技术详情
1、基于Linux的开放式五轴联动实时数控系统实现复杂空间曲面的电火花加工；
在工业PC平台上,开发研制基于实时Linux的五轴联动电火花加工全软件化数控系统。基于实时Linux的控制内核与高速I/O的硬实时应用基本方案,建立电火花加工数控系统的整体结构模型,解决多轴联动的伺服控制、摇动控制、抬刀控制、轨迹共享、插补等相关技术问题,形成基于Linux的开放式五轴联动电火花加工数控系统平台。
2、五轴联动数控系统的抗干扰与可靠性技术
采用4层电路板进行高速数字电路的设计,这种结构的电源传输线的特性阻抗非常小,层间电容大,是一种最好的供电结构;CNC与I/O外围设备通过高速光电耦合器实现互连和电气隔离;总线设计中充分考虑信号传输的可靠性,电磁兼容问题如终端阻抗匹配、信号串扰、传输延迟等;数控系统的电源采用高性能滤波器,滤除来自电网和电火花电源的强电干扰;NC模块之间和输入输出接口采用以屏蔽双绞数据电缆传输的差分信号驱动连接。在软件设计、电源设计、接插件选用、接地与屏蔽设计和施工等方面采用强抗干扰、高可靠性设计与制造技术,全面提高系统的可靠性。
3、精密电火花加工电源,实现钛合金等特殊材料的高效高质量加工;
在脉冲电源的主回路上增加特殊回路,提高钛合金等材料的电火花加工效率降低电极损耗,如:增加电容回路,使电流上升沿有突变、增加峰值电流,提高爆炸力;增加电阻回路,以减少大电流、大面积加工时的拉弧烧伤和抑制电极损耗;增加高低压辅助回路,使放电间隙加大,利于排屑,加工稳定,提高脉冲利用率针对不同的加工工艺要求,增加不同的放电回路,得到多种波形的组合,叠加到放电间隙,达到最佳工艺效果。
4、国产化高精度数控转轴A、C轴
设计、制造出高精度的主轴,涉及加工制造工艺、材料及热处理工艺、装配工艺、精度补偿等是本项目中的难题。通过采购高精度圆锥辊子陶瓷轴承,利用高精度的超精床、镗床、磨床以及相关的装配工艺来共同保证轴系的高精度。
因整体转台浸入渗透力极强的火花液中,加上加工过程中产生的电火花抛岀物的影响,所以控转轴A轴的动静密封也是一个难点。本项目通过密封结构的设计、密封材料的选择(动静密封材料)加上气动正压来解决火花液中动静密封问题。
5、应用人工智能技术的钛合金与高温耐热合金等特殊材料的电火花加工工艺及数据库将从脉冲电源上提供电容增爆回路和电感低损耗回路等多种加工回路,同时实现窄脉宽大电流的放电加工,探索钛合金材料加工的电火花工艺参数组合,解决钛合金材料的高效高精度的加工难题。另外,采用专家系统简化最优加工条件的选择,应用人工神经网络技术计算优化电加工工艺参数,在数控系统上实现自动确定和优化钛合金加工工艺参数的过程,提高数控系统的智能化。
6、复杂成形工具电极检测、预调与快速更换技术及系统;
本项目研制的电极预装及检测装备主要包括可快速更换的电极单元、测量装置、软件的开发和工艺试验研究。电极单元由电极、电极杆、过渡头和标准夹头构成,实现电极的装夹和预调整。测量装置用于实现电极状态和型面的测量,依据检测数据重建电极三维实体模型,给出误差的具体位置。经过预装系统检测并预调合格后的电极与电火花加工机床的适配性问题,将借鉴加工中心的刀库形式,以标准夹头进行转换和连接。
7、五轴联动电火花加工 CAD/CAM系统实现复杂结构加工的参数化
带叶冠整体式涡轮盘的叶片型面是自由曲面,几何结构复杂,无法用解析方程描述,只能通过适当数量的一系列离散型值点来表达,而这一系列离散型值点是无法直接用于数控加工的。单靠人工计算、编程很难实现复杂的加工过程,必须依靠某种专用的智能化系统来辅助制造。
针对涡轮盘加工的工艺过程,充分利用大型三维设计软件的成熟功能,选用 Solidworks和UG-II作为三维图形平台,开发研制带冠整体涡轮盘专用 CAD/CAM系统软件。实现不同叶型涡轮盘的三维重构及几何造型、电极设计、电极数控进给轨迹搜索、干涉检查、电极寿命估算、加工过程模拟和自动生成工艺规程等功能。
技术优势:自主知识产权的可用于工业生产环境的五轴联动电火花加工数控系统;适合钛合金、耐热合金等难加工材料加工的高效、精微脉冲电源及其控制系统;用五轴联动电火花加工数控系统抗干扰与可靠性技术,提高数控系统和脉冲电源的品质;在商用CAD平台上,使用与五轴联动电火花加工工艺相集成的CAM系统,以适应其特殊轨迹代码生成、加工工艺选取、加工结果预测等要求;电火花加工自动工具预调与检测系统,确保加工质量和工人操作上的准确无误,大幅度节省机床的辅助时间;基于五轴联动电火花加工的航天发动机特殊材料(含钛合金、镍基高温合金)零件的高效加工工艺与数据库,指导实际加工,获得良好加工效果。
案例描述
轴联动精密数控电火花成形加工机床系列产品由装备本体(主机)、脉冲电源及控制系统、数控系统和工具预装及检测系统等部分组成。装备机械性能指标:X/Y/Z/A轴实现全闭环控制,行程X≥2500m,Y≥400m,Z≥350mm;各轴定位精度≤5μm,重复定位精≤2μm;各轴的最大移动速度≥1500mm/min；具有A、C二个数控旋转轴,定位精度≤15",重复定位精度≤5",采用国产化数控转台;装夹电极最大重量5kg。装备电气性能指标:脉冲电源最小峰值电流0.1A,最大平均工作电流100A;具有闭环自动稳压、短路、过流、过压、缺相保护与适应控制功能和镜面加工回路、低损耗回路、间隙检测回路、超硬材料加工回路等。装备加工性能指标:最佳表面粗糙度Ra≤0.1μm(模具钢)、Ra≤0.2μm(耐热合金、钛合金);最高加工效率≥1000mm3/min(模具钢),最高加工效≥400mm3/min(耐热合金、钛合金加工);最小电极损耗≤0.1%。
采用12bit的高速数字模拟信号转换器件来监测异常放电状态,通过最先进的可编程电路实现超强处理能力(30MIPS),可在约30ns时间内对脉冲前沿的状况进行一次检测,可以有效消除电弧、短路等有害放电的风险提高加工效率和表面质量。采用专家系统简化最优加工条件的选择,并应用人工神经网络技术计算优化电加工工艺参数,提高数控系统的智能化。自动换刀装置通过编程自动完成电极交换过程,可实现电火花加工的全自动化。带叶冠整体涡轮盘专用的CAD/CAM系统软件可提供方便快捷的涡轮盘建模方法,在人为少量干预的情况下自动生成加工过程中所需的各种数控代码,并自动生成相应的工艺档。集成在系统中的特殊材料(钛合金与高温耐热合金等)加工工艺数据库可实现航空航天特殊材料电火花高效、精密加工的智能化与自动化。精密C轴传动系统由交流伺服电机,联轴器、谐波减速器、陶瓷轴承及轴承法兰等核心部件组成采用交流伺服电机配旋转编码器驱动半闭环控制方式,零点传感器由电机旋转编码器实现。精密A轴采用高精度圆锥辊子陶瓷轴承实现主轴回转几何精度要求及电气绝缘要求。
主要开发人员杨大勇,现任北京市电加工研究所所长,北京市精密特种加工技术研究中心主任,北京市科学技术研究院特种加工技术重点实验室主任,中国机械工程学会特种加工分会成形委员会副主任。1999年6月毕业于北京理工大学机械工程与自动化学院,获博士学位。2000年被列入北京市科技新星培养计划。2002年4月进入北京市科学技术研究院与清华大学联合创办的博士后流动站工作,2004年7月出站,出站报告被清华大学评为优秀报告。2004年7月被中共北京市委评为北京市优秀共产党员。2006年被列入“北京市科学技术研究院高素质人才团队培养计划"。2008年入选“北京市新世纪百千万人才工程"。发表学术研究论文30余篇,参与编著专著1部,申请国家专利3件,软件著作权1部。
主持完成了北京市自然科学基金项目“智能技术在电火花加工中的应用研究”,同时受到北京市优秀人才专项基金的资助,被列入北京市科技新星培养计划,主持新星计划项目“电火花加工放电状态监测与控制中混沌理论的应用研究"。2004年主持北京市自然科学基金重点项目“电火花加工中智能化柔性化开放式数控系统的研究”,这是工程学科类里的唯一重点项目。2008年获得北京市财政局专项资金资助,主持“先进制造技术研究中心建设项目”,预算1000万。同年主持制定了“电火花成形机床用自动灭火器国家标准”,参与制定“电火花加工机床电磁兼容性试验规范”、“电火花轮胎模加工机床、“电解去毛刺机床"、“便携式超声抛光机"的国家标准。
先后主持研制出了自主知识产权的三代高档数控系统,同时研制成功了A1、A2、A3型智能精密数控电火花成形加工脉冲电源及其控制系统,将其装备了B30、B35、B50型精密电火花成形机床,实现了高精度、低损耗和低表面粗糙度的电火花加工,设备的主要指标达到国际先进水平。作为课题负责人连续承担国家863计划及国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造技术课题,所研制的精密数控电火花机床与电源正在为国防和国家重点项目贡献力量,在航空航天精密模具、兵器领域、微电子、半导体、通讯汽车、家电、化纤、工业刀具等领域得到了广泛应用,创造了较大的社会经济效益,已经累计直接创造经济效益上亿元以上。
