王福元，趙建社，唐霖

(1.鹽城工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鹽城224051;2.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京210016;3.西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安710021)

0 引言

電解加工常用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、炮管膛線、深孔、齒輪、花鍵、零件拋光、去毛刺加工等，它在加工高溫合金、鈦合金材料制造的復(fù)雜零件時(shí)有較大的優(yōu)勢(shì)，目前已被廣泛應(yīng)用于航空航天、武器、汽車、醫(yī)療器械、儀表等制造行業(yè)［1］。

隨著電解加工技術(shù)的應(yīng)用與推廣，電解加工機(jī)床的技術(shù)也有了較大的發(fā)展。為了適應(yīng)復(fù)雜零件加工，美國Winbro Group Tec 公司的Blisk 940、德國EMAG 公司的PO 900BF 等電解加工機(jī)床配置了5 ～7 軸數(shù)控系統(tǒng)，并且具有電解液溫度、pH 值、電導(dǎo)率等檢測(cè)裝置和人性化的操作界面等。為了提高機(jī)床加工精度，PO 900BF 等電解加工機(jī)床還配置了高頻脈沖電源和振動(dòng)進(jìn)給裝置，加工的高溫合金材料葉片的型面輪廓精度小于0.06 μm，表面粗糙度Ra小于0.2 μm［2］. 我國現(xiàn)有的電解加工設(shè)備大多數(shù)是在20 世紀(jì)七八十年代從國外引進(jìn)的，也有少數(shù)設(shè)備是為了滿足科研與生產(chǎn)需要自行設(shè)計(jì)與開發(fā)的，例如炮管膛線電解加工機(jī)床［3］、雙頭進(jìn)給葉片電解加工機(jī)床［4］、5 軸數(shù)控展成電解加工機(jī)床、JK3225 臥式電解加工機(jī)床，DJZ-2 振動(dòng)進(jìn)給電解機(jī)床等。近幾年來，我國一些航空與軍工制造企業(yè)從德國、英國等引進(jìn)了一批先進(jìn)電解加工機(jī)床，例如沈陽某航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司從德國引進(jìn)的整體葉盤電解加工機(jī)床。

通過技術(shù)對(duì)比可知，國內(nèi)與國外先進(jìn)電解加工機(jī)床的技術(shù)差距主要表現(xiàn)在機(jī)床的控制系統(tǒng)、電解液過濾與處理系統(tǒng)以及其他輔助裝備配置方面。在電解加工機(jī)床控制系統(tǒng)上，國內(nèi)電解機(jī)床主要采用了“電氣控制+ 數(shù)控系統(tǒng)”，“可編程邏輯控制器(PLC)+觸摸屏”［5］，而國外多采用“PC 機(jī)+數(shù)控系統(tǒng)”［6］和專用電解加工控制系統(tǒng)，其控制功能強(qiáng)、集成度高。在電解加工機(jī)床高級(jí)功能配備方面，在線故障診斷是未來電解加工機(jī)床必備的功能之一，目前只有先進(jìn)的電解加工機(jī)床才配備該系統(tǒng)，例如英國Amchem 公司生產(chǎn)的高檔電解加工機(jī)床。在國內(nèi)，近幾年開發(fā)的電解加工機(jī)床控制系統(tǒng)也具有了簡易故障診斷功能，例如DJK3150 電解加工機(jī)床［7-8］。從技術(shù)上來看，電解加工故障診斷技術(shù)在還處于發(fā)展階段，大多數(shù)控制系統(tǒng)還不具備復(fù)雜診斷和智能診斷功能，特別是對(duì)于復(fù)雜零件的電解加工過程診斷困難，因此在故障診斷方法上還需開展進(jìn)一步研究，提高診斷的準(zhǔn)確率。

從根本上來說，電解加工機(jī)床的技術(shù)水平主要體現(xiàn)在機(jī)床的控制系統(tǒng)上，因此發(fā)展一種自動(dòng)化程度高、操控簡單、響應(yīng)快、功能強(qiáng)的電解加工設(shè)備控制技術(shù)是我國電解加工裝備發(fā)展中要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 DJK160 電解加工機(jī)床組成

為了滿足復(fù)雜零件對(duì)加工精度、可靠性、加工效率等方面的要求，南京航空航天大學(xué)聯(lián)合西安工業(yè)大學(xué)、南通迪蒙斯巴克精密機(jī)械有限公司開發(fā)了一種多用途、集成化與高精度的電解加工機(jī)床(DJK160)。該機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由機(jī)床本體、控制系統(tǒng)、電解液輸送、電解液加熱、加工電源、電極振動(dòng)裝置等組成，在控制系統(tǒng)上采用了新的架構(gòu)與控制策略，其機(jī)床的操控性能、響應(yīng)特性、工作可靠性顯著提高，可用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤、三元流葉輪、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴閥體等零件的電解加工。

圖1 DJK160 電解加工機(jī)床組成Fig.1 Schematic diagram of DJK160 ECM machine tool

2 控制系統(tǒng)架構(gòu)

為了更好地發(fā)揮電解機(jī)床的性能，在控制系統(tǒng)上對(duì)電解加工機(jī)床的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化，在控制系統(tǒng)的組建上采用了分布式方法，具有配置靈活、可靠性好等特點(diǎn)［9-10］。該機(jī)床的集成控制系統(tǒng)由主控系統(tǒng)、加工電源控制子系統(tǒng)、電解液輸送控制子系統(tǒng)、電解液加熱子系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)、輔助控制子系統(tǒng)、電極振動(dòng)控制子系統(tǒng)組成，控制系統(tǒng)的架構(gòu)如圖2所示。

圖2 DJK160 電解加工機(jī)床的控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Control system architecture of DJK160 ECM machine tool

主控系統(tǒng)由控制器、系統(tǒng)協(xié)同控制軟件以及通訊網(wǎng)絡(luò)組成。控制器選用TPC6000-8150T 觸摸式工業(yè)計(jì)算機(jī)，它采用了酷睿雙核微處理器，具有多個(gè)PCI 擴(kuò)展插槽、多個(gè)通訊接口與網(wǎng)絡(luò)接口，可滿足多系統(tǒng)的硬件集成、數(shù)據(jù)處理與通訊需要?？刂破魍ㄟ^自主開發(fā)的電解加工協(xié)同控制軟件及通訊網(wǎng)絡(luò)對(duì)各個(gè)二級(jí)控制器及其構(gòu)成的子系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同控制。機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)采用了“PC +運(yùn)動(dòng)控制卡+伺服驅(qū)動(dòng)”的方式構(gòu)建，系統(tǒng)開放性好、集成方便［11］，最多可控制6 個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，其組成包括運(yùn)動(dòng)控制器、驅(qū)動(dòng)電源、驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、光柵等。在軟件方面，根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制卡廠商提供的函數(shù)集，參照ISO 數(shù)控代碼規(guī)范，開發(fā)了運(yùn)動(dòng)控制軟件，與其他控制模塊一起集成在協(xié)同控制軟件中。

電解液輸送控制子系統(tǒng)由電解液輸送控制器、輸送泵、變頻器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電磁閥，壓力傳感器、電子流量計(jì)等組成。輸送泵輸送電解液依次經(jīng)過主管道、過濾器、電磁閥到達(dá)電解加工區(qū)域，壓力傳感器和電子流量計(jì)分別用于測(cè)量管道中電解液壓力與流量，并由控制器對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行處理，再通過電動(dòng)調(diào)節(jié)閥對(duì)主管道中的電解液壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其達(dá)到設(shè)定要求。

電解液加熱子系統(tǒng)由智能溫控器、電加熱器、冷卻泵、溫度傳感器組成。溫控器選用了AI7048 型溫控器，可獨(dú)立控制4 個(gè)獨(dú)立回路，各回路參數(shù)可分別調(diào)節(jié)。加工前，溫控器控制加熱器對(duì)電解液加熱，使之達(dá)到設(shè)定的加工溫度，在加工過程中當(dāng)電解液溫度超限時(shí)，控制冷卻系統(tǒng)對(duì)電解液進(jìn)行冷卻。

加工電源控制子系統(tǒng)由大功率脈沖電源、電源控制器、顯示器、電流傳感器、電壓傳感器組成。主控制器對(duì)加工電源的運(yùn)行進(jìn)行控制，電源控制器接受指令對(duì)電源的參數(shù)進(jìn)行控制，由傳感器對(duì)電源輸出的實(shí)際電流進(jìn)行測(cè)量，并向主控制器反饋所測(cè)信號(hào)，用于故障診斷。

電極振動(dòng)子系統(tǒng)包括振動(dòng)控制器、直線驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器及高速運(yùn)動(dòng)光柵組成。主控制器發(fā)出振動(dòng)工作指令，由振動(dòng)控制器負(fù)責(zé)振幅、頻率等參數(shù)的控制，同時(shí)向主控制器反饋電極位置信號(hào)，在主控制器協(xié)調(diào)下向電極供電。

輔助控制子系統(tǒng)包括輔助控制器及其接口組成，控制對(duì)象包括低壓對(duì)刀裝置、機(jī)床照明、機(jī)床潤滑、系統(tǒng)報(bào)警、排氣裝置。選用PLC 作為輔助控制器，接受主控制器的控制指令。

3 多系統(tǒng)協(xié)同控制策略

電解加工系統(tǒng)是由多個(gè)子系統(tǒng)組成的一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，為了便于系統(tǒng)管理，在控制系統(tǒng)管理上采用協(xié)同控制方法［12-14］。主控制器通過協(xié)同控制軟件對(duì)整個(gè)加工系統(tǒng)進(jìn)行決策、完成子系統(tǒng)之間的協(xié)同管理，具體工作內(nèi)容包括數(shù)據(jù)與信息采集、信息處理、加工模式識(shí)別、控制決策等?？刂葡到y(tǒng)的協(xié)同控制策略如圖3所示。

圖3 電解加工系統(tǒng)的協(xié)同控制策略Fig.3 Collaborative control strategy of ECM system

主控制器與運(yùn)動(dòng)控制器之間交換的信息包括數(shù)控程序傳送、運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)與停止指令、數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息等。主控制器必須在檢測(cè)到加工電源輸出電壓、電解液系統(tǒng)開啟并達(dá)到設(shè)定要求之后，發(fā)出數(shù)控運(yùn)行指令，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與加工電源子系統(tǒng)、電解液輸送子系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制，并對(duì)數(shù)控運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。加工開始時(shí)，電源運(yùn)行要先于數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行(0.3 ～0.5 s)，若電源運(yùn)行過早，將會(huì)加重工件雜散腐蝕，運(yùn)行滯后，將造成加工短路。加工結(jié)束時(shí)必須在極短的時(shí)間內(nèi)(0.1 ～0.3 s)切斷加工電源，否則加工誤差將增大。

主控制器與電解液輸送控制器之間傳遞的信息包括加工壓力調(diào)節(jié)指令、電解液壓力與流量傳感器反饋的實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)、電解液泵啟動(dòng)與停止指令、電磁閥的開啟與關(guān)閉指令等。電解輸送控制器的主要作用是對(duì)輸送管道的壓力進(jìn)行控制，采用PID 算法使輸送管道中的壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近，保證加工間隙中的電解液具有一定的流速。

溫度控制器通過RS485 接口與主控計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行通訊，傳遞的信息包括電解液溫度設(shè)定指令、電解液溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等。溫度控制器采用PID 算法對(duì)電解液溫度進(jìn)行控制，同時(shí)主控制器定時(shí)對(duì)溫度進(jìn)行采集，用于系統(tǒng)的溫度顯示和工作決策。

為了提高振動(dòng)系統(tǒng)和脈沖電源的加工效果，振動(dòng)控制器與加工電源之間需要進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。由于振動(dòng)進(jìn)給裝置的工作振動(dòng)頻率為30 ～50 Hz，而加工電源的工作頻率為2 ～10 kHz，實(shí)際中采用異步工作機(jī)制，當(dāng)振動(dòng)電極接近于電極振動(dòng)曲線正極點(diǎn)時(shí)，控制加工電源輸出，當(dāng)離開極點(diǎn)時(shí)迅速切斷電源。由于控制了電源輸出時(shí)的電極位置與輸出時(shí)間，從而控制了零件的加工精度與表面質(zhì)量。電極振動(dòng)器與電源聯(lián)動(dòng)的控制信號(hào)取自于振動(dòng)電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)器，從驅(qū)動(dòng)器中輸出振動(dòng)電機(jī)的位置信號(hào)，通過比較從而控制電源開關(guān)的觸發(fā)信號(hào)，再通過電源控制器的接口輸入觸發(fā)信號(hào)，由電源控制器控制加工電源的開啟與關(guān)閉。

加工電源與主控制器的參數(shù)設(shè)置、工作狀態(tài)信息傳送通過串行通訊傳送，由于串行傳送數(shù)據(jù)的速率低，其數(shù)據(jù)傳送速率不能滿足實(shí)際加工系統(tǒng)控制要求，所以加工電源控制器反饋的加工電壓、電流大小、占空比、脈沖頻率等信息只能用于控制系統(tǒng)的工作過程顯示，而并非用于加工系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制。為了減輕加工短路對(duì)工件與電極的損壞，在控制系統(tǒng)中采用了雙路加工短路保護(hù)機(jī)制。首先，在加工電源的內(nèi)部安裝電流傳感器，由電源控制器中的數(shù)字信號(hào)處理(DSP)芯片對(duì)加工電源輸出電流進(jìn)行檢測(cè)。其次，在加工現(xiàn)場這一側(cè)也安裝電流傳感器，由主控制器對(duì)加工電流進(jìn)行采樣，其采樣速率高達(dá)2 MHz，兩個(gè)控制器檢測(cè)到加工短路時(shí)，分別采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

以上各個(gè)子系統(tǒng)都是一個(gè)獨(dú)立的控制單元，各自完成對(duì)本單元的對(duì)象與參數(shù)的控制。各二級(jí)控制器擔(dān)負(fù)了控制系統(tǒng)大部分的控制任務(wù)，從而減少了主控制器的工作負(fù)擔(dān)，而且各控制器并行運(yùn)行，因而提高了整個(gè)系統(tǒng)的信息處理速度與工作效率，實(shí)時(shí)性更強(qiáng)。

4 電解加工過程故障診斷方法

4.1 電解加工故障分類

為了提高機(jī)床加工的可靠性，在控制系統(tǒng)中建立了電解加工過程診斷系統(tǒng)，預(yù)防加工故障發(fā)生對(duì)零件、夾具、電極等進(jìn)一步損壞。由于引發(fā)電解加工故障的因素較多，在此把加工過程出現(xiàn)的故障分為直接故障和間接故障兩種類型，分別采取不同的處理與決策方法。

直接故障是由于機(jī)床子系統(tǒng)的元件出現(xiàn)問題而影響電解加工進(jìn)行的故障類型，例如供液泵損壞、數(shù)控系統(tǒng)急停、加工電源故障等，這些故障一般由子系統(tǒng)的控制器進(jìn)行識(shí)別，生成故障代碼，再把故障代碼傳遞給主控制器進(jìn)行處理。

間接故障是由于電解加工本身的諸多因素引起的故障類型，例如加工材料、電導(dǎo)率、加工面積、流場等因素，故障發(fā)生的征兆表現(xiàn)在加工電流、加工壓力、流量等加工特征變化上。由于不同零件電解加工表現(xiàn)出的特征沒有可比性，所以一般不能通過設(shè)定特征值范圍的方法來判斷加工是否正常。目前，大多數(shù)故障診斷系統(tǒng)只能識(shí)別直接故障，而對(duì)間接故障不能有效識(shí)別。為了能夠識(shí)別加工過程中的間接故障，在此引入加工模式概念，通過建立加工模式、模式識(shí)別、模式學(xué)習(xí)等過程對(duì)電解加工中深層次原因引發(fā)的加工故障進(jìn)行識(shí)別。

4.2 加工模式建立

加工模式是用來描述電解加工過程特征的一組信息，包括加工電流、加工壓力、電解液流量等，利用它來區(qū)分零件電解加工過程的變化。加工模式的建立分為兩個(gè)步驟。

首先在加工檢測(cè)信息中提取加工過程變化的敏感信息，包括電流變化、進(jìn)口壓力、出口壓力、進(jìn)出口壓力差、流量變化，在此基礎(chǔ)上建立表示電解加工信息的數(shù)學(xué)模型，用矩陣F 表示為

式中:I、ΔI、ΔP、ΔQ 分別為表示加工過程中電流、電流變化、壓力變化、流量變化的一組信息。

其次，再在電解加工信息矩陣的基礎(chǔ)上建立零件的電解加工模式，根據(jù)加工信息的不同又把電解加工過程模式分為電流模式MI、電流變化模式MΔI、流量變化模式MΔQ、壓力變化模式MΔP，例如電流模式MI表示為

式中:α、β、…、χ 分別表示不同的加工電流模式，其余加工模式的表示方法類同。

4.3 加工模式識(shí)別

在建立加工模式與形成加工模式庫之后，再利用模式識(shí)別技術(shù)對(duì)零件的電解加工模式進(jìn)行識(shí)別。對(duì)加工模式的識(shí)別運(yùn)用加工模式匹配度進(jìn)行判斷，其匹配程度用相似系數(shù)表示，它又分為特征相似數(shù)λF和模式匹配系數(shù)λM兩種類型，分別用于表征不同的可靠度。在加工過程中需要不斷地進(jìn)行模式匹配程度的計(jì)算與判斷，具體步驟如下:

首先進(jìn)行采樣值的特征相似度比較，把每一時(shí)刻的采樣值與模式庫中所有加工模式中相同采樣時(shí)刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果該采樣值與比較值的誤差在一定的范圍內(nèi)，則認(rèn)為二者相似，特征相似值ej用1 表示，否則用0 表示，比較結(jié)果用矩陣表示為PF=［e1e2… em］T，則該時(shí)刻采樣值的特征相似系數(shù)λF取全部相似值的平均值，表示為

式中:m 表示模式庫中已存儲(chǔ)的模式個(gè)數(shù)。λF值越大表示該值在過去加工中出現(xiàn)的次數(shù)多，存在就越合理，加工故障出現(xiàn)的概率就越小。

其次進(jìn)行模式匹配度比較，把采樣時(shí)刻tk以前所有采樣值與加工模式庫中相同采樣時(shí)刻的加工模式進(jìn)行比較，獲得與每一采樣時(shí)刻模式的匹配值，用εr表示匹配情況，若與加工模式庫中的某一模式匹配時(shí)，εr用1 表示，否則用0 表示，與模式庫中模式的匹配結(jié)果用向PM=「ε1ε2… εk?表示，該零件的加工模式匹配系數(shù)取所有匹配值的平均值，則λM表示為

當(dāng)λM值大于設(shè)定閾值時(shí)，則認(rèn)為在過去已進(jìn)行的加工模式中找到與該模式相匹配的模式，就可以判斷出當(dāng)前工作模式為已經(jīng)出現(xiàn)過的加工模式，可靠性高，若未找到該模式的存在則認(rèn)為加工過程即將發(fā)生故障或者為一種新的加工模式。

模式庫是用來存儲(chǔ)加工模式的一個(gè)數(shù)據(jù)庫，它采用SQL server 數(shù)據(jù)庫軟件建立，模式庫中的加工模式主要來源于故障診斷系統(tǒng)對(duì)加工模式的學(xué)習(xí)。在每一次零件加工結(jié)束后故障診斷系統(tǒng)都要進(jìn)行加工模式學(xué)習(xí)，即在加工過程中把采樣數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的加工模式進(jìn)行比較，若判定為未出現(xiàn)過的類型且加工為正常類型則把該零件的加工過程存為一種新模式，若識(shí)別為加工故障類型，則把該數(shù)據(jù)作為故障模式存儲(chǔ)。

4.4 電解加工故障診斷試驗(yàn)

在實(shí)際加工中對(duì)電解加工故障診斷系統(tǒng)的功能進(jìn)行了驗(yàn)證。加工對(duì)象為對(duì)電解加工可靠性要求極高的航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤，該葉盤的直徑為φ240 mm，有31 個(gè)葉片，采用分步法加工，每個(gè)葉片的加工分為葉盆加工與葉背加工兩個(gè)過程。

圖4為整體葉盤31 個(gè)葉片葉背加工電流模式的識(shí)別結(jié)果。故障診斷系統(tǒng)根據(jù)采樣的葉背加工電流信息進(jìn)行加工模式識(shí)別，其中模式匹配相似度閾值設(shè)定為0.85，特征相似度閾值設(shè)定為0.7. 根據(jù)識(shí)別結(jié)果，系統(tǒng)把MI分為了5 種模式，其中模式1是聚類最多的一類模式，共有25 個(gè)葉片加工屬于該類模式，有3 個(gè)葉片的加工屬于模式2，一個(gè)葉片屬于模式3，一個(gè)葉片為故障模式1，一個(gè)葉片為故障模式2.

圖4 葉片加工模式識(shí)別結(jié)果Fig.4 Recognized result of processing pattern of blades

在加工其中一個(gè)葉片時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)到加工電流持續(xù)上升，診斷系統(tǒng)系根據(jù)電流信號(hào)I 和電流變化信號(hào)ΔI 進(jìn)行識(shí)別，最后兩個(gè)信息全部判斷為故障狀態(tài)，其電流變化過程如圖4中故障模式2 所指的曲線所示。在現(xiàn)場查找原因時(shí)發(fā)現(xiàn)是由于陰極頭部顫振引起加工短路從而導(dǎo)致了電流變化，這表明了系統(tǒng)診斷結(jié)果與實(shí)際加工發(fā)生的情況一致，發(fā)生加工故障的葉片如圖5所示。

圖5中，葉片1 為正常加工的葉片，系統(tǒng)診斷出的加工模式為圖4中的模式1. 葉片2 為加工中發(fā)生故障的葉片，系統(tǒng)診斷出的模式為圖4中的故障模式2. 當(dāng)系統(tǒng)診斷出該故障模式2 發(fā)生時(shí)，主控制器首先向電源控制器發(fā)出切斷電源指令，向運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)出停止運(yùn)行指令，向振動(dòng)控制器發(fā)生振動(dòng)停止指令，依次關(guān)閉系統(tǒng);再向電解液輸送系統(tǒng)發(fā)出關(guān)閉主回路電磁閥指令，同時(shí)發(fā)出指令讓電動(dòng)調(diào)節(jié)開啟最大進(jìn)行卸荷;最后向輔助控制子系統(tǒng)發(fā)出系統(tǒng)報(bào)警指令，同時(shí)在主控器消息發(fā)布欄中顯示故障診斷結(jié)果及其預(yù)存的可能的故障原因，供加工人員排查故障原因時(shí)作參考。

圖5 加工中發(fā)生故障的葉片F(xiàn)ig.5 Blade with failure in machining

在葉片加工試驗(yàn)過程中，壓力檢測(cè)與加工模式識(shí)別也發(fā)揮了重要的作用。在葉片加工中檢測(cè)得到過濾器兩側(cè)的電解液壓力變化如圖6所示。與曲線2 相比，曲線3 表示的出口壓力有所下降，原因是隨著葉片加工數(shù)量的增加，過濾器濾網(wǎng)上的沉積物逐漸增多，造成過濾器兩端壓降增大。從31 個(gè)葉片加工實(shí)測(cè)的過濾器進(jìn)出口壓力數(shù)據(jù)分析得出，每加工一個(gè)葉片后過濾器兩端壓降都會(huì)增加，加工第5 個(gè)與第1 個(gè)葉片時(shí)相比，過濾器出口處的壓力下降了0.05 MPa 左右。故障診斷系統(tǒng)利用過濾器兩側(cè)的壓力差推斷電解加工過程中過濾器上雜物沉積情況，在系統(tǒng)中通過設(shè)定的壓力差閾值判斷目前過濾器是否需要清洗。

圖6 工作液壓力故障診斷實(shí)例Fig.6 Fault diagnosis examples of electrolyte pressure

在葉片加工試驗(yàn)中，在加工到第15 個(gè)和第23 個(gè)葉片時(shí)系統(tǒng)檢測(cè)到加工壓力異常，診斷系統(tǒng)識(shí)別為加工故障，輸出故障報(bào)警信號(hào)。兩葉片的加工壓力變化如圖6中曲線所示，兩曲線壓力急劇下降的原因是加工中電解液輸送系統(tǒng)發(fā)生了故障。對(duì)加工現(xiàn)場檢查后發(fā)現(xiàn)，由于放置在電解池中的過濾桶濾布上沉積了大量的電解泥，進(jìn)入過濾桶的電解液流量減少，在過濾桶內(nèi)部形成了真空，導(dǎo)致了電解液輸送管道缺液。

在利用加工電流、加工壓力等參數(shù)進(jìn)行故障診斷時(shí)，目前只做到識(shí)別故障大致類型，定位到加工電源、電解液輸送、數(shù)控等電解加工子系統(tǒng)，羅列出可能產(chǎn)生的原因，但還不能夠明確判斷出造成加工故障的具體原因。由于引起加工電流變化、壓力變化的因素較多，產(chǎn)生故障的具體原因還是需要依靠人工來檢查

在該電解加工機(jī)床中，配置了電極振動(dòng)裝置及其控制系統(tǒng)。振動(dòng)裝置的振幅在0.05 ～2 mm 之間可調(diào)，振動(dòng)頻率30 ～50 Hz 之間可調(diào)，振動(dòng)精度達(dá)到0.5 μm. 加工試驗(yàn)中運(yùn)用了10 kHz 的高頻電源，通過與電極振動(dòng)技術(shù)的綜合運(yùn)用，使葉片型面的加工精度從過去的0.2 ～0.3 mm 提高到0.05 ～0.1 mm，加工表面粗糙度也有顯著提高。

5 結(jié)論

1)針對(duì)復(fù)雜零件電解加工的高要求，開發(fā)了一種集加工電源、機(jī)床運(yùn)動(dòng)、電解液輸送與溫控、振動(dòng)進(jìn)給與輔助控制等為一體的電解加工集成控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用了分布式組建方式和協(xié)同管理的控制策略。與過去非集成式的控制方式相比，該控制系統(tǒng)具有集成度高、模塊之間工作協(xié)同性好、操作方便等特點(diǎn)。

2)創(chuàng)建了一種電解加工過程診斷系統(tǒng)，對(duì)加工過程進(jìn)行診斷與預(yù)測(cè)。該系統(tǒng)不僅能通夠檢測(cè)各子系統(tǒng)發(fā)生的設(shè)備故障，還能對(duì)電解加工中諸多因素引發(fā)的間接故障類型進(jìn)行有效診斷。通過葉片加工試驗(yàn)對(duì)控制系統(tǒng)中故障診斷功能進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)表明，故障診斷系統(tǒng)能夠有效識(shí)別葉片加工過程中發(fā)生的故障，提高了零件加工的可靠性。

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