基于空间映射的多轴联动电火花加工进给速后处理器的数据处理方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于空间映射的多轴联动电火花加工进给速后处理器的数据处理方法，对于有旋转轴参与的多轴联动电火花加工来说，控制的对象是电极和工件之间的相对距离。本发明从电极和工件的模型出发，通过空间映射分别求出每行G代码在机床坐标系下的位移和工件坐标系下的位移，求出其比例；将原先规划的每行G代码进给速度乘以该比例，更新加工程序。本发明能够大幅减少空间变换造成的速度波动，避免旋转轴参与的运动放电状态不稳定，减少开路与短路状态的发生，提升电火花加工的效率。
【专利说明】
基于空间映射的多轴联动电火花加工进给速后处理器的数据 处理方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电火花过程控制，属于特种加工技术领域，具体是一种基于空间映射 的多轴联动电火花加工进给速后处理器的数据处理方法。
【背景技术】
[0002] 现代数控机械加工包含CAD(计算机辅助设计），CAM(计算机辅助制造），后处理，数 控加工几个典型的环节，如图1所示。由CAD对加工工件进行设计，CAM模拟加工过程生成加 工轨迹信息，而后处理过程是针对设备或工艺过程对加工代码进行优化生成加工G代码文 件，数控加工系统遵照G代码进行加工，获得更好的加工效果。
[0003] 电火花加工是利用工件和电极之间的一系列火花放电，对工件材料进行去除的一 种过程。电火花加工普遍被用于模具、航空航天、医疗器械等领域。电火花加工与传统铣削 加工相比，有很多不同的地方。比如电火花加工是非接触式加工，多轴联动电火花加工可以 加工出非常复杂的型腔，将加工工具电极的表面形状复制到工件上。例如闭式整体叶盘采 用如图2所示的六轴联动电火花加工机床进行加工，利用三根直线轴X、Y、Z和三根旋转轴A、 B、C的合成运动，可以将加工工具电极进给到闭式整体叶盘内部，将电极的表面形状复制到 闭式整体叶盘上，完成叶盘的加工，如图3所示。在多轴联动的情况下，电极上放电点相对于 工件上对应点之间的相对运动量是合成运动的结果，在电火花机床数控系统中，采用扩展 线位移的方式对直线轴线速度和旋转轴角速度进行合成，即将N个轴的各自速度值进行正 交合成。由于线速度和角速度量纲的不同，直接的不考虑旋转轴旋转半径的合成势必会造 成速度的不匹配，从而影响到加工效果。电火花加工中，与铣削加工中根据的定的速度进给 不同，是根据测量的极间状态决定加工方向：向前还是向后，并且根据当前测量的极间电压 和设定伺服电压的差值决定向前或向后的速度，根据电极和工件之间放电状态的不同，可 以分为开路、正常放电、短路和电弧等四种状态。伺服控制系统通过采集电压、电流等信息 估计放电状态，然后根据经验公式决定电极的进给速度。在经验公式中，进给速度指的是电 极上的放电点相对于工件上的放电点的相对速度。在有旋转轴参与的多轴联动伺服控制 中，数控系统按照各个坐标轴的位移在机床坐标系空间进行扩展线位移合成计算位移，而 这个位移与电极相对工件的工件坐标系空间位移概念不同，这就造成了实际进给量与经验 公式所要求的进给量之间的差距。在这种情况下，同样的坐标增量，工件相对电极不同位姿 下的实际进给量是不同的。
[0004] 由于旋转轴参与的多种联动电火花加工是复杂型腔加工必须采用的，这种情况 下，正确处理旋转轴参与的合成运动是必要的。由于工件和电极加工中是面与面的接触，所 以应当先合理选取电极和工件上的参考点。有了参考点的位置信息，才可以进行后处理规 划。
【发明内容】
[0005] 为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种联动电火花加工的进给速度后处理 器设计方法，该方法能够大幅减少空间映射造成的速度波动，避免旋转轴参与的运动放电 状态不稳定，减少开路与短路状态的发生，提升电火花加工的效率。
[0006] 本发明的技术解决方案如下：
[0007] 一种基于空间映射的多轴联动电火花加工进给速后处理器的数据处理方法，该方 法包含以下步骤：
[0008] 步骤一:加工工具电极和工件参考点的选取，测量参考点相对于旋转中心的旋转 半径等位置信息；
[0009] 步骤二:打开G代码文件，读取第一行G代码；
[0010] 步骤三:读取下一行G代码，如果是绝对量模式，将本行G代码的坐标减去上一行G 代码的坐标得到坐标轴的位移增量;如果是增量模式，读取本行G代码的坐标增量
[0011] 步骤四：计算机床坐标空间扩展线位移量A s，以6轴机床为例；
[0012] .As = + AjW + A?'2. + A&2 + Ac2 〇
[0013] 步骤五：计算工件坐标系空间电极上参考点相对于工件上参考点位移量Ss &s = + dy2 + Sz?' D其三个方向分量5x，5y，5z可以通过空间映射求出。
[0014] 步骤六:将该行G代码原先规划的进给速度乘以A s/Ss，并替换原先的进给速度；
[0015] 步骤七:判断是否有下一行G代码，如果有进入步骤三，如果没有进入步骤八。
[0016] 步骤八:更改好进给速度后的G代码保存并传递给数控系统，数控系统按照更改后 的G代码进行加工，从而能够减小旋转轴参与的运动放电状态不稳定，减少开路与短路状态 的发生，提升有效放电率。
[0017] 本发明原理如下：
[0018] 对于有旋转轴参与的多轴联动电火花加工来说，控制的对象是电极和工件之间的 相对距离。由于机床的坐标轴运动是在多维的机床坐标系内采用扩展线位移的方式对直线 轴线速度和旋转轴角速度进行合成，即将N个轴的各自速度值进行正交合成。数控系统内的 进给速度不再等于工件坐标系中电极相对工件的进给速度。
[0019] 为解决该问题，需要分别求出一行G代码所对应的扩展线位移和实际的电极相对 于工件的位移。以三根直线轴三根旋转轴参与运动的六轴联动为例，三根直线轴定义为X、 Y、Z轴，三根旋转轴定义为A、B、C轴。
[0020] 加工工具电极和工件的参考点选择是基于他们的CAD模型的。一般来说，参与放电 的部分最容易产生放电集中的位置被选为参考点，所以加工工具电极和工件上沿该运动轴 的最大旋转半径所对应的点选为参考点。
[0021] 定义第一行G代码中各坐标轴的位移为A x，A y，A z，A a，A b，AC，那么机床坐标 空间扩展线位移量As为：
[0022] A.v = + +
[0023] 而电极上参考点相对于工件上参考点的实际位移是欧式空间内的一个位移Ss，在 三维欧式空间三个方向投影分量定义为5x，5y，5 Z，这个可以通过空间变换求出。5x，5y，5Z 是该行G代码所对应的坐标值与坐标增量的空间变换，g表示空间变换函数。
[0024] (8x,8y,8z)=g( Ax, Ay, Az, Aa, Ab, Ac,x,y,z,a,b,c)
[0025] 在求出Sx，Sy，Sz后，通过下面的公式可以求出S s。
[0026] §s = ^d\x2+(>y2+d'z2
[0027] 设原先规划的该行G代码进给速度为f，那么要实现电极上参考点相对于工件上参 考点进给速度f，数控系统需要按照机床坐标系设定的进给速度F为：
[0029] 在得到该行G代码修改后的进给速度后，保存并传递给数控系统，按照修改后的G 代码进行电火花放电加工。
[0030] 与现有技术相比，未处理的加工代码有着较大的速度波动，在这种情况下，无法保 持持续稳定的电火花放电加工。有可能因为合成运动的复杂性，造成单个周期的进给量过 大或者过小，造成频繁的短路与拉弧，不但降低了加工效率，还会产生短路拉弧造成的不良 加工后果，如表面烧蚀、金属改性。通过采用本发明的基于空间映射的多轴联动电火花加工 进给速度后处理器，按照工件坐标系的实际位移进行速度规划，可以基本消除速度波动，实 现更为稳定的电火花加工状态，降低短路、开路、拉弧等不良加工状态概率，提升电火花加 工效率。
【附图说明】
[0031] 图1是现有技术中的实施体系数控加工几个典型环节示意图。
[0032] 图2是本发明多轴联动电火花加工进给速后处理器的数据处理方法的流程图。
[0033] 图3是本发明平台六轴联动电火花加工机床示意图。
[0034] 图4是本发明多轴联动进给轨迹示意图。
[0035] 图5是本发明实施例参考点的选取示意图，其中，a为电极的参考点和b为工件的参 考点。
【具体实施方式】
[0036] 本发明的具体实施例在图3所示的电极加工闭式整体叶盘G代码中实施并在上海 汉霸机电有限公司生产的70电火花成形机上进行。选取的工件的参考点围绕安装工件 的旋转轴旋转半径为120_，初始位置与坐标轴Z夹角为0度，加工工具电极上的参考点围绕 安装电极的旋转轴的旋转半径为27.5714mm，初始位置与坐标轴Y的夹角为21.75度。
[0037] 实施例：
[0038]根据测量，选取的工件上的参考点距离工件回转中心120mm，选取的电极上参考点 距离电极回转中心27.5714mm记），如图5所示。
[0039] 读取第一行代码，然后开始从第二行逐行读取G代码，计算第二行G代码相对于第 一行的位移在各个运动轴的位移量A x，A y，A z，A a，A b，Ac。计算机床坐标空间扩展线 位移量△ s。计算工件坐标系空间电极上参考点相对于工件上参考点位移量5S。将改行G代 码原先规划的进给速度乘以A s/Ss，并替换原先的进给速度。
[0040] 原先的加工进给速度按照经验公式规划为flO,经过计算各行G代码优化后的进给 速度取值产生不同的变化，其范围为:F4.775到F320.010。(G代码中的进给速度）
[0041]然后用上述更改好进给速度后的G代码传递给数控系统，进行闭式整体叶盘的加 工实验，与全程采用恒定进给速度F10的代码进行对比实验。实验使用的加工工具电极材料 为POCO EDM-C3，闭式整体叶盘工件材料为C45E4钢。加工条件如下表1所示：
[0042] 表1-闭式整体叶盘加工实验参数
[0044] 每个方法分别采用1个加工工具电极加工3次，具体加工结果的表2所示：
[0045] 表2-两种进给速度控制方法加工结果比较
[0047] 由表2可以看出，无论是在加工时间上还是在工具电极的损耗上，使用基于空间映 射的多轴联动电火花进给速度控制方法得到的结果均好于恒定进给速度。
[0048] 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。本领域的技术人员应当明白，在不脱 离本发明范围的情况下，可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域 中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过改变材料或者是特点情况可以得到 的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
【主权项】
1. 一种基于空间映射的多轴联动电火花加工进给速后处理器的数据处理方法，其特征 在于，该方法包含以下步骤： 步骤一：加工工具电极和工件参考点的选取，测量参考点相对于旋转中心的旋转半径 位置信息； 步骤二:读取第一行G代码； 步骤三:读取下一行G代码，计算机床各坐标轴的位移增量； 步骤四：计算机床坐标空间扩展线位移量A s; 步骤五:计算工件坐标系空间电极上参考点相对于工件上参考点位移量如； 步骤六:将该行G代码原先规划的进给速度乘以△ s/Ss，并替换原先的进给速度； 步骤七:判断是否有下一行G代码，如果有进入步骤三，如果没有进入步骤八。 步骤八:更改好进给速度后的G代码保存并传递给数控系统，从而能够减小旋转轴参与 的运动放电状态不稳定，减少开路与短路状态的发生，提升有效放电率。2. 如权利要求1所述的多轴联动电火花加工进给速后处理器的数据处理方法，其特征 在于，步骤一所述的电极和工件参考点为电极和工件上最容易产生放电集中的位置。3. 如权利要求1所述的多轴联动电火花加工进给速后处理器的数据处理方法，其特征 在于，步骤四所述的机床坐标空间扩展线位移量A s为各坐标轴位移量平方和的算术平方 根。4. 如权利要求1所述的多轴联动电火花加工进给速后处理器的数据处理方法，其特征 在于，步骤五所述的电极上参考点相对于工件上参考点位移量Ss在三维欧式空间三个方向 投影分量为该行G代码所对应的坐标值与坐标增量的空间变换。
【文档编号】G06F17/15GK105930589SQ201610251442
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月21日
【发明人】陈昊, 奚学程, 刘宏达, 赵万生
【申请人】上海交通大学