研究橫式結(jié)構(gòu)數(shù)控電火花線切割機床，用于自由曲面型面的超精密制造。基于機器人運動學理論建立五自由度機床坐標系統(tǒng)并推導出數(shù)學模型。實施加工過程中運動軸位移量補償計算，開發(fā)了精密加工系統(tǒng)的計算機輔助制造功能。解決了從坐標點到各軸位移量的轉(zhuǎn)換計算問題。

引言

    在制造行業(yè)，自由曲面元件精密超精密加工技術(shù)具有特殊的地位和重要的意義，是決定產(chǎn)品性能的關(guān)鍵因素之一。電火花線切割加工作為一種精密超精密特種加工技術(shù)，其工藝手段具有如下不可替代的特點：①可以加工任何硬度的導電金屬材料；②加工過程中不會受到宏觀力的作用和影響；③加工精度和表面質(zhì)量很高。盡管目前廣泛使用的傳統(tǒng)四軸聯(lián)動電火花線切割機床可以進行常規(guī)錐度曲面加工，甚至有的也可以加工上下異形的錐度曲面，但對螺旋面、球面等異形曲面其卻無能為力[1]。為拓寬電火花線切割機床的加工范圍，筆者所屬實驗室自主研發(fā)了一種新型的可用于自由曲面精密超精密加工的五軸聯(lián)動電火花線切割機床。本文針對曲面加工CAM系統(tǒng)的建立及其關(guān)鍵問題的解決方案進行闡述。

1 新型橫式結(jié)構(gòu)數(shù)控電火花線切割機床

    圖1所示為傳統(tǒng)五軸四軸聯(lián)動電火花線切割機床驅(qū)動系統(tǒng)簡圖。

圖1 傳統(tǒng)WEDM機床驅(qū)動系統(tǒng)簡圖

    此類機床，除了工作臺有X、Y兩個數(shù)控軸以外，在上絲架上還有一個工作臺，安裝U、V兩個數(shù)控軸。U、V軸的運動使電極絲的上端可以傾斜，從而切割出有錐角的表面。在進行普通的切割時，此種結(jié)構(gòu)的機床可以實現(xiàn)很高的加工精度，但是在進行曲面加工時，其卻存在諸如加工難度大、精度低且可加工的曲面范圍十分有限的問題。為解決上述問題，筆者所屬實驗室開發(fā)了如下圖2所示的新型橫式五軸電火花線切割加工機床。

圖2 橫式WEDM機床系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

    此機床采用水平走絲系統(tǒng)，機械驅(qū)動系統(tǒng)也不同于傳統(tǒng)的四軸聯(lián)動機床。沒有采用U、V軸運動方案，而是設(shè)計了擺動軸B和旋轉(zhuǎn)軸C，被加工工件安裝在C軸，利用工件的轉(zhuǎn)動、擺動和移動的復合運動方式，結(jié)合所開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)，就可以進行錐面、球面等多種曲面加工，在很大程度了擴寬了WEDM機床的加工范圍。

2 機床CAM系統(tǒng)

    圖3為本研究建立的上述機床的CAM系統(tǒng)框圖。系統(tǒng)工作流程為：首先在Pro/E中創(chuàng)建待加工工件模型，利用其自帶工具Pro/toolkit進行二次開發(fā)，創(chuàng)建程序獲取工件的表面形狀數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)為三維（X，Y，Z）空間點坐標的形式。進行必要的表面干涉檢查等處理后，輸入到CAM系統(tǒng)。然后采用機器人運動學理淪，創(chuàng)建機床坐標系統(tǒng)并推導公式，求取兩點之問的五軸位移量，將zui終結(jié)果輸送到運動控制系統(tǒng)控制待加工工件與電機絲之間的相對位置，從而切割出所需的曲面。

    由上述的工作流程可見，與兩軸、三軸聯(lián)動機床CAM系統(tǒng)相比，五軸聯(lián)動機床CAM系統(tǒng)多了一個從空間點到五軸位移量的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，這一環(huán)節(jié)為建立五軸聯(lián)動機床CAM系統(tǒng)的關(guān)鍵所在[2,3]。

圖3 CAM系統(tǒng)框圖