張 亞,張勤河,付秀琢

(1.山東大學(xué)機械工程學(xué)院,山東濟(jì)南250061;2.山東輕工業(yè)學(xué)院機械與汽車工程學(xué)院,山東濟(jì)南250035)

電火花加工技術(shù)具有無切削力、放電密度大、加工時間短、對工件材料的影響小等優(yōu)點,特別適合加工一些硬、脆、可導(dǎo)電的材料。壓電自適應(yīng)微細(xì)電火花加工技術(shù)繼承了傳統(tǒng)電火花加工的優(yōu)點[1],并通過壓電制動器的自適應(yīng)振動帶動工具電極振動,能自動消除短路和拉弧放電,且電極的振動改善了加工的排屑條件,大大提高了微細(xì)電火花加工的效率和加工穩(wěn)定性,具有廣闊的應(yīng)用前景。針對自主研制的壓電自適應(yīng)微細(xì)電火花加工平臺開發(fā)了專用的加工軟件,以實現(xiàn)壓電自適應(yīng)微細(xì)電火花加工的自動化,并提高加工效率,減少操作人員的工作量。

1 壓電自適應(yīng)微細(xì)電火花加工平臺及工作原理

壓電自適應(yīng)微細(xì)電火花加工平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要由宏動軸、旋轉(zhuǎn)主軸、工具電極、工件、工作液槽、壓電制動器及外殼、機床基座和電源、調(diào)節(jié)電阻組成。宏動軸帶動旋轉(zhuǎn)主軸運動,工具電極安裝在旋轉(zhuǎn)主軸上。壓電制動器安裝于機床基座上,其上端與工作液槽連接,可帶動工作液槽振動。工件固定于工作液槽內(nèi)。本平臺的伺服驅(qū)動系統(tǒng)采用德國PI微米定位系統(tǒng),可實現(xiàn)精度為1 μm的最小進(jìn)給量,定位精度也為1 μm。該定位系統(tǒng)的運動控制卡為德國PI的C863控制器。

在該平臺進(jìn)行微細(xì)電火花加工的過程為:接通系統(tǒng)電源后,通過宏動軸的運動來控制工具電極的位置,使工具電極位于待加工工件的正上方,并和工件有一定的距離,使其達(dá)到合適的間隙。由于初始時刻工具電極和工件處于開路狀態(tài),因此初始時刻壓電制動器兩端的電壓等于電源電動勢。而壓電制動器本身具有一定的電容,因此電源會對壓電制動器充電。壓電制動器在逆壓電效應(yīng)下開始伸長,并推動工作液槽向上運動。由于工件固定于工作液槽中,隨著工作液槽的運動,工件和工具電極間的距離逐漸變小。當(dāng)二者之間的距離達(dá)到放電間隙時便開始放電。在放電的瞬間整個電路短路,壓電制動器兩端的電壓降為0,于是壓電制動器開始回縮并帶動工作液槽和工件回退。當(dāng)回退的距離足夠大時,便切斷了工具電極和工件間的放電。此時工具電極和工件間的電壓再次恢復(fù)為電源電動勢,開始下一次放電。如此反復(fù),直到工件和工具電極間不再放電時,控制宏動軸再次進(jìn)給一定距離,如此便實現(xiàn)了壓電自適應(yīng)微細(xì)電火花加工。

圖1 壓電自適應(yīng)微細(xì)電火花加工平臺

為了實現(xiàn)壓電自適應(yīng)微細(xì)電火花連續(xù)加工,開發(fā)了壓電自適應(yīng)微細(xì)電火花加工軟件,實現(xiàn)了基本的數(shù)控功能。

2 軟件開發(fā)

針對壓電自適應(yīng)微細(xì)電火花加工平臺的特點,開發(fā)出數(shù)控加工軟件,以實現(xiàn)電火花加工的自動化。本系統(tǒng)借助于Windows操作系統(tǒng)友好的人機界面,以Windows XP系統(tǒng)為平臺,使用VC++2010為開發(fā)工具,利用Mercury公司提供的gcscommond.dll函數(shù)庫完成該系統(tǒng)軟件的開發(fā)。Windows XP操作系統(tǒng)基于Windows NT,繼承了NT操作系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性等優(yōu)點,且易用性有了極大的提高。本系統(tǒng)基于 Windows XP操作系統(tǒng),充分利用了Windows操作系統(tǒng)的各種功能。VC++2010是微軟Visual studio集成開發(fā)環(huán)境中的一個C++開發(fā)模塊,包括了文本和資源編輯器、編譯器、項目管理器和調(diào)試工具,且可利用MFC類庫進(jìn)行快速開發(fā)Windows風(fēng)格的程序,極大方便了用戶。PI_Mercury_GCS_DLL.dll是Mercury公司提供的和PI運動平臺配套的動態(tài)連接庫。該動態(tài)連接庫提供了70多個函數(shù),提供了速度控制、加速度控制、運動控制及位置檢測、錯誤查詢等功能。該函數(shù)庫能很好地工作于Windows操作系統(tǒng)及VC編譯器下。

2.1 Windows多線程編程及串口編程

Windows操作系統(tǒng)是一個多任務(wù)操作系統(tǒng),支持多線程編程。通過多線程編程可實現(xiàn)多個任務(wù)并行處理,大大提高了程序的效率[2-4]。在VC++中實現(xiàn)多線程程序,既可通過MFC提供的函數(shù),也可通過 Windows API進(jìn)行編程。在本程序中通過WindowsAPI中的CreateThread()函數(shù)創(chuàng)建線程,對于一些不能立即返回的線程函數(shù),則利用Msg-WaitForMultipleObjects()函數(shù)等待線程返回。為了使主線程在等待子線程返回的過程中仍可相應(yīng)對界面進(jìn)行操作,利用PeekMessage()、TranslateMessage()和 DispatchMessage()函數(shù)來收集和轉(zhuǎn)送Windows消息,使所有的消息得到及時有效的處理。

VC++有多種方式實現(xiàn)串口編程。常用的有通過ActiveX控件編程和通過Windows API進(jìn)行編程。本程序中采用Windows API進(jìn)行串口編程以實現(xiàn)壓電自適應(yīng)微細(xì)加工平臺中的接觸感知功能。先利用CreateFile()函數(shù)以異步方式打開串口,異步方式打開串口不會阻塞線程。用SetupComm()函數(shù)設(shè)置緩沖區(qū)大小,然后用SetCommState()函數(shù)設(shè)定其他參數(shù),并設(shè)定當(dāng)串口接收到“＞”字符時觸發(fā)事件。之后向串口發(fā)送數(shù)據(jù)查詢狀態(tài)。如果狀態(tài)正常則進(jìn)入等待狀態(tài);當(dāng)收到“＞”字符后觸發(fā)事件,進(jìn)行相應(yīng)的停止、回退操作。

2.2 軟件結(jié)構(gòu)

軟件的結(jié)構(gòu)如圖2所示。程序運行后會自動進(jìn)行初始化,之后根據(jù)所選擇的不同操作啟動不同的線程。當(dāng)進(jìn)行手動加工時,程序僅啟動手動加工線程,并在界面實時顯示工具電極的坐標(biāo),工具電極的坐標(biāo)由手動加工線程獲得。當(dāng)進(jìn)行數(shù)控加工時,程序會啟動數(shù)控加工線程和電壓檢測線程。電壓檢測線程實時高速檢測壓電自適應(yīng)微細(xì)電火花加工機床的放電電壓,并將檢測到的電壓發(fā)送到數(shù)控加工線程;數(shù)控加工線程負(fù)責(zé)控制壓電自適應(yīng)微細(xì)電火花加工的全過程。該線程創(chuàng)建之后會自動讀取數(shù)控加工代碼并譯碼,然后根據(jù)用戶設(shè)定的加工參數(shù)進(jìn)行數(shù)控加工。加工過程中,數(shù)控加工線程根據(jù)從電壓檢測線程接收到的數(shù)據(jù)來判斷兩者之間距離的大小,進(jìn)而控制微細(xì)電火花加工的放電間隙大小,并在系統(tǒng)無法自動消除短路或拉弧放電時,控制電極快速回退以消除不良加工狀態(tài)。在加工過程中,運動控制器返回的坐標(biāo)參數(shù)被發(fā)送到主線程以實時顯示工具電極坐標(biāo)。

圖2 主程序流程圖

數(shù)控加工線程流程圖如圖3所示。其工作過程如下:線程創(chuàng)建成功以后自動讀取數(shù)控加工代碼文件,并存儲于計算機內(nèi)存中。本程序采用C++標(biāo)準(zhǔn)模板庫中的Vector容器存儲數(shù)控代碼。Vector容器為一種數(shù)據(jù)類型,比數(shù)組更安全,使用更方便。之后線程提取存儲于內(nèi)存中的一行數(shù)控代碼,并進(jìn)行譯碼。如果該行代碼為非加工代碼(加工代碼為G01,G02,G03,G10),線程僅進(jìn)行相關(guān)操作(選擇平面、設(shè)定刀補等)后繼續(xù)讀取下一行代碼;如代碼為加工代碼,則線程根據(jù)刀具補償變量的值判斷是否進(jìn)行刀具補償。刀具補償變量為布爾類型變量,其值決定是否進(jìn)行刀具補償。此處的刀具補償為半徑補償。如不需要進(jìn)行刀具補償,線程將調(diào)用加工子函數(shù)進(jìn)行加工;如需進(jìn)行刀具補償,則線程調(diào)用刀具補償子函數(shù)進(jìn)行刀具半徑補償,然后根據(jù)計算出來的新曲線調(diào)用加工子函數(shù)進(jìn)行加工。加工子函數(shù)分為直線加工子函數(shù)和圓弧加工子函數(shù)。線程根據(jù)待加工曲線的類型調(diào)用不同的加工子函數(shù)。加工子函數(shù)會調(diào)用相應(yīng)的插補子函數(shù)進(jìn)行插補運算,并將運算結(jié)果存儲于計算機內(nèi)存中。加工子函數(shù)根據(jù)插補運算的結(jié)果和系統(tǒng)設(shè)置的加工參數(shù)進(jìn)行數(shù)控加工。當(dāng)曲線加工完成之后,線程繼續(xù)讀取下一行數(shù)控加工代碼進(jìn)行處理;當(dāng)處理完所有代碼之后,線程結(jié)束。

圖3 數(shù)控線程流程圖

2.3 軟件開發(fā)

利用以上計算機技術(shù)和思路,完成了壓電自適應(yīng)微細(xì)電火花加工軟件的開發(fā)。在實際開發(fā)過程中,根據(jù)需要增加了加工參數(shù)的記錄,人為終止或開始道具補償、暫停加工等功能。最終開發(fā)出的軟件界面如圖4所示。

圖4 軟件界面

3 加工實驗

利用壓電自適應(yīng)微細(xì)電火花加工平臺及開發(fā)的軟件,進(jìn)行了一系列孔、槽的加工實驗。圖5為加工的陣列孔和橢圓槽。加工采用鎢電極,工件為Cr17Ni7鋼。實驗結(jié)果表明,開發(fā)的軟件滿足壓電自適應(yīng)微細(xì)電火花加工的要求。

圖5 加工工件

4 結(jié)論

簡單分析了基于運動控制卡的壓電自適應(yīng)微細(xì)電火花加工平臺的工作原理,研究了數(shù)控加工軟件的結(jié)構(gòu)流程,充分利用Windows操作系統(tǒng)的多任務(wù)特性,采用多線程編程和串口編程技術(shù),以VC++開發(fā)工具成功開發(fā)出了壓電自適應(yīng)微細(xì)電火花加工軟件,并進(jìn)行了一些孔、槽的加工實驗。實驗結(jié)果表明,開發(fā)的軟件界面友好,操作方便,能實現(xiàn)加工過程的精確控制,滿足壓電自適應(yīng)微細(xì)電火花加工的要求。

[1] 付秀琢,張勤河,張建華,等.壓電自適應(yīng)微細(xì)電火花加工系統(tǒng)特性分析[J].機械工程學(xué)報,2011,47(9):164-168.

[2] 齊文,王勇前,曹志剛.用Visual C++實現(xiàn)工控設(shè)備多線程控制程序[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2001(3):13-16.

[3] 付永紅,熊飛麗,龍佑喜,等.基于Windows下數(shù)控軟件設(shè)計與實現(xiàn)[J].機電一體化,2001(1):28-31.

[4] 尹家凡,王孫安.基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究[J].機床與液壓.機床與液壓,2003(2):88-90.