超声辅助电火花铣削电火花放电系统设计*

朱 涛 常伟杰 张建华

(山东大学机械工程学院，山东济南 250061)

电火花铣削是在数控系统控制下采用简单形状的电极，使其按一定轨迹作类似于数控铣削的分层成形运动，通过工具与工件之间的火花放电来蚀除金属材料，完成一定形状加工的工艺［1］。电火花铣削加工成本低，柔性好，加工质量高。工具或工件的超声振动能够改善放电间隙内的状况，强化工件的材料去除率，使加工过程更加稳定［2－4］。复合加工机床中使用的电火花脉冲电源多为独立式电源，电源参数多为手工调节，且不能由上位机进行集中控制。

利用复合加工机床加工新工件时，一般参考以前的加工实例，利用与成功实例相似特征的加工方案，再根据新工件的具体特征和相关经验知识，对其做出适当的修整，找到接近最优解的加工方案;或者是通过实验分析的方法得出优化的加工方案。如何存储大量实验数据并得出工艺规律、存储最优加工方案、为新工件提供参考方案等都需要建立数据库系统。

针对上述问题，本文采用了满足超声辅助电火花铣削半精、精加工要求的脉冲电源。该脉冲电源可由主控计算机(上位机)设置、下传加工参数并控制加工启停。同时设计开发了基于关系模型的超声电火花加工数据库，能够有效存储、处理和管理加工信息，并设计了简单宜人的操作界面。

1 数控高频脉冲电源

数控高频脉冲电源(图1)具有频域广、功率大等特点，可用于普通放电加工和超声辅助放电加工。数控高频脉冲电源的柜体上设有操作面板，可通过面板设置电压档位，同时可以利用面板上的电流表和电压表实时监视加工状态，电流表和电压表显示的是当前加工电压和加工电流。操作面板上还设有启动和急停按钮。数控高频脉冲电源主要包括电源电路、脉冲发生器、接触控制电路、功率放大电路和间隙电压采集电路5个部分，如图1b所示。

电源电路包括2个变压器、1个开关电源和3个风扇。2个变压器用于脉冲放电供电，开关电源用于电路板的低压供电以及开关电路继电器的供电，3个风扇用于脉冲电源的对外散热。脉冲发生器以51单片机为核心，用于产生所需频率的脉冲，并控制放电电流的通断。脉冲发生器电路带有RS232C接口，可与主控计算机进行串行通信，接收主控计算机发送的格式指令，并返回执行信息。接触控制电路用于调制脉冲发生器产生的脉冲宽度和脉冲间隔值，并放大脉冲信号。功率放大电路用于放大脉冲功率，以满足放电加工的功率要求。间隙电压采集电路用于采集间隙电压的实时值并进行状态判别。

2 RS232C串口通信

超声辅助放电软件系统采用Visual C++为开发语言，利用ADO数据库开发技术开发了基于关系模型的数据库系统，并集成了通信控制和工艺库两个模块。超声辅助放电软件系统结构如图2所示，上位机和脉冲电源之间通过RS232C接口进行数据传递通讯。数据库存储、处理和管理工艺系统产生的加工信息，为工艺系统提供基础的数据支持。可以把当前工艺系统的放电参数存储到数据库中，也可以从数据库中选择放电参数作为当前工艺系统的加工参数。工艺系统为电火花加工主程序提供优化的加工方案、优化的工艺参数。

用户操作界面直观简单，方便用户使用，如图3所示。界面上左上部分是串口设置部分，中间部分主要是脉冲电源主要参数设置、通信控制部分，右上部分是数据库操作部分，下半部分是数据列表。

上位机与脉冲电源之间的通信采用RS232C串口通信协议，通信模块的流程如图4。每次发送控制命令时，如果脉冲电源返回正确执行信息，则通信成功，反之重新发送，连续3次通信失败向用户报通信错误。上位机发出指令，由脉冲发生器中的51芯片判断指令执行正确与否，返回信息由上位机通过查询的方式取回。

采用CSerial类［5］开发了串口通信控制模块。上位机在一个通信周期内把控制参数下传给脉冲电源。

下传参数前先发送查询测试代码，若脉冲电源回应正确通信代码，则说明通讯正确，若无回应或回应通信错误代码，则说明通讯错误。脉冲电源回传的信息主要是通信正确、通信错误、电源掉电信息。这些信息主要用于判断脉冲电源工作过程中通讯是否正确、电源是否断电。

加工中修改脉冲电源的基本参数时，需要先下传关脉冲指令，再下传数据，再下传开脉冲指令。程序实现方法为:若使脉冲电源工作需要点击开始加工按钮，点击后开始加工按钮显示为“停止加工”，下传参数按钮变为非活动按钮。当加工中需要修改参数时，先点击“停止加工”按钮下传关脉冲指令，此时下传参数按钮变为活动按钮、“停止加工”按钮显示为“开始加工”，然后修改加工参数、下传相关数据，最后点击开始加工按钮进行加工。这样程序就可以满足修改参数时脉冲电源的硬件要求。

3 工艺数据库

超声电火花加工涉及众多加工参数，加工中单个参数对加工速度、粗糙度、电极损耗、加工精度等的影响均有一定的规律和经验可循，能够找到满足加工条件下单个参数的最优解。但是由于各参数之间存在一定耦合关系，单个最优参数的组合，并不一定能获得最优的加工效果。孤立地考虑各个参数，很难获得合适的加工规准。因此，已加工工件合适的加工规准是用户进行工艺规划的基础。如何对工艺数据库进行管理和存储，以便用户能根据加工条件要求迅速准确地查询到合适的加工规准是建立超声电火花加工工艺数据库的关键。利用关系模型数据库的相关理论，可以较好地解决这个问题。

表1 超声电火花加工工艺参数表

超声电火花加工工艺参数如表1所示，包括电源电压、峰值电流、脉冲宽度、脉冲间隔、超声振幅等。表1既可称为一个关系，也可称为一个实体集。以加工规准表示超声电火花加工条件实体集，每项工艺参数为此实体集的一个属性，每一组加工信息都是这一实体集的一个实体。考虑到关系模式的完备性，添加一个属性加工规准代码表示加工工艺序号，同时作为这个关系的关键字。其关系模式可表示为:加工规准(加工规准代号，高压电压，高压电流，低压电流，极性，脉冲间隔，脉冲宽度，超声振幅，表面粗糙度)。

由于脉冲电火花放电加工的工艺复杂性，数据库根据不同的电极和工件材料进行分类［6］，以利于数据管理和后期的工艺分析。每个类别构建一个独立的数据库。用户可根据工艺实际需要通过软件自行建立工艺数据库，程序会根据工艺数据库模板创建和初始化新建的数据库。

将数据库中常使用的对象和方法自行封装成CMySqlADO数据库ADO接口类。类的封装如下:

该类中Connect()函数是数据库连接函数，该函数先定义一个_ConnectionPtr类型指针cnn，然后调用CreateInstance方法实例化，再调用Connection对象的Open方法创建数据库的连接。用户只需要提供服务器名、数据库名、用户名和密匙，不需要配置数据源就可以方便地访问数据库。DisConnect()是断开数据库连接函数。GetErrors()是连接错误信息处理函数。调用GetRecordCount()能够得到数据库当前表的记录的条数。类中还封装了Move()、MoveLast()、MoveNext()、MoveFirst()、MovePrevious()等方法，用以移动记录集指针到指定的位置。OpenTable()是打开表函数。

在Visual C++中使用ADO开发数据库，需要引入ADO动态连接库。方法是在StdAfx.h文件末尾处引入ADO库文件，如下所示:

其中rename("EOF"，"_EOF")表明把ADO中用到的EOF改为_EOF，防止发生命名冲突。

添加、修改工艺数据的界面如图5所示，点击选用参数按钮可以把数据库中的工艺数据提供给工艺库，进而可以通过下传参数按钮把工艺参数下传给脉冲电源。添加当前按钮可以把用户正在使用的工艺数据添加到数据库中。

新建参数、删除参数、修改参数按钮可以分别实现在数据库中添加、删除、修改记录。实现这三种操作的方法是先生成添加记录、删除记录、修改记录的SQL记录的语句，再使用连接对象(Connection Object)的Execute方法来实现添加、删除及修改记录。

当前库下拉按钮可以选择不同电极和工件材料所对应的工艺数据库。新建库按钮可以为数据库中没有的电极和工件材料建立一个新的数据库。

4 结语

该电火花放电系统能达到与机床本体良好的电路以及软件的连接，能实现与机床主控计算机之间的通信，可以通过用户操作界面实现对放电加工参数的调节、电源启停控制。超声电火花工艺数据库能够有效存储、处理和管理工艺数据，该系统能够满足加工需要并能安全稳定工作。

［1］赵万生.先进电火花加工技术［M］.北京:国防工业出版社，2003.

［2］徐明刚，张建华，张勤河，等.超声振动改善气体介质电火花加工的机理研究［J］.中国机械工程，2007，18(11):1261 －1264.

［3］WALIA R S，SHAN H S，KUMAR P.Improving EDM process efficiency by ultrasonic vibrations［J］.Journal of Pure and Applied Ultrasonics.2004，26(2 －3):84 －89.

［4］Amir Abdullah，Mohammad R Shabgard.Effect of ultrasonic vibration of tool on electrical discharge machining of cemented tungsten carbide(WC－Co)［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology.2008，38(11/12):1137 – 1147.

［5］张宏林.精通Visual C++串口通信技术与工程实践［M］.北京:人民邮电出版社，2008.

［6］赵锦芝，赵万生，宋颖慧.基于关系模型的网络电火花加工工艺数据库的研究［J］.电加工与模具，2001(1):53－56.