CN102728915B - 适用于圆周方向均布曲面结构的同步数控加工方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种利用同步运动控制机构及其控制下的线状或带状工具或电极实现叶轮、叶片高效套料开槽加工的方法及装置，所述的工具电极在必要时可在该机构作用下产生所需要的变形且变形量随加工过程不断变化，可与电解、电火花等加工技术结合应用。包括以下技术特征：根据工件曲面轮廓，设计加工工具或电极加工区段的位置及姿态。通过同步机构控制工具或电极夹持端的位置及方向，使工具或电极加工段形成特定的曲线形态加工零件。同步机构控制装置可控制工具或电极实现曲线形态及空间位置的改变，实现各种空间复杂曲面的线切割加工。同步机构控制装置控制一组工具或电极同时电解切割多个叶片，大大提高生产效率。

Description

适用于圆周方向均布曲面结构的同步数控加工方法及装置

技术领域

本发明涉及一种利用同步运动控制机构及其控制下的线状或带状工具或电极实现叶轮、叶片高效套料开槽加工的方法及装置，所述的工具电极在必要时可在该机构作用下产生所需要的变形且变形量随加工过程不断变化，可与电解、电火花等加工技术结合应用。

背景技术

随着汽车以及航天工业的发展，空间复杂曲面加工越来越成为加工行业的重点及难点。例如叶片、整体叶轮、涡轮等各类空间复杂曲面零件。这类零件大多工作在高温、高压。高转速条件下，选用材料多为难切削材料，再加上叶轮、涡轮等为整体结构，带有几十至数百片复杂型面叶片，其加工一直为制造业中的难点。

精密铸造、五坐标数控铣削、电解加工在整体叶轮加工中已经得到较多的应用。铸造方法生产效率高，精度较高，但受到材料可铸性及强度的限制，废品率较高，生产过程复杂。五坐标数控铣削柔性好，生产周期短，但生产效率低，对薄壁件容易产生变形，特别对窄通道类型的整体叶轮，加工很难进行。

电解加工以其加工过程中无切削力、无变形、生产效率高等优点得到广泛应用。电解加工叶轮的方法很多，电解套料是比较成熟的方法，生产率高，表面质量好，可加工薄壁件，无变形，但只能加工等截面叶片整体叶轮。机械靠模电解可加工变截面扭曲叶片整体叶轮，但一种叶轮加工对应一种仿型夹具，设计、制造、调整的工作量大，加工柔性很差，生产准备周期长。数控电解加工是一种较新的加工技术，可加工各种难切削金属材料的复杂构件、薄壁件，加工柔性好，综合发挥了数控技术及电解加工两者的技术优点。

美国GE公司、英国R．R公司等采用了以成型或近成型阴极进行多坐标数控送进运动的加工方式，电解加工先进航空发动机的大直径整体叶轮及难切削材料制成的复杂形状的薄壁整体机匣。

南京航空航天大学机电学院徐家文等对多种规格断面变化小的整体叶轮,采用数控展成电解工艺。根据被加工曲面轮廓，设计专用的最佳渐近近似成形阴极。加工时通过电极的展成进给与平面摆动，以多轴联动包络轨迹形成叶片型面,能一次进给去除通道大部分余量,手工抛光达精度要求,工艺方法适应性强、生产率高、表面质量好。该加工方法仍处于试验研究阶段，暂未推广到大规模生产。

电解加工以其加工过程中无切削力、无变形、生产效率高等优点得到广泛应用。但目前应用的叶轮电解加工仍有其缺点。电解加工所用的加工工具为电解电极，包括有：成型电极、近成型电极、非成型电极。这些加工工具在加工时均为固定的形状，使用时各有其缺点。使用成型电极和近成型电极加工，设计、制造、调整的工作量大，加工柔性很差，生产准备周期长。使用非成型电极则加工效率较低。且目前的曲面加工的电解加工方法均为腐蚀性加工，去除的大量工件材料进入电解液，不符合绿色环保理念。

现有的整体叶轮加工方法均为逐个加工各个叶片，加工效率较低。加工中所使用的加工工具有刀具，磨具，电解电极等。这些加工工具在加工过程中均为固定形状。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用同步运动控制机构及其控制下的线状或带状工具或电极实现叶轮、叶片高效套料开槽加工的方法及装置，可与电解、电火花等加工技术结合应用，所述的工具电极在必要时可在该机构作用下产生所需要的变形且变形量随加工过程不断变化。

本发明采用的技术方案的特征包括：通过电极同步控制单元夹持一组工具或电极，并可以控制其两端的多个自由度，使工具或电极的加工段形成特定的曲线形态加工零件。所述的工具电极沿圆周向均匀分布，加工过程中，电极同步控制单元可控制一组工具或电极同时实现曲线形态或空间位置的改变，实现各种空间复杂曲面的线切割加工，并可同时加工沿圆周均布的多个曲面，大大提高生产效率。

所述工具或电极，加工段两端夹持在上下控制杆的顶端，在一定范围可改变形状。工具或电极截面可为圆形、矩形、或其它类似可用简单结构组合出的形状，必要时工具内部可设通液孔道。加工过程中，工具或电极可切割工件，使得仅有少量工件材料损耗（溶入电解液），有利于金属材料和电解液的循环利用，较传统电解加工更加绿色环保。

所述电极同步控制单元分为上下两个对称结构，分别控制工具或电极加工段两端的五个自由度，电极同步控制单元下由控制杆后端同步驱动模块、控制杆前端同步驱动模块、控制杆组成。控制为一组沿圆周均匀分布的杆，每一根控制杆的上端都夹持一根工具或电极的一端。控制杆后端同步驱动模块、二分别控制控制杆上下端在径向、圆周向、轴向的位置。通过确定控制杆上下端两点的位置即可确定控制杆在空间的位置及方向。

所述控制杆后端同步驱动模块设有伺服电机一控制垂直方向运动传动机构，垂直方向运动传动机构具有丝杆传动副，其中丝杆即为轴一，固定在机匣底座上，螺母与所述伺服电机一连接，螺母通过一转台轴承连接滑动座。伺服电机一带动螺母转动，可推动滑动座沿轴一上的花键上下移动。

所述滑动座上设有伺服电机二、伺服电机三和XY向并联传动机构。该XY向并联传动机构具有一直线导轨移动副和一平面螺纹传动副。伺服电机二控制一径向导轨圆盘，沿圆周均匀分布若干径向直线导轨，每条导轨内有相应的作动器。该圆盘由两个半圆拼装而成，便于安装，可根据待加工工件沿圆周均布的曲面数量而替换成相应数量导轨的圆盘。控制杆后端同步驱动模块的作动器外端与控制杆下端通过球销副连接，球销副限制控制杆下端的位置移动以及沿自身轴向的转动，使控制杆可实现另两个方向的自由转动。作动器上端面有突起，通过突起与一螺纹圆盘连接。伺服电机三可控制螺纹圆盘转动。

当伺服电机二和伺服电机三以相同速度相同方向一起转动，驱动螺纹圆盘和径向导轨圆盘一起转动，夹在两圆盘中间的作动器也以相同速度相同方向跟着转动。且由于是对称均匀分布，每块作动器转动量相同。控制杆后端同步驱动模块的作动器外端与控制杆下端由球销副连接，作动器驱动控制杆下端随之沿圆周转动，同样每一根控制杆的运动量相同。当第三伺服电机和第二伺服电机存在速度差时，螺纹圆盘16相对径向导轨圆盘18转动，作动器受螺纹驱动，沿径向直线导轨做直线运动，带动控制杆后端做径向直线运动。

所述控制杆前端同步驱动模块结构与控制杆后端同步驱动模块相似，不同之处仅在于作动器外端设有关节轴承，控制杆上端穿过轴承内圈，可实现三个方向的自由转动，以及沿杆自身轴向的移动。

所述控制杆后端同步驱动模块、二分别控制一组作动器在径向、圆周向、轴向的运动。作动器与控制杆上下端连接，带动控制杆上下在径向、圆周向、轴向方向的运动。通过确定控制杆上下端两点的位置即可确定控制杆在空间的位置及方向。控制杆顶端设有夹持机构夹持工具或电极一端。确定控制杆在空间的位置及方向即确定了工具或电极的一端在空间的位置及方向。

加工时，通过控制工具或电极夹持端在多个自由度上的移动和转动，控制工具或电极呈不同的曲线形态，且实现在加工过程中曲线形态的连续变化。

根据本发明的一个方面，提供了一种曲面结构同步数控加工装置，其特征在于包括：

下电极同步控制单元，用于确定至少一根电极丝的下端的位置；

上电极同步控制单元，用于确定所述至少一根电极丝的上端的位置，

其中，在曲面结构的数控加工中，通过改变电机丝的位置和/或形状可加工出所需的工件曲面。

附图说明

图1是曲线电解机床的结构示意图。

图2是工件装卸示意图。

图3是结构示意图。

图4是结构图。

图5是爆炸图。

图6是机构简图。

标号说明：

1是液压缸，2是机匣，3是电极同步控制单元上，4是电极丝，5是电极同步控制单元下，6是轴一，7是工件安装台，8是工件（叶轮），9是顶尖，10是轴二。

11是控制杆前端同步驱动模块，12是控制杆组，13是控制杆后端同步驱动模块。

14是滑动座，15-1是伺服电机三转子，15-2是伺服电机三定子，16是螺纹圆盘，17是作动器，18是导轨圆盘，19-1是伺服电机二转子，19-2是伺服电机二定子，20-1是伺服电机一转子，20-2是伺服电机一定子，21是转台轴承。

22是水平方向运动传动机构，23是垂直方向运动传动机构。

24是曲线电极，25是控制杆前端同步驱动模块的作动器，26是控制杆后端同步驱动模块的作动器，27是关节轴承，28是球销副。29是活塞杆，30是螺母。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的实施例。

图1为根据本发明的一个实施例的形状可变曲线电极电解机床的结构示意图。机匣2顶部安装一个液压缸1。机匣2上固连轴一6，轴一6为丝杆花键轴，与下电极同步控制单元5连接；轴一6上端安装有工件安装座7。轴二10同样是丝杆花键轴，与上电极同步控制单元3连接，轴二10下端安装有顶尖9。在图1的示例中，加工工件8为一具有多片（如12片）叶片的整体叶轮，安装在工件安装座7和顶尖9之间。

如图2和图1所示，液压缸1通过带动活塞杆29上下移动控制顶尖9沿轴二10方向上下运动，可实现工件8的装卡和定位。上、下电极同步控制单元3和5控制两组控制杆12（见图3）在空间五个自由度的运动。每一组控制杆12控制电极丝4的一端在空间的位置及方向。通过两组控制杆12分别控制电极丝4两端的位置和方向，从而控制电机丝4的位置及曲线形状。在电解加工过程中，改变电机丝4的位置及形状可加工出复杂的空间曲面。

阴极电极丝4采用带状电解电极丝。将电极丝4两端夹持在上下控制杆12（见图3）的顶端。且沿圆周均匀分布，受上、下电极同步控制单元3、5的驱动，每个电极丝4沿圆周做中心对称的运动，同时电解切割叶片，大大提高生产效率。本实施例中，一组电极丝4的数目与叶轮8的叶片数目相同（如为12个），可同时加工多个叶片（如所有叶片，例如12个叶片），大大缩短了加工时间，生产效率的提高非常可观。加工过程中，带状阴极电极丝4电解切割工件8，仅有少量工件材料溶入电解液，有利于金属材料和电解液的循环利用，较传统电解加工更加绿色环保。

所述上、下电极同步控制单元3、5为对称结构，现以电极同步控制单元下5为例，说明其结构及工作原理。图3为根据本发明的一个实施例的电极同步控制单元的结构图。如图3，下电极同步控制单元5包括控制杆后端同步驱动模块13、控制杆前端同步驱动模块11、多个控制杆12。多个控制杆12为一组沿圆周均匀分布的杆12，每一根控制杆12的上端都夹持一根电极丝4（见图1）的一端。控制杆后端同步驱动模块13、控制杆前端同步驱动模块11分别与控制杆12上的不同位置连接，从而驱动所述控制杆12的上、下端在X（径向）、Y（圆周向）、Z（轴向）方向的运动。通过确定控制杆12上、下端两点的位置即可确定控制杆12在空间的位置及方向。

图6是电极同步控制单元（3和5）的机构简图。如图6所示，控制杆后端同步驱动模块13的作动器26的外端与控制杆12的下端通过球销副28连接，球销副28限制控制杆12的下端的位置移动以及沿控制杆12自身轴向的转动，使控制杆12可实现另两个方向的自由转动。

如图6所示，控制杆前端同步驱动模块11的作动器25外端装有关节轴承27，控制杆12穿过关节轴承27的内圈，可实现三个方向的自由转动，以及沿杆自身轴向的移动。如图3所示，控制杆后端同步驱动模块11、二13分别控制控制杆12的上、下端在X（径向）、Y（圆周向）、Z（轴向）方向的位置。通过确定控制杆12上、下端两点的位置即可确定控制杆12在空间的位置及方向。

所述控制杆后端同步驱动模块、二结构相似，现以控制杆后端同步驱动模块13为例说明其结构。图4a至图4d为根据本发明的一个具体实施例的控制杆后端同步驱动模块结构图。其中图4d为根据该实施例的控制杆后端同步驱动模块的立体图，图4a为根据该实施例的控制杆后端同步驱动模块的正视图，图4b为根据该实施例的控制杆后端同步驱动模块的右视半剖面图，图4c为根据该实施例的控制杆后端同步驱动模块的俯视图。控制杆同步驱动模块图5a和5b是根据该实施例的控制杆同步驱动模块不同方向的爆炸视图。如图4a至图4d和图5a和5b所示，伺服电机一（包括伺服电机一转子20-1和定子20-2）控制垂直方向运动传动机构23，垂直方向运动传动机构23包括轴一6和滑动座14，轴一6固定在机匣2（见图1）上，滑动座安装在轴一6上，螺母30安装在轴一6上。伺服电机一转子20-1与螺母30固定，伺服电机一定子20-2固定在滑动座上，伺服电机一转子20-1通过转台轴承21与伺服电机一定子20-2连接。

滑动座伺服电机一的转子20-1沿轴一6转动，带动螺母30转动并沿轴一6上的螺纹上下移动，可推动滑动座14沿轴一6上的花键上下移动。所述滑动座14上设有伺服电机二（包括伺服电机二转子19-1和定子19-2）、伺服电机三（包括伺服电机三转子15-1和定子15-2）和XY向并联传动机构22。伺服电机二定子19-2和伺服电机三定子15-2固定安装在滑动座14上。伺服电机二的转子19-1和定子19-2通过转台轴承21连接。伺服电机三的转子15-1和定子15-2通过转台轴承21连接。XY向并联传动机构22具有一直线导轨移动副和一螺纹传动副；其中，直线导轨移动副包括径向导轨圆盘18和作动器17，螺纹传动副包括螺纹圆盘16和作动器17。伺服电机二（19-1、19-2）控制径向导轨圆盘18，该圆盘沿圆周均匀分布若干径向直线导轨，每条导轨内有相应的作动器17。

根据一个具体实施例，径向导轨圆盘18由两个半圆拼装而成，便于安装，并可根据待加工工件8沿圆周均布的曲面数量而替换成相应数量导轨的圆盘。作动器17上端面有突起，通过突起与螺纹圆盘16连接。伺服电机三控制螺纹圆盘16转动。

当伺服电机二和伺服电机三以相同速度相同方向一起转动，驱动了螺纹圆盘16和径向导轨圆盘18一起转动，夹在两圆盘中间的作动器17也以相同速度相同方向跟着转动。且由于是对称均匀分布，每块作动器17转动量相同。控制杆后端同步驱动模块作动器驱动所述控制杆12（见图3）下端随之沿圆周转动，同样每一根控制杆的运动量相同。

当伺服电机三的转子15-2和伺服电机二的转子19-2存在速度差时，螺纹圆盘16相对径向导轨圆盘18转动，作动器17受螺纹驱动，沿径向直线导轨做直线运动，带动控制杆12（见图3）下端做径向直线运动。

如图6所示为一对控制杆12、12’控制一曲线电极24。该对控制杆12、12’各自的第一端分别在C、C’点处分别通过球销副28、28’与控制杆后端同步驱动模块的作动器26、26’分别连接，在D、D’处控制杆12、12’分别穿过球面轴承27、27’与控制杆前端同步驱动模块的作动器25、25’连接。控制杆后端同步驱动模块13、二11控制C、D点在X（径向）、Y（圆周向）、Z（轴向）方向运动（见图3），从而确定在这两点在空间的位置（C’、D’也同样受到控制）。设C点空间位置为（x1,y1,z1）,D点（x2,y2,z2）。在此时刻，杆在空间的位置用A点的位置（x0,y0,z0）和

方向向量（α，β，γ）表示。

加工工件时，分析被加工工件的曲面计算出某一加工时刻电极丝24曲线形状，从而计算出此时电极丝24两端的位置及方向为A（x0,y0,z0）、BA（α，β，γ）。从而计算出C、D点应达到的位置。计算方法如下：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=x_0-L\·a+a_1\\ y_1=y_0-L\·b+b_1\\ z_1=z_0-L\·c+c_1\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{x}_2=x_1-1/3L\·a\\ y_2=y_1-1/3L\·b\\ z_2=z_1-1/3L\·c\end{array}\right.$

其中Ｌ为杆长，即ＣＥ的长度。（a₁,b₁,c₁）为ＡＥ向量，可有下式求得：

$\left\{\begin{array}{c}a\·a_1+b\·b_1+c\·c_1=0\\ a\·b_1+b\·a_1=0\\ a_1^2+b_1^2+c_1^2=L_1^2\end{array}\right.$

其中L2为AE长度。

C’、D’点的计算同理。

当确定了上、下两根控制杆12’、12的位置，即确定了电极丝24的位置及形状。下一时刻再根据工件曲面计算出的电极丝24曲线位置及形状，计算控制杆12上C、D、C’、D’点位置。

实际加工时，通过控制电机转动量控制上述各点的位置。以机匣2底座中心为原点，轴向向上为Z轴建立直角坐标系，设某一时刻控制杆12上C点位置为（x,y,z），目标坐标为（x’,y’,z’）。则控制该点的控制杆同步驱动模块的三个电机转动量计算如下：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_1=(z^{\′}-z)/d_1\\ r_2=(\arctan \frac{x^{\′}}{y^{\′}}-\arctan \frac{x}{y})/2\mathrm{\π}\\ r_3=(\sqrt{x^{\′2}+y^{\′2}}-\sqrt{x^2+y^2})/d_2\end{array}\right.$

其中，d₁为伺服电机一转子20-1的螺距，d₂为伺服电机三控制螺纹圆盘16的螺距。r₁为伺服电机一的转数，r₂为电机二、电机三一起转动的转数，r₃为电机三单独转动的转数。

以上描述的实施例是为了说明本发明，而非为了限定本发明。发明的范围由所附加的权利要求的范围限定。

Claims (6)

1.曲面结构同步数控加工装置，其特征在于包括：

下电极同步控制单元（5），用于确定至少一根电极丝（4）的下端的位置；

上电极同步控制单元（3），用于确定所述至少一根电极丝（4）的上端的位置，

其中，在曲面结构的数控加工中，通过改变电极丝（4）的位置和/或形状可加工出所需的工件曲面，

被设置在所述下电极同步控制单元（5）上的第一控制杆（12），

被设置在所述上电极同步控制单元（3）上第二控制杆（12’），

所述第一控制杆（12）的第一端与一个第一球销副（28）相连，所述第一控制杆（12）的第二端与一根所述电极丝（4）的第一端相连，

所述第二控制杆（12’）的第一端与一个第二球销副（28’）相连，所述第二控制杆（12’）的第二端与所述一根电极丝（4）的第二端相连，

所述第一控制杆（12）穿过一个第一球面轴承（27），

所述第二控制杆（12’）穿过一个第二球面轴承（27’）。

2.根据权利要求1所述的曲面结构同步数控加工装置，其特征在于：

下电极同步控制单元（5）被设置在第一轴（6）上，上电极同步控制单元（3）被设置在第二轴（10）上，可分别控制第一控制杆（12）和第二控制杆（12’）的六个自由度，

所述第一轴（6）和第二轴（10）是丝杆花键轴，

下电极同步控制单元（5）包括控制杆后端同步驱动模块（13）和控制杆前端同步驱动模块（11），上电极同步控制单元（3）和下电极同步控制单元（5）结构相同，呈镜像对称布置。

3.根据权利要求2所述的曲面结构同步数控加工装置，其特征在于

所述控制杆前端同步驱动模块和控制杆后端同步驱动模块都包括由第一伺服电机控制的实现球销副或球面轴承垂直方向运动的垂直方向运动传动机构和由第二、第三伺服电机控制的实现球销副或球面轴承水平方向运动的水平方向运动传动机构，

控制杆后端同步驱动模块的作动器（26、26’）与球销副（28、27’）连接，

控制杆前端同步驱动模块的作动器（25、25’）与球面轴承（27、27’）连接，

控制杆前端同步驱动模块和控制杆后端同步驱动模块可以分别控制球销副和球面轴承沿三个自由度的运动。

4.根据权利要求3所述的曲面结构同步数控加工装置，其特征在于：

垂直方向运动传动机构包括螺母（30）、滑动座（14），在第一伺服电机的控制下，螺母沿所述第一轴（6）和第二轴（10）中相应的一个的花键丝杆转动，推动所述控制杆前端同步驱动模块或控制杆后端同步驱动模块沿所述花键丝杆的轴向移动。

5.根据权利要求3所述的曲面结构同步数控加工装置，其特征在于：

水平方向运动传动机构，

包括径向导轨圆盘（18）、螺纹圆盘（16）和作动器（17），

其中径向导轨圆盘（18）带有沿圆周均匀分布若干径向直线导轨，作动器（17）安装在导轨内，螺纹圆盘（16）带有端面螺纹，作动器（17）上端面有突起，与所述端面螺纹啮合，

第二伺服电机驱动所述径向导轨圆盘（18）的转动，第三伺服电机驱动所述螺纹圆盘（16）的转动，

当第二伺服电机和第三伺服电机以相同速度相同方向一起转动，驱动了螺纹圆盘（16）和径向导轨圆盘（18）一起转动，夹在两圆盘中间的作动器（17）也以相同速度相同方向跟着转动，当第三伺服电机和第二伺服电机存在速度差时，螺纹圆盘（16）相对径向导轨圆盘（18）转动，作动器（17）受螺纹驱动，沿径向直线导轨做直线运动。

6.根据权利要求1所述的曲面结构同步数控加工装置，其特征在于包括沿着圆周设置的多对第一控制杆（12）和第二控制杆（12’），用于分别设置和控制多个电极丝（4），从而实现多个对象的同步加工。

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