1 引言

　　我國特有的高速走絲線切割機床，通常只能實現(xiàn)兩軸數(shù)控加工，可滿足一般制造工藝要求。為拓寬其應用范圍，解決空間復雜曲面零件的加工難題，很多專家學者對高速走絲線切割機床進行了改進，在復雜直紋曲面加工系統(tǒng)的理論分析、仿真及實驗方面進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，特別是如何利用計算機等現(xiàn)代工具來解決電火花線切割加工復雜曲面的問題，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基礎上，開發(fā)出通用性很強的五軸聯(lián)動加工系統(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，利用該系統(tǒng)，還可以對現(xiàn)有的高速走絲電火花線切割機床進行改造，擴大其工藝范圍。

2 五軸聯(lián)動加工系統(tǒng)運動參數(shù)

　　電火花線切割五軸聯(lián)動加工系統(tǒng)是專為實現(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動參數(shù)，進一步擴大了線切割加工的工藝范圍。此系統(tǒng)是由高速走絲數(shù)控電火花線切割機床和“轉(zhuǎn)、擺、擺數(shù)控工作臺”附件組成。通過五軸聯(lián)動控制系統(tǒng)控制工件沿x軸、y軸移動(X、Y)和繞x軸、y軸、z軸轉(zhuǎn)動(即A、B、C)，實現(xiàn)移、移、轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)五軸聯(lián)動。其運動參數(shù)主要有X、Y、A、B、C，運動形式通式為Σ(X+Y+A+B+C)。實質(zhì)上，以前研究的平面加工系統(tǒng)、極坐標加工系統(tǒng)、三軸和四軸聯(lián)動加工系統(tǒng)都是五軸聯(lián)動加工系統(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線曲面和復雜直紋曲面零件。

3 仿真系統(tǒng)實現(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計的VisualC++6.0和OpeIflGL1.2。VisualC++6.0是在Windos平臺上最流行的面向?qū)ο蟮?2位編程語言。它緊密結合了面向?qū)ο蠓治?00A)、面向?qū)ο笤O計(OOD)、面向?qū)ο缶幊?OOP)的思想，從而為大型復雜的應用程序開發(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，是一個工業(yè)標準的三維計算機圖形軟件接口。繪畫時，OpenGL通過建模與取景變換設置物體坐標系中對象的每個頂點，然后由投影變換指定的取景體積對頂點進行剪切，最后把這些頂點映射到視區(qū)上。

　　(2)仿真系統(tǒng)實現(xiàn)

　　對于五軸聯(lián)動電火花線切割加工計算機仿真來講，仿真就是把數(shù)控電火花線切割加工系統(tǒng)作為要研究的實際系統(tǒng)，以各種運動形式對應的數(shù)學模型作為仿真模型，模擬研究空間曲面零件線切割加工的實際過程。空間曲面電火花線切割多軸加工計算機仿真系統(tǒng)主要由仿真系統(tǒng)交互界面的設計、電火花線切割母線運動軌跡規(guī)劃、工作環(huán)境的渲染、母線動畫仿真實現(xiàn)等部分組成。為保證電極絲能繞上、下導線同步轉(zhuǎn)動，需對所得的上．下導線數(shù)據(jù)文件進行線性插值處理。

　　(3)仿真編程數(shù)學模型的建立

　　為了編程方便，對五軸聯(lián)動加上系統(tǒng)一般數(shù)學模型做如下處理。取電極絲的K度為h，沒其端點為A、8，t時刻變?yōu)锳1、B1，在O_tX_tY_tZ_t，坐標系中A_t、B_t點的坐標，其中，A點沿下導線運動，B點沿上導線運動，Φ0為B點在初始時劉的轉(zhuǎn)角。式(1)和式(2)構成了t時刻電極絲在O_tX_tY_tZ_t，坐標系下仿真編程的數(shù)學模型。

　　(4)典型仿真結果

　　在設汁仿真系統(tǒng)中，把電極絲作為窄問解析幾何中的母線來分析，在計算機圖形學的基礎上，采用了面向?qū)ο蟮某绦蛟O計方法．選擇了適用于計算機仿真的Vlsum c++6 O和OpencL 1.2作為仿真編程工具．在計算機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果圖。

　　通過仿真過程及仿真結糶的分析，驗證了數(shù)學模型的正確性。因此，只要在計算機上通過仿真研究直接調(diào)榷數(shù)學模則中的有關運動參數(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動參數(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。利用計算機仿真技術不僅可以證明數(shù)學模型的正確性，還可以為空間直紋曲面零件電火花線切割加工實驗研究和開發(fā)多軸聯(lián)動加工系統(tǒng)提供可靠的理論濃據(jù)。

4 五軸聯(lián)動加工系統(tǒng)開發(fā)

　　空間曲面電火花線切割五軸聯(lián)動加工系統(tǒng)，是以“轉(zhuǎn)、擺、擺數(shù)控工作臺”作為主要硬件裝置，加上三維加工信息流控制技術，與國產(chǎn)高速走絲電火花線切割機床相結合，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鍵技術問題，擴大了電火花線切割加工工藝的應用范圍。

　　4.1五軸聯(lián)動加工傳動原理

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

　　4.2五軸聯(lián)動加工空間直紋曲面分析

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

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

5 五軸聯(lián)動加工數(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構

　　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)動電火花線切割加工數(shù)控系統(tǒng)。PMAC是一個多任務實時計算機系統(tǒng)，可以實現(xiàn)復雜的實時運動控制任務，具有高度的開放性。本設計實現(xiàn)了基于可編程多軸控制器(PMAc)的開放式體系結構電火花線切割加工數(shù)控系統(tǒng)的硬件體系。該硬件體系實時性強，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，同時具有良好的開放性和可擴展性。五軸聯(lián)動電火花線切割加工數(shù)控系統(tǒng)主要包括數(shù)控裝置、脈沖電源控制機以及間隙電壓檢測裝置、運動控制器等組成。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)的主要任務是對脈沖電源系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)進行有效的控制，達到對工件高效穩(wěn)定加工的目的。利用PC機本身的開放式結構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機的開放式體系結構和模塊化設計，使系統(tǒng)獲得了很好的加工穩(wěn)定性、快速的實時響應性和很強的擴展性。

在電火花線切割加工中，系統(tǒng)的所有硬件設備，包括伺服系統(tǒng)、脈沖電源控制及間隙電壓檢測裝置、機床繼電器等都在系統(tǒng)軟件的控制下運行。系統(tǒng)軟件是一個多任務系統(tǒng)，每個任務負責控制一個硬件設備，或者完成一組特定的操作。這些任務的協(xié)調(diào)運行使電火花線切割加工過程得以實現(xiàn)。

6 空間曲面零件五軸聯(lián)動加工實驗

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

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

7 結語

　　本文對線切割五軸聯(lián)動加工計算機仿真過程進行了研究，改變數(shù)學模型中的加上參數(shù)．就可以改變被加工零什的型面特征，為生產(chǎn)實踐研究提供理論依據(jù)。塒電火花線切割五軸聯(lián)動加工運動規(guī)律進行了分析，建立了數(shù)控數(shù)學模型。研制了數(shù)控“轉(zhuǎn)、擺、擺工作臺”，開發(fā)出復雜曲面線切割五軸加工系統(tǒng)，計在高速走絲電火花線切割機瞇卜加工出理想的三導線曲面零件和多種復雜紋曲面零件，加工結果與仿真結果基本相似，拓寬了電火花線切割加工的工藝范圍。