基于编码器播放器架构的多轴联动电火花加工运动学规划

1、基于编码器 / 播放器架构的多轴联动电火花加工运动学规划 电火花加工具有无宏观切削力、 能加工难切削材料、 成形精度高等诸多优点 , 多轴联动电火花加工可以进一步实现复杂形状零件的高精度加工。 以闭式整体叶 盘类零件为代表的多轴联动电火花成形加工和以上下异形面零件为代表的多轴 联动电火花线切割加工是其两大类主要应用场景。多轴联动数控电火花加工是闭式整体叶盘类零件的首选加工方法 , 然而这类 零件的加工耗时严重 , 其加工效率问题曾经是制约航天发动机生产能力 , 甚至因 此影响型号产品的交付周期的瓶颈。 电火花线切割加工也在航空、 航天模具制造 行业有着至关重要的作用。加工精度的提升与加工效率的

2、提升是衡量加工装备与加工技术能力的标准 , 本文研究工作的核心正是围绕如何提升多轴联动电火花加工精度与加工效率展 开的。运动学作为数控系统的一局部 , 负责控制机床的加工工具和工件按照指令 所给定的轨迹进行运动 , 并实现效率和精度的优化 ,对于一台机床能否实现复杂 形状工件的高精度、高效率的加工起着至关重要的作用。为实现电火花加工数控系统从 G代码加工向参数曲线直接加工过渡，考虑到 电火花加工中特有的成形加工、抬刀运动、正反向插补等特点 , 针对进给速度规 划算法、数控系统及其插补器中存在的问题 , 提出相应的解决方案。针对以往研 究缺乏针对电火花成形加工多轴机床运动学分析的问题 , 从六轴

3、联动电火花加工 机床的结构出发 , 计算了六个运动轴的运动旋量与旋量的指数映射函数。根据旋量理论 , 分别推导了从工具坐标系到机床坐标系、从工件坐标系到机 床坐标系的正向运动学方程 , 结合求逆运算得到从工具坐标系到工件坐标系的变 换矩阵。根据闭式整体叶盘和闭式整体泵叶轮加工时的不同姿态 , 分别进行了运动学分析利用运动学对多轴联动刚体运动的轨迹误差进行分析 , 提出了多轴联动刚体 运动最大轨迹误差的评估方法。 线速度和角速度的不同量纲造成了预设进给率与 实际进给率之间的差异。针对多轴联动电火花加工进给率波动造成伺服控制不稳定的问题 , 本文从原 理分析入手，结合电极、工件3D模型选取特征尺寸

4、，提出了加权平均进给速度控 制法来减少预设的进给率与实际进给率之间的偏差。 并利用正向运动学对进给速 度进行了后置处理匹配 , 提出了进给速度后置处理法对每一段进给路径进行进给 速度的匹配 , 实现工件坐标系下均匀的进给速度控制 , 改善多轴联动电火花中的 间隙伺服稳定性 , 提升加工效率。针对数据采样法插补非圆参数曲线带来弓高误差、 速度波动、 大量加工代码 等问题。本文提出利用单位弧长增量插补法直接插补渐开线、 阿基米德螺线、 摆 线、抛物线、B样条等曲线并做了插补精度的分析。针对电火花加工在范成加工领域的应用 , 分析了电火花加工工具半径的补偿 方法并推导了统一范式。在面向电火花线切割的应用中 , 将方法拓展为广义单位 弧长增量插补法 ,进行了上下异形面同步插补的研究 ,分析了带锥度工件的工具 半径补偿方法 , 以及上下异形面导丝嘴坐标的计算方法。使广义单位弧长增量插补法在四轴联动线切割机床中得到应用。 针对机床的 坐标空间和工件坐标系中电极运动之间的非线性映射问题 , 本文提出了广义双 NURB曲线插补方法。工件坐标系下的电极运动采用 NURB参数曲线来表示并利用单位弧长增量 插补法进行原子级插补。为了将插补结果映射到机床坐标空间 ,提出了采用广义 双NURB曲线映射