基于RT-Linux的聚晶金刚石刀具五轴电火花刃磨数控系统开发

　　2.2 电加工运动控制模块

　　和通用的电火花加工一样，PCD刀具的电火花刃磨放电过程实质上是一个间隙维持过程。间隙过大或者过小都不利于放电加工，因此只有精心调节伺服进给，保持间隙大小适当，才能维持较佳放电状态。在PCD刀具刃磨系统的设计中，改进了以往其它系统中将两极之间的放电状态传递给系统，从而控制系统加减速的控制策略，采用的控制方式是将放电电压直接传递给数控系统，根据加工时电极和刀具两端电压预测出腐蚀量，进而得出下一时刻的进给速度。

　　由图5可见，系统根据放电采集卡采集的放电信息计算出加工过程融化的体积，再由此推算出下一插补周期进给速度。此模块的功能即保证放电间隙在一个合理的范围内。

图 5 PCD 刀具五轴电火花刃磨数控系统伺服控制流程

　　为了保证系统的安全有效运行，需要回退伺服控制来防止由于切屑在放电间隙中的累积或者放电间隙过小而产生的电源正负极之间的短路。控制流程为:当放电间隙检测模块检测出的电压很小时(小于短路预设值)，系统将记录当前所处位置，停止向前插补，并将系统的前一个插补点作为插补终点、当前点作为插补起点反向快速插补5个插周期，控制电极自动按原轨迹回退;回退周期过后，系统会自动检测间隙电压，如果仍处于短路状态或小于阈值电压则继续回退，否则转为正常加工状态。回退伺服控制可以有效解除短路的状态、改善排屑环境。

　　2.3 图形用户界面管理模块

　　图形用户界面的作用是完成人机交互。由系统操作流程，图形用户界面模块需为用户提供以下4大操作界面模块:测量NC程序模板文件选择及参数编辑界面模块，简称“测量界面模块”;EDG加工NC程序模板文件选择及参数编辑界面模块，简称“加工界面模块”;系统设置及操作界面模块，简称“操作界面模块”;模板操作说明界面模块，简称“帮助界面模块”。图6是PCD刀具电火花刃磨数控系统其中一种刀具———螺旋形木工刀具自动生成加工程序界面的截图，界面左侧是刀具和加工信息，右侧为刀具参数信息，下方为功能键。用户在界面左侧栏上方输入加工的刀具类型、电极直径，选择相应的加工程序和电极修磨程序，再在界面右侧输入加工刀具的具体参数，即可开始刀具刃磨。刃磨的进度和机床的位置在界面左侧栏下方显示。

图 6 截取的图形用户界面

　　2.4 其它模块

　　除上述模块外，系统还设计了电源参数管理和电极损耗补偿等模块以保证系统的正确运行。电源参数管理模块是一个静态的数据库，磨削PCD刀具时用户可以选择参数库中的参数或者可以将自定义电加工参数添加到参数库中。电极损耗补偿采用电极在线修磨和自动损耗补偿两种方式相结合，用户可以在自动生成加工程序时指定电极的修磨间

　　隔加工齿数和修磨量;在电极修磨的间隔中，采用根据加工参数和预先设置好的补偿量自动沿电极径向进行补偿。

3 加工实验

　　按照本文中所提到的系统结构及关键技术所开发的PCD电火花刃磨系统如图7所示，系统使用盘状电极作为刃磨工具，红宝石探针用于刀具形状检测，加工电源使用专用电火花加工脉冲电源。系统包含5个轴，其中有X/Y/Z3个平动轴和A/E两个转动轴，可以实现复杂形状PCD刀具的刃磨。

　　为了验证此数控系统的性能，按照本文给出的复杂PCD刀具加工流程(在线测量刀具形状、自动生成加工程序、电火花刃磨加工)，对两种典型的PCD刀具———螺旋刀和预铣刀进行实际加工实验。PCD螺旋刀和预铣刀是最为常用的两种木工刀具类型，在实际生产中有重要作用。PCD螺旋刀和预铣刀虽然有多种型号，但基本构型相同，差别体现在刀具的外径和各个齿的排布上。实际刃磨加工后的刀具见图8。

　　整个加工过程分为粗加工和精加工两个阶段，粗加工采用峰值电压为180V、占空比为35%的脉冲电源，用来去除余量，加工过程中保持间隙电压在80—120V;精加工采用峰值电压为120V、占空比为30%的脉冲电源，用来保证切削刃形状和表面质量，加工过程保持间隙电压为70—90V。整个加工过程系统运行状态稳定，没有出现拉弧、短路和振动等不正常现象。表1为PCD螺旋刀的加工实验结果，可以看出，系统所加工的PCD刀具刃口质量良好，外圆跳动满足要求，且具有较高的加工效率。

4 结论

　　(1)设计和实现了一种适用于聚晶金刚石刀具五轴电火花刃磨加工的专用数控系统。系统软件以RT-Linux为开发平台，将实时任务与非实时任务分离，保证了系统的实时性与稳定性，采用自行设计的专用总线式硬件结构，保证了系统的特殊需求;

　　(2)为解决刀具刃磨轨迹不能预先给出的问题，设计实现了能够自动检测刀具边沿的刀具形状在线测量模块以及基于非均匀有理B样条理论的加工程序自动生成模块，并设计了电火花伺服控制模块以及应急短路回退模块，可以根据磨削量给出下一插补周期速度，使系统保持良好的放电状态，并在系统出现短路时调整加工以保证加工安全;

　　(3)加工实验结果表明，本文开发的五轴电火花刃磨PCD刀具数控系统功能完善，运行稳定，刃磨的刀具加工精度和刃口质量均满足实际生产需求，且具有很高的加工效率。