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五轴联动电火花加工机床及其复杂电极预装系统的研制

李茂盛  
【摘要】: 目前,先进国家的多轴联动电火花加工机床已经进入工业应用和商业销售阶段,而国内对多轴联动(五轴或六轴)电火花加工机床的研制尚处于起步阶段。由于多轴联动电火花加工机床的应用背景多涉及航空、航天、军事等敏感领域,所以国外对我国实行严格禁运。因此,研制具有自主知识产权的多轴联动电火花加工机床,对我国航空、航天、国防以及制造业的发展具有重大的现实意义。 作为液体火箭发动机的关键零部件——喷嘴和涡轮盘,一直是制造业关注的焦点。但由于其材料及结构特征的特殊性,加工难度很大,多轴联动电火花加工技术是解决上述零部件加工的有效手段。本文针对五轴联动微细电火花加工机床和成形电火花加工机床设计中的共性技术,开展了五轴联动电火花加工机床的误差分析与设计研究工作;针对带冠整体涡轮盘的电火花加工中复杂电极检测与调整辅助时间过长,进而造成加工效率低下的问题,开展了复杂电极预装系统的研究工作。 针对喷嘴切向小孔、斜向小孔的电火花加工要求,本文以多体系统运动学为理论基础建立了五轴联动微细电火花加工机床的拓扑结构及低序体阵列,应用齐次坐标变换原理推导出了五轴联动微细电火花加工机床的空间位置误差模型;并结合机床实际应用情况,简化了误差模型。以此为基础分别给出了五轴联动成形电火花加工机床及其复杂电极预装系统的简化误差模型。简化误差模型对于机床结构设计中各零部件的误差分配和最终整机的误差补偿具有一定的指导意义。 针对喷嘴上切向小孔的微细电火花加工,本文在分析微细电火花加工对加工装备的技术要求基础上,结合推导出的简化误差模型,研制了一台五轴联动微细电火花加工机床。该机床由机械系统、电气系统及软件系统组成。主轴伺服控制系统是微细电火花加工机床的重要组成部分,对微细电火花加工的加工效率、加工质量及电极相对损耗等有很重要的影响。本文针对基于直线电机的主轴伺服控制系统进行了PID参数调整,调整完毕的系统具有分辨率高、精度高、速度快等优点,能够实现“短路、开路大位移运动,偏短路、偏开路小位移运动”的伺服进给控制策略;针对在航空、航天领域逐渐广泛应用的难加工材料,设计了高低压复杂脉冲电源,能够在满足精度要求的前提下,提高微细电火花加工的加工效率。 带冠整体涡轮盘是一种典型的难加工材料、复杂型面零件,是五轴联动电火花成形加工的典型代表。本文依据其加工要求,并结合推导出的简化误差模型,确定了五轴联动成形电火花加工机床的总体方案和主要部件的设计精度指标。为提高机床的几何运动精度,本文提出了区间分割补偿算法。该算法能够保证在整个补偿区间内得到均匀补偿,保证区间内每一点的精度误差都能够达到最小,并以五轴联动成形电火花加工机床的C轴的回转定位误差补偿为例验证了该算法的正确性。 复杂电极的位姿离线调整与检测是缩短带冠整体涡轮盘生产周期的有效途径和有益补充。本文依据复杂电极的位姿调整及检测要求,并结合推导出的简化误差模型,提出和研制了基于接触感知的导电式零件外形面的检测方法的面向带冠整体涡轮盘电火花加工的复杂电极预装系统,做到了电极检测与实际加工工艺的统一。为实现高重复定位精度的型面检测及避免在检测过程中损伤电极表面,设计了低电压外形检测电路;针对模型已知的复杂电极,通过UG二次开发功能提取检测曲面的采样点信息,依据采样点信息生成避障点信息及检测路径;将同一截面线的理论点和实测点信息在同一坐标系中采用3次均匀B样条曲线拟合;并以实测点为迭代初始点,利用Newton一维寻优方法在实测曲线上得到理论点的近似对应点(寻优点);通过对比理论点与寻优点之间的距离在理论点法线上的投影长度与电极型面的设计公差,最终判断复杂电极的合格性和位姿调整的正确性。 在本文研制的五轴联动微细电火花加工机床上,针对难加工材料TC4进行了大量的工艺实验,完成了切向小孔和多轴联动微细铣削的加工实验。针对某型复杂电极进行了位姿调整及检测实验,并采用检测合格的复杂电极完成了带冠整体涡轮盘的五轴联动电火花加工实验。


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