1 引言

　　我國(guó)特有的高速走絲線切割機(jī)床，通常只能實(shí)現(xiàn)兩軸數(shù)控加工，可滿足一般制造工藝要求。為拓寬其應(yīng)用范圍，解決空間復(fù)雜曲面零件的加工難題，很多專家學(xué)者對(duì)高速走絲線切割機(jī)床進(jìn)行了改進(jìn)，在復(fù)雜直紋曲面加工系統(tǒng)的理論分析、仿真及實(shí)驗(yàn)方面進(jìn)行了大量的研究工作。如何拓寬電火花線切割加工的工藝范圍，特別是如何利用計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代工具來解決電火花線切割加工復(fù)雜曲面的問題，一直是電加工界研究與探索的課題。

　　本文在現(xiàn)有高速走絲電火花線切割加工技術(shù)基礎(chǔ)上，開發(fā)出通用性很強(qiáng)的五軸聯(lián)動(dòng)加工系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)，可以在高速走絲電火花線切割機(jī)床上加工出空間曲面零件，從根本上解決空間曲面加工難題。勻此同時(shí)，利用該系統(tǒng)，還可以對(duì)現(xiàn)有的高速走絲電火花線切割機(jī)床進(jìn)行改造，擴(kuò)大其工藝范圍。

2 五軸聯(lián)動(dòng)加工系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)

　　電火花線切割五軸聯(lián)動(dòng)加工系統(tǒng)是專為實(shí)現(xiàn)空間直紋曲面零件加工而開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)，此系統(tǒng)最大限度地包括了電火花線切割加工的所有運(yùn)動(dòng)參數(shù)，進(jìn)一步擴(kuò)大了線切割加工的工藝范圍。此系統(tǒng)是由高速走絲數(shù)控電火花線切割機(jī)床和“轉(zhuǎn)、擺、擺數(shù)控工作臺(tái)”附件組成。通過五軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)控制工件沿x軸、y軸移動(dòng)(X、Y)和繞x軸、y軸、z軸轉(zhuǎn)動(dòng)(即A、B、C)，實(shí)現(xiàn)移、移、轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)五軸聯(lián)動(dòng)。其運(yùn)動(dòng)參數(shù)主要有X、Y、A、B、C，運(yùn)動(dòng)形式通式為Σ(X+Y+A+B+C)。實(shí)質(zhì)上，以前研究的平面加工系統(tǒng)、極坐標(biāo)加工系統(tǒng)、三軸和四軸聯(lián)動(dòng)加工系統(tǒng)都是五軸聯(lián)動(dòng)加工系統(tǒng)在一定條件下的特例。該系統(tǒng)可以加工所有上下異形的三導(dǎo)線曲面和復(fù)雜直紋曲面零件。

3 仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　(1)仿真開發(fā)工具

　　選用的仿真編程開發(fā)工具為適合于面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的VisualC++6.0和OpeIflGL1.2。VisualC++6.0是在Windos平臺(tái)上最流行的面向?qū)ο蟮?2位編程語(yǔ)言。它緊密結(jié)合了面向?qū)ο蠓治?00A)、面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)(OOD)、面向?qū)ο缶幊?OOP)的思想，從而為大型復(fù)雜的應(yīng)用程序開發(fā)，提供了一種比傳統(tǒng)的過程式編程放法更有效的方式。OpenGL的前身是由SGI公司為其圖形工作站開發(fā)的IRISGL，是一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的三維計(jì)算機(jī)圖形軟件接口。繪畫時(shí)，OpenGL通過建模與取景變換設(shè)置物體坐標(biāo)系中對(duì)象的每個(gè)頂點(diǎn)，然后由投影變換指定的取景體積對(duì)頂點(diǎn)進(jìn)行剪切，最后把這些頂點(diǎn)映射到視區(qū)上。

　　(2)仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　對(duì)于五軸聯(lián)動(dòng)電火花線切割加工計(jì)算機(jī)仿真來講，仿真就是把數(shù)控電火花線切割加工系統(tǒng)作為要研究的實(shí)際系統(tǒng)，以各種運(yùn)動(dòng)形式對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型作為仿真模型，模擬研究空間曲面零件線切割加工的實(shí)際過程?？臻g曲面電火花線切割多軸加工計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)主要由仿真系統(tǒng)交互界面的設(shè)計(jì)、電火花線切割母線運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、工作環(huán)境的渲染、母線動(dòng)畫仿真實(shí)現(xiàn)等部分組成。為保證電極絲能繞上、下導(dǎo)線同步轉(zhuǎn)動(dòng)，需對(duì)所得的上．下導(dǎo)線數(shù)據(jù)文件進(jìn)行線性插值處理。

　　(3)仿真編程數(shù)學(xué)模型的建立

　　為了編程方便，對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)加上系統(tǒng)一般數(shù)學(xué)模型做如下處理。取電極絲的K度為h，沒其端點(diǎn)為A、8，t時(shí)刻變?yōu)锳1、B1，在O_tX_tY_tZ_t，坐標(biāo)系中A_t、B_t點(diǎn)的坐標(biāo)，其中，A點(diǎn)沿下導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)，B點(diǎn)沿上導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)，Φ0為B點(diǎn)在初始時(shí)劉的轉(zhuǎn)角。式(1)和式(2)構(gòu)成了t時(shí)刻電極絲在O_tX_tY_tZ_t，坐標(biāo)系下仿真編程的數(shù)學(xué)模型。

　　(4)典型仿真結(jié)果

　　在設(shè)汁仿真系統(tǒng)中，把電極絲作為窄問解析幾何中的母線來分析，在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基礎(chǔ)上，采用了面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法．選擇了適用于計(jì)算機(jī)仿真的Vlsum c++6 O和OpencL 1.2作為仿真編程工具．在計(jì)算機(jī)上將加工出的空間曲面形狀用圖形仿真的方法模擬井繪出，得到一些典型零件的仿真結(jié)果圖。

　　通過仿真過程及仿真結(jié)糶的分析，驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的正確性。因此，只要在計(jì)算機(jī)上通過仿真研究直接調(diào)榷數(shù)學(xué)模則中的有關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，就能夠得到理想的仿真型而;再根據(jù)仿真獲得的理想加工運(yùn)動(dòng)參數(shù)去調(diào)格加工系統(tǒng)，還可加工出符合要求的空間曲伯(零件。利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)不僅可以證明數(shù)學(xué)模型的正確性，還可以為空間直紋曲面零件電火花線切割加工實(shí)驗(yàn)研究和開發(fā)多軸聯(lián)動(dòng)加工系統(tǒng)提供可靠的理論濃據(jù)。

4 五軸聯(lián)動(dòng)加工系統(tǒng)開發(fā)

　　空間曲面電火花線切割五軸聯(lián)動(dòng)加工系統(tǒng)，是以“轉(zhuǎn)、擺、擺數(shù)控工作臺(tái)”作為主要硬件裝置，加上三維加工信息流控制技術(shù)，與國(guó)產(chǎn)高速走絲電火花線切割機(jī)床相結(jié)合，從根本上解決空間曲面零件高速走絲電火花線切割加工的關(guān)鍵技術(shù)問題，擴(kuò)大了電火花線切割加工工藝的應(yīng)用范圍。

　　4.1五軸聯(lián)動(dòng)加工傳動(dòng)原理

　　“轉(zhuǎn)、擺、擺數(shù)控工作臺(tái)”是線切割!%軸聯(lián)動(dòng)加工系統(tǒng)的重要組成部分.其上具有一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)和兩個(gè)擺臺(tái)，傳動(dòng)原理如圖2所示。步進(jìn)電機(jī)3固定于基體上，由它通過齒輪副及蝸輪副傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)下擺臺(tái)擺動(dòng);步進(jìn)電機(jī)2固定于下擺臺(tái)卜，由它通過另一套齒輪副及蝸輪副傳動(dòng)，使上擺臺(tái)擺動(dòng);步進(jìn)電機(jī)1固定于上擺臺(tái)上，由它通過第三套齒輪副及蝸輪副傳動(dòng)，使回轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。工件裝夾在回轉(zhuǎn)臺(tái)上，這樣工件就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)、兩個(gè)擺動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)。如果將轉(zhuǎn)、擺、擺數(shù)控工作臺(tái)與電火花線切割機(jī)床的原工作臺(tái)配合使用，即可實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)加工.也就是實(shí)現(xiàn)工件沿X軸、Y軸移動(dòng)和繞X軸、Y軸、Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　4.2五軸聯(lián)動(dòng)加工空間直紋曲面分析

　　例如在電火花線切割加工機(jī)床上，加工山橢圓形平滑過渡到六邊形、并具有初始扭轉(zhuǎn)角Φ0的三導(dǎo)線曲面零件。除了應(yīng)用原機(jī)床工作臺(tái)以外，述必須使用“轉(zhuǎn)、擺、擺數(shù)控工作臺(tái)”才能完成。在進(jìn)行切割加工幾前，應(yīng)做好以下準(zhǔn)備工作:(1)將“轉(zhuǎn)、擺、擺數(shù)控臺(tái)裝”夾在電火花線切割機(jī)床的工作臺(tái)上;(2)調(diào)節(jié)上擺臺(tái)擺動(dòng)軸心距離，使得上擺臺(tái)擺動(dòng)軸心與回轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)中心的距離等于工件底圓半徑;(3)調(diào)節(jié)下擺臺(tái)的初始擺角Φ0，這樣可以得到扭轉(zhuǎn)的三導(dǎo)線曲面零件。

　　利用“轉(zhuǎn)、擺、擺數(shù)控工作臺(tái)”加工由橢圓形平滑過渡到六邊形的三導(dǎo)線曲面零件。在加工時(shí)，步進(jìn)電機(jī)1帶動(dòng)回轉(zhuǎn)臺(tái)繞其回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)2通過上擺臺(tái)帶動(dòng)回轉(zhuǎn)臺(tái)擺動(dòng)，移動(dòng)工作臺(tái)的步進(jìn)電機(jī)通過移動(dòng)工作臺(tái)帶動(dòng)“轉(zhuǎn)、擺、擺數(shù)控臺(tái)”沿x方向移動(dòng)。工件放在回轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)，這樣在加工過程中就可以使工件在繞自身軸線旋轉(zhuǎn)的同時(shí)又輔以擺動(dòng)和移動(dòng)，從而完成三導(dǎo)線曲面的加工。切割加工時(shí)，工件底面橢圓周應(yīng)切于上擺臺(tái)的擺動(dòng)軸心線上，隨著工件的轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)，橢圓周上的各點(diǎn)應(yīng)不斷經(jīng)過該點(diǎn)。這樣才能把底面加工成橢圓形；上擺臺(tái)的擺動(dòng)可保證當(dāng)工件下端加工成橢圓形時(shí)，其上端同時(shí)加工出六邊形；而下擺臺(tái)的初始擺角聲Φ0是保證工件上下導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)的必要條件。

5 五軸聯(lián)動(dòng)加工數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)

　　5.1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件體系及軟件結(jié)構(gòu)

　　基于Windows操作系統(tǒng)和可編程多軸控制器(PMAC)，可開發(fā)出空間曲面多軸聯(lián)動(dòng)電火花線切割加工數(shù)控系統(tǒng)。PMAC是一個(gè)多任務(wù)實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)，具有高度的開放性。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于可編程多軸控制器(PMAc)的開放式體系結(jié)構(gòu)電火花線切割加工數(shù)控系統(tǒng)的硬件體系。該硬件體系實(shí)時(shí)性強(qiáng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，同時(shí)具有良好的開放性和可擴(kuò)展性。五軸聯(lián)動(dòng)電火花線切割加工數(shù)控系統(tǒng)主要包括數(shù)控裝置、脈沖電源控制機(jī)以及間隙電壓檢測(cè)裝置、運(yùn)動(dòng)控制器等組成。開發(fā)出一套加工性能穩(wěn)定的多軸聯(lián)動(dòng)電

火花線切割加工數(shù)控系統(tǒng)軟件。電火花線切割數(shù)控系統(tǒng)的主要任務(wù)是對(duì)脈沖電源系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行有效的控制，達(dá)到對(duì)工件高效穩(wěn)定加工的目的。利用PC機(jī)本身的開放式結(jié)構(gòu)就可以很容易地完成電火花線切割數(shù)控系統(tǒng)的大部分功能。此系統(tǒng)采用了基于PC機(jī)的開放式體系結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)獲得了很好的加工穩(wěn)定性、快速的實(shí)時(shí)響應(yīng)性和很強(qiáng)的擴(kuò)展性。

在電火花線切割加工中，系統(tǒng)的所有硬件設(shè)備，包括伺服系統(tǒng)、脈沖電源控制及間隙電壓檢測(cè)裝置、機(jī)床繼電器等都在系統(tǒng)軟件的控制下運(yùn)行。系統(tǒng)軟件是一個(gè)多任務(wù)系統(tǒng)，每個(gè)任務(wù)負(fù)責(zé)控制一個(gè)硬件設(shè)備，或者完成一組特定的操作。這些任務(wù)的協(xié)調(diào)運(yùn)行使電火花線切割加工過程得以實(shí)現(xiàn)。

6 空間曲面零件五軸聯(lián)動(dòng)加工實(shí)驗(yàn)

　　首先通過CAD軟件輸入上、下導(dǎo)線的參數(shù)方程，然后CAD軟件自動(dòng)畫出三維圖形并進(jìn)行加工仿真。在確認(rèn)獲得滿意結(jié)果后，通過CAM軟件的后髓處理模塊生成下位機(jī)需要的加工代碼．并下載到下位機(jī)中，由下位機(jī)逐行解釋運(yùn)行并命令執(zhí)行元件完成加上。大多數(shù)的空間曲面零件的上下導(dǎo)線曲線不同而且彼此錯(cuò)位．顯然對(duì)于形狀如此復(fù)雜的零件，采用其他加工方法很難加工，只能采用五軸聯(lián)動(dòng)電火花線切割加工。

　　通過劉比分析可知，實(shí)際加工出的樣件和引算機(jī)仿真結(jié)果完全一致。這就為研制多軸聯(lián)動(dòng)電火花線切割加工機(jī)床奠定基礎(chǔ)。通過審問曲面零件的加工式驗(yàn)來驗(yàn)證新外發(fā)的加工系統(tǒng)艇件及軟件的可靠性以及數(shù)學(xué)模刪和數(shù)控模型的難確性和有效性。

7 結(jié)語(yǔ)

　　本文對(duì)線切割五軸聯(lián)動(dòng)加工計(jì)算機(jī)仿真過程進(jìn)行了研究，改變數(shù)學(xué)模型中的加上參數(shù)．就可以改變被加工零什的型面特征，為生產(chǎn)實(shí)踐研究提供理論依據(jù)。塒電火花線切割五軸聯(lián)動(dòng)加工運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了分析，建立了數(shù)控?cái)?shù)學(xué)模型。研制了數(shù)控“轉(zhuǎn)、擺、擺工作臺(tái)”，開發(fā)出復(fù)雜曲面線切割五軸加工系統(tǒng)，計(jì)在高速走絲電火花線切割機(jī)瞇卜加工出理想的三導(dǎo)線曲面零件和多種復(fù)雜紋曲面零件，加工結(jié)果與仿真結(jié)果基本相似，拓寬了電火花線切割加工的工藝范圍。