基于RT-Linux的開放式五軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)及其在帶冠渦輪盤加工中的應用

王 彬,楊建芳,郭 妍,王振龍,遲關心

(1.北京市電加工研究所,北京100191;2.哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院,黑龍江哈爾濱150001)

電火花加工是一個非常耗時的過程,這就要求系統(tǒng)具有在長時間加工中保持穩(wěn)定的能力。同時,為了保證電火花加工數(shù)控系統(tǒng)軟件的實時性,理想的開發(fā)平臺應該是實時多任務的操作系統(tǒng),如Vx-Works、pSOS和NT+RTX等。但這些操作系統(tǒng)都是商業(yè)化產品,大多較昂貴且開放性較差。雖然Windows操作系統(tǒng)應用很廣,但它屬于非實時操作系統(tǒng)且實時擴展性能不是很理想,制約了自身在高性能數(shù)控領域中的應用。近年來,一些基于 Linux操作系統(tǒng)的實時改造方案的誕生,為數(shù)控系統(tǒng)軟件的實時開發(fā)平臺提供了很多更好的選擇,并得到了廣泛的應用。另外,系統(tǒng)的開放性可使功能擴展變得簡單,使其能及時地滿足新的技術要求[1]。

1 數(shù)控系統(tǒng)軟件的開放式體系結構設計

開放式數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設計方案,根據(jù)不同的功能類型將系統(tǒng)劃分為各功能模塊,模塊間通過特定的通信方式進行彼此間的通信,使各模塊既獨立又能形成統(tǒng)一的整體,增強整個EDM數(shù)控系統(tǒng)的開放性、可移植性和可擴展性等[2]。

1.1 電火花加工數(shù)控系統(tǒng)軟件功能任務劃分

電火花加工數(shù)控系統(tǒng)中的任務可理解為完成特定功能的程序模塊。

按功能可劃分為加工控制任務和輔助管理任務。直接與數(shù)控程序運行有關的任務稱為加工控制任務,其他任務為輔助管理任務,負責數(shù)控代碼的準備及其他一些程序的管理功能。

按任務激活的時機可劃分為隨機任務和周期任務。隨機任務包括外部事件觸發(fā)的隨機任務(如:鍵盤的輸入、命令的選擇、遠程通訊等)以及內部事件觸發(fā)的隨機任務(如:故障診斷、錯誤處理、緊急狀態(tài)處理等)。周期任務主要是指在加工控制過程中的插補任務、搖動控制、抬刀控制、伺服控制等按一定的規(guī)律周期性發(fā)生的任務。

按任務處理的優(yōu)先級別可分為實時任務和非實時任務。實時任務在系統(tǒng)中的優(yōu)先級別要求高,在任務觸發(fā)時,要求系統(tǒng)能做到即時的響應。這類任務是數(shù)控加工中的關鍵任務,必須保證它的優(yōu)先處理。如:加工控制中的插補任務、伺服任務及錯誤處理等任務都屬于實時任務的范疇。非實時任務對任務實時性的要求不高,只要保證在某一時間間隔內能處理即可。如:系統(tǒng)加工的輔助工作和系統(tǒng)管理工作,像大部分的界面操作任務、各種裝備狀態(tài)的顯示任務及代碼的解釋和預處理任務等。

1.2 數(shù)控系統(tǒng)軟件結構層次劃分

數(shù)控系統(tǒng)控制軟件是實時多任務的大型軟件。依據(jù)開放式數(shù)控系統(tǒng)的結構框架和對實時性的要求,可將系統(tǒng)劃分為三部分(圖1)。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)軟件結構圖

用戶層包括文件管理、系統(tǒng)參數(shù)管理、編輯器及各種功能(如:坐標設定、定位、移動、加工等)的參數(shù)輸入等人機交互部分。其中,系統(tǒng)參數(shù)管理包括數(shù)控系統(tǒng)配置參數(shù)、電機配置參數(shù)、機床配置參數(shù)、電源配置參數(shù)、進給與快進速度設定參數(shù)、螺距誤差與反向間隙補償參數(shù)等。

編譯層包括NC程序編譯解碼、插補準備、坐標旋轉、坐標鏡像、坐標平移、軸交換等的計算,以及數(shù)據(jù)初始化(包括加工前電源數(shù)據(jù)、錯誤狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)等)。

控制層包括電機運動(如:手控盒移動、自動移動、找極限移動、定位移動等),加工中的插補伺服控制、搖動、抬刀,以及狀態(tài)監(jiān)測(如:電火花放電狀態(tài)、螺距補償、反向間隙補償、極限、電機運行狀態(tài)、機床狀態(tài)如液位浮子、加工液溫度、電阻箱溫度及各種錯誤情況)和狀態(tài)顯示(如:電源參數(shù)、坐標位置、運動加工狀態(tài)等)。

系統(tǒng)軟件的工作過程是:由用戶層獲得加工程序、系統(tǒng)參數(shù)和工作方式等數(shù)據(jù)信息,并將其存入程序公共數(shù)據(jù)緩沖區(qū);編譯層(代碼處理層)從程序公共數(shù)據(jù)緩沖區(qū)取得數(shù)據(jù)后,對NC加工程序(包括宏程序和子程序)進行解碼展開并進行數(shù)據(jù)計算處理,將結果存入插補公共數(shù)據(jù)緩沖區(qū);控制層從程序公共數(shù)據(jù)緩沖區(qū)取得數(shù)據(jù)后,完成插補、加減速、位置控制、補償?shù)鹊挠嬎?將獲得的位置脈沖數(shù)據(jù)量輸入到驅動單元去驅動電機的運動。同時也要控制電源和機床的其他參數(shù),并實時完成狀態(tài)監(jiān)測和狀態(tài)顯示。該軟件結構模塊化強、層次和調用關系清楚。

1.3 基于Linux系統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)軟件功能運行機制

電火花加工數(shù)控系統(tǒng)軟件的實時任務需要系統(tǒng)軟件實時部分來執(zhí)行,非實時任務則不需要。系統(tǒng)軟件在運行時,每當用戶向用戶管理模塊發(fā)送一個任務命令,用戶管理模塊首先判斷這個任務是實時任務還是非實時任務。若該任務是實時任務,用戶管理模塊通過模塊間通信將其傳遞給實時控制模塊,由實時控制模塊來處理。若該任務需要和外部硬件進行交互,則由實時控制模塊與驅動模塊進行通信來完成;若該任務是非實時任務,用戶管理模塊將其交與Linux內核進行處理。實時任務的優(yōu)先級大于任何非實時任務。當一個實時任務到達時,所有運行中的非實時任務必須交出中央處理器的使用權,處理器轉而去處理該實時任務。當該實時任務處理完畢后,中央處理器再接著處理剛才中斷的非實時任務。

根據(jù)信息來源的不同,可分為外部信息和內部信息。外部信息來源于硬件,需要從硬件收集。EDM數(shù)控裝備專用硬件將外部信息依次通過驅動模塊、實時控制模塊、模塊間通信傳遞給用戶管理模塊。PC通用硬件則通過RT-Linux內核和Linux內核將外部信息傳遞給用戶管理模塊。內部信息來源于系統(tǒng)軟件自身。用戶管理模塊負責收集系統(tǒng)軟件中的內部信息,在需要的時候加以整理。

雙核控制三模塊串聯(lián)結構(圖2),其結構清晰,功能分類簡單明了,功能運行機制和數(shù)據(jù)流走向明確,實時性強,協(xié)調性好,可移植性強,后期維護、升級簡單方便。

圖2 雙核控制三模塊串聯(lián)結構

2 數(shù)控系統(tǒng)用戶界面設計

數(shù)控系統(tǒng)軟件以GUI形式面向用戶,供用戶進行操作。GUI分為主功能界面與若干個子功能界面(圖3)。

圖3 數(shù)控系統(tǒng)軟件主功能界面

主功能界面在裝備開機后便面向用戶,包含三大模塊:信息顯示模塊、電參數(shù)顯示及調整模塊、功能按鍵模塊。子功能界面通過主界面上的功能按鍵調用,包括坐標移動子界面、定位子界面、手動加工子界面、文件加工子界面、加工履歷子界面、裝備參數(shù)子界面、加工條件子界面、網絡設置子界面。

3 五軸聯(lián)動運動矢量分配技術

多軸聯(lián)動插補算法是數(shù)控系統(tǒng)軟件實現(xiàn)所有運動軸彼此配合聯(lián)動運行的基礎。多軸聯(lián)動插補算法采用運動矢量分配技術,在各軸之間分配脈沖,達到多軸聯(lián)動的目標。

矢量分配技術是基于兩軸聯(lián)動插補實現(xiàn)的,因為兩軸聯(lián)動插補可實現(xiàn)直線、二次曲線,甚至更高次曲線的插補。

五軸聯(lián)動運動插補是多軸聯(lián)動插補的一種特例,本節(jié)首先介紹多軸聯(lián)動插補運動矢量分配技術,然后確定五軸聯(lián)動運動的矢量分配。多軸聯(lián)動插補運動矢量分配技術可理解為:任何多軸聯(lián)動插補都可由兩軸聯(lián)動插補通過矢量分配方法實現(xiàn)。如:四軸XYZU聯(lián)動插補可視為由兩個二軸聯(lián)動插補XY和ZU組成,XY和ZU再視為兩個軸,運用平面二軸聯(lián)動插補方法進行插補,便可得到XYZU四軸聯(lián)動插補。

假設四軸聯(lián)動的4個軸的增量分別為:a1、a2、a3、a4,將這 4個軸分成兩組,其中 a1、a2是一個組,a3、a4是另一個組。兩軸聯(lián)動插補算法有很多,應用最小偏差法就可分別實現(xiàn)2個組中2個軸的聯(lián)動插補。要實現(xiàn)四軸聯(lián)動,還要求在2個組之間實現(xiàn)聯(lián)動。在第一組中,插補到終點時,2個軸總的進給次數(shù)是s1=｜a1｜+｜a2｜;同樣,第二組到終點時,總進給次數(shù)是 s2=｜a3｜+｜a4｜。為了在 2個組之間均勻地分配進給脈沖,利用s1和s2兩個值和兩軸聯(lián)動插補算法就可實現(xiàn)。具體做法是:首先插補由s1和s2組成的直線,如結果是進給 s1方向,則說明應該由第一組的兩個軸進給,接下來插補第一組由a1、a2組成的直線,插補的結果驅動實際的a1軸或a2軸。同理,如插補s1和s2的結果是進給s2方向,則說明應該由第二組的兩個軸進給,接下來插補第二組由 a3、a4組成的直線,插補的結果驅動實際的a3軸或a4軸。

同理,六軸聯(lián)動可視為由一個二軸聯(lián)動和一個四軸聯(lián)動組成,八軸聯(lián)動可視為由兩個四軸聯(lián)動組成,依此類推,便可靈活地得到任意偶數(shù)個軸的聯(lián)動插補算法。當軸數(shù)為奇數(shù)個時,可增加一個軸,并將其插補距離視為零,便可運用偶數(shù)個軸的插補算法進行聯(lián)動插補(圖4)。

4 五軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)加工實驗

為驗證五軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)的性能,將該系統(tǒng)裝備于五軸聯(lián)動電火花加工機床上,進行帶冠整體式雙極渦輪盤的加工實驗。

圖4 矢量分配六軸聯(lián)動插補

4.1 雙極帶冠渦輪盤

渦輪盤是航天航空發(fā)動機的核心部件,它在高溫、高轉速工況下運行,工作狀況極為惡劣[3]。為此,國內外新型航天航空發(fā)動機的渦輪盤均已采用先進的帶葉冠式整體結構。帶葉冠整體式渦輪盤結構形狀復雜,為半封閉結構,甚至采用兩級輪盤連體結構,空間局限性強;其葉片數(shù)量多,相鄰葉片間通道小(最小可達1.67 mm)、葉片葉型扭曲;且?guī)缀纬叽缇雀?形位公差要求嚴。傳統(tǒng)的機械加工很難完成這類零件的加工任務,目前國際上已普遍采用五軸聯(lián)動電火花加工技術加工此類零件[4]。本文加工的樣件為兩級輪盤連體結構,頂徑140 mm,擁有45個流道,葉片具有強烈的扭曲變形,空間極為狹窄。為完成加工,采用左右兩個電極進行加工,左電極和右電極分別從不同的方向蝕除,最終成形為一個通道,電極形狀見圖5、圖6。

圖5 左電極

圖6 右電極

4.2 加工過程

雙極帶冠渦輪盤加工過程分為粗加工與精加工。粗加工用來去除加工余量,精加工用來拷貝葉片形狀。加工開始,首先在油槽內安裝B旋轉軸與基準球。測量基準球中心與B軸中心之間各個方向的距離。后期更換電極依據(jù)基準球定位對刀。加工過程使用左電極16支,右電極11支,合計27支。加工時間合計約239 h。

圖7是渦輪盤加工樣件,從圖7可看出,利用本文開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)加工的雙極帶冠整體渦輪盤,左右電極重疊區(qū)形狀不存在明顯的搭邊痕跡,沒有出現(xiàn)積碳現(xiàn)象。在加工過程中很少出現(xiàn)拉弧、短路和積碳現(xiàn)象,因而本數(shù)控系統(tǒng)加工的雙極渦輪盤具有很高的加工效率和良好的表面質量。經用戶檢測,完全滿足加工要求。

圖7 渦輪盤加工樣件

由實驗過程可得出,本數(shù)控系統(tǒng)具有如下優(yōu)點:

(1)實時性高。本數(shù)控系統(tǒng)可實時準確地檢測和反饋加工狀態(tài),并根據(jù)加工狀態(tài)實時精確地控制電極進給或回退,保證了加工精度和表面質量。

(2)穩(wěn)定性好。整個加工過程中,沒有出現(xiàn)拉弧、短路和死機等現(xiàn)象。電極與工件間的間隙電壓能被實時檢測,且能很穩(wěn)定地保持在參考電壓左右,整個加工過程很穩(wěn)定。

(3)可靠性強。在整個加工過程中,數(shù)控系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定地運行,操作系統(tǒng)沒有出現(xiàn)崩潰現(xiàn)象。加工時,可同時在同臺電腦上運行其他軟件,未影響操作系統(tǒng)的運行。

5 結語

(1)基于RT-Linux平臺,開發(fā)出了適用于電火花加工的新型開放式五軸聯(lián)動精密數(shù)控系統(tǒng),可進行復雜的曲面及深窄槽等的加工。

(2)采用雙核控制三模塊串聯(lián)結構,RT-Linux和Linux分別處理實時任務和非實時任務。結構清晰,功能分類簡單明了,功能運行機制和數(shù)據(jù)流走向明確,實時性強,協(xié)調性好,可移植性強,后期維護、升級簡單方便。

(3)提出了多軸聯(lián)動矢量分配技術,實現(xiàn)了五軸聯(lián)動功能。

(4)運用該系統(tǒng)在五軸聯(lián)動電火花加工機床上加工雙極帶冠整體式渦輪盤,加工結果表明該系統(tǒng)具有實時性高、穩(wěn)定性好和可靠性強等特點。

[1] Li Lun.6-axis EDM CNC system based on real-time linux[D].Haerbin:Harbin Institute of Technology,2004.

[2] 黃海鵬.多軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)軟件構建及其應用研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2010.

[3] Konig W,Gersch K.Machining nickel-based superalloys[J].Manufacturing Engineering,1999,18(12):102-106.

[4] Bewlay B P,Gigliotti M F X,Hardwicke C U,et al.Net-shape manufacturing of aircraft engine disks by roll forming and hot die forging[J].Journal of Materials Processing Technology,2003,135(2):324-329.