CN111014853B - 用于叶片电解加工干湿两种环境下的对刀装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于叶片电解加工的干湿两种环境下的自动对刀装置及检测方法，对刀装置包括对刀控制系统，与对刀控制系统相连的对刀检测单元，与执行机构相连的伺服驱动单元。对刀装置控制系统与电解加工机床原有的数控系统有效集成在一起，利用专门开发的对刀控制程序控制对刀过程运行。在对刀检测上采用了阴阳极间电压变化的方法，通过极间电压变化判断电极与工件接触状态，可靠性高，可适用于叶片电解加工的干湿两种环境下加工对刀。配合西门子高性能的伺服系统，对刀位置精度可达±1μm；它具有手动与自动两种工作方式，对刀操作十分方便。

Description

用于叶片电解加工干湿两种环境下的对刀装置及检测方法

技术领域

本发明涉及用于叶片电解加工干湿两种环境下的对刀装置及检测方法，属于电解加工技术领域。

背景技术

叶片是航空机的重要零件之一，它用于发动机进气扇、高低压压气机、动力涡轮等部件中。叶片加工有多种加工方法，常用的加工方法有数控铣削、电解加工、电火花、精密铸造等。由于叶片形状复杂、采用特殊材料制造，一种工艺方法难以完成叶片加工，

电解加工具有电极无损耗，无宏观切削力，不受加工材料硬度限制等特点，因此非常适合于镍基高温合金、钛合金等难加工材料的加工。由于它在加工镍基高温合金、钛合金材料结构件方面在加工成本、加工效率、表面质量上具有较大的优势，因而成为了这些难加工材料的主要加工方法之一。

在电解加工过程中，对刀是开始电解加工前的一个重要步骤，所谓对刀就是确定加工电极与加工工件位置的一种方法。在以往的加工中对刀多采中手工对刀，采用对刀块、塞尺度对刀。也有采用自动对刀，通常采用简单电路实现对刀，但对刀只能在干燥要环境中进行，即对刀时电极和工件之间没有电解液的情况下，电源负极与正极分别施加在电极和工件上，同时电极与工件又连接到加工电源的输出正极与负极上，对刀时则需要切断电极、工件与加工电源输出端的连接，否则不能对刀，如果用于自动加工，对刀效率低，使用范围受到限制。

叶片电解加工是一项比较复杂的加工工艺，目前叶片电解加工一般采用双头加工工艺方式，即从叶片毛坯的两侧面同时加工，持续加工到预定的位置，叶盆与叶背的形状同时加工出来。由于加工前叶盆与叶背两侧预留的加工余量不一致，两端的电极加工起始位置需要根据叶片两侧的余量调整，因此在加工前两侧的电极与工件之间需要通过对刀确定加工起始位置。由于叶片加工过程是要求为自动加工，因此也要求对刀必须为自动对刀，不能有人工参与。本发明开发了一种用于叶片电解加工的干湿两种对刀打条件下的对刀装置及其检测方法，该对刀模块集成叶片电解加工控制系统中，可实现在干、湿两种环境中电解加工对刀。该对刀模块也可用于其它电解加工机床中，它可作为电解加工机床一种功能模块选用，可满足多种零件的电解加工对刀需求，提高机床的自动化程度。

发明内容

本发明针对上述问题提供了用于叶片电解加工干湿两种环境下的对刀装置及检测方法。

本发明所述的用于叶片电解加工干湿两种环境下的对刀装置，包括对刀控制系统、伺服驱动单元、位置检测单元、对刀检测电路、对刀执行机构；对刀控制系统的信号输入端与对刀检测单元的信号输出端相连，对刀控制系统的信号输出端伺服驱动单元信号输入端相连；伺服驱动单元用于控制对刀执行机构执行作动。

本年发明所述的用于叶片电解加工干湿两种环境下的对刀装置，所述的对刀控制系统包括PCU控制单元、NCU控制单元、操作面板、机床控制面板、分布式PLC接口；所述的NCU控制单元中内置PLC，NCU控制单元与PLC采用内部总线连接，操作面板、机床控制面板与NCU控制单元之间采用以太网交换器连接进行信息交换；NCU控制单元中内置PLC与分布式PLC接口通过专用通讯线连接。

本发明所述的用于叶片电解加工干湿两种环境下的对刀装置，所述的伺服驱动单元包括电源接口模块、电源模块、双轴电机驱动模块、驱动电机；所述的电源接口模块由外部三相电接入；电源接口模块与电源模块之间通过动力电缆连接，电源模块与双轴电机驱动模块之间通过直流排连接为电机驱动模块供电，双轴电机驱动模块与NCU之间通过专用电缆连接，驱动电机与驱动模块之间分别通过专用动力线和编码器信号线连接。

本发明所述的用于叶片电解加工干湿两种环境下的对刀装置，对刀执行机构包括对刀正极接线端子及位于刀正极接线端子左、右处的对刀装置。

本发明所述的用于叶片电解加工干湿两种环境下的对刀装置，所述的左头对刀装置或右头对刀装置包括分别独立供电的左头加工电源与右头加工电源；

所述的左头对刀装置或右头对刀装置分别包括加工电极，对刀电极接线端子，工作头主轴，工作头滑台，工作头驱动电机，减速器，滚珠丝杠；所述的工作头驱动电机通过减速器驱动滚珠丝杠转动，滚珠丝杠驱动工作头滑台滑动，工作头滑台上安装有工作头主轴，工作头主轴与对刀电极接线端子、加工电极相连。

本发明所述的用于叶片电解加工干湿两种环境下的对刀装置，所述的工作头主轴对刀电极接线端子之间通过连接块相连；连接块上设有电极底座，电极底座外侧设有绝缘层；所述的减速器的输出轴端与滚珠丝杠之间设有减速器。

本发明所述的用于叶片电解加工干湿两种环境下的对刀装置，所述的对刀检测电路包括电源变换模块，调节电阻，单向二级管，继电器KA1触点，左头对刀电解池，左头加工电源内阻，右头加工电源内阻，右头对刀电解池，KA4继电器触点，KA4继电器线圈，检测电压表，KA2继电器触点，KA3继电器触点；

所述的电源变换模块的正极与调节电阻相连，调节电阻相连与单向二级管相连，单向二级管通过继电器KA1触点与左头对刀电解池、右头对刀电解池、左头加工电源内阻、右头加工电源内阻相连；

左所述的头对刀电解池、右头对刀电解池、左头加工电源内阻、右头加工电源内阻分别通过继电器KA1触点接入电源变换模块的负极；

左所述的头对刀电解池、右头对刀电解池、左头加工电源内阻、右头加工电源通过继电器KA1触点接接入检测电压表，检测电压表的通过KA2继电器触点、KA3继电器触点接入电源变换模块的负极。

所述的电源变换模块为对刀回路提供直流电压信号，其正极经过调节电阻、单向二极管，继电器KA1触点接入到工件阳极；负极经过继电器KA2、KA3触点接到加工电极。

本发明所述的用于叶片电解加工干湿两种环境下的对刀装置的检测方法，检测步骤如下：

步骤一、对刀控制系统发出对刀指令，左对刀装置与右对刀装置接入电源进行定位；

步骤二、左对刀装置的电极判断是否与工件接触，如接触左对刀装置退回；

步骤三、右对刀装置的电极判断是否与工件接触，如接触右对刀装置退回；

步骤四、当左对刀装置与右对刀装置退回后，对刀程序完成。

有益效果

发明的用于叶片电解加工干湿两种环境下的对刀装置及检测方法，

叶片电解加工干湿对刀装置的对刀系统与机床数控系统中，与机床的数控系统实现了高度集成，不需要外加工控制器，对刀控制完全嵌入到数控系统中，系统工作可靠。

对刀位置控制采用了闭环系统控制，对刀执行机构驱动采用全数字交流伺服系统，位置采用光栅检测、分辨率高，传动系统采用减速器进行减速以及滚动导轨、丝杠螺母传动方式，系统对刀速度、位置精度完全可以满足对刀加工要求。

对刀装置的电极与工件接触采用了电阻值检测方法，最后变换成电压值输出，对刀时无须切断加工电源与阴阳极之间的连接导线、直接进行测量，工作方便，实现对刀自动化。电压检测采用了高精度的电压检测仪表，分辨率高。对刀装置可用于干湿两种对刀环境下对刀，可根据电解液参数调节判断电压值，可适应大多数电解加工环境。

对刀装置采用了电流反馈方式检测阴阳极之间的碰撞，可有效检测两间之间碰撞，避免毁坏工件与电极，工作可靠性好。

附图说明

图1是本发明的用于叶片电解加工干湿两种环境下的对刀装置的对刀控制系统图；

图2是本发明的用于叶片电解加工干湿两种环境下的对刀装置的对刀检测模块图；

图3是本发明的用于叶片电解加工干湿两种环境下的对刀装置的对刀执行机构图；

图4本发明的用于叶片电解加工干湿两种环境下的对刀装置的检测方法工作流程图；

其中：1、操作面板，2、控制面板，3、PCU单元，4、NCU单元，5、电源接口模块，6、电源模块，7、双轴电机驱动模块，8、左头驱动伺服电机，9、右头驱动伺服电机，10、左头位置检测光栅，11、右头位置检测光栅，12、以太网交换机，13、左头光栅接口模块，14、右头光栅接口模块，15、模拟量输入模块，16、开关量输出模块，17、开关量输入模块，18、ET200M接口模块，19、电源变换模块，20、调节电阻，21、单向二级管，22、继电器KA1触点，23、左头对刀电解池，24、左头加工电源内阻，25、右头加工电源内阻，26、右头对刀电解池，27、KA4继电器触点，28、KA4继电器线圈，29、检测电压表，30、KA2继电器触点，31、KA3继电器触点，32、左头加工电源，33、左头对刀负极接线端子，34、左右头对刀正极接线端子，35、右头加工电源，36、右头对刀电极接线端子，37、加工电极，38、右工作头主轴，39、右工作头滑台，40、联轴器，41、右工作头驱动电机，42、减速器，43、滚珠丝杠，44、连接块，45、绝缘层，46、电极底座，47、工件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示一种用于叶片电解加工的干湿两种对刀环境下的自动对刀装置，它包括对刀控制系统、对刀检测电路、对刀驱动单元、位置检测单元、对刀执行机构、对刀碰撞检测单元组成。

对刀控制系统集成叶片电解加工机床的数控系统中，对刀控制系统包括NCU控制单元、操作面板、控制面板、PLC、以太网交换器、分布式PLC接口。NCU与操作面板、控制面板通过以太网连接，NCU与PLC之间通过POFIBUS总线连接。其中PCU单元为对刀控制系统核心控制单元，用于控制对刀系统运行、结果判断，NCU单元用于控制机床伺服驱动单元驱动机床工作头进给带动工具电极进行对刀，内置的PLC单元用于对刀系统开关量与模拟量输入与输出，控制对刀检测电路接通、对刀回路切换。控制面板上设置有控制对刀操作的按钮，包括直流电源供电、左头对刀回路接通、右头对刀回路接通。控制面板发出对刀操作指令，通过PLC输出接口控制对刀回路上继电器的开关触点，接通直流电源、控制左头或右头的对刀回路接通。NCU单元功能执行自动对刀程序，控制对刀驱动与执行机构完成对刀所需的运动。PLC接受控制面板发出的对刀操作输入指令，输出直流电源接通、头或右头对刀回路接通或断开指令。

对刀控制系统中NCU单元选用西门子SINUMERIK840DslNCU710.3，该NCU中内置了西门子S7-300PLC(CPU317-3PN/DP)，NCU与操作面板、双轴电机驱动模块、控制面板进行通讯，构成了对刀控制系统。操作面板采用西门子TP015AT，在其后端集成TCU，具有操作与显示功能；PCU单元采用了西门子PCU50.5，安装了840DslSINUMERIKOperate系统，开发的对刀控制程序通过系统接口集成在西门子原有的数控操作软件中。

对刀控制系统中驱动包括电源接口模块、电源模块与双轴电机模块，其中电源接口模块与电源模块通过三相线连接，为双轴电机驱动模块提供高压直流驱动电源，电源模块与双轴电机模块之间通过直流排线连接，为双轴电机驱动模块供电，双轴电机驱动模块通过专用电机连接线分别与两个驱动轴的交流伺服电机动力接通口连接，通过DRIVE-CLiQ电缆与电机编码器接口连接。

对刀控制系统位置检测单元包括检测光栅、光栅接口模块SMC20，其中检测光栅通过专用线与光栅接口模块SMC20相连，SMC20通过DRIVE-CLiQ电缆与NCU控制单元接口相连接。对刀控制系统中内置S7-300PLC，通过PROFIBUS与ETM200中的IM153-1接口模块相连接，在ETM200槽中插入了开关量输入、开关量输出、模拟量输入接口模块。对刀回路接通、左头与右头对刀回路切换通过模拟量输出端口控制，操作面板上的手动对刀操作信号通过开关量接口输入到PLC，电压检测信号通过模拟量输入端口输入到PCU控制单元中。

如图2所示：对刀检测电路包括电源变换模块、对刀回路切换继电器、调节电阻、二极管组成。电源模变换提供对刀所需的基本电压，左头与右头对刀回路切换由PLC单元输出端口控制，左头和右对对刀回路只能选择一侧电路工作，在对刀回路中利用两个继电器的常开和常闭触点互锁；对刀电压调节采用可变电阻进行调节，根据加工电源系统的实测的阻值大小进行调节，以获得适合的对刀电压。为防止外部直流电路的电流串入，在电路中采用继电器的触点开关进行隔离，并在电路串入单向二极管阻止电流反向流入。

在对刀检测模块中，R1和R2分别为左头加工电源和右头电解加工电源的内阻。假设对刀回路现切换到左头对刀，左头对刀回路接通，对刀电压U₀等于U₁+U₂，其中，U₁为电阻R1两侧电压，U₂为电阻R2两侧电压，在加工电极与工件没有接触前，电流表测量到的电压U_m等于U₂，随着电极向工件运动，电极与工件之间缩小，如果由于加工电极和工件之间有电解液，阴阳极之间形成回路，在此时检测电压U_m为

公式(1)中，R_f为电极与工件之间在电解池中电阻值，当加工电极与工件在电解液中接触时，R_f变小，U_m也随之减小，在对刀过程中通过U_m值变化判断电极与工件接触状态。对刀模块中ab点之间的电压值根据R2值大小通过可变电阻R1调节，，实际应用时ab间电压调节在2.5～3V之间。

在对刀检测模块，对刀回路接受外部输入电源，经直流变换模块变换成5V直流对刀电压，对刀回路接通与断开通过继电器KA1的触点控制。对刀回路分为左头对刀回路与右头对刀回路，通过接在对刀控制系统的PLC的输出接口上的KA2和KA3继电器触点开关进行控制。C1和C2为头和左头对刀形成的电解池，左头对刀回路负极33连接左头电极，右头对刀回路负极35连接右头电极上，对刀回路正极连接到工件接线端子34。电压检测采用DU4快速检测电压表，采样速率最高为20次/秒，在1mm/min的对刀速度下，对刀精度为0.8μm。电压表量程可要根据实际要求选用。DU4电压表具有两路报警输出可设定为下限值报警或上限值报警，采用下限值报警，当检测U_m小于设定值时，电压表中的KA4继电器线圈吸合，通过对刀控制系统的PLC分布模块ET200M开关量输入输出模块输入到对刀控制系统中，同时检测U_m值通过DU4电压表模拟量变送接口输入到ET200M的模拟量输入传送到PCU控制单元中，在对刀控制系统中经处理后显示在控制界面上。

如图3所示：对刀执行机构包括交流伺服电机、减速器、连轴器、滚珠丝杠、工作滑台、主轴、连接底座、绝缘层、电极底座、加工电极组成。交流伺服电机与驱动单元连接，输出旋转运动至减速器进行减速获得所需的对刀运动，丝杠螺母机构把减速器输出的旋转运动变成直线运动，通过安装在滑台底部的连接块带动滑台作直线运动。在滑台上安装有主轴、连接底座、绝缘层、电极底座、加工电极、加工电源接线端子、对刀接线端子。对刀回路正极连接到工件的接线端子、对刀回路负极连接到电极的接线端子。

对刀执行机构中，交流伺服电机与双轴电机驱动模块连接，PCU单元发出对刀命令，PUC单元通过网络把信息传递到NCU单元，由NCU调用对刀数控程序执行，驱动交流伺服电机运行，再通过传动机构传递到左工作滑台，实现所需对刀进给运动。传动机构包括减速器，联轴器、滚珠丝杠、螺母。加工电极安装在主轴前端的电极底座上，在上面还安装有对刀接线端子，电极底座与主轴之间通过绝缘层连接。

在对刀过程中，交流伺服电机驱动执行机构向工件方向运动，电极与工件接触瞬间，PCU控制单元收到电压检测表发来的两者之间的接触信号，通过NCU控制单元控制执行机构停止运动，然后回退一个初始加工间隙保证电解加工进行。

如图4所示：本发明的叶片电解加工干湿两种对刀环境下的自动对刀加工电极与工件接触检测方法，对刀时电极接触时的判断方法，在干燥条件下，在电极与工件非接触下电极与工件的电压为加工电源内阻分得的电压，当电极与工件接触时，电极与工件之间的电阻接近于零，因此电极与工件之间的电压值趋于零。在潮湿条件下，即电极与工件之间有电解液存在，当电极与工件未接触时，电极与工件之间有阻抗存在，两极之间有一定的电压；当电极与工件接触时，阴阳极之间的阻值迅速减小，仍有一定的电压存在但不为零，电压大小与电解液的类型、浓度有关，对刀控制单元根据电极之间的电压值判断电极与工件是否为接触状态。

本发明提供的叶片电解加工自动对刀装置的工作首先由控制器发出对刀指令，PLC控制对刀回路中的继电器KA1接通，常开触点闭合，接通对刀电源。如果是左头对刀，则接通左头对刀回路，PCU控制单元启动对刀数控程序，电极向工件方向运动，对刀装置检测电极与工件的接触状态，如果判断为接触状态，停止对刀数控程序运行，再启动电极回退数控程序。左头对刀完成后，再进行右头对刀，回退完成后切断对刀电源、关闭对刀回路，完成对刀程序。

该对刀控制程序控制系统采用西门子提供的SINUMERIKOperate编程包以及VC++进行开发，对刀控制程序包括应用程序、系统配置文件，把开发的文件复制到PCU单元中操作系统的指定目录下，启动数控系统后对刀控制程序就集成在西门子840Dsl的SINUMERIKOperate操作界中。对刀控制程序通过调用PIService服务调用对刀NC程序，左头和右头对刀NC程序文件预先存NCU单元有CF存储卡中。对刀控制程序通过调用接口函数中读、写NC变量以及PLC接口去控制NC系统运行与停止、PLC程序运行，获取数控系统的工作状态。

叶片电解加工对刀具有“手动对刀”与“自动对刀”两种工作模式。“手动对刀”操作方式通过机床数控系统操作面板自定义功能键操作，包括“对刀电源”、“左头电路”、“右头电路”。“对刀电源”键控制对刀电源接通与关闭，“左头电路”功能键切换到左头对刀回路，“右头电路”功能键切换到右头对刀回路，对刀数控程序运行和停止利用控制面板原有的“启动”和“停止”键。“自动对刀”操作用于叶片的自动加工过程，在加工过程中由对刀控制程序控制对刀的全部操作，在对刀过程中对刀检测模块对加工电极与工件之间的电压值进行实时采样，根据U_m变化判断结果判断加工电极与工件之间的接触状态。

为防止对刀过程加工电极与工件之间碰撞，在PUC控制系统设置了对刀碰撞检测机制。对刀系统中的电机驱动电流与拖动负载有关，负载越大电机驱动电流就越大，在正常状态中，负载变化小，电机电流值趋势平稳，发生碰撞时，工作头对刀运动被强行阻止，电机电流值迅速将会增大。在西门子840Dsl系统中，西门子交流伺服电机驱动电流反馈值保存在数控系统驱动参数中，在对刀中刀程序采用参数读写函数把该电流反馈值实量时采样到PUC单元中，对刀控制程序利用电机驱动电流的变化率(ΔI/dt)变化判断加工电极与工件之间是否为碰撞状态。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.用于叶片电解加工干湿两种环境下的对刀装置，其特征在于：包括对刀控制系统、伺服驱动单元、位置检测单元、对刀检测电路、对刀执行机构；对刀控制系统的信号输入端与对刀检测单元的信号输出端相连，对刀控制系统的信号输出端与伺服驱动单元信号输入端相连；伺服驱动单元用于控制对刀执行机构执行作动；所述的对刀控制系统包括PCU控制单元、NCU控制单元、操作面板、机床控制面板、分布式PLC接口；所述的NCU控制单元中内置PLC，NCU控制单元与PLC采用内部总线连接，操作面板、机床控制面板与NCU控制单元之间采用以太网交换器连接进行信息交换；NCU控制单元中内置PLC与分布式PLC接口通过专用通讯线连接；所述的伺服驱动单元包括电源接口模块、电源模块、双轴电机驱动模块、驱动电机；所述的电源接口模块由外部三相电接入；电源接口模块与电源模块之间通过动力电缆连接，电源模块与双轴电机驱动模块之间通过直流排连接为电机驱动模块供电，双轴电机驱动模块与NCU之间通过专用电缆连接，驱动电机与驱动模块之间分别通过专用动力线和编码器信号线连接；对刀执行机构包括对刀正极接线端子及位于对刀正极接线端子左、右处的对刀装置；

所述的对刀检测电路包括电源变换模块，调节电阻，单向二级管，继电器KA1触点，左头对刀电解池，左头加工电源内阻，右头加工电源内阻，右头对刀电解池， KA4继电器触点，KA4继电器线圈，检测电压表， KA2继电器触点， KA3继电器触点；

所述的电源变换模块的正极与调节电阻相连，调节电阻相连与单向二级管相连，单向二级管通过继电器KA1触点与左头对刀电解池、右头对刀电解池、左头加工电源内阻、右头加工电源内阻相连；

所述的左头对刀电解池、右头对刀电解池、左头加工电源内阻、右头加工电源分别通过继电器KA1触点接入电源变换模块的负极；

所述的左头对刀电解池、右头对刀电解池、左头加工电源内阻、右头加工电源通过继电器KA1触点接接入检测电压表，检测电压表的通过KA2继电器触点、KA3继电器触点接入电源变换模块的负极；

所述的电源变换模块为对刀回路提供直流电压信号，其正极经过调节电阻、单向二极管，继电器KA1触点接入到工件阳极；负极经过继电器KA2、KA3继电器触点接到加工电极。

2.根据权利要求1所述的用于叶片电解加工干湿两种环境下的对刀装置，其特征在于：所述的左头对刀装置或右头对刀装置包括分别独立供电的左头加工电源与右头加工电源；

所述的左头对刀装置或右头对刀装置分别包括加工电极，对刀电极接线端子，工作头主轴，工作头滑台，工作头驱动电机，减速器，滚珠丝杠；所述的工作头驱动电机通过减速器驱动滚珠丝杠转动，滚珠丝杠驱动工作头滑台滑动，工作头滑台上安装有工作头主轴，工作头主轴与对刀电极接线端子、加工电极相连。

3.根据权利要求2所述的用于叶片电解加工干湿两种环境下的对刀装置，其特征在于：所述的工作头主轴与对刀电极接线端子之间通过连接块相连；连接块上设有电极底座，电极底座外侧设有绝缘层；所述的减速器的输出轴端与滚珠丝杠之间设有减速器。

4.根据上述权利要求1至3任一项所述的用于叶片电解加工干湿两种环境下的对刀装置的检测方法，其特征在于：检测步骤如下：

步骤一、对刀控制系统发出对刀指令，左对刀装置与右对刀装置接入电源进行定位；

步骤二、左对刀装置的电极判断是否与工件接触，如接触左对刀装置退回；

步骤三、右对刀装置的电极判断是否与工件接触，如接触右对刀装置退回；

步骤四、当左对刀装置与右对刀装置退回后，对刀程序完成。

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