五轴联动虚拟电火花成形加工机床设计与应用

　　虚拟加工机床是随着虚拟制造技术的发展而提出的一个新的研究领域，它的最终日标是为虚拟制造建立一个真实的加工环境，用于仿真和评估各加工过程对产品质量的影响。在虚拟加工机床中需要建立机床模型，机床模型包括机床的几何参数、运动关系、伺服系统、刚度和热影响等。电火花成形加工机床可用于加工复杂表面或型腔加工，在一般零件加工中，电火花加工机床的运动并不复杂，通常只需要一轴或三轴的运动就可以完成加工，表面主要利用成形电极拷贝形成，运动过程较简单。为了发挥电火花加工机床性能，适应于更多零件的加工，当前电火花加工机床已发展到4～5轴联动，这样就可以利用简单的电极通过合成运动加工出复杂型面或型腔，例如航空发动机涡轮盘、涡轮机匣、涡轮盘压气机转子、带冠整体涡轮盘等，可实现窄槽、窄缝、深腔、异型盲孔、内腔侧向盲孔等特殊形状加工的工艺要求。利用4—5轴联动电火花成形加工机床加工复杂零件时，首先要确定电极运动轨迹，然后根据电火花成形加工机床的数控系统类型进行数控编程。由于不同零件加工表面的不同，在加工前需要对加工运动的路径进行规划，获得正确的运动轨迹，同时对加工过程中可能发生的干涉进行检查。加工运动轨迹规划、运动干涉、加工编程、程序验证等加工前所要做的工作，如果不借助于现代的技术手段难以实现或花费时间较多。针对该难题，运用计算机手段建立起虚拟电火花加工机床模型，在虚拟电火花加工机床模型中完成上述工作，这样会使加工变得容易，可节省加工成本与时间。

1 复杂表面电火花成形加工工艺

　　采用多轴电火花加工机床加工复杂零件的表面或型腔成为目前及今后的主要加工方法之一。电火花成形加工复杂零件的加工过程如图1所示。一般来说，带冠整体涡轮盘零件的表面复杂，在电火花加工之前还要采用其它加工方法进行粗加工或预加工提高加工效率。电火花成形加工主要用来获得加工精度和表面质量。根据加工表面复杂程度，其加工电极常常需要多块，加工也分为多道工序，整体表面需要通过加工表面拼接而成。其表面加工运动也较复杂，常常需要4轴联动以上机床来完成加工。

图1复杂表面电火花成形加工流程

　　复杂零件电火花加工的电极设计，加工运动轨迹规划需要虚拟机床的支持，以为零件的电火花加工提供运动干涉、加工过切、程序验证等功能。另外，还可获得加工的表面质量，为复杂零件的加工提供工具。

2 虚拟机床装配模型

　　2.1 五轴联动电火花成形加工机床配置

　　五轴联动电火花加工机床的配置形式较多，有摇篮式、立式、卧式等。通常电火花成形加工机床的配置形式为3个直线轴和2个旋转轴。例如北京迪蒙机电新技术公司推出的N850五轴联动精密数控电火花成形机床，适用于航空、航天等精密复杂零部件的成形加工，配备x、y、z及高精度C轴、B轴。苏州电加工机床研究所研发的固定工作台式五轴联动精密数控电火花成形加工机床采用的配置形式为x、y、z直线轴及A、C旋转轴。本文中建立的五轴联动电火花成形加工机床采用x、y、z直线轴及A、C旋转轴配置形式。

　　2.2 虚拟机床装配模型建立

　　机床装配模型是电火花成形加工机床运动、去除材料等功能实现的载体。为了实现机床的功能，首先要建立机床的装配模型。本课题研究的五轴联动电火花成形加工机床，其装配模型利用UG NX装配环境创建，建立的电火花成形加工机床的结构如图2所示，它包括床身、立柱、滑板(X轴)、滑枕(y轴)、固定工作台、主轴头及主轴(z轴)、电极安装板、C轴旋转、A轴旋转工作台、工作液槽等。在机床装配模型中，不需要按实际机床的结构建立装配模型，主要建立机床的运动部件，例如工作台、滑台等，而其它部件的功能可以作简化处理，以减少计算机运算开销，提高运行速度。

图2虚拟五轴数控电火花成形加工机床装配模型 

　　2.3 装配模型关系约束

　　为了实现运动，在机床的装模型中需要根据实物机床的部件装配关系建立机床的拓扑结构，在虚拟环境中，机床的拓扑结构、运动关系利用约束来实现。机床模型中运动关系的建立以各坐标轴为中心，首先设置机床的各坐标轴，然后在各坐标轴与之相关联的部件之间建立约束关系。例如，在图3所示的机床装配模型中，y轴滑枕装配在X轴滑台上，跟随X轴滑台一起移动。z轴安装在y滑枕上，跟随y滑枕一起运动，c轴跟随z轴一起运动。因此，在x轴滑台、y轴滑枕、Z轴、C轴之间建立约束关系，如孔中心对齐、面贴合、平行、垂直等，当约束关系建立之后，在装配模型中只要控制x、y、z、c轴运动即可，其余与之有关联的部件通过约束关系跟随被控对象作相应的运动。