CN101468415B

CN101468415B - 加工控制系统

Info

Publication number: CN101468415B
Application number: CN 200710301565
Authority: CN
Inventors: 詹移民; 袁人炜; 罗元丰; 盖奇·M·尼尔森; 乌果·坎特利; 蔡军
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-12-25
Filing date: 2007-12-25
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2027-12-25
Also published as: CN101468415A

Abstract

本发明涉及一种电腐蚀加工控制系统，该电腐蚀加工控制系统包括控制普通数控加工过程的普通数控控制器、为进行电腐蚀加工的电极和待加工工件提供电流或电压的电源、电腐蚀加工控制器以及检测电极和工件间工作间隙的实时状态信息并发送上述实时状态信息给电腐蚀加工控制器的传感器。所述电腐蚀加工控制器设有分别与电源和普通数控控制器连通的端口，以控制电源的输出，以及与普通数控控制器进行信号通讯。电腐蚀加工控制器根据传感器反馈的工作间隙实时状态信息，通过普通数控控制器自动控制电腐蚀加工过程。

Description

加工控制系统

技术领域

本发明有关一种加工控制系统。

背景技术

电腐蚀加工利用火花放电或电化学反应从工件上去除材料进行加工，包括电化学加工(ECM)、电火花放电加工(EDM)、以及电化学放电复合加工(ECDM)等等。电腐蚀加工的过程中，通常在电极与工件之间提供流通的工作液。比如在ECM加工过程中，需要在电极和工件之间提供流通的导电的电解液，以实现工件上相应部分的电化学熔解，同时带走电解过程中产生的热量和电解产物；在EDM加工过程中，需要在电极和工件之间的间隙中提供流通的绝缘工作液，从而将在电极和工件之间产生的火花放电蚀除产物有效排除，同时带走放电过程中产生的热量和电蚀产物。ECDM则结合了部分电火花腐蚀和部分电化学作用来去除材料。

现有电腐蚀加工设备通常包含了控制电腐蚀加工工艺的控制系统。但是此种控制系统通常嵌入数控控制器内部，操作者或用户不易对其进行修改或二次开发。

发明内容

本发明的一个方面在于一种电腐蚀加工控制系统，该电腐蚀加工控制系统包括控制普通数控加工过程的普通数控控制器、为进行电腐蚀加工的电极和待加工工件提供电流或电压的电源、电腐蚀加工控制器以及检测电极和工件间工作间隙的实时状态信息并发送上述实时状态信息给电腐蚀加工控制器的传感器。所述电腐蚀加工控制器设有分别与电源和普通数控控制器连通的端口，以控制电源的输出，以及与普通数控控制器进行信号通讯。电腐蚀加工控制器根据传感器反馈的工作间隙实时状态信息，通过普通数控控制器自动控制电腐蚀加工过程。

本发明的另一个方面在于一种双模式加工控制系统，该双模式加工控制系统包括储存电腐蚀加工软件的电腐蚀加工控制器和与所述电腐蚀加工控制器相连通的数控控制器。数控控制器储存数控零件加工程序，其包括普通数控加工模式和腐蚀加工模式。在普通数控加工模式，数控控制器控制普通数控设备进行普通数控加工；在电腐蚀加工模式下，电腐蚀加工控制器运行电腐蚀加工软件并通过所述数控控制器发送电腐蚀加工指令以控制所述普通数控设备进行电腐蚀加工。

附图说明

通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1所示为普通数控机床进行自动加工的示意图；

图2为图1所示普通数控机床的数控系统的结构框图；

图3所示为本发明电腐蚀加工设备的一个实施例加工工件的示意图，该电腐蚀加工设备是依据图1所示数控机床进行改进的；

图4所示为图3中电腐蚀加工设备中ECDM主轴组件一个实施例的示意图；

图5所示为图4中ECDM主轴组件的剖面图；

图6所示为图3中电腐蚀加工设备的双模式控制系统的结构框图，该双模式控制系统是改自图2中数控机床的数控加工控制系统；

图7为图6所示电腐蚀加工控制系统的硬件连接示意图，依据本发明的一个实施例，其采用了CompactRIO (cRIO)；

图8为图6所示双模式控制系统的流程图；

图9所示为cRIO内的ECDM软件的流程图。

具体实施方式

数字控制(“NC”)和计算机数字控制(“CNC”)加工设备普遍用于进行传统的自动化加工。这两种加工设备都包括机床和控制机床进行自动化加工的控制系统。控制系统包括若干预设的程序指令，这些预设的程序指令存储在可以与加工设备交互联接的存储介质中，以控制进给率、进给轴插补和主轴速率等各种操作。数字控制、计算机数字控制等自动化控制以下统称“数控”，相应的加工设备统称“数控设备”。

电腐蚀加工是指利用火花放电或电化学反应去除工件上的材料的加工方法，其在电极和工件之间保持一定的工作间隙，并在该工作间隙间提供流通的工作液，包括电化学加工(ECM)、电火花加工(EDM)和电化学放电复合加工(ECDM)等。

图1所示为一台普通数控设备1进行自动加工的示意图，该数控设备1包括机床10、由夹持在机床10上的刀具12、安装于机床10中以控制加工过程的控制器14(如图2所示)、以及一工作中的刀具12提供工作液的工作液供给设备16。机床10上设有一控制面板18，该控制面板18与控制器14连接以对数控设备1进行手动操作。图1所示的通用数控设备1为一台数控铣床，刀具12为一可旋转铣刀。机床10设有一可旋转主轴100，铣刀12可拆卸地安装在主轴100上，在加工过程中随主轴100一同转动。

图2所示为数控控制器14及其相应控制数控铣削加工过程的数控系统结构框图。数控控制器14通常包括一数控内核11、一可编程逻辑控制器(PLC)(或可编程机械控件(PMC))13、伺服驱动器15，以及主轴伺服驱动器17。数控内核11是数控控制器14的核心部件，通常包括一个具备计算功能的中央处理器(CPU)、一个储存数控部件加工程序的只读存储器(ROM)、和一个随机存取存储器(RAM)。

经由数控内核11中随机存取存储器的数控零件加工程序控制，通过移动工件和机床10的相对位置，工件(未图示)可被加工成所需的形状。数控设备1包括伺服电机101和主轴电动机102。伺服电机101驱动机床10和工件以一定的速度和路径移动，主轴电动机102驱动主轴100以所需的速度旋转。数控内核11根据数控零件加工程序，通过伺服电机101控制工件和机床10之间的位置和速度。CPU和数控内核11分析数控部件加工程序，继而产生在各运动轴度上的移动指令脉冲，然后驱动机床10。通常，在发送到伺服电机101之前，数控内核11产生的指令脉冲先要发送至伺服驱动器102进行放大和调制。

本实施例中，铣刀12的转速同时也由数控内核11来控制，数控内核11发出的信号先经伺服驱动器17放大和调制，传送至主轴电动机102来控制主轴100的运动，以进一步控制铣刀12。在其他的实施例中(未图示)，可编程逻辑控制器13代替数控内核11与主轴电动机102相连，以控制铣刀12的轴速。可编程逻辑控制器13传送控制指令经伺服驱动器17放大、调制后，用以开启、关闭及控制主轴电动机101速度。

作为可选择的实施方式，数控内核11也可设有输入/输出(I/O)端口110和通信端口111，例如RS-232串行端口、以太网、USB等等，用以和计算机等其它电子设备相连。

作为可选择的实施方式，普通数控控制系统是一闭环式控制系统，被安装于伺服电机101上可设置若干电机/位置传感器103。电机/位置传感器103监测并向控制器11发送伺服电机101的实时状态。例如，该电机/位置传感器103监测并发送机床10的实时位置信息给数控内核11，发送伺服电机101的实时电流和速度信息给伺服驱动器15，从而数控内核11和伺服驱动器15能够及时调控加工过程。

可编程逻辑控制器13与数控内核11相连，用为执行加工过程中的各种功能144，例如工具更换(换刀)、主轴100的转速控制、工件更换控制、工作液开关控制等等。可编程逻辑控制器13包括一微处理器和储存梯形图程序的存储器。

可编程逻辑控制器13设有模拟输入/输出模块131和数字输入/输出模块132，操作者或用户可对梯形图程序进行修改或拓展。

数控设备1可以提供将程序下载到控制器14的输入设备18和将信号输出给计算机或其他监视设备的输出设备19。

图3所示为电腐蚀加工设备(未标号)对工件3进行电腐蚀加工的示意图。作为本发明的一个实施例，该电腐蚀加工设备的是一台电化学放电加工设备(ECDM)。根据以下的具体实施方式进行适当修改，即可将本发明应用于其他电腐蚀加工设备上。该电化学放电加工设备7是由数控铣床1改进而来，其包括该数控铣床1、与数控铣床1的控制系统交互的ECDM控制器2、ECDM主轴组件4、以及电源5。ECDM主轴4装有进行ECDM加工的电极40。ECDM控制器2存储进行ECDM过程控制的ECDM软件。

电源5向电极40和工件3之间加载直流脉冲电流或直流电流。经由相应的导线，工件3和电极40分别连接至电源5的正极和负极，在其他的实施方式中，该极性亦可与之相反。适合制作电极40进行ECDM操作的材料，可以是石墨等。在本实施例中，电极40为管状。工作液供给装置16提供的工作液流经电极40和工件3之间的工作间隙6。

普通铣床1上原本用来进行普通数控铣削加工的铣刀12，被ECDM主轴组件4所替代。如图4所示，该ECDM主轴组件4包括挡块41，该挡块41设有锁杆410用以将ECDM主轴组件4固持到数控机床10上。ECDM主轴组件4上设有若干将电源5的电流引入的电源连接器42，以及将电源连接器42引入的电流进一步传送到旋转的电极40的固定/旋转电传导装置43(图5)。另外该ECDM主轴组件还没有若干个将工作液传送到电极40的管道45。

参照图4、图5所示，ECDM主轴组件4包括一轴芯46，其尾端与主轴100衔接，并可随主轴100一起旋转。电极40可旋转地连接在轴芯46的前端。在一个实施例中，固定/旋转电传导装置43与轴芯46接触的部分采用了若干个碳刷43，因此电流从电源5(如图3所示)，经电源连接器42、碳刷43、轴芯46传输至电极40。ECDM主轴组件4上设有至少一个供工作液流通的槽47。本实施例中，挡块41上设有与槽47连通的入口411，因此工作液从工作液供给装置16，经管道45、入口411、槽47，流至电极40与工件3之间的工作间隙6。

本发明利用传感器来实时监测和反馈电极40与工件3间工作间隙6的状态。在一个实施例中，电源5有一个电压或电流测量电路(未图示)，用来测量工作间隙6的实时电压或电流信息并将其传送给ECDM控制器2，ECDM控制器2据此产生实时控制参量并控制ECDM加工过程。电源5中的电路可同样包括但不限于：微处理器或其他计算设备、计时器、脉冲发生器、电压比较器以及数据储存装置。

图6所示为一双模式控制系统，为简化说明，其中伺服电机101、电动机/位置传感器103、主轴电动机143、电极40和工件3等，被合并表示为机床10。双模式控制系统由图3所示的数控系统改进而来，在该数控系统中添加了ECDM控制器2和电源5。ECDM控制器2与电源5相连，以控制电源5向电极40和工件3输出的电流或电压。ECDM控制器2同时连接控制器14的数控内核11的输入/输出端口110和通讯端口111以及编程逻辑控制器13的输入/输出端口131。ECDM控制器2向数控内核11和的可编程逻辑控制器13传送ECDM控制指令，例如接触感知、进给倍率修正、提刀/回刀等等。

作为一个实施例，ECDM控制器2为一个独立的通用控制器，可配合不同的数控设备1。图7所示为一双模式控制系统的硬件连接示意图，其中ECDM控制器2采用商用的CompactRIO(cRIO)。cRIO 2结合了一嵌入式实时处理器、一现场可编程门阵列(FPGA)电路以及热插拔输入/输出模块。每个输入/输出模块都与FPGA直接连接，提供计时和输入/输出信号处理的底层定制。FPGA与嵌入式实事处理器之间通过一高速PCI(外设部件互连标准)总线或其他类似方式连接。这代表一种低成本体系结构，能够开放式接入底层硬件资源。CRIO 2设有内置数据传输机制，可以从输入/输出模块传送数据给FPGA，也可从FPGA传送给嵌入式处理器，以进行实时分析、后处理、数据录入或与网络主机通讯。

参照图7所示，该cRIO 2包含模拟输出(AO)模块21、模拟输入(AI)模块22、数字输入(DI)模块23、数字输出(DO)模块24、实时控制模块25和FPGA 26。AO、AI、DI、DO模块21-24有接线终端用于与数控控制器1或电源5通讯。实时控制模块25有接线终端与数控控制器1或电源5通讯。FPGA 26是cRIO 2的信息处理部分，其将工作间隙6的实时电压与/或电流信息转换成实时控制参量。cRIO 2内还包含若干数据总线，用于实现模块21-25之间的内部通讯。

cRIO 2的AI模块22设有与电源5相连接的端口，以从电源5接收工作间隙6的实时电压或电流信息。所述实时电压或电流信息通过cRIO 2内的数据线发送给FPGA 26处理。AI模块22还设有与机床10上的传感器连接的接口，用以接收工作液供给装置16的实时状态信息，包括电导率、温度、压力等等。

cRIO 2的AO输出模块21设有与可编程逻辑控制器13的模拟输入端131连接的接口，以对ECDM加工进行自动进给倍率修正，调整范围为从0至100％、200％或254％，取决于ECDM加工的最大进给率。数控内核11的数控零件加工程序中预置一进给率值F作为参考进给率。在ECDM过程中，若最大倍率设置为100％，模拟输出模块21的最大模拟输出电压为10伏，则倍率OV和实时控制参量V之间的关系为：

OV＝(100％/10)*V，

则实时进给率F’为：

F’＝(100％/10)*V*F.

从而cRIO 2可根据电源5反测的实时工作间隙6的电压，自动修正进给倍率。数控铣床1进行普通铣削加工时，进给倍率可由控制面板18上的手动进给倍率控制旋钮进行手动调节。

cRIO 2的DI模块23与可编程逻辑控制器13的数字输出端105电连接，以从可编程逻辑控制器13接收顺序控制指令，例如参数传送方式、切割模式、刀具接触模式、电源5的开/关等指令。

cRIO 2的DO模块24有终端与数控内核11的数字输入端107连接，对ECDM过程进行接触感知控制。接触感知指的是，在电腐蚀加工过程中的非存储器模式或非自动运行状态下，一旦电极接触工件，机床就立即停止运动并电极40往相反方向回退一段距离，防止损伤电极和工件。接触感知也指在定位直线中点或圆周中心以及测量刀具长度时，机床在电极接触工件时立即停止。在本发明的一个实施例中，在非ECDM切削模式，电极40与工件3相接触时，cRIO立即通过数字输出模块24的端口发送一个接触感知触发信号给数控内核11的数字输入端111。数控内核11实现以上所述功能。

cRIO 2的DO模块24设与可编程逻辑控制器13的数字输入端132电连接的端口，在ECDM切削模式中进行提刀/回刀控制。所谓“提刀/回刀”是指，当电极40与工件3之间形成短路时，停止机床所有轴的运动，同时电极40快速地提升一段距离，并在短时间内返回到到原停止位置，然后恢复所有轴的运动，以实现安全保护的目的。普通数控设备1通常设有“刀具撤退并返回”(TRR)功能，即通过提升刀具12使之离开工件一定距离以检验刀具12和工件的状况，然后返回到原加工位置的功能。FANUNC公司数控设备的TRR功能触发通常储存在可编程逻辑控制器13中，且提刀距离由零件加工程序模块“G10.6 xxx；”模块预先设定，或者由数控内核11的参数设定。而对于西门子公司Sinumerik系列数控设备，此功能通常通过异步中断子程序(ASUBs)或运动同步功能实现。本发明的某些实施例中，电极放电加工过程中，当工作间隙6出现短路，FPGA 26根据电源5读出的工作间隙6的实时电压/电流信息，计算出实时ECDM控制参量，DO模块24向可编程逻辑控制器13发出提刀/回刀控制指令。可编程逻辑控制器13将此指令发送给数控内核11并触发TRR功能。继而电极40提升一预设距离并在短时间内复位至工作状态。

cRIO 2的RT控制模块25设有与数控内核11的RS-232串行端口111相连的端口，用以接收数控内核11中零件加工程序的预设电源参数，例如电流、电压等等。cRIO 2的DO模块24设有与电源5电连接的端口，用以向电源5发送电源参数。

改进型的加工设备1为一双模式加工设备，其包括普通数控加工模式和ECDM模式。在普通数控加工模式模式下，数控设备1在数控控制器14控制下进行普通数控加工。在ECDM模式下，cRIO 2和数控控制器14共同控制数控设备1进行ECDM操作。数控内核11的零件加工程序和可编程逻辑控制器13的梯形图程序都被改进为包括数控加工模式和ECDM模式。

图8为本发明双模式加工过程一个示意性的流程图。当数控设备1开启时，首先确定采取普通数控加工模式或ECDM模式。这可以通过软件或在操作控制面板18来实现。若为普通数控加工模式，则跳过cRIO 2中的ECDM过程，可编程逻辑控制器13和数控内核11都工作在其各自的数控加工模式下，进行普通数控加工。若开始后确定为ECDM模式加工，则可编程逻辑控制器13和数控内核11都处于ECDM模式下，可编程逻辑控制器13通过DI模块21发送加工指令给cRIO 2，继而cRIO 2根据ECDM软件进行电化学放电加工控制。

图9为cRIO 2中ECDM软件的流程图。机床10被开启并确定工作在ECDM模式，cRIO 2从电源5接收工作间隙6的实时电压或电流信息，通过FPGA 26产生实时ECDM控制参量并据此执行ECDM控制，包括接触感知、进给倍率修正、提刀/回刀控制等等。

在某些实施例中，可以采用以太网(个人电脑或触摸屏)等人机接口来发送参数，例如向电源发送脉冲高/低电平持续时间、电流峰值(IP)等参数，向机床10发送进给倍率阀值，同时显示实际进给倍率、电源的正常/短路/开路放电率状态、工作间隙电压的波形等重要参数。

作为本发明的另一个实施例(未图示)，ECDM控制器2可以是一块印刷电路板(PCB)，在该PCB上布置适当的电子元件和线路连接，可达到前述cRIO相似的功能。

作为本发明的又一个实施例(未图示)，ECDM控制器2可以是一台计算机。将一线路板安装在该计算机输入/输出总线上，且计算机通过专用的光纤电缆、输入/输出端口或以太网与数控控制器14联系。

图3所示由普通数控设备1改进而来的加工设备，可用于包括电腐蚀加工过程和普通数控加工过程的复合加工工艺。例如利用该复合加工工艺在叶轮(图中未显示)上打孔时，数控设备1先进行ECDM工艺对叶轮进行粗加工，即数控设备1首先安装带有电极40的ECDM主轴组件4，数控控制器14的数控内核11和可编程逻辑器件13以及ECDM控制器2都工作在ECDM模式。如上文所述，这一过程既可以依照数控控制器1的数控内核11中的零件加工程序进行，也可以通过操作控制面板18进行。电源5从ECDM控制器2接收控制命令并传输电流或电压给电极40和叶轮，使其分别作为阴极和阳极。ECDM控制器2接收工作间隙6的实时状态信息，继而通过发送指令给数控控制器14来控制电化学放电加工过程。数控控制器14根据储存在数控内核11中的数控零件加工程序，通过伺服电机101和主轴电动机101，控制机床10、叶轮以及主轴100的运动。

在上述ECDM加工结束后，数控设备1对叶轮进行普通铣削加工。从机床10上取下ECDM主轴组件4，并将铣刀12安装在主轴100上，铣刀12可由例如高速钢、硬质合金钢、或者含金刚石或CBN(立方氮化硼)涂料的材料等制成。跳过ECDM控制器2中的ECDM软件，电源5亦不工作。数控内核11可编程逻辑控制器13都工作在普通数控加工模式下。数控控制器1根据数控内核11中的零件加工程序，通过伺服电机101和主轴电动机102，控制机床10、叶轮以及主轴100的运动。

虽然结合特定的实施例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims

1.一种电腐蚀加工控制系统，包括：

控制普通数控加工过程的普通数控控制器，该普通数控控制器内存储数控零件加工程序；

为进行电腐蚀加工的电极和待加工工件提供电流或电压的电源；

存储电腐蚀加工软件的电腐蚀加工控制器，其设有端口分别与电源和普通数控控制器可拆卸地连通，以控制电源的输出，以及与普通数控控制器进行信号通讯；以及

检测电极和工件间工作间隙的实时状态信息并发送上述实时状态信息给电腐蚀加工控制器的传感器，电腐蚀加工控制器根据此工作间隙的实时状态信息，通过普通数控控制器自动控制电腐蚀加工过程。

2.如权利要求1所述的电腐蚀加工控制系统，其中普通数控控制器包括数控内核及可编程逻辑控制器，数控内核储存了数控零件加工程序，可编程逻辑控制器储存了梯形图程序。

3.如权利要求1所述的电腐蚀加工控制系统，其中数控控制器包括一刀具撤退并返回(TRR)模块，且其中电腐蚀加工控制器根据工作间隙的实时状态信息，发送提刀/回刀信号给普通数控控制器以触发刀具撤退并返回(TRR)动作。

4.如权利要求3所述的电腐蚀加工控制系统，其中提刀/回刀中的提刀距离参数被写入所述数控零件加工程序中。

5.如权利要求4中的电腐蚀加工控制系统，其中电腐蚀加工控制器发送提刀/回刀信号给数控控制器的可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器传送上述提刀/回刀信号给储存了数控零件加工程序的数控内核。

6.如权利要求1所述的电腐蚀加工控制系统，其中电腐蚀加工控制器根据工作间隙的实时状态信息发送自动进给倍率修正指令给数控控制器。

7.如权利要求6所述的电腐蚀加工控制系统，其中电腐蚀加工控制器在电极接触工件时，发送接触感知触发信号给数控控制器以使电极停止运动并撤回一段距离。

8.如权利要求1所述的电腐蚀加工控制系统，其中普通数控控制器和电腐蚀加工控制器分别有普通数控加工模式和电腐蚀加工模式两种模式。

9.如权利要求1至8中任何一项所述的电腐蚀加工控制系统，其中所述传感器为电源中检测工作间隙实时状态的电压或电流测量电路，电腐蚀加工控制器根据工作间隙实时电压或电流来控制电腐蚀加工过程。

10.如权利要求9所述的电腐蚀加工控制系统，其中电腐蚀加工控制器包括现场可编程门阵列电路，用以将工作间隙的实时电压转换成电腐蚀控制参量。

11.一种双模式加工控制系统，包括：

储存电腐蚀加工软件的电腐蚀加工控制器，其设有端口；

与所述电腐蚀加工控制器可拆卸地相连通的数控控制器，数控控制器储存数控零件加工程序，数控控制器包括普通数控加工模式和电腐蚀加工模式，在普通数控加工模式，数控控制器控制普通数控设备进行普通数控加工；在电腐蚀加工模式下，电腐蚀加工控制器运行电腐蚀加工软件并通过所述数控控制器发送电腐蚀加工指令以控制所述普通数控设备进行电腐蚀加工。

12.如权利要求11所述的双模式加工控制系统，其中所述电腐蚀加工控制器控制电源，使其向电极和待加工工件加载电流或电压。

13.如权利要求11所述的双模式加工控制系统，其中该双模式控制系统进一步包括检测电极和待加工工件间工作间隙实时状态的传感器。