聚晶金剛石(PolycrystallineDiamond，PCD)刀具具有高硬度、高抗壓強度、良好的導熱性及耐磨性，可以在高速切削中獲得很高的加工精度和加工效率。但其高硬度導致去除率只有硬質合金的萬分之一，普通刃磨方式(金剛石砂輪刃磨)效率極低，且砂輪的損耗和刀具刃磨量基本相同，生產中不管時間還是成本均難以接受。電火花刃磨(ElectricalDischargeGrinding，EDG)技術不受被刃磨工件硬度的影響，且某些復雜形狀PCD刀具(如木工刀具)的刃磨對這種靈活的刃磨工藝具有巨大需求，因此EDG技術逐漸成為PCD刀具加工的主要手段。

　　圍繞電火花加工數控系統，國內外專家學者展開了大量的研究。對于電火花數控系統的體系結構，Yang等基于開放式數控系統結構，開發了用于線切割的電火花數控系統;馬駿等對電火花加工數控系統進行了多任務劃分，提出了系統的多任務劃分模型，實現了系統的多任務調度;周亞軍等

　　在分析電火花加工工藝和控制功能的基礎上，構建了電火花數控系統的分層體系結構，并自行設計了電火花專用四軸運動控制器。為了保證電加工的實時性，趙萬生等在開放式體系結構的基礎上，進行了基于實時Linux系統的六軸聯動電火花數控系統軟件的研究;Huang等采用RT-Linux技術，提出雙核結構概念分別處理實時任務和非實時任務;鄭君民等同樣采用RT-Linux解決數控系統的多線程和實時性的問題，并提出了以軟件插補的計算機數字控制為基礎的控制方式。為了提高系統的精度和靈敏度，Shieh等提出了在電火花成型數控系統中采用交叉耦合控制方式保證系統的輪廓精度;Guo等采用可編程多軸控制器為下位機，PC和Linux為上位機的體系結構，進行了微細電火花加工數控系統的軟硬件設計，并開發了可以在線觀察和測量微細電極的圖像處理程序;李翔龍等在數控系統中，通過人工神經網絡實現電機損耗的智能預測和補償，并用兩個分別以放電狀態和極間電壓作為輸入的模糊控制器實現進給系統的變步距、變頻雙重調節;黃河等提出使用正反兩個運動程序結合后臺PLC程序進行加工的方法，實現了加工過程中高效、精確的運動控制;谷安等結合開放式的運動控制器，開發了基于PC的四軸聯動電火花數控系統，并采用神經模糊控制智能技術，保證加工過程處于優化狀態。然而，上述通用電火花加工數控系統無法滿足復雜PCD刀具的特殊刃磨需求，因為復雜PCD刀具的刃磨路徑需嚴格按照前刀面的實際位置來設定，這就要求系統必須具有通過“在線測量”的手段獲取PCD前刀面的實際位置并將測量結果自動轉化為加工程序的功能。英國COBORN、德國VOLLMER和LACH、瑞士EWAG等公司對復雜PCD刀具專用數控系統進行了深入研究，并開發出了成熟的產品，而國內目前在本領域尚屬空白。

　　為此，本文以工控機和自主開發的控制板卡為硬件平臺，以RT-Linux為軟件平臺，開發了用于加工復雜PCD刀具的五軸電火花數控系統，并對此專用數控系統的各個關鍵模塊進行了詳細的設計。

1 數控系統總體結構

　　1.1 數控系統硬件總體結構

　　PCD刀具五軸電火花刃磨數控系統除機床通用I/O信號，還有其特殊功能專用的控制信號。系統硬件總體結構采用工控機+自主設計的主控卡+自主設計的前端控制卡的方式實現。工控機存儲運行數控系統的軟件部分，同時通過PCI總線與主控卡通信。主控卡主要用于各軸伺服電機的運動控制，此控制實時性要求很高。前端控制卡放置于靠近機床的位置，用于機床的I/O信號讀取，包括檢測探針、脈沖電源的控制，以及電加工狀態的檢測等，這些功能的實時性要求在大部分時間內低于運動控制。前端控制卡通過CAN總線協議和主控卡通信，保證了整個硬件的實時性和穩定性。這種硬件設計方式使得實時性要求不高的I/O和A/D在前端被處理，只把關鍵的信號傳輸給工控機的軟件系統，并且由于離機床很近，減少了信號損失，增強了系統的可靠性。

　　主控卡主要由PCI9030、SJA1000和FPGA三大部分組成，FPGA內部由串口控制單元、脈沖發生單元、碼盤計數單元和I/O控制單元組成。主要功能是PCI接口轉換、與IO控制卡通信以及各軸驅動信號的產生。前端控制卡主要由ARM微處理器和CPLD組成，主要功能是和主控卡通信和I/O管理。

　　1.2 數控系統軟件總體結構

　　PCD刀具五軸電火花刃磨數控系統需要對探針檢測信號以及電火花加工狀態信號及時響應，對實時性要求很高，因此采用RT-Linux作為軟件系統平臺。針對此專用PCD刀具五軸電火花刃磨數控系統，進行了詳細的軟件模塊劃分。

　　設計時，將PCD刀具五軸電火花刃磨數控系統的實時模塊與非實時模塊分開，放入RT-Linux不同的系統內核中，以保證系統的實時性。系統采用的調度方式為守護機理，每個客戶端進程定時采用socket通信方式向服務器端主動報告運行狀態，服務器端定時檢查各進程的運行狀態，然后根據具體的客戶端狀態采取相應的進程調度。

2 數控系統關鍵模塊設計

　　2.1 刀具形狀檢測及加工程序自動生成模塊

　　在PCD刀具制造過程中，由于刀體制作以及焊接PCD刀片層時產生的偏差，刀口不是一條確定的空間曲線，故不能用一個簡單而準確的數學模型表述，而且由于PCD材料的硬度很高，磨削量要取得盡量小，因此刀具的加工軌跡不能預先給出，需要在加工前對將要磨削的PCD刀具的刃口進行準確測量，并根據測量結果生成加工程序。刀具的測量采用自適應測量的算法，算法中考慮了測量過程中可能出現的各種情況，可以自動識別刀具邊沿，并通過使用帶有邏輯判斷及執行控制功能的數控程序來完成對刀具復雜刃口曲線的實際在線測量，此算法使得操作變得簡單易行，用戶只需要為每個待測刀片提供一個測量參考點，而且對參考點在刀片上的位置也沒有任何要求。

　　系統完成刀具形狀檢測后，自動編程模塊需要根據檢測出來的刀具位置參數、用戶輸入的修電極參數以及刀具本身的類型、大小齒數等具體參數綜合生成加工程序。對于PCD刀具來說，刀具類型需要預先在系統中定義，而同一類型的不同刀具表現為半徑、齒數等形狀參數不一致。因此，為了提高加工效率和加工質量，降低工人的勞動強度和技術要求，系統設計了常用刀具的工藝數據庫供使用者調用，用戶只需輸入刀具基本的參數系統即可生成加工程序。

　　自動編程模塊的結構如圖4所示，模塊從人機交互界面得到刀具參數信息，確定刀具類型和電加工參數，然后將上一步檢測的結果作為原始數據點擬合出刃口曲線方程。本文采用工業中廣泛應用的三次非均勻有理B樣條曲線進行刃口曲線擬合。根據原始數據點可以得到相應的控制頂點，繼而可以得到所需刃口曲線上的點。

　　基于三次非均勻有理B樣條理論和刃磨精度要求，可獲得系統加工PCD刀具所需的軌跡點，進而生成加工程序。

　　2.2 電加工運動控制模塊

　　和通用的電火花加工一樣，PCD刀具的電火花刃磨放電過程實質上是一個間隙維持過程。間隙過大或者過小都不利于放電加工，因此只有精心調節伺服進給，保持間隙大小適當，才能維持較佳放電狀態。在PCD刀具刃磨系統的設計中，改進了以往其它系統中將兩極之間的放電狀態傳遞給系統，從而控制系統加減速的控制策略，采用的控制方式是將放電電壓直接傳遞給數控系統，根據加工時電極和刀具兩端電壓預測出腐蝕量，進而得出下一時刻的進給速度。

　　為了保證系統的安全有效運行，需要回退伺服控制來防止由于切屑在放電間隙中的累積或者放電間隙過小而產生的電源正負極之間的短路。控制流程為:當放電間隙檢測模塊檢測出的電壓很小時(小于短路預設值)，系統將記錄當前所處位置，停止向前插補，并將系統的前一個插補點作為插補終點、當前點作為插補起點反向快速插補5個插周期，控制電極自動按原軌跡回退;回退周期過后，系統會自動檢測間隙電壓，如果仍處于短路狀態或小于閾值電壓則繼續回退，否則轉為正常加工狀態。回退伺服控制可以有效解除短路的狀態、改善排屑環境。

　　2.3 圖形用戶界面管理模塊

　　圖形用戶界面的作用是完成人機交互。由系統操作流程，圖形用戶界面模塊需為用戶提供以下4大操作界面模塊:測量NC程序模板文件選擇及參數編輯界面模塊，簡稱測量界面模塊;EDG加工NC程序模板文件選擇及參數編輯界面模塊，簡稱加工界面模塊;系統設置及操作界面模塊，簡稱操作界面模塊;模板操作說明界面模塊，簡稱幫助界面模塊PCD刀具電火花刃磨數控系統其中一種刀具螺旋形木工刀具自動生成加工程序界面的截圖，界面左側是刀具和加工信息，右側為刀具參數信息，下方為功能鍵。用戶在界面左側欄上方輸入加工的刀具類型、電極直徑，選擇相應的加工程序和電極修磨程序，再在界面右側輸入加工刀具的具體參數，即可開始刀具刃磨。刃磨的進度和機床的位置在界面左側欄下方顯示。

　　2.4 其它模塊

　　除上述模塊外，系統還設計了電源參數管理和電極損耗補償等模塊以保證系統的正確運行。電源參數管理模塊是一個靜態的數據庫，磨削PCD刀具時用戶可以選擇參數庫中的參數或者可以將自定義電加工參數添加到參數庫中。電極損耗補償采用電極在線修磨和自動損耗補償兩種方式相結合，用戶可以在自動生成加工程序時指定電極的修磨間

　　隔加工齒數和修磨量;在電極修磨的間隔中，采用根據加工參數和預先設置好的補償量自動沿電極徑向進行補償。

3 加工實驗

　　按照本文中所提到的系統結構及關鍵技術所開發的PCD電火花刃磨系統如圖7所示，系統使用盤狀電極作為刃磨工具，紅寶石探針用于刀具形狀檢測，加工電源使用專用電火花加工脈沖電源。系統包含5個軸，其中有X/Y/Z3個平動軸和A/E兩個轉動軸，可以實現復雜形狀PCD刀具的刃磨。

　　為了驗證此數控系統的性能，按照本文給出的復雜PCD刀具加工流程(在線測量刀具形狀、自動生成加工程序、電火花刃磨加工)，對兩種典型的PCD刀具———螺旋刀和預銑刀進行實際加工實驗。PCD螺旋刀和預銑刀是最為常用的兩種木工刀具類型，在實際生產中有重要作用。PCD螺旋刀和預銑刀雖然有多種型號，但基本構型相同，差別體現在刀具的外徑和各個齒的排布上。實際刃磨加工后的刀具見圖8。

　　整個加工過程分為粗加工和精加工兩個階段，粗加工采用峰值電壓為180V、占空比為35%的脈沖電源，用來去除余量，加工過程中保持間隙電壓在80—120V;精加工采用峰值電壓為120V、占空比為30%的脈沖電源，用來保證切削刃形狀和表面質量，加工過程保持間隙電壓為70—90V。整個加工過程系統運行狀態穩定，沒有出現拉弧、短路和振動等不正常現象。表1為PCD螺旋刀的加工實驗結果，可以看出，系統所加工的PCD刀具刃口質量良好，外圓跳動滿足要求，且具有較高的加工效率。

4 結論

　　(1)設計和實現了一種適用于聚晶金剛石刀具五軸電火花刃磨加工的專用數控系統。系統軟件以RT-Linux為開發平臺，將實時任務與非實時任務分離，保證了系統的實時性與穩定性，采用自行設計的專用總線式硬件結構，保證了系統的特殊需求;

　　(2)為解決刀具刃磨軌跡不能預先給出的問題，設計實現了能夠自動檢測刀具邊沿的刀具形狀在線測量模塊以及基于非均勻有理B樣條理論的加工程序自動生成模塊，并設計了電火花伺服控制模塊以及應急短路回退模塊，可以根據磨削量給出下一插補周期速度，使系統保持良好的放電狀態，并在系統出現短路時調整加工以保證加工安全;

　　(3)加工實驗結果表明，本文開發的五軸電火花刃磨PCD刀具數控系統功能完善，運行穩定，刃磨的刀具加工精度和刃口質量均滿足實際生產需求，且具有很高的加工效率。