六轴四联动聚晶金刚石电火花镜面加工机床的关键技术研究

任芸丹，高坚强，时解放，陈洁

（1.苏州市职业大学机电工程学院，江苏苏州215104；2.苏州新火花机床有限公司，江苏苏州215128）

六轴四联动聚晶金刚石电火花镜面加工机床的关键技术研究

任芸丹1，高坚强2，时解放2，陈洁1

（1.苏州市职业大学机电工程学院，江苏苏州215104；2.苏州新火花机床有限公司，江苏苏州215128）

为聚晶金刚石的高精度加工研发了一种新装备，其关键技术的研究主要包括：六轴四联动电火花加工数控系统；专用脉冲电源系统；高精密和高响应性的放电伺服系统；专用数据库及专用机床。六轴四联动聚晶金刚石电火花镜面加工机床的研发能给企业带来更多的商机和效益，推动高效、高速、高精度刀刃具的发展。

六轴四联动；聚晶金刚石；电火花镜面加工

聚晶金刚石（PCD）是20世纪70年代开始在国际上研究使用的新型超硬材料，具有接近天然金刚石的硬度、耐磨性及与硬质合金相当的抗冲击性，其化学性能稳定，在精密切削等领域应用广泛[1-2]。也正是由于聚晶金刚石所具有的特殊性能,使其成形和表面光整加工非常困难，在一定程度上妨碍了它的推广应用。因此，研究其加工方法显得特别重要。

本项目致力于研究六轴四联动PCD超硬弱导电材料电火花镜面加工机床，依靠放电产生的热量使工件材料熔化、去除。因为硬度、强度、塑性等机械性能对电加工过程无明显影响，故适宜应用该方法对PCD材料进行深加工。该方法同样适用于解决目前的高性能超细合金、超硬弱导电工具材料、复杂大异制品、精密数控刀具等的加工问题，从而使PCD超硬弱导电材料加工向精深加工、工具配套方向发展，向循环经济、节能环保方向发展，向精密化、小型化方向发展。

1 总体方案设计

在进行项目总体设计时，主要遵循以下思路和方法：①走自主开发、外协合作、引进消化吸收再创新的路子。借鉴成功的设计思路，结合现有技术，根据市场需要，提出可行性方案及设计方案；②坚持通用化和模块化的原则。先分步实施各部分模块的研究，并通过实验逐步综合，各模块具有通用性和单独运行的特点，可方便地进行移植、更换和升级；③采用计算机专业虚拟仿真平台，对电路设计进行仿真验证，即对编程、电路原理、功能、技术指标进行验证和分析，并对电路板进行信号完整性分析和抗干扰能力分析，调试出合理的理论值，确保各项技术指标达到理论设计要求；④对样机进行功能、性能及工艺等方面的试验，并调整各项参数以达到设计要求。通过验证，逐步完善、改进和提高，并对特殊工艺提出特殊要求，确保机器的安全性、稳定性及可靠性。本项目技术路线见图1。

图1 技术路线框图

2 关键技术研究

2.1 六轴四联动电火花加工数控系统

如图2所示，在六轴数控系统研制过程中主要解决以下问题：

（1）复杂曲线插补技术的实现

电火花放电加工是一个放电和进给控制高速、精密配合完成的加工过程，轨迹的进给需根据放电状态进行控制。为了协调高速μs级别的放电脉冲和ms实时进给之间的矛盾，采用上下位机的方式来实现插补的控制，由上位软件实现轨迹的预处理、机床状态的监控及参数设置等。而高速抬刀控制及对放电状态的处理、并将放电状态转化为电机的动作则由下位以DSP和FPGA构成的控制核心来实现，两者之间的数据流和控制流的交互采用PC104总线传输方式实现。

图2 六轴四联动电火花加工数控系统框图

六轴数控装置的插补算法采用粗插补和精插补的插补方法。在CAD/CAM模块中将生成的轨迹段平滑为一段段微小的直线，送入下位运动控制卡上实现精插补，这样，在精插补阶段，将只有直线插补动作，插补算法只剩下加和减的算术处理，大大提高了CPU的处理速度；且为了协调插补算法和外设的速度差异，下位硬件实现了FIFO高速缓冲处理，将上位粗插补细化的微小直线段送入FIFO进行缓冲，而真正的实时六轴运动控制由下位运动控制板卡来实现。这种插补实现方式可利用上位机的图形处理能力及下位机的实时处理能力，实现各种复杂的联动运动控制。

（2）伺服进给与回退技术

实时加工时，需要电极进行实时回退和进给，且在进、退的过程中必须保持原轨迹不发生变化，保证加工面的形状精度，因此，数控系统需具备两个缓冲区，一个负责进给控制，另一个负责回退控制，且必须具备进给和回退缓冲区的切换控制逻辑，保证进给和回退的路径保持一致。六轴数控系统在下位机FPGA内部实现了高速的缓冲区控制，分别设定了进给线程和回退线程，且为这两个线程配置相应的缓冲区，由FPGA内部的控制主线程控制进给和回退的频繁切换，保证切换后按原轨迹进给或回退。

在轨迹实现高速进给和回退控制的基础上，对进给和回退中的加速度、速度及位置的控制采用了DSP及配套的高速AD来实现。为了实现高速的控制，采用了最简单且效率最高的权值查表法来实现速度和位置的控制，摒弃了复杂的算法控制。对由FPGA控制的高速AD采样的μs级别的数据进行缓冲处理后，送入DSP中进行处理，转化为十几μs级别的数据去控制电机的速度和加速度。其中，对放电脉冲恶化的情况还专门做了处理，可实现高速回退控制。

（3）抬刀和摇动的实时控制及加减速控制

抬刀和摇动主要用于改善放电间隙，保证加工的平稳性及最终的加工精度。抬刀主要是用于在加工过程中提高加工屑的排除能力、保持放电稳定性而采取的一种电火花加工运动行为，也是一种加工恶化的保护行为。六轴数控系统实现了高速抬刀的直线加减速控制和轨迹控制技术，可实现速度高达6 m/min的高速抬刀,特别适合于窄槽的加工。

摇动加工是靠主伺服轴以外的运动轴有规律、周期的插补，配合主加工轴的伺服运动和加工规准的变化进行粗精加工的方法。摇动、抬刀功能配合促进排屑，使加工能稳定地进行下去。六轴数控系统实现了圆形、正方行、正菱形、放射形等12种摇动方式，并具备球形摇动的方式。这些摇动方式可根据数控代码自动生成，也可用数控代码进行设定。由于主伺服加工轴自由摇动的不稳定性，系统设计了分阶梯的摇动方式，并具备主轴锁定摇动功能，实现了对各加工面较均匀的中精修整。

摇动和抬刀的控制都是由底层以DSP为核心的运动控制系统来进行控制，可实现极高的实时性，在进行摇动过程中实现了伺服进给和回退的控制，对改善极间状况有很大作用。

2.2 PCD超硬弱导电材料专用脉冲电源系统

如图3所示，主放电回路采用了复合电压回路设计，主要是为了处理不同工件材料下对放电能量及放电密度的不同要求而设计的，可实现高、中、低压的复合加工；同时，对回路的储能电路也进行了设计。在需要高速放出电流的回路中，设计的电路杂散参数做到了最小，回路的杂散电容及杂散电感的减少，对于微细放电能量进入加工区间具有重要作用[3]。此外，对功放及其驱动回路也重新选择了VMOS器件。这些器件的耐受电压更高，额定电流更大，开关速度更高，可实现高放电能量密度的加工，对于PCD、硬质合金材料的精细加工尤其有用。

图3 PCD专用脉冲电源系统框图

六轴四联动超硬弱导电材料电火花镜面加工机床在放电回路中进行了创新设计。目前主流的高精度镜面电火花加工机床一般只具备钢件的镜面加工回路，而六轴电火花镜面加工机床针对超硬弱导电材料等特种材料，创新设计了高能量、窄脉宽、复合脉冲放电回路，实现了硬质合金及PCD超硬弱导电材料的高效、高光洁度放电加工。该技术使放电系统的放电效率及大面积、高光洁度（镜面）技术超过市场普遍实现的镜面加工技术，整体技术达到国际先进水平。

此放电回路的设计是在大量工艺试验的基础上研发的，主要采用CPLD为核心的控制器来实现放电的控制，配以高速的A/D采样器，采样速率高达100 MIPS。对放电的极间电压和电流进行采样，并配合上位控制计算机送入加工参数，根据采样数据和放电参数对脉冲调整方式、幅度及伺服反馈的调整方式、幅度进行加权求和运算，以对放电脉冲进行调整，调整形式主要以调整脉冲宽度为主。在超硬弱导电材料加工回路中对加工电流和电压进行了控制，在放电脉冲中加入复合电压和调整电流，即在一个放电周期中，放电电压和电流会发生变化，以适应放电极间状况的改变，同时调整了伺服反馈的动作，实现加工过程中根据放电状态控制轨迹的进给和回退。

在稳定加工状态的基础上，开发了电火花加工防拉弧技术、防短路脉冲技术及清弧脉冲技术。借助于高速AD的采样，以CPLD为核心的放电控制模块可在电弧发生的前期就进行检测，阻止放电脉冲的进一步恶化。对多次阻止恶化脉冲仍然没有改善的放电状况，放电控制模块输出清弧脉冲以清除没有放电作用的放电柱的形成。

2.3 高精密和高响应性的放电伺服系统

如图4所示，在伺服控制回路上，通过与脉冲放电系统共用的A/D转换器采样来的电压和电流数据，在DSP中进行转换。高速DSP中预先存储了不同加工条件下的伺服进给系数表，根据上位发送的脉冲参数配置数据，在系数表中寻找合适的加权系数，再用此加权系数同采样的电压、电流数据及当前的脉冲参数进行求和及乘法运算，转化为合适的进给或回退值，再将该值根据设定的伺服驱动器加减速策略送入驱动器，进入驱动电机进行动作。

图4 放电伺服系统框图

在此正常的伺服控制回路之外，六轴四联动超硬弱导电材料电火花镜面加工机床还实现了直接伺服控制，这主要是为了保护的需要，如有短路脉冲发生时，可直接控制伺服驱动器；下位DSP软件还为此开发了同步控制器，以此实现和上位数控软件的同步控制功能。

伺服控制的机械系统采用了Z轴伺服进给与R轴、X轴等运动联动的创新运动控制模式，对轴承丝杠及运动导轨都进行了优化设计，使机床在加工直径50 mm以上的大截面材料时，加工表面粗糙度为Ra 0.2 μm，达到国际先进水平。

2.4 PCD超硬弱导电材料加工专用数据库

电火花加工技术是一种复合加工技术，不仅需要操作人员熟悉通用机床的操作技术，还需了解电加工机床的操作及控制技术，操作人员需熟练掌握加工规准选择、电极损耗补偿等技术，其中任何一个环节的缺失都会造成加工的错误，对于PCD、硬质合金的加工就更是如此。因为PCD、硬质合金材料的复杂性，所以加工规准及加工参数的选择较困难[4-5]。六轴四联动超硬弱导电材料电火花镜面加工机床系统开发配套的PCD超硬弱导电材料工艺数据库见图5，加工时只需输入少量的数据，如电极损耗、表面粗糙度、加工工件及电极材料、加工面积、加工深度等，加工时便可自动优化参数，实现最优的加工控制。同时，在专家数据库的基础上，新开发了客户数据库功能，客户可针对不同的加工件及电极添加自己的工艺数据，方便以后操作人员使用。

图5 专用数据库框图

2.5 六轴数控高精度电火花加工专用机床

机床主机是本项目的一个主要组成部分。设计研发的六轴数控高精度电火花加工专用机床由两大部分组成：一部分是3个标准轴，即X、Y和Z轴，其行程分别为300 mm×210 mm×270 mm。各轴均采用交流伺服电机控制，滚珠丝杠传动。其中，X轴、Y轴的最小脉冲当量为0.001 mm，Z轴的最小脉冲当量为0.0004 mm。定位精度为0.01 mm。各项技术指标均为国内先进水平；另一部分是3个数控转轴，即A、B、C（或R）轴。A轴、B轴为数控转轴，根据客户及加工对象要求，可外购或专门开发设计，各转轴的最小控制当量为0.001°，采用伺服电机或步进电机驱动。C（或R）轴为围绕Z轴转动的控制轴。在本项目中，为提高大截面（直径大于50 mm）PCD材料的表面粗糙度，并提高加工效率，采用R轴，数控转速范围为200～2000 r/min。

3 结论

（1）六轴四联动数控电火花加工技术是在数控机床上分别添加分度旋转轴A、B、C轴，配合3个直线运动轴X、Y、Z轴进行多轴联动的加工方法，其中，X、Y、Z、C轴实现联动的控制，A、B轴实现点位数控随动控制，实现12种摇动及平动方式，具备球形摇动模式，在模具制造领域有非常重要的运用，特别是加工表面形状复杂的关键性零件时，更具有不可替代的作用。

（2）模具零件要求加工精度高、表面质量好，且具有很好的耐磨性和耐蚀性，这在超硬弱导电材料加工中尤为重要。常规电火花加工工艺不易获得低的表面粗糙度值，特别是加工面积增大时，由于极间寄生电容的影响，很难获得高质量的加工表面；同时，加工表面会产生一层具有残余应力，含有较多微裂纹的变质层，对提高模具的使用寿命不利，需在后序工艺中安排抛光和研磨工艺。因此，需设计专门的加工机床及专用的加工工艺参数才能达到要求。六轴四联动超硬弱导电材料电火花镜面加工机床可实现PCD材料（直径≥50 mm）的镜面加工，表面粗糙度Ra≤0.2 μm，加工精度≤0.01 mm，此镜面加工技术有效地解决了深槽窄缝的不易抛光和加工精度差的问题。

（3）针对PCD超硬弱导电材料高硬度、高耐磨性的特点，六轴四联动超硬弱导电材料电火花镜面加工机床设计了专用的放电回路及专用工艺数据库，实现了PCD超硬弱导电材料高效率、高精度加工，粗加工速度达50 A时500 mm3，精加工速度80 mm3。

[1]何广敏，赵万生，郭永丰，等.混气电火花镜面加工的研究[J].制造技术与机床，2000（3）：43-45.

[2]张勤俭，曹凤国，刘媛，等.聚晶金刚石加工技术进展[J].金刚石与磨料磨具工程，2006（4）：76-80.

[3]曹凤国，桂小波.大面积PCD复合片电火花加工高效节能脉冲电源的研究[J].金刚石与磨料磨具工程，2004（2）：17-19.

[4]裴景玉，郭常宁，胡德金.聚晶金刚石的电火花磨削加工[J].上海交通大学学报，2006（10）：1679-1683.

[5]李嫚，张弘弢，董海，等.基于比磨削能的聚晶金刚石磨削机理研究[J].金刚石与磨料磨具工程，2006（3）：53-56.

The Key Technologies Research on Six Axes Four linkages Machine Tool of Polycrystalline Diamond Electric Spark Mirror Surface Process

Ren Yundan1，Gao Jianqiang2，Shi Jiefang2，Chen Jie1
（1.Suzhou Vocational University，Suzhou 215104，China；
2.Suzhou New Spark Machine Tool Co.,Ltd，Suzhou 215128，China）

One kind of new equipment for the polycrystalline diamond precision work has been researched and developed，its key technologies research mainly includes six axes four linkages electric spark numerical control system，special-purpose pulse electrical power system，high precise and high responsive electric discharge servo system，special-purpose database as well as special-purpose machine.The research on the machine tool brings a bigger opportunity and benefit to the enterprise，impels more highly effective，high speed，high accuracy for the development of knife cutting tool.

six axes four linkages；polycrystalline diamond；electric spark mirror surface process

TG661

A

1009－279X（2014）06－0015-04

2014-08-06

苏州市科技支撑（工业）计划项目（SG201439）

任芸丹，女，1979年生，副教授。