电火花成形加工数控系统研制与实验研究

卢建鸣，徐 成，窦春雨，王 津，吕宇航，周志凯，韩福柱

（1.苏州三光科技股份有限公司，江苏苏州215129；2.清华大学机械工程系，北京100084；3.清华大学北京市精密/超精制造装备和控制重点实验室，北京100084；4.工程兵学院，江苏徐州221004）

电火花成形加工数控系统研制与实验研究

卢建鸣1，徐 成2,3,4，窦春雨4，王 津2,3，吕宇航2，周志凯1，韩福柱2,3

（1.苏州三光科技股份有限公司，江苏苏州215129；2.清华大学机械工程系，北京100084；3.清华大学北京市精密/超精制造装备和控制重点实验室，北京100084；4.工程兵学院，江苏徐州221004）

针对目前国内电火花成形加工数控系统精度不高、稳定性较差的现状，在广泛调研的基础上，采用PC机与NC板相结合的方式，自主开发出了以PC机与Windows操作系统为顶层控制系统，PCI桥接芯片、DSP与FPGA为底层控制系统的高速高精度电火花数控系统。实现了具备平面摇动与三维摇动、中心抬刀与非中心抬刀的多轴联动摇动加工功能，有效提高了电火花数控系统的加工稳定性和加工精度。将数控系统应用于电火花成形机床，进行了不同摇动及抬刀方式的加工实验，验证了数控系统的加工性能，并探索了不同摇动参数、不同抬刀方式对加工效率、精度和稳定性的影响规律。

电火花成形加工；数控系统；电火花加工工艺

近年来，电火花加工技术得到了快速的发展，在模具、汽车、航空航天领域得到了广泛的应用[1]。然而，目前国内的电火花数控系统存在加工精度不高、稳定性较差等问题，难以满足当前市场的需要；随着国内制造业的发展和升级，亟待开发出具备高级功能的数控系统。

目前国内电火花数控系统大都停留在仿制和引进阶段，对于很多复杂功能尚无自主核心技术[2]，如多轴联动抬刀、多轴联动摇动加工等功能的开发研究尚处于起步阶段，而这些功能恰恰是目前提高电火花加工精度、速度和稳定性的有效方式[3-6]。鉴于上述国内现有电火花成形加工数控系统存在的

不足，本研究以PC机与Windows操作系统为平台，采用PC机与数控NC板相结合的方式，开发出了具备多轴联动摇动加工功能的先进成形电火花数控系统，有效改善了上述问题，填补了国内相关领域的研究缺失。

本研究开发的数控系统分为两部分：一部分为以PC机与Windows操作系统为顶层控制系统；另一部分为由PCI桥接芯片、DSP与FPGA组成的底层控制系统。顶层控制系统开发了加工自动编程、手动控制、自动加工、故障检测和图形坐标显示等功能；底层控制系统完成了轨迹插补、多轴联动摇动、高速抬刀、速度位置控制等功能。本文通过不同摇动、抬刀方式的相关实验研究，验证了本数控系统的加工能力，且将不同摇动和抬刀方式对加工稳定性和精度的影响规律进行了探索和总结。

1 数控系统的整体结构

1.1 数控系统的整体构成

本研究开发的数控系统采用软硬件结合的设计方式（图1）。

图1 电火花数控系统的层次图

软件系统对机床所需的各个功能进行具体设计，包含界面操作层、信息处理层及加工控制层。界面操作层的主要功能为输入数控程序、设定加工参数、显示图形坐标、执行人机交互命令等，是数控系统与外部交流的接口。信息处理层接受到上层传递的数据后，对其进行译码、预处理，如记录命令信息、进行刀具补偿、处理抬刀和摇动的各项参数等。加工控制层将预处理过的数控代码进行插补，同时对抬刀和摇动命令进行进一步加工处理，与插补过的数据进行叠加输出，还控制脉冲电源的脉宽、脉间等各项参数。

硬件系统作为数控功能的承载和执行机构，所有的功能操作最终都由硬件系统来实现。硬件层作为实际的命令执行系统，包含多轴运动轨迹执行机构、脉冲电源系统及油泵等外围辅助设施。

1.2 数控系统的结构模型

目前，以PC机为核心的控制系统已被工业控制领域广泛接受。采用PC机在Windows操作系统下通用的数控系统，已成为数控发展的潮流[7]。本数控系统采用的是PC机与NC控制卡相结合的硬件方式（图2）。

图2 数控系统结构模型图

PC机主要用来执行人机界面交互、信息和命令处理等非实时性工作。在PC机的PCI扩展板上插有NC控制卡、IO控制卡及电源控制卡，这3块板卡构成了底层数控系统。NC控制卡主要用来控制运动轨迹，包括加工轨迹插补运算、摇动控制、抬刀控制、速度控制等工作；其硬件核心为DSP，它采用C6000系列芯片，该系列DSP浮点计算能力强，可很好地胜任插补计算等工作；NC控制卡上的算法通过嵌入式编程实现。IO控制卡主要用来控制IO信号，由FPGA实现，通过对FPGA的读写，完成对各类继电器开关及手盘的操作。电源控制卡主要负责控制脉冲电源，同样由FPGA实现，通过对不同的加工状态进行检测，从而发出不同的脉冲控制信号，控制加工电源。

2 数控系统的具体实现

2.1 顶层数控系统设计

顶层控制系统是机床操作者能直接看到和使用的程序，包括加工自动编程及快速设置系统、手动控制系统、自动加工系统、故障检测系统、图形坐标等状态显示功能和文件输入管理几大部分。

本研究开发了自动编程及快速设置系统 （图3），通过简单的选择和输入，能配置相关参数及生成数控代码，方便了操作者，提高了生产效率。该自动编程系统可将界面设置的加工信息转化为两部分内容：一部分为数控程序代码，包括G代码和M代码；另一部分为加工参数，如抬刀高度、摇动半径等。转换完的数控程序代码和加工参数传递给自动加工模块的加工信息预处理程序，进而被转换为底

层控制系统可识别的标准信息，最终进行插补及运动控制。

图3 自动编程及快速设置系统界面

本数控系统的顶层控制系统与底层控制系统通过PCI总线连接，载有DSP的NC板卡插在PC机的PCI扩展槽上，板卡上的PCI2040桥接芯片和PCI驱动程序将底层控制系统的DSP片上内存和外部存储映射为PC机上的一段共享内存，这样，顶层控制系统就能通过访问DSP的HPI接口方便地查看底层控制系统的全部程序内存。

2.2 底层数控系统设计

底层控制系统主要由PCI桥接芯片、DSP与FPGA共同构成。其中，PCI桥接芯片主要用来连接上下位机通讯，DSP主要负责数据插补计算、运动控制、IO转发，FPGA芯片则是对最终DSP传送的速度、位移、IO信号等信息进行输出处理。加工数据由顶层控制系统发出，经PCI驱动程序和PCI桥接芯片中转至DSP芯片中，由DSP对其处理完成后，传入FPGA芯片作输出处理，处理完的数据最终被传输到机床执行系统中。

电火花成形加工数控系统的底层控制系统软件组成结构见图4。通过PCI总线接收顶层控制系统传送的加工数据、抬刀和摇动相关参数，并根据设定对加工轨迹、抬刀和摇动轨迹进行插补运算，最后进行运动轨迹合成，并将其转化为最终的运动输出信号。

图4 底层控制系统软件组成结构

此外，底层控制系统还进行各轴的伺服速度和位移控制。一方面，对正常加工的各轴进行速度伺服控制；另一方面，在抬刀运动和快速移动时，底层控制系统智能地加入加减速控制，避免形成冲击。

2.2.1 摇动轨迹处理

摇动控制可有效增强加工过程中的排屑能力，使加工稳定，同时，能修光底面和侧面，降低表面粗糙度值，加工出棱角较清晰的侧壁和底边。本系统实现的摇动方式见图5。

图5 摇动方式示意图

在摇动加工过程中，伺服控制轨迹数据是由两部分轨迹合成而来的：一部分来自被加工零件的加工轨迹；另一部分则是电火花主轴以加工轨迹当前点为中心，按一定的摇动方式进行的摇动轨迹。两部分数据在运动轨迹合成器中合成为一个伺服控制数据，这些数据将被存放在伺服控制数据存储管道中，供电火花主轴前进或后退时调用。如果在摇动中有抬刀控制，则仍和常规加工一样，在达到抬刀时间时，主轴执行抬刀动作，抬刀完毕后，主轴从刚才的加工点继续进行加工。

本数控系统在抬刀操作开始后，首先判断是单轴抬刀还是多轴抬刀；如为多轴联动抬刀，则涉及到摇动和抬刀协同运动的情况，这时，抬刀又分为两种情况：一种是不进行回中心操作，直接进行抬刀控制；另一种是主轴先进行回中心操作，然后再进行抬刀控制。两者不同之处在于：中心抬刀方式由于主轴回中心后，与侧面距离较远，故大大减小了抬刀过程中的侧面放电几率，提高了加工精度。

2.2.2 抬刀轨迹处理

抬刀运动是指主轴在正常伺服加工状态过程中，当达到某一指定条件时，向加工进给的相反方向快速运动，而后又快速回到刚才加工位置的运动行为。其目的在于及时将放电间隙的电蚀产物排出。较大的抬刀速度一方面可使非加工时间缩短，从而提高有效加工的时间；另一方面，可使加工液更快进入型腔内部，冲走加工屑。因此，本数控系统研发了抬刀加减速控制环节，有助于提高加工稳定性和加工效率。抬刀速度控制曲线见图6。抬刀开始时，为避免出现抽真空现象，主轴应以较小的速度离开加工面，随后再高速抬起；而在抬刀结束时，为避免与工件碰撞，在电极距离工件还有一定距离时改为伺服控制，从而更好地和正常加工相衔接。

图6 抬刀加减速控制示意图

3 加工实验研究

3.1 中心抬刀与非中心抬刀的加工对比实验

在进行实际抬刀加工中，可运用两种抬刀模式：一种是中心抬刀模式；另一种是非中心抬刀模式。一般来说，采用中心抬刀模式的加工精度相对较高；而采用非中心抬刀模式省略了回中心操作，故加工总耗时相对较短。本文针对两种抬刀模式进行了一系列的实验研究，以期得出不同抬刀方式对加工效率和加工精度的影响。

中心抬刀和非中心抬刀的加工对比实验采用相同的工艺参数条件（表1），实际加工完成后的工件剖面见图7。

表1 实验加工参数

图7 不同抬刀方式的加工工件实物图

图8是加工蚀除率随加工深度的变化曲线。可看出，随着加工深度的增加，非中心抬刀加工蚀除率开始减小，而中心抬刀的加工蚀除率曲线基本保持恒定，说明中心抬刀加工方式在维持加工稳定性方面的性能较好。

图8 加工蚀除率随加工深度的变化曲线

图9是加工孔径随加工深度的变化曲线。实验结果表现出两方面的差异：一方面，非中心抬刀加工的整体孔径尺寸比中心抬刀大；另一方面，非中心抬刀加工孔的锥度比中心抬刀大。说明采用非中心抬刀加工的侧面放电现象更频繁，导致加工出的孔径偏大且锥度变大；而采用中心抬刀加工模式时，由于主轴进行中心抬刀，抬刀过程中工具电极侧面和孔侧壁的距离较远，使侧面放电现象较少，故加工孔径的精度较高。

图9 孔径随加工深度的变化曲线

3.2 摇动与非摇动加工的对比实验

本实验主要研究在常规抬刀加工中，加入不同参数的摇动控制对加工结果的影响，对比了不同参数的摇动加工对稳定性和加工精度的影响。

加工时，摇动轨迹选取圆轨迹，摇动半径分别设定为20、60、100 μm，抬刀方式为中心抬刀，其他加工工艺参数同表1。图10是加工完成后的工件剖面对比图。

图10 不同摇动参数的加工工件实物图

图11是不同摇动参数时加工蚀除率随加工深度变化关系图。可以看出，无摇动加工时，随着加工深度的增加，蚀除率从加工开始时的0.098 g/min减小至加工结束时的0.052 g/min；摇动半径20 μm时的加工结果和无摇动加工类似，蚀除率曲线也基本

和无摇动加工蚀除率曲线相仿。当摇动半径为60 μm时，加工蚀除率曲线相对于无摇动加工时的下降幅度较小，这是由于摇动半径较大，起始时刻的加工速度比无摇动加工慢，蚀除率低（0.084 g/min）；随着加工深度的增加，速度下降趋势较小，至加工完成时的蚀除率为0.06 g/min，表明在加工深度为20 mm处时，摇动半径60 μm的加工蚀除率已超过无摇动加工和摇动半径20 μm的摇动加工。当摇动半径为100 μm时，加工蚀除率曲线基本恒定，加工开始时为0.045 g/min，结束时为0.046 g/min，这表明此时的加工深度变化对加工蚀除率的影响已非常小，加工稳定性明显提高。

图11 加工蚀除率随加工深度的变化曲线

4 结论

本文采用PC机与NC卡相结合的数控结构，以PC与Windows操作系统为顶层控制系统，PCI桥接芯片、DSP与FPGA为底层控制系统，共同构成了五轴联动电火花加工数控系统。顶层程序开发了包括加工自动编程及快速设置系统、手动控制系

式中：n、Q、H、N分别为离心泵额定的转速、流量、扬程、功率；n1、Q1、H1、N1分别为离心泵变频调速后的统、自动加工系统、故障检测系统和图形坐标显示等人机交互、信息预处理等功能；底层控制系统完成了轨迹插补、高速复杂抬刀、多轴联动摇动、速度位置控制等功能。通过抬刀加工、摇动加工等相关实验研究，验证了本数控系统的加工能力，且对摇动加工和抬刀加工如何影响加工稳定性和加工精度的规律进行了探索和总结。实验结果表明，本数控系统功能完善，性能优异，具备良好的人机交互性能和加工稳定性。

[1] Peças P，Henriques E.Intrinsic innovations of die sinking electrical discharge machining technology:estimation of its impact[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2009，44（9）：880-889.

[2] 梁速，赵万生，康小明.基于Linux的五轴联动电火花加工数控系统 [J].上海交通大学学报，2012（7）：1097-1102.

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[7] 孟庆国，赵万生.混粉电火花镜面加工试验研究[J].机械工程学报，2002（3）：64-68.转速、流量、扬程、功率。

因此，调整工作液泵的流量和压力，宜采用泵的电机变频调速方法。

（3）采用图4所示的电火花成形机床工作液循环系统控制方案，既能满足电火花成形加工工艺要求，又节约了能源，同时也降低了离心泵的工作噪声，延长了泵的使用寿命；更重要的是采用该离心泵变频控制方案，有利于工作液系统实现自动控制，提高电火花机床的自动化水平。

参考文献：

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[4] 钱宏奇，陈海虹，周洁.离心水泵变频调速节能机理分析[J].贵州大学学报（自然科学版），2010，27（5）：44-46.

Development and Experimental Research on Sinking Electro-discharge Machining Numerical Control System

Lu Jianming1，Xu Cheng2,3,4，Dou Chunyu4，Wang Jin2,3，Lü Yuhang2，Zhou Zhikai1，Han Fuzhu2,3
（1.Suzhou Sanguang Science&Technology Co.,Ltd，Suzhou 215129，China；2.Tsinghua University，Beijing 100084，China；3.Beijing Key Lab of Precision/Ultra-precision Manufacturing Equipments and Control，Tsinghua University，Beijing 100084，China；4.The Institute of Engineering Corps，Xuzhou 221004，China）

To improve the lower precision and the stability of the domestic EDM CNC system，the research developed the high-speed and high-precision EDM CNC system which on the basis of the modern PC platform and NC controller.In this system，a PC and Windows operating system was employed as the principal computer,and the PCI，DSP，FPGA was employed as the subordinate computer.It was able to achieve multi-axis orbital machining and high-speed complex jump machining.By being applied to EDM machine and carrying out the experiments of jump and multi-axis orbital machining，the system validated its performance of high stability and reliability.

sinking electro-discharge machining；CNC system；EDM technique

TG661

A

1009－279X（2014）03－0017-05

2014-04-15

卢建鸣，男，1960年生，高级工程师。