聚晶金剛石(PolycrystallineDiamond，PCD)刀具具有高硬度、高抗壓強(qiáng)度、良好的導(dǎo)熱性及耐磨性，可以在高速切削中獲得很高的加工精度和加工效率。但其高硬度導(dǎo)致去除率只有硬質(zhì)合金的萬分之一，普通刃磨方式(金剛石砂輪刃磨)效率極低，且砂輪的損耗和刀具刃磨量基本相同，生產(chǎn)中不管時(shí)間還是成本均難以接受。電火花刃磨(ElectricalDischargeGrinding，EDG)技術(shù)不受被刃磨工件硬度的影響，且某些復(fù)雜形狀PCD刀具(如木工刀具)的刃磨對(duì)這種靈活的刃磨工藝具有巨大需求，因此EDG技術(shù)逐漸成為PCD刀具加工的主要手段。

　　圍繞電火花加工數(shù)控系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者展開了大量的研究。對(duì)于電火花數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，Yang等基于開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，開發(fā)了用于線切割的電火花數(shù)控系統(tǒng);馬駿等對(duì)電火花加工數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了多任務(wù)劃分，提出了系統(tǒng)的多任務(wù)劃分模型，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的多任務(wù)調(diào)度;周亞軍等

　　在分析電火花加工工藝和控制功能的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了電火花數(shù)控系統(tǒng)的分層體系結(jié)構(gòu)，并自行設(shè)計(jì)了電火花專用四軸運(yùn)動(dòng)控制器。為了保證電加工的實(shí)時(shí)性，趙萬生等在開放式體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了基于實(shí)時(shí)Linux系統(tǒng)的六軸聯(lián)動(dòng)電火花數(shù)控系統(tǒng)軟件的研究;Huang等采用RT-Linux技術(shù)，提出雙核結(jié)構(gòu)概念分別處理實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù);鄭君民等同樣采用RT-Linux解決數(shù)控系統(tǒng)的多線程和實(shí)時(shí)性的問題，并提出了以軟件插補(bǔ)的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制為基礎(chǔ)的控制方式。為了提高系統(tǒng)的精度和靈敏度，Shieh等提出了在電火花成型數(shù)控系統(tǒng)中采用交叉耦合控制方式保證系統(tǒng)的輪廓精度;Guo等采用可編程多軸控制器為下位機(jī)，PC和Linux為上位機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了微細(xì)電火花加工數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，并開發(fā)了可以在線觀察和測(cè)量微細(xì)電極的圖像處理程序;李翔龍等在數(shù)控系統(tǒng)中，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電機(jī)損耗的智能預(yù)測(cè)和補(bǔ)償，并用兩個(gè)分別以放電狀態(tài)和極間電壓作為輸入的模糊控制器實(shí)現(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)的變步距、變頻雙重調(diào)節(jié);黃河等提出使用正反兩個(gè)運(yùn)動(dòng)程序結(jié)合后臺(tái)PLC程序進(jìn)行加工的方法，實(shí)現(xiàn)了加工過程中高效、精確的運(yùn)動(dòng)控制;谷安等結(jié)合開放式的運(yùn)動(dòng)控制器，開發(fā)了基于PC的四軸聯(lián)動(dòng)電火花數(shù)控系統(tǒng)，并采用神經(jīng)模糊控制智能技術(shù)，保證加工過程處于優(yōu)化狀態(tài)。然而，上述通用電火花加工數(shù)控系統(tǒng)無法滿足復(fù)雜PCD刀具的特殊刃磨需求，因?yàn)閺?fù)雜PCD刀具的刃磨路徑需嚴(yán)格按照前刀面的實(shí)際位置來設(shè)定，這就要求系統(tǒng)必須具有通過“在線測(cè)量”的手段獲取PCD前刀面的實(shí)際位置并將測(cè)量結(jié)果自動(dòng)轉(zhuǎn)化為加工程序的功能。英國(guó)COBORN、德國(guó)VOLLMER和LACH、瑞士EWAG等公司對(duì)復(fù)雜PCD刀具專用數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，并開發(fā)出了成熟的產(chǎn)品，而國(guó)內(nèi)目前在本領(lǐng)域尚屬空白。

　　為此，本文以工控機(jī)和自主開發(fā)的控制板卡為硬件平臺(tái)，以RT-Linux為軟件平臺(tái)，開發(fā)了用于加工復(fù)雜PCD刀具的五軸電火花數(shù)控系統(tǒng)，并對(duì)此專用數(shù)控系統(tǒng)的各個(gè)關(guān)鍵模塊進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。

1 數(shù)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　1.1 數(shù)控系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)

　　PCD刀具五軸電火花刃磨數(shù)控系統(tǒng)除機(jī)床通用I/O信號(hào)，還有其特殊功能專用的控制信號(hào)。系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)采用工控機(jī)+自主設(shè)計(jì)的主控卡+自主設(shè)計(jì)的前端控制卡的方式實(shí)現(xiàn)。工控機(jī)存儲(chǔ)運(yùn)行數(shù)控系統(tǒng)的軟件部分，同時(shí)通過PCI總線與主控卡通信。主控卡主要用于各軸伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，此控制實(shí)時(shí)性要求很高。前端控制卡放置于靠近機(jī)床的位置，用于機(jī)床的I/O信號(hào)讀取，包括檢測(cè)探針、脈沖電源的控制，以及電加工狀態(tài)的檢測(cè)等，這些功能的實(shí)時(shí)性要求在大部分時(shí)間內(nèi)低于運(yùn)動(dòng)控制。前端控制卡通過CAN總線協(xié)議和主控卡通信，保證了整個(gè)硬件的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。這種硬件設(shè)計(jì)方式使得實(shí)時(shí)性要求不高的I/O和A/D在前端被處理，只把關(guān)鍵的信號(hào)傳輸給工控機(jī)的軟件系統(tǒng)，并且由于離機(jī)床很近，減少了信號(hào)損失，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

　　主控卡主要由PCI9030、SJA1000和FPGA三大部分組成，F(xiàn)PGA內(nèi)部由串口控制單元、脈沖發(fā)生單元、碼盤計(jì)數(shù)單元和I/O控制單元組成。主要功能是PCI接口轉(zhuǎn)換、與IO控制卡通信以及各軸驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生。前端控制卡主要由ARM微處理器和CPLD組成，主要功能是和主控卡通信和I/O管理。

　　1.2 數(shù)控系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)

　　PCD刀具五軸電火花刃磨數(shù)控系統(tǒng)需要對(duì)探針檢測(cè)信號(hào)以及電火花加工狀態(tài)信號(hào)及時(shí)響應(yīng)，對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高，因此采用RT-Linux作為軟件系統(tǒng)平臺(tái)。針對(duì)此專用PCD刀具五軸電火花刃磨數(shù)控系統(tǒng)，進(jìn)行了詳細(xì)的軟件模塊劃分。

　　設(shè)計(jì)時(shí)，將PCD刀具五軸電火花刃磨數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)模塊與非實(shí)時(shí)模塊分開，放入RT-Linux不同的系統(tǒng)內(nèi)核中，以保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)采用的調(diào)度方式為守護(hù)機(jī)理，每個(gè)客戶端進(jìn)程定時(shí)采用socket通信方式向服務(wù)器端主動(dòng)報(bào)告運(yùn)行狀態(tài)，服務(wù)器端定時(shí)檢查各進(jìn)程的運(yùn)行狀態(tài)，然后根據(jù)具體的客戶端狀態(tài)采取相應(yīng)的進(jìn)程調(diào)度。

2 數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

　　2.1 刀具形狀檢測(cè)及加工程序自動(dòng)生成模塊

　　在PCD刀具制造過程中，由于刀體制作以及焊接PCD刀片層時(shí)產(chǎn)生的偏差，刀口不是一條確定的空間曲線，故不能用一個(gè)簡(jiǎn)單而準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型表述，而且由于PCD材料的硬度很高，磨削量要取得盡量小，因此刀具的加工軌跡不能預(yù)先給出，需要在加工前對(duì)將要磨削的PCD刀具的刃口進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果生成加工程序。刀具的測(cè)量采用自適應(yīng)測(cè)量的算法，算法中考慮了測(cè)量過程中可能出現(xiàn)的各種情況，可以自動(dòng)識(shí)別刀具邊沿，并通過使用帶有邏輯判斷及執(zhí)行控制功能的數(shù)控程序來完成對(duì)刀具復(fù)雜刃口曲線的實(shí)際在線測(cè)量，此算法使得操作變得簡(jiǎn)單易行，用戶只需要為每個(gè)待測(cè)刀片提供一個(gè)測(cè)量參考點(diǎn)，而且對(duì)參考點(diǎn)在刀片上的位置也沒有任何要求。

　　系統(tǒng)完成刀具形狀檢測(cè)后，自動(dòng)編程模塊需要根據(jù)檢測(cè)出來的刀具位置參數(shù)、用戶輸入的修電極參數(shù)以及刀具本身的類型、大小齒數(shù)等具體參數(shù)綜合生成加工程序。對(duì)于PCD刀具來說，刀具類型需要預(yù)先在系統(tǒng)中定義，而同一類型的不同刀具表現(xiàn)為半徑、齒數(shù)等形狀參數(shù)不一致。因此，為了提高加工效率和加工質(zhì)量，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和技術(shù)要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了常用刀具的工藝數(shù)據(jù)庫(kù)供使用者調(diào)用，用戶只需輸入刀具基本的參數(shù)系統(tǒng)即可生成加工程序。

　　自動(dòng)編程模塊的結(jié)構(gòu)如圖4所示，模塊從人機(jī)交互界面得到刀具參數(shù)信息，確定刀具類型和電加工參數(shù)，然后將上一步檢測(cè)的結(jié)果作為原始數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合出刃口曲線方程。本文采用工業(yè)中廣泛應(yīng)用的三次非均勻有理B樣條曲線進(jìn)行刃口曲線擬合。根據(jù)原始數(shù)據(jù)點(diǎn)可以得到相應(yīng)的控制頂點(diǎn)，繼而可以得到所需刃口曲線上的點(diǎn)。

　　基于三次非均勻有理B樣條理論和刃磨精度要求，可獲得系統(tǒng)加工PCD刀具所需的軌跡點(diǎn)，進(jìn)而生成加工程序。

　　2.2 電加工運(yùn)動(dòng)控制模塊

　　和通用的電火花加工一樣，PCD刀具的電火花刃磨放電過程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)間隙維持過程。間隙過大或者過小都不利于放電加工，因此只有精心調(diào)節(jié)伺服進(jìn)給，保持間隙大小適當(dāng)，才能維持較佳放電狀態(tài)。在PCD刀具刃磨系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，改進(jìn)了以往其它系統(tǒng)中將兩極之間的放電狀態(tài)傳遞給系統(tǒng)，從而控制系統(tǒng)加減速的控制策略，采用的控制方式是將放電電壓直接傳遞給數(shù)控系統(tǒng)，根據(jù)加工時(shí)電極和刀具兩端電壓預(yù)測(cè)出腐蝕量，進(jìn)而得出下一時(shí)刻的進(jìn)給速度。

　　為了保證系統(tǒng)的安全有效運(yùn)行，需要回退伺服控制來防止由于切屑在放電間隙中的累積或者放電間隙過小而產(chǎn)生的電源正負(fù)極之間的短路?？刂屏鞒虨?當(dāng)放電間隙檢測(cè)模塊檢測(cè)出的電壓很小時(shí)(小于短路預(yù)設(shè)值)，系統(tǒng)將記錄當(dāng)前所處位置，停止向前插補(bǔ)，并將系統(tǒng)的前一個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)作為插補(bǔ)終點(diǎn)、當(dāng)前點(diǎn)作為插補(bǔ)起點(diǎn)反向快速插補(bǔ)5個(gè)插周期，控制電極自動(dòng)按原軌跡回退;回退周期過后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)間隙電壓，如果仍處于短路狀態(tài)或小于閾值電壓則繼續(xù)回退，否則轉(zhuǎn)為正常加工狀態(tài)?；赝怂欧刂瓶梢杂行Ы獬搪返臓顟B(tài)、改善排屑環(huán)境。

　　2.3 圖形用戶界面管理模塊

　　圖形用戶界面的作用是完成人機(jī)交互。由系統(tǒng)操作流程，圖形用戶界面模塊需為用戶提供以下4大操作界面模塊:測(cè)量NC程序模板文件選擇及參數(shù)編輯界面模塊，簡(jiǎn)稱測(cè)量界面模塊;EDG加工NC程序模板文件選擇及參數(shù)編輯界面模塊，簡(jiǎn)稱加工界面模塊;系統(tǒng)設(shè)置及操作界面模塊，簡(jiǎn)稱操作界面模塊;模板操作說明界面模塊，簡(jiǎn)稱幫助界面模塊PCD刀具電火花刃磨數(shù)控系統(tǒng)其中一種刀具螺旋形木工刀具自動(dòng)生成加工程序界面的截圖，界面左側(cè)是刀具和加工信息，右側(cè)為刀具參數(shù)信息，下方為功能鍵。用戶在界面左側(cè)欄上方輸入加工的刀具類型、電極直徑，選擇相應(yīng)的加工程序和電極修磨程序，再在界面右側(cè)輸入加工刀具的具體參數(shù)，即可開始刀具刃磨。刃磨的進(jìn)度和機(jī)床的位置在界面左側(cè)欄下方顯示。

　　2.4 其它模塊

　　除上述模塊外，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了電源參數(shù)管理和電極損耗補(bǔ)償?shù)饶K以保證系統(tǒng)的正確運(yùn)行。電源參數(shù)管理模塊是一個(gè)靜態(tài)的數(shù)據(jù)庫(kù)，磨削PCD刀具時(shí)用戶可以選擇參數(shù)庫(kù)中的參數(shù)或者可以將自定義電加工參數(shù)添加到參數(shù)庫(kù)中。電極損耗補(bǔ)償采用電極在線修磨和自動(dòng)損耗補(bǔ)償兩種方式相結(jié)合，用戶可以在自動(dòng)生成加工程序時(shí)指定電極的修磨間

　　隔加工齒數(shù)和修磨量;在電極修磨的間隔中，采用根據(jù)加工參數(shù)和預(yù)先設(shè)置好的補(bǔ)償量自動(dòng)沿電極徑向進(jìn)行補(bǔ)償。

3 加工實(shí)驗(yàn)

　　按照本文中所提到的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)所開發(fā)的PCD電火花刃磨系統(tǒng)如圖7所示，系統(tǒng)使用盤狀電極作為刃磨工具，紅寶石探針用于刀具形狀檢測(cè)，加工電源使用專用電火花加工脈沖電源。系統(tǒng)包含5個(gè)軸，其中有X/Y/Z3個(gè)平動(dòng)軸和A/E兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀PCD刀具的刃磨。

　　為了驗(yàn)證此數(shù)控系統(tǒng)的性能，按照本文給出的復(fù)雜PCD刀具加工流程(在線測(cè)量刀具形狀、自動(dòng)生成加工程序、電火花刃磨加工)，對(duì)兩種典型的PCD刀具———螺旋刀和預(yù)銑刀進(jìn)行實(shí)際加工實(shí)驗(yàn)。PCD螺旋刀和預(yù)銑刀是最為常用的兩種木工刀具類型，在實(shí)際生產(chǎn)中有重要作用。PCD螺旋刀和預(yù)銑刀雖然有多種型號(hào)，但基本構(gòu)型相同，差別體現(xiàn)在刀具的外徑和各個(gè)齒的排布上。實(shí)際刃磨加工后的刀具見圖8。

　　整個(gè)加工過程分為粗加工和精加工兩個(gè)階段，粗加工采用峰值電壓為180V、占空比為35%的脈沖電源，用來去除余量，加工過程中保持間隙電壓在80—120V;精加工采用峰值電壓為120V、占空比為30%的脈沖電源，用來保證切削刃形狀和表面質(zhì)量，加工過程保持間隙電壓為70—90V。整個(gè)加工過程系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)拉弧、短路和振動(dòng)等不正?，F(xiàn)象。表1為PCD螺旋刀的加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出，系統(tǒng)所加工的PCD刀具刃口質(zhì)量良好，外圓跳動(dòng)滿足要求，且具有較高的加工效率。

4 結(jié)論

　　(1)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種適用于聚晶金剛石刀具五軸電火花刃磨加工的專用數(shù)控系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件以RT-Linux為開發(fā)平臺(tái)，將實(shí)時(shí)任務(wù)與非實(shí)時(shí)任務(wù)分離，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與穩(wěn)定性，采用自行設(shè)計(jì)的專用總線式硬件結(jié)構(gòu)，保證了系統(tǒng)的特殊需求;

　　(2)為解決刀具刃磨軌跡不能預(yù)先給出的問題，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了能夠自動(dòng)檢測(cè)刀具邊沿的刀具形狀在線測(cè)量模塊以及基于非均勻有理B樣條理論的加工程序自動(dòng)生成模塊，并設(shè)計(jì)了電火花伺服控制模塊以及應(yīng)急短路回退模塊，可以根據(jù)磨削量給出下一插補(bǔ)周期速度，使系統(tǒng)保持良好的放電狀態(tài)，并在系統(tǒng)出現(xiàn)短路時(shí)調(diào)整加工以保證加工安全;

　　(3)加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文開發(fā)的五軸電火花刃磨PCD刀具數(shù)控系統(tǒng)功能完善，運(yùn)行穩(wěn)定，刃磨的刀具加工精度和刃口質(zhì)量均滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，且具有很高的加工效率。