CN104972183A - 机器人高速柔性放电加工方法 - Google Patents

Abstract

一种电弧放电加工领域的机器人高效柔性放电加工方法，通过机器人多关节空间柔性目标运动保持工具电极工作区域与工件待加工区域的稳定放电加工间隙，工作液供液系统通过中空工具电极为加工间隙提供具有一定压力及流量的工作液，放电电源正极接工件、负极接工具电极，为放电间隙提供直流或脉冲直流，通过击穿加工间隙中的工作液在间隙中形成电弧放电，通过机器人终端带动工具电极在预定进给路径下运行，可以实现对目标型面的高效柔性加工。本发明可实现具有机器人优势的低成本、高柔性、占地面积小特征和具有电弧放电加工高效性特征的机器人高效柔性放电加工方法，该方法尤其适合于需要大量材料去除的复杂曲面及型腔的高效加工。

Description

机器人高速柔性放电加工方法

技术领域

本发明涉及的是一种放电加工技术领域的加工方法，具体是一种利用机器人进行高速柔性放电加工的方法。

背景技术

实现对金属材料特别是钛合金、高温合金等难加工材料进行具有高效、柔性、低成本特征的加工一直是工程加工领域的努力方向。传统机械加工方法虽然可实现相对高效的加工效果，但其高效加工效果是以高昂的刀具成本为代价的，特别是在加工难加工材料时。与机加工不同，采用电弧进行放电加工具有非接触式加工的优点，工具电极成本低廉，且因放电过程可传导上万安培的高能放电电流，可实现与机加工相媲美高效加工效果，但同时也会造成粗糙的加工表面质量，因此这些方法一般用于以材料去除为目的的粗加工过程。是当前工业界认可并全力发展的一种高效加工难加工材料的有效手段。

在这一工业环境下，形成了多种基于电弧放电的高效加工方法。CN 102091839A中涉及了集束电极高速放电加工方法，通过机床主轴下沉运动带动工具电极相对工件加工表面的垂直运动完成电极对工件的拷贝加工。专利CN 1693024A中公开的分布式电弧电蚀加工方法及专利CN1397399A中公开的采用简单中空长电极进行高效铣削放电加工的方法，均是通过数控机床的多轴联动来实现工具电极相对工件的空间目标运动来实现加工的。但是由于受到传统机加工及电加工思想的束缚，这些已有方法都是基于机床本体的主轴运动来实现加工过程的。一方面，机床可实现的加工精度远超过电弧放电加工的工艺精度，造成“杀鸡用牛刀”的效果；另一方面，机床的加工柔性与机床的主轴数量成正比，高柔性加工性能的机床的预示着机床的高成本。由上可知，采用机床实现电弧放电加工，会使电弧加工工艺本身的优势大打折扣，特别地，在采用多轴数控机床实现空间曲面铣削加工时，这些差异体现的尤为显著。

弥补现有高效电弧放电加工技术的不足，进一步拓展适合其特点的实现方式，正是推广高效放电加工技术工程化的意义所在。

发明内容

工业机器人相对于机床具有成本低、柔性大、占地面积小的优点，但具有加工精度较低，承载能力较差的劣势，致使无法替代传统机加工、电加工用机床载体。

电弧放电加工属于非接触式加工，加工负载主要来源于工具电极自重，对加工载体机械的承载要求低；此外电弧放电加工主要适用于粗加工过程，对加工载体机械的精度要求较低。

根据机器人与电弧放电加工的上述特征，相对于传统机床，机器人成本低廉，且能满足电弧放电加工精度要求及承载能力要求，更适合电弧放电加工。为此本发明提供一种“机器人高效柔性放电加工方法”，即利用机器人作为电弧放电加工载体机械，实现具有机器人优势的低成本、高柔性、占地面积小特征和具有电弧放电加工高效性特征的机器人高效柔性放电加工方法，该方法尤其适合于需要大量材料去除的复杂曲面及型腔的高效加工。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明首先将中空工具电极与机器人终端固定连接，将电极端口与工作液供液系统固定连接，加工工件固定于工作台上，通过机器人多关节空间柔性目标运动保持工具电极工作区域与工件待加工区域的稳定放电加工间隙，工作液供液系统通过中空工具电极自其端口以内冲液方式及或通过工作液系统自身端口以侧面外冲液方式为加工间隙提供具有一定压力及流量的工作液，通过工作液供液系统、工具电极、加工间隙形成冲液回路，放电电源正极接工件、负极接工具电极，为放电间隙提供直流或脉冲直流，通过击穿加工间隙中的工作液在间隙中形成电弧放电，使得加工间隙、工具电极、工件、放电电源之间形成放电回路，在冲液回路、放电回路共同作用下通过机器人终端带动工具电极在预定进给路径下运行，可以实现对目标加工型面的高效柔性加工。

所述的中空工具电极是指：可以是管状电极也可以是成形电极，具有进、出液端口，可使工作液自进液端口进入，通过其中空结构，最终从出液端口流入极间，实现目标型面加工的工具。

所述的机器人是指：能够模拟人的手、臂的部分动作，按照预定的程序、轨迹及其它要求，完成目标作业的机电一体化自动化装置。

所述的工作液供液系统是指：对加工过程提供一定压力及流量的可用工作液，对使用过的工作液具有回收过滤再利用的工作液循环系统。

所述的目标运动是指：机器人各关节依据加工路径动作并对终端实现有目的的预设运动。

所述的电源系统是指：提供电压值为25V-120V，峰值电流为50A-10000A的直流电源。

所述的电源系统或者是指：提供脉冲宽度与脉冲间隔范围分别为20μs-20ms，峰值电压值范围为25V-120V，峰值电流为50A-10000A的脉冲电源。

所述的工作液是指：水基工作液，如切削乳化液、民用自来水（电导率为125~1250μS/cm）。

所述的冲液回路是指：工作液供液系统为加工间隙内提供具有0.05MPa及以上的压力、0.05L/min 及以上的流量的流动工作液，保证极间稳定的电弧放电加工过程。

所述的放电回路是指：电源系统在工具电极及工件加工间隙上施加可击穿放电间隙的开路电压，当间隙击穿后在极间维持具有设定量大小的放电电流的等离子体通道，保证极间形成电弧放电加工过程。

本发明的有益效果在于：利用机器人代替机床作为电弧放电加工的载体机械，实现具有机器人优势的低成本、高柔性、占地面积小特征和具有电弧放电加工高效性特征的机器人高效柔性放电加工；配合工作转台可在机器人高柔性基础上进一步扩充加工柔性；针对机器人占地面积小的特点，可采用多个机器人组成机器人阵列，在扩充加工柔性的基础上进一步提高整体加工效率，实现高柔性、高效加工的机器人阵列放电加工，这些是技术背景中所介绍的已公开的以传统机床为载体机械的电弧加工方法在低成本前提下所无法实现的。

附图说明

图1为机器人放电加工作业示意图。

图2为6自由度机器人加2自由度工作台组成的8自由度放电加工球面特征作业示意图。

图3为三个6自由度机器人组成的机器人阵列放电加工多型面特征作业示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例应用环境包括：中空工具电极1、工件2、机器人3、工作台4、放电电源5、工作液供给系统6，其中：首先将中空工具电极1与机器人3终端固定连接，将电极1端口与工作液供液系统6供液端固定连接，加工工件2固定于工作台4上，通过机器人3多关节空间柔性目标运动保持工具电极1工作区域与工件2待加工区域的稳定放电加工间隙，工作液供液系统6通过工具电极1中空结构为加工间隙提供具有一定压力及流量的工作液，通过工作液供液系统6、工具电极1、加工间隙形成冲液回路，放电电源5正极接工件2、负极接工具电极1，为放电间隙提供直流或脉冲直流，通过击穿加工间隙中的工作液在间隙中形成电弧放电，使得加工间隙、工具电极1、工件2、放电电源5之间形成放电回路，在冲液回路、放电回路共同作用下通过机器人3终端带动工具电极1在预定进给路径下运行，可以实现对目标加工型面的高效柔性加工。

实施例1

6自由度机器人加2自由度工作台组成的8自由度放电加工球面型面，如图2所示。实施例中机器人3采用6自由度机器人，工件2固定于2自由度工作转台4上，采用中空管状工具电极1，通过分层铣削的方式，使机器人及工作转台按照预设路径进行8自由度的目标进给完成加工。其中电极1长200mm，外径为25mm，内径为8mm，材料为石墨，工件2材料为高温合金（GH4169）。电源参数为：峰值电压60V、峰值电流550A、脉冲宽度2000μs以及脉冲间隔100μs。工作液为自来水，工作液压力为1.5MPa， 流量为5L/min。在上述工艺条件下，通过机器人3终端按照分层铣削路径带动工具电极1相对工件2代加工区域的目标运动，实现了高速、稳定的电弧加工过程，材料去除率可高达4990mm3/min，并且能够使电极相对损耗比保持在2.5%以下的较低损耗水平。

实施例2

三个6自由度机器人组成的机器人阵列放电加工多型面特征作业，如图3所示。实施例中工件2固定于工作转台4上，三个机器人3均采用6自由度机器人，并按照120度间隔均匀分布于工作台周向，三根中空管状工具电极1分别于三个机器人终端相连，各自按照预设路径通过分层铣削的方式进行6自由度的目标进给独立完成目标型面特征加工。其中电极1长200mm，外径为25mm，内径为8mm，材料为石墨，工件2材料为钛合金（TC4），加工特征分别为矩形、柱形及球面。电源参数为：峰值电压60V、峰值电流500A、脉冲宽度2000μs以及脉冲间隔100μs。工作液为自来水，工作液压力为1.5MPa， 流量为5L/min。在上述工艺条件下，电弧加工过程稳定，电极相对损耗比保持在2.5%以下，三个机器人获得的材料去除率均高达4830mm3/min，总材料去除率则三倍于单一机器人的加工效率，及约为14500mm3/min，并且实现了对三种特征的同时加工。相对于单一机器人放电加工，阵列机器人放电加工即进一步提升了加工效率，又进一步增加了系统的柔性。

尽管此处已经对被认为是本发明的优选和典型的实施例进行了描述，但本领域的技术人员通过此处的教导应该易于理解本发明的其他变形。因此，所希望的是确保在所附技术方案中所有这些变型都落入本发明的真实精神和范围内。

Claims (11)

1.一种机器人高效柔性放电加工方法，其特征是，利用机器人作为电弧放电加工载体机械，实现具有电弧放电加工高效性特征的机器人高效柔性放电加工方法，首先将中空工具电极与机器人终端固定连接，将电极端口与工作液供液系统固定连接，加工工件固定于工作台上，通过机器人多关节空间柔性目标运动保持工具电极工作区域与工件待加工区域的稳定放电加工间隙，工作液供液系统通过工具电极中空结构自其端口以内冲液方式及或通过工作液系统自身端口以侧面外冲液方式为加工间隙提供具有一定压力及流量的工作液，通过工作液供液系统、工具电极、加工间隙形成冲液回路，放电电源正极接工件、负极接工具电极，为放电间隙提供直流或脉冲直流，通过击穿加工间隙中的工作液在间隙中形成电弧放电，使得加工间隙、工具电极、工件、放电电源之间形成放电回路，在冲液回路、放电回路共同作用下通过机器人终端带动工具电极在预定进给路径下运行，可以实现对目标加工型面的高效柔性加工。

2.根据权利要求1所述的机械人高效柔性放电加工方法，其特征是，所述的机器人是指：能够模拟人的手、臂的部分动作，按照预定的程序、轨迹及其它要求，完成目标作业的机电一体化自动化装置。

3.根据权利要求1所述的机械人高效柔性放电加工方法，其特征是，所述的载体机械是指：单个机器人或由一个以上机器人所组成的机器人阵列。

4.根据权利要求1所述的机械人高效柔性放电加工方法，其特征是，所述的中空工具电极是指：可以是管状电极也可以是成形电极，具有进、出液端口，可使工作液自进液端口进入，通过其中空结构，最终从出液端口流入极间，实现目标型面加工的工具。

5.根据权利要求1所述的机械人高效柔性放电加工方法，其特征是，所述的工作液供液系统是指：对加工过程提供一定压力及流量的可用工作液，对使用过的工作液具有回收过滤再利用的工作液循环系统。

6.根据权利要求1所述的机械人高效柔性放电加工方法，其特征是，所述的目标运动是指：机器人各关节依据加工路径动作并对终端实现有目的的预设运动。

7.根据权利要求1所述的机械人高效柔性放电加工方法，其特征是，所述的电源系统是指：提供电压值为25V-120V，峰值电流为50A-10000A的直流电源。

8.根据权利要求1所述的机械人高效柔性放电加工方法，其特征是，所述的电源系统或者是指：提供脉冲宽度与脉冲间隔范围分别为20μs-20ms，峰值电压值范围为25V-120V，峰值电流为50A-10000A的脉冲电源。

9.根据权利要求1所述的机械人高效柔性放电加工方法，其特征是，所述的工作液是指：水基工作液，如切削乳化液、民用自来水（电导率为125~1250μS/cm）。

10.根据权利要求1所述的机械人高效柔性放电加工方法，其特征是，所述的冲液回路是指：工作液供液系统为工具电极及工件加工间隙内提供具有0.05MPa及以上的压力、0.05L/min 及以上的流量的流动工作液，保证极间稳定的电弧放电加工过程。

11.根据权利要求1所述的机械人高效柔性放电加工方法，其特征是，所述的放电回路是指：电源系统在工具电极及工件加工间隙上施加可击穿放电间隙的开路电压，当间隙击穿后在极间维持具有设定量大小的放电电流的等离子体通道，保证极间形成电弧放电加工过程。