基于Windows 7操作系统的六轴数控电火花小孔机数控系统

高坚强,时解放

(苏州新火花机床有限公司,江苏苏州215128)

电火花小孔高速加工机床及其加工工艺是20世纪80年代后期发展起来的一种新型高效的深小孔加工技术,它可在各种导电材料及一些高强度、高硬度的难加工材料上进行高速加工,常用加工孔径范围0.2～3 mm,加工速度可达20～60 mm/min,最大深径比超过300。目前该工艺已广泛应用于航天、航空、模具、汽车及液压等工业生产中。

本公司的六轴数控小孔机加工设备是在原有单轴小孔加工机床的基础上进行数控技术升级,即在原有X、Y轴的基础上装备A、B旋转轴、直线运动轴W、Z轴,构成六轴数控加工,并配合具有六轴示教功能的手控盒,实现在复杂几何体上的小孔及群孔自动编程加工。该设备在上述相关制造领域具有重要的作用,特别是在表面形状复杂的零部件的微小孔及群孔加工中,具有不可替代的作用。

1 系统软件结构

六轴数控小孔机编程控制系统集CAD/CAM/CNC一体化,并基于Windows 7操作系统,是一个开放式数控系统。它主要由软件和硬件两大部分组成。系统软件部分主要分为CAD、CAM 和CNC三个部分:CAD部分主要负责图形的绘制及轨迹的生成,目前能实现二轴图形的绘制,加上手动编程,可实现六轴数控;CAM部分主要负责G代码的生成、数控轨迹的仿真、移轴控制及反向间隙补偿和螺距补偿等功能;CNC部分主要负责插补控制、机床加工状态控制、电加工参数的设置等功能。系统硬件部分主要由高速DSP和CPLD来组成,完成实时控制CNC部分,负责硬件级的插补控制,机床的加工状态控制,对中、对边和定深等控制,以及电参数和伺服参数的控制。

(1)软件控制主界面

机床使用的操作系统为目前全球使用最稳定且安全性最高的Windows 7操作系统,兼容绝大多数的主板及各种外设,其稳定性高、运行速度快、图形图像处理效果好。图1是Windows 7操作系统的界面。

数控加工的主界面分为CAD界面(图 2)和CAM/CNC界面两部分(图3)。

(2)软件功能

CAD软件能实现一维图形的绘制,并可实现对图形的修改和编辑及图元信息的输入和输出,可自动选取图元信息,并将图元信息转化为轨迹信息输出给CAM软件进行处理。

CAM和CNC部分主要负责轨迹信息转化为加工信息,并实时监控加工状态,可实现群孔和单孔的加工控制及移轴和对中、对边等控制,可对加工的电参数进行任意设置,系统还具备自定义客户专有数据库功能。

(3)示教功能

示教功能是针对形状复杂的加工工件而设计的功能,其界面见图4。操作者可用具备六轴控制功能的手控盒对任意轴进行控制,并将定位数据记录下来,形成加工文件。转为自动加工状态时,机床可根据加工文件所形成的轨迹自动进行加工。

图4 示教功能界面

2 系统硬件结构

系统硬件结构采用目前主流的开放式数控系统结构,即上位PC应用软件负责界面和图形的控制及加工中的监控,下位机负责实时插补和运动控制。系统的运动控制板卡是专为六轴数控小孔加工而自行研制的,采用高速DSP和CPLD来实现直线插补和运动控制。上下位机的通信目前采用串口通信,但可升级为USB接口协议来进行通信传输。

(1)运动控制单元

运动控制单元由高速DSP来实现,主振频率达150 MHz,具备8级流水线操作能力,能保证实时控制的需要。外设配置大容量RAM存储单元来对加工代码进行存储,大容量FIFO存储芯片负责光栅尺和编码器数据与工业控制计算机间的快速传输,CPLD主要实现接口的控制、逻辑电平的粘合及编码器的编解码控制,外加自动定深模拟检测和控制电路,定深精度达1 mm。

(2)放电控制

配备公司已申请国家发明专利的数字化脉冲电源系统,主要由CPLD单元负责放电脉冲的产生,并在功率管驱动部分配置高速驱动电路,能实现脉冲宽度为1 s的放电脉冲加工控制,功率晶体管采用大容量VMOS管,以实现大电流加工的能力。

(3)伺服控制单元

采用直流伺服电机双PWM伺服控制技术,电机惯量小,响应速度快,可实现高动态特性的伺服加工。

3 系统优势

普通的单轴数控小孔机主要作为线切割机的配套机器来使用,如为线切割机打穿丝孔等,定深功能使用不方便,无多轴数控加工能力。而六轴数控小孔机能实现多轴的加工控制,加工复杂图形就具有很大的优势,配合示教功能的使用,可实现灵活的加工工艺安排。此外,数控加工中实现了自动定深的控制及对中、对边的自动控制,比单轴小孔机的人工控制精度有了大幅提高,并使群孔加工的劳动强度大幅降低。

4 结束语

基于Windows 7操作系统而开发的带有示教功能的六轴数控电火花小孔加工机床控制系统,是目前国内为数不多的多轴数控小孔加工系统,它的稳定性高,编程灵活性大,加工控制自动化程度高,这些优势都为我国的数控小孔加工提供了新的思路和方法。