux的微細電火花加工數(shù)控系統(tǒng)的研究[J].計算機集成制造,2007,13(2):370-374.

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