電火花微噴孔加工控制系統(tǒng)的設計與研究

張筱云，鄭大棉

（1. 蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術學院，蘇州 215021；2. 蘇州明谷納科技有限公司，蘇州 215131）

0 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們越來越發(fā)現(xiàn)柴油機具有高扭矩、高壽命、低油耗和低排放優(yōu)勢，柴油機已成為解決汽車能源問題最現(xiàn)實和最可靠的手段。然而要提高柴油發(fā)動機動力性、燃油經濟性，降低排放率、噪音率，就要求噴射系統(tǒng)產生足夠高的噴射壓力，確保燃油霧化良好，同時還必須精確控制噴油始點和噴油量。噴油嘴作為燃油噴射系統(tǒng)的重要組成部分，其噴孔的尺寸、形狀、入口圓角以及表面形狀等，對噴孔的流量系數(shù)、噴霧射程、霧滴直徑的均勻性和燃油與空氣混合的均勻性有著非常顯著的影響[1]。

鉆削加工噴孔的工藝很難適應噴孔直徑越來越小的要求，國內噴油嘴生產廠家加工微噴孔使用的工藝主要是：熱處理—精加工中孔座面—電火花打噴孔—擠壓研磨噴孔。目前電火花打噴孔加工設備的生產技術為少數(shù)幾個外國公司所壟斷，如瑞士的POSALUX公司、英國的Amchen公司及美國的Raycon公司。設計開發(fā)擁有中國自主知識產權的電火花打噴孔設備非常必要，具有重大的社會效益和經濟效益[2,3]。

本項目主要是針對市場上需加工符合國Ⅲ（歐Ⅲ）及以上排放標準的柴油機噴油嘴偏心孔要求，專門設計開發(fā)的六軸噴油嘴微噴孔電火花加工專用機床。能加工偏離噴油嘴旋轉中心的噴孔，解決了此類產品常規(guī)機床無法加工的難點。研究電火花微噴孔加工控制系統(tǒng)是研制電火花打噴孔的關鍵技術之一，主要存在以下技術難點亟待突破和解決：高精度多軸數(shù)控系統(tǒng)；高性能微進給伺服控制系統(tǒng)；高頻微能量自適應脈沖電源；放電狀態(tài)的實時檢測識別和加工過程智能化控制技術等。

1 微噴孔數(shù)控電火花機床結構

高精度微噴孔數(shù)控電火花機床與普通電火花穿孔機放電加工方式區(qū)別不大。加工過程中，均采用電極絲旋轉與進給運動復合的電極旋轉進絲機構，實現(xiàn)電極對工件的相對運動，根據(jù)加工零件的不同（材料、孔徑和孔深等）來確定放電參數(shù)（脈沖頻率、脈沖寬度和放電間隙等），加工過程中工具電極和工件間沒有接觸應力，靠極間連續(xù)脈沖放電蝕除工件。但不同的是微孔加工孔徑非常小，只能使用實心鎢鋼或鎢絲作電極，主軸進給采用的是微進給伺服機構，脈沖電源具有高頻微能的特性，以實現(xiàn)微噴孔的穩(wěn)定加工[4]。

設備由機床框架，軸立柱，五根定位軸，一根旋轉軸，電極進給機構，工件夾持機構，電控箱、工作液系統(tǒng)及氣動系統(tǒng)等部分組成。電極由導向器導向，加工時，首先將旋轉頭旋轉到吹氣孔的位置，打開夾緊裝置吹氣，將電極絲吹出。主軸帶動電極絲在伺服系統(tǒng)控制下作微量進給，脈沖電源在電極與工件之間施加高頻脈沖放電，高壓水質工作液在電極的外圍噴射，對加工區(qū)域實施強迫排屑冷卻，保證加工的順利進行。

為滿足噴油嘴自動多孔加工的要求。主機采用獨特的機械設計結構，應用精密加工的機械零件，配上日本進口THK導軌，NSK軸承，精密旋轉主軸頭，關鍵支承件的結構設計具有良好的剛性，變形量小，幾何精度高，保證了機床的加工精度。本設計的機床軸示意圖如圖1所示。

圖1 微噴孔電火花加工機械軸構成示意圖

本機床Z軸、W軸、C軸、B軸、Y軸是位置軸，決定了加工工件加工孔的位置和角度。R軸是旋轉軸，決定了電極絲旋轉速度。機床各軸設計指標如表1所示。

表1 機床各軸設計指標

2 微噴孔電火花加工控制系統(tǒng)組成

本項目控制系統(tǒng)以工業(yè)控制計算機（簡稱IPC）和運動控制板為核心、配備自適應高頻脈沖電源、加工狀態(tài)檢測、主軸伺服進給控制以及位置軸交流電機伺服驅動控制、機床電氣控制等組成。微噴孔電火花加工控制系統(tǒng)硬件模塊示意圖如圖2所示。

圖2 微噴孔電火花加工控制系統(tǒng)硬件模塊

該機床采用6軸數(shù)控，可加工特殊材料、空間位置復雜的群孔工件。整個控制過程除裝夾工件和更換電極外，整個加工過程均可自動完成，可以自動修整電極，自動找零位，加工過程中自動切換工藝參數(shù)，加工深度到一定位置后自動回退，機床電極損耗可通過進給機構進行自動補償，電極用完可以自動報警等。機床提供開放式孔位編輯功能，用戶可以設置孔號，連續(xù)群孔加工；也可以任意指定孔號進行單獨加工。工藝參數(shù)和電參數(shù)根據(jù)工藝要求，可進行設置，加工狀態(tài)、和工藝參數(shù)可由彩色液晶屏顯示。

3 微噴孔電火花加工控制系統(tǒng)設計

3.1 智能化控制系統(tǒng)結構框架

柴油機噴油嘴微噴孔電火花加工顯著特點是加工放電面積小、單個脈沖放電能量微小、放電蝕坑小、放電間隙微小、脈沖電源頻率高、極難獲得穩(wěn)定的火花放電狀態(tài)且一個噴頭上要自動加工5個以上的微噴孔。其特點決定了對加工狀態(tài)的監(jiān)控有著極高的要求。如果不良放電檢測和處理不及時，則產生不良的加工放電狀態(tài)，如空載、短路和拉弧等。也就是說各種可能造成的不良加工放電狀態(tài)，在間隙過小時發(fā)生的概率相對高些。只有精心調節(jié)伺服進給，間隙大小適當，才能維持較佳放電狀態(tài)，從而獲得較高的加工效率和更強的加工能力。微噴孔智能化控制系統(tǒng)結構框架示意圖如圖3所示。

圖3 微噴孔智能化控制系統(tǒng)結構框架

可見，微噴孔控制系統(tǒng)以智能化數(shù)控系統(tǒng)為核心，加工間隙和放電狀態(tài)實時監(jiān)測的頻率及反饋環(huán)節(jié)的精度，直接影響脈沖電源的放電能量和伺服進給加工的穩(wěn)定性。

3.2 數(shù)控系統(tǒng)硬件設計

本設備軟件具有硬實時、軟實時和非實時任務相混合的多任務特性，這些特點決定了其硬件結構適合采用主從開放式結構，即“PC+NC”結構。以IPC為平臺的數(shù)控系統(tǒng)共享眾多的PC先進技術，為數(shù)控系統(tǒng)的標準化、模塊化和開放化奠定了硬件基礎，在PC的總線上插上具有NC功能的運動控制器完成實時性要求較高的NC內核功能[5]。根據(jù)加工需求，在IPC上配置了一塊4軸PCI運動控制板、一塊基于FPGA的Z軸伺服板、一個自適應高頻脈沖電源、加工間隙檢測板和I/O接口板等。數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺的結構框圖如圖4所示。

圖4 數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺

B、C、W、Z、Y定位軸及R旋轉軸均采用進口交流伺服電機驅動；操作鍵盤為觸摸鍵盤，具有防水功能；手搖編碼器軸向進給，精度高，操作方便。

運動控制卡將實現(xiàn)運動控制的底層軟件和硬件集成在一起，具有伺服電機控制所需的各種速度、位置控制功能。這些功能通過計算機可方便地調用。再將上層計算機發(fā)出的指令轉換為伺服電機的控制信號，帶動機床運動，由編碼器將電機運動的位置信號反饋給運動控制器，從而構成了數(shù)控系統(tǒng)的閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。

3.3 數(shù)控系統(tǒng)軟件設計

“PC+NC”式數(shù)控系統(tǒng)，軟件結構適合采用層次化結構，以減少設計的復雜性，提高信息流的規(guī)范性，提供一個清晰的開放的環(huán)境。根據(jù)需求，選擇Windows XP操作系統(tǒng)，依據(jù)OSEC(open system environment for controller)開放式控制器的標準規(guī)范的層次結構思想，系統(tǒng)軟件被分為3層，即：應用層，功能層和設備層?；凇癐PC+運動控制器”的開放式微噴孔電火花加工數(shù)控系統(tǒng)軟件平臺的結構框圖如圖5所示。

最上層是應用層，在IPC上實現(xiàn)，主要完成數(shù)控系統(tǒng)任務中非實時任務，如加工程序的編輯和解釋譯碼，系統(tǒng)參數(shù)、工藝參數(shù)、功能模塊配置，監(jiān)控與報警，用戶操作界面等。

中間層是功能層，由專用模板完成所有實時任務，包括間隙狀態(tài)檢測、判斷；放電間隙伺服控制；自動抬刀控制；旋轉控制；位置速度檢測；軸運動控制；與脈沖電源并行數(shù)據(jù)通信；I/0控制和報警自檢；上下位機數(shù)據(jù)與信息傳遞。

最底層是設備層，包括具有標準接口的位置控制板、主軸伺服板、脈沖電源和放電狀態(tài)檢測板等設備的驅動軟件，根據(jù)控制功能劃分模塊，編寫相應的驅動軟件。

3.4 智能化實時控制技術

智能化實時控制就是根據(jù)用戶輸入的信息和間隙狀態(tài)檢測結果，自動控制電脈沖參數(shù)，伺服參考電壓等，以避免拉弧，達到高效穩(wěn)定加工。放電狀態(tài)的快速檢測和智能化專家系統(tǒng)是解決高精度微噴孔電火花加工的關鍵技術。

圖5 數(shù)控系統(tǒng)軟件平臺

本項目檢測單元采用電流上升沿檢測的方法，應用16位高速A/D轉換器件來監(jiān)視異常放電，通過FPGA硬件電路對間隙電流波形上升沿進行判斷，快速地反映微細放電間隙的狀態(tài)。根據(jù)間隙狀態(tài)識別電路制定控制策略，構成一個更為精細多回路的閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于微噴孔間隙放電過程極其復雜，給間隙放電狀態(tài)的實時識別帶來極大困難，尤其是如何將對加工質量影響極大的電弧放電從正?；鸹ǚ烹娭袇^(qū)分出來更為困難。

電火花加工過程單個脈沖波形的“時態(tài)”有五種基本形態(tài)，即正常火花放電、過渡電弧(可恢復性不穩(wěn)定電弧)、穩(wěn)定電弧、短路和開路(空載)。本設計采用分類統(tǒng)計方法，通過對放電狀態(tài)辨識電路對正?；鸹ǚ烹姞顟B(tài)占有率進行分析，控制放電參數(shù)(開路電壓、峰值電流和脈寬)和控制參數(shù)(脈沖間隔、抬刀周期和伺服電壓)，提高加工穩(wěn)定性[6,7]。

微噴孔脈沖電源在放電加工時，放電能量小，脈沖寬度窄。精確控制放電回路脈沖放電能量、波形和頻率，使其具有良好的抗干擾能力，穩(wěn)定性是設計的關鍵技術。通常脈沖電源輸出的放電脈沖(Ton、Toff、Ip) 是固定的，自適應控制脈沖電源則可以根據(jù)加工狀態(tài)的不同自適應調整。

Z軸主軸伺服進給加工采用交流伺服電機作為驅動，可很好地滿足微細電火花加工的高精度進給和短路時快速回退的要求，使系統(tǒng)在提高加工精度的同時保證了加工速度。不僅可實現(xiàn)較大行程的電火花加工,而且可實現(xiàn)很高的進給分辨率和定位精度,實現(xiàn)電火花快速響應和高效穩(wěn)定加工，最終達成放電伺服進給系統(tǒng)的高性能控制。

4 加工試驗結果

蘇州明谷納科技有限公司已將該項目成功運用于噴油嘴微噴孔加工，機床整體外形圖如圖6所示。

圖6 機床整體外形圖

控制系統(tǒng)使用15”LCD顯示器，具有五軸坐標，加工參數(shù)、加工深度、加工時間和實時電壓等信息顯示；人機對話采用中文界面；可儲存上千種工件加工程序；具有電極自動補償，自動找零，加工到預定深度后自動回退，更換電極自動報警等功能；根據(jù)工藝要求，增加了修絲功能，可設定修整磨損的電極絲，保證孔型和一致性。數(shù)控系統(tǒng)軟件界面如圖7所示。

圖7 數(shù)控系統(tǒng)軟件界面

該機床自主研發(fā)，具有目前國內先進的微細電火花放電技術，合理的機械結構設計，與國外同類產品媲美的加工精度。結合中國企業(yè)應用特點，進一步強化了產品的可靠性和環(huán)境適應性，能夠更好地滿足中國企業(yè)的需要，是進口機床的理想替代品。

本機床加工的噴油嘴噴油孔，可滿足歐Ⅲ及以上排放標準。解決我國φ0.1mm φ0.2mm尺度的微噴孔幾乎全部依賴進口機床的狀況。經試驗加工噴油嘴噴孔流量離散度在±3%之內，可用于各類發(fā)動機上的噴油嘴噴油孔等各類精密微孔，具有高精度、高光潔度，孔徑一致性高。有效地提升了我國燃油噴射和控制技術，改進內燃機節(jié)能與環(huán)保性能。技術指標分析如表2所示。

表2 技術指標分析

5 結束語

我國目前尚無擁有自主知識產權、能夠加工滿足歐Ⅳ排放標準的噴孔加工設備，歐Ⅳ排放標準一旦實施，龐大的噴孔加工市場和噴孔加工設備市場將徹底被外資壟斷。今后圍繞滿足更高的排放法規(guī)要求這一方向，對噴油嘴的噴孔加工技術將作以下七個方面的研究：1）降低最小放電能量單位，改進脈沖波形的時序電路，以提高表面粗糙度；2）采用高速大容量FPGA、高速高精度AD采樣等技術，改進狀態(tài)檢測硬件電路及處理算法；3）在線對單位時間內加工狀況數(shù)據(jù)模型的識別自適應調整放電參數(shù)，以提高放電間隙控制的穩(wěn)定性；4）完善智能化專家?guī)欤?）減少噴孔直徑；6）完善錐形的噴孔加工技術；7）設計和配置穩(wěn)定、高剛性的機械結構。

[1] 陳登, 張偉, 等. 模擬探討噴油嘴孔徑及孔數(shù)對柴油機燃燒特性的影響[J]. 柴油機, 2007, (03): 21-24.

[2] 馬洪駒, 李勇, 張龍. 微細倒錐孔電火花加工機構設計及其實驗研究[J]. 電加工與模具, 2010, (05): 11-15.

[3] 周毅. 滿足歐Ⅲ以上排放噴油嘴的噴孔加工技術研究[D]. 上海交通大學, 2009.

[4] 趙萬生. 先進電火花加工技術[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2003.

[5] 熊森.開放結構數(shù)控系統(tǒng)運動控制卡及通訊模塊設計[D]. 西安工業(yè)大學, 2009.

[6] 賈寶賢, 趙萬生, 王振龍, 胡富強. 微細電火花機床及其關鍵技術研究[J]. 哈爾濱工業(yè)大學學報, 2006, (03): 402-405.

[7] 李洪濤. 基于PC平臺的電加工機床數(shù)控系統(tǒng)及伺服系統(tǒng)研究[D]. 華中科技大學, 2006.