自导向弯孔电解加工数控系统研究——项目申报书

1、.项目名称 自导向弯孔电解加工数控系统研究 项目负责人（签名）_所在学校（盖章）_1本项目研究意义及国内外同类研究工作现状（附主要参考文献及出处）：(一)研究意义弯曲孔结构的应用非常广泛，在很多的机械零部件中都需要用到弯曲孔的结构，具有广阔的应用前景。（1）冷却水道。在注塑模具及压铸模具的冷却系统设计过程中，应尽可能的使各冷却水道离型腔壁和型芯壁(即模腔) 保持合适的垂直距离，以保证型腔、型芯各处温度均匀，使制品各处的冷却速度均衡，有效地防止变形的产生，从而提升制品的外观质量、延长制品的使用寿命，提高制品的生产效率。如果采用特定的加工工艺加工出可以随意弯曲的冷却水道，使得冷却水道能够根据模具型

2、腔随形任意布置，将非常有利于冷却系统的优化设计，获得更好的制品质量。（2）涡轮增压器。弯曲孔加工在涡轮增压器的流道中应用也极为广泛，流道的设计及加工直接影响到高速转子运转的速率及热能动力转化的效率。涡轮增压器的核心部件，高速运转的速度达到22万转/分钟，需要充分的油润滑及水冷，才能保证部件运行的平稳性及持续性，这就要求弯曲孔必须满足油润滑的均匀性及油流量的离散性，因此必须保证注油孔内孔的均匀性，冷却水道的环绕性以及充分性。同时，弯曲孔加工的光滑性及清洁度，又极大的影响高速运转的安全性，一个小小的毛刺可能直接将整个叶轮损坏，任何阻塞及润滑的不充分性，会直接造成涡轮轴高速运转中过热过烧，甚至断轴的

3、风险。（3）流道。在各种液压元件以及气动元件的流道中，既希望能减少接头数量，又能弧形转弯并保证孔壁的光滑性，以减少流道的阻力，获得较好的流动性能，因此也需要应用弯孔结构。（4）特殊应用。弯曲孔也应用在一些需要弯孔的特殊场合，如核电设备的某些零部件中也需要用到弯曲孔。然而要实现弯孔的加工是很困难的，切削加工弯孔几乎不可能完成。于是在提高机械加工的工艺性要求中，就提出尽可能不采用弯孔结构；在非用不可的结构中，往往是采用一些直孔分段拟合来代替或者采用一些较接近的、精度不高的方法来实现。然后这些方法加工的孔在满足生产功能、防止泄漏方面总存在一些问题，而且大大增加了加工成本。因此，研究弯曲孔的加工方法及

4、加工工艺是非常有必要且具有实际意义的。（二）弯孔加工方法研究现状研究国内外相关文献资料可知，现有的弯孔加工主要有以下几种方法：一是采用几段直孔来拟合代替，采取先把孔钻通，然后再封堵另一端的措施来完成。该方法加工的孔在满足生产功能、防止泄漏方面存在一些问题，而且加工成本高。二是电子束加工微细弯孔。该技术利用电子束在磁场中偏转的原理，使其在工件内部偏转，加工出微细弯孔。控制电子束的速度和磁场强度，即可控制曲率半径。该技术是一种微细加工方法，主要用于微细弯孔的加工5。三是使用线框电极的电火花套料加工弯曲孔。该工艺是将切削加工中的套料加工方法用于电火花加工。其所用电极和加工示意如图1、图2所示3。图1

5、 套料用的加工电极图2 套料加工示意图使用该工艺可以加工出任意形状的弯孔，但弯孔有缺口，需要进行密封处理。四是在设计过程中，将需要加工弯孔的零件切割成上下两片，分开后，用CNC实现弯孔的加工，加工完成后再组合起来。该方法一方面需要更改零件设计，另一方面接合面上需要耐高温油封。五是国外学者研究的利用球形电极加工弯曲孔的方法。其中最有代表性的方法有二种：一种方法是将球形电极分成若干部分，通过控制不同部分通电或断电来选择不同的加工位置，从而实现孔中心线的弯曲，其典型电极如图3所示1。图3 用于弯曲孔加工的球电极该方法会留下未切割的区域，给后续加工带来麻烦。另一种方法的加工原理示意图如图4所示1。图4

6、 圆形弯曲孔加工原理示意图如图4左图所示，刀具的加工点是倾斜的，以便对与中心轴线具有一定偏移角度的区域进行加工。完成一定余量的加工后，刀具向前移动，使其前端与孔底部接触，进一步进行加工。如图4右图所示，当该孔被加工成一定角度时，柔性刀具柄也弯曲在同一个方向。重复上述过程，即可加工出所需的弯曲孔。该方法通过旋转球形电极来实现所加工孔的弯曲转向，一方面只限用于圆孔的加工，另一方面，球形电极的前进轨迹不易控制。综上所述，虽然弯曲孔结构的应用非常广泛，但至今日，已有的弯曲孔加工方法都不能完全满足生产要求。（三）主要参考文献1M. Uchiyama, T. Shibazaki,Development o

7、f an electromachining method for machining curved holesJ, Journal of Materials Processing Technology 149 (2004) 4534592Ishida T, Takeuch i Y. L-Shaped Curved H o le C rea tion byM eans of E lectrical D ischargeM ach in ing and an Electrode Curved M otion Generato r J. Internationa l Journal o f Adv

8、anced M anu factur ing Technology, 2002 ( 19): 260- 265.3徐盛林,弯曲孔加工技术及新方法J,现代制造工程,2006(9).4徐盛林, 杨俊杰,余五新,李京平, 傅志翔.弯曲孔电加工工艺的实验研究J,制造技术与机床, 2005(6),71-745赵葛霄,黄玉辉.电子束加工技术在微细弯孔加工中的应用研究J, 电加工与模具2000(6)6徐家文,云乃彰,严德荣.数控电解加工整体叶盘的研究、应用和发展J,航空制造技术2003(6)7李亚敏, 刘洪军.任意布置冷却水道的锌基合金塑料模具试制J,模具工业,2006(2)2主要研究内容、目标、方案和进度

9、及拟解决的关键问题：本课题是在新的弯曲孔加工原理的基础上，利用数字控制、软件编程和机械设计等技术搭建自导向弯孔数控电解加工的硬件试验平台并开发相应的控制软件，为开发能用于实际生产的自导向弯孔数控电解加工的控制系统提供理论依据和工艺参考数据。新的弯曲孔加工原理示意图如图5所示。图5弯曲孔加工原理示意图加工弯孔前，预先在所需位置先加工一导向孔，然后再加工弯曲孔(以加工长方孔为例，也可以做成其他形状的电极，用以加工异型孔)。当左右二根电极移动控制条（导体）和左右二根电极转动控制块（绝缘体）同步前进时，电极直线前进，接近待加工面时，电极和工件与电源相连，电解液从电极中间进入，由二侧流出，电解加工开始。

10、若要加工直孔，左右二根电极移动控制条和左右二根电极转动控制块同步前进。若要使孔往右弯，则右侧电极移动控制条和右侧电极转动控制块停止前进，左侧电极移动控制条和左侧电极转动控制块前进，当左侧加工出所需的弯曲弧面时，则左侧电极移动控制条和左侧电极转动控制块停止前进，右侧电极移动控制条和右侧电极转动控制块前进，当右侧加工出所需的弯曲弧面后，重复右侧停止、左侧前进，右侧前进、左侧停止，即可使孔往右弯。反之，可以使孔往左弯。电极控制条和控制块只能左右弯曲，不能前后弯曲。工件上的待加工面为电极底面和左右二侧面。本课题通过分析不同曲率的自导向弯孔数控电解加工过程，结合相关测控技术、微机技术及微电子技术，拟采用

11、交流伺服电机和基于Contex M3 ARM微控制器开发专用于自导向弯孔电解加工的多轴数控系统，以对电极移动控制条和电极转动控制块进行运动定位控制，用直线和圆弧插补算法实现可编程的加工路径，实现任意弯曲孔加工的精准控制，并具有手动/自动功能，快进/工进功能，校正/补偿功能和示教/再现功能。本课题建立的自导向弯孔电解加工数控系统将实现弯孔电解加工的实时控制、人机交互、数据处理和系统管理，是自导向弯孔数控电解加工技术的核心组成部分。（一）研究的主要内容（1）分析新的弯曲孔加工原理及具体要求，设计控制系统的总体方案；（2）选择合适的核心处理器设计主控板，完成信号采集模块、模数转换器、人机交互模块、电

12、机驱动模块等搭建控制系统的硬件电路设计；（3）根据自导向弯孔数控电解加工功能要求以及对控制系统的内在要求，完成控制系统的算法设计及软件编写，实现各个功能模块；（4）调试与实验。编写典型弯孔加工程序，验证控制系统的稳定性及可靠性。（二）研究目标具体目标如下：（1）开发出基于Contex M3 ARM 微控制器的专用于自导向弯孔电解加工的多轴硬件系统；（2）定制一套合适操作系统的软件平台，进行算法研究和软件编写，开发出所需接口的驱动程序，实现各个功能模块。（3）设计满足控制系统操作需求的人机交互系统。（二）课题研究方案1、控制系统总体方案设计自导向弯孔数控电解加工设备控制系统时，首先分析系统需要的

13、功能及技术要求，选择合理的结构及功能模块。在总体方案确定后，再进行硬件及软件各部分的具体设计。控制系统主要包括：主控板；数据采集模块；加工模块；各开关量的控制；阴极伺服控制系统；故障自诊断和报警系统及过流、过热、欠电压等保护模块。自导向弯孔电解加工数控系统原理图如图6所示：图6 自导向弯孔电解加工数控系统原理图（1）控制系统硬件设计数控系统的硬件系统主要由以Contex M3 ARM 微控制器为控制核心的伺服驱动系统和基于触摸屏的人机交互系统组成，还包括控制系统硬件电路及各接口电路等。考虑到该课题所涉及的自导向弯孔电解加工设备，控制对象多，控制机理较为复杂，控制系统所处的环境较恶劣等因素，最终

14、确定系统硬件总体方案如下：采用基于以Contex M3 ARM 微控制器的控制方案。主轴进给系统由松下公司MINAS系列的交流伺服驱动器和交流伺服电机驱动。选用光洋公司ViewJetCmore系列工业触摸屏作为人机界面。完成信号采集模块设计；各参数由Contex M3 ARM微控制器进行集中采样控制。启动、准备、加液、加电等各开关量实现逻辑控制。选择可靠的电气元件，并合理布局布线，兼顾电磁兼容性，使控制系统具有很强的抗干扰能力、很好的稳定性和可靠性。（2）软件部分本控制系统采用IAR EWARM集成开发环境，使用C和汇编语言对系统进行嵌入式应用程序进行开发，实现编程、监测和控制等功能。算法功能

15、的分析与设计由系统设计可知，根据控制对象的控制要求，采用模块化编程，程序主要包括：手动加工模块、自动加工测试模块、自动加工模块、断电保护及记忆模块、阴极自动保护模块、温度测量及控制模块、故障自诊断和自动处理模块，具体见图7所示。图7 控制系统功能模块图算法结构的分析与设计本课题中软件的设计采用模块化的程序设计方法。控制系统软件模块流程如图8所示。图8 软件模块流程图（三）拟解决的关键问题在本课题中，拟解决的关键技术如下：（1）自导向弯孔电解加工控制试验平台搭建稳定可行的试验平台是该控制系统的硬件基础。处理器是实现系统功能的核心器件，它的性能好坏决定着整个控制系统的准确度；信号采集部分实现对弯孔

16、曲率检测；人机界面是嵌入式控制系统的一个重要组成部分，使用者只有通过人机界面才能知道系统的内部运行信息；抗干扰模块对可能存在的各种干扰因素进行屏蔽，以保证控制系统的稳定性及可靠性。搭建稳定可靠的试验平台，是本课题需要解决的关键技术。（2）自导向弯孔电解加工同步控制算法研究算法对于控制系统设计是一个相当重要的环节，因为只有在确定了算法之后才能对系统中伺服电机的进行准确的控制，达到精确定位的目的。研究弯曲孔电解加工过程电极移动与电解处理的同步方法及实际可行的控制算法，编写控制系统软件，以实现不同曲率弯孔的自动加工，是本课题需要解决的核心技术。（四）技术路线及解决方案（1）技术路线融合研究式控制技术

17、微机技术微电子技术PID算法搭建验证开发嵌入式控制技术微机技术微电子技术PID算法 新的弯曲孔加工原理及相应测控技术 自导向弯孔数控电解加工的硬件试验平台基于Contex M3 ARM微控制器的控制系统控制系统精确性、稳定性及可靠性 为开发能用于实际生产的自导向弯孔数控电解加工的控制系统提供理论依据和工艺参考数据。图9 技术路线图（2）解决方案（1）自导向弯孔电解加工控制试验平台搭建稳定可行的试验平台是该控制系统的硬件基础，本课题拟结合微机技术、以嵌入式ARM为核心控制器的微电子技术及伺服驱动技术搭建硬件试验平台；采用高精度的光纤曲率传感器，设计传感器电路及信号调理电路，实现信号的数据采集及分

18、析；同时考虑到可能存在的各种干扰因素，采用软硬件结合的抗干扰技术，提高系统的稳定性。（2）自导向弯孔电解加工同步控制技术研究弯孔加工运动为连续的控制过程，本课题研究弯曲孔电解加工过程电极移动与电解处理的同步方法，拟采用积分分离增量式PID控制算法及DSP插补算法，以实现不同曲率弯孔的自动加工。（五）具体实施计划（含年度进展情况）：2014.5-2014.8 调研，查阅国内外相关资料，分析自导向弯孔数控电解加工的工作原理及具体要求，设计控制系统的总体方案；2014.9-2015.3 确定数控系统选型，采用Contex M3 ARM微控制器作为核心处理器设计主控板，完成信号采集模块、模数转换器、人

19、机交互模块、电机驱动模块等搭建控制系统的硬件电路设计；2015.4-2015.11 根据自导向弯孔数控电解加工功能要求以及对控制系统的内在要求，完成控制系统的算法设计及软件编写，实现各个功能模块；2015.12-2016.2 调试与实验。编写典型弯孔加工程序，验证控制系统的稳定性及可靠性。2016.3-2016.4 项目总结，建立相关的技术文档，撰写报告1份、公开发表论文24篇。3与本项目有关的工作条件（包括研究工作基础、实验条件等）本课题组所在单位是宁波大红鹰学院机械与电气工程学院。学院拥有特种加工实验室、数控原理实验室、数字电路实验室、单片机原理及应用实验室、PLC实验室、传感器与检测技术

20、实验室、电气控制技术实验室、电机与拖动实验室、计算机控制/自控原理实验室、机械原理与设计实验室、力学性能和材料分析等30多个实验室，拥有机械加工中心、数控加工中心、产品检测中心等多个实习基地。为本课题的顺利进行提供了硬件条件及实验保障。项目负责人朱火美讲师，华南理工大学硕士研究生，学院驻台湾龙华科技大学数控技术教学特派员，主要研究领域为数控技术，长期参与数控技术相关课程教学与科研，主持浙江省教育厅教学改革项目“基于应用驱动的数控技术课程改革与探索”，主持校科研基金课题“基于CAXA的逆向模具装配技术的研究”，参与校级以上教改三项，发表 “Research on the Reverse Mold

21、 Assembly Technology based on Product Gene”、“数控瓦楞纸板印刷模切机伺服配置设计与评价研究”、“基于虚拟仪器的电主轴性能测试平台的研制”等相关专业论文近十篇！研究生期间跟随导师进行“工件搬运机器人系统研究”、“工业机械手研究与设计”、“数控机床电主轴及其检测系统研究”、“DVD盒自动折叠加工生产线开发”等项目的研究。 课题组成员岑理章讲师，从事机电一体化装备的自动控制和专用数控系统（CNC）的开发研究工作。近3年来，主持或参与完成“流水线全自动送锁螺丝机研制”、“智能超声波细胞粉碎机控制系统研制”、“手持式自动送锁螺丝机研究开发”、“工业推剪刀片铣床专用数控系统开发”、“汽车曲轴加工专用数控机床