武鑫磊，劉永紅，亓 梁，信 超，張澎鑫

（中國石油大學（華東）機電工程學院，山東青島 266580）

電火花加工具有無切削力、不受材料機械特性的限制等特點，在高強度、高硬度難切削材料零件加工方面有獨特優(yōu)勢。電火花數(shù)控加工機床有特殊的加工性能和操作要求，許多科研人員對其數(shù)控加工系統(tǒng)進行了詳細研究。陳默[1]針對數(shù)控系統(tǒng)功能性與實時性之間產(chǎn)生矛盾的問題，提出了一種基于編碼器/播放器體系架構的數(shù)控系統(tǒng)，減輕了系統(tǒng)的實時計算負擔，并據(jù)此開發(fā)了六軸聯(lián)動電火花成形加工機床數(shù)控系統(tǒng)。陳昊[2]基于該架構對復雜零件多軸聯(lián)動電火花加工作了運動學規(guī)劃，提出了多種曲線插補方法。賈雨超[3]基于Windows電火花數(shù)控系統(tǒng)，開發(fā)了適用于葉盤流道加工的高速電弧銑削粗加工和電火花成形精加工雙模的數(shù)控系統(tǒng)，并實現(xiàn)了兩種加工方式的快速切換。何斌[4]設計了嵌入式線切割數(shù)控系統(tǒng)，分別基于WinCE系統(tǒng)和Linux系統(tǒng)開發(fā)了客戶端和服務器端，提高了整體系統(tǒng)的層次性和擴展性。王鋒[5]和王富盛[6]基于Android平臺開發(fā)了電火花線切割智能加工系統(tǒng)，使用移動設備實現(xiàn)了遠程控制，同時還可自動生成線切割G代碼。此外，才群[7]研究了電火花線切割加工智能數(shù)控系統(tǒng)，明楊[8]提出了高頻氣中電火花加工放電狀態(tài)檢測與伺服控制系統(tǒng)等，這些研究都有效推動了電火花加工機床數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展。

傳統(tǒng)電火花加工效率較低，難以高效加工難切削材料，為此，研究人員探索了各類高效電火花加工技術。Wang等[9-10]采用電火花電弧復合加工技術對Ti6Al4V和Inconel718合金開展加工工藝實驗，所得材料去除率相比傳統(tǒng)電火花加工提高了2～3個數(shù)量級，相對電極損耗率小于2%。劉志東等[11-13]提出了功能電極電火花誘導燒蝕銑削方法，將工件加工過程中燃燒氧化產(chǎn)生的熱量用于金屬的可控蝕除。Shen等[14-15]提出高效干式電火花加工和高效近干式電火花加工的方法，分別采用氣體和霧氣作為加工工作介質并使用高功率、高能量脈沖電源對AISI304不銹鋼和Ti6Al4V合金開展了加工實驗。Zhao等[16]提出了一種基于機械-液體耦合斷弧的高速電弧加工方法，對電弧放電銑削的加工機理進行了研究，揭示了材料高速蝕除的機理。Wu等[17]提出一種可持續(xù)性綠色高效電火花銑削方法，使用新型綠色高效高能脈沖電源以及在加工間隙沖注環(huán)保工作介質對17-4PH不銹鋼進行加工，結果表明該銑削方法可滿足節(jié)能高效、可持續(xù)生產(chǎn)的要求。

電火花輔助電弧高效銑削技術是近年來作者所在團隊研發(fā)的一種新型加工技術，該技術具有極高的加工效率，加工鎳基高溫合金GH4169的材料去除率達11 523 mm3/min、電極相對損耗率約為1.5%，加工成本遠低于機械銑削[18]。本文對基于電火花輔助電弧高效銑削技術的智能化數(shù)控系統(tǒng)進行了設計，有效提升了該技術的智能化程度。

1 電火花輔助電弧高效銑削技術原理

電火花輔助電弧高效銑削機床原理見圖1。該機床的伺服運動平臺包含X、Y、Z移動軸及A、B等旋轉軸，由伺服控制系統(tǒng)進行控制。工件固定在工作臺上，工具電極固定在Z軸上。高能脈沖電源為電火花輔助高效銑削提供能量，工具電極和工件分別接入脈沖電源的兩極，由高壓低能電火花脈沖模塊和低壓高能電弧脈沖模塊組成，電火花脈沖放電模塊為電弧脈沖放電模塊提供輔助。工作液循環(huán)系統(tǒng)可實現(xiàn)不同工作介質的工具電極內(nèi)外復合沖注，將工作介質通過冷卻管注入放電加工間隙；在主軸的高速旋轉帶動和工作介質的高速流動的綜合作用下，產(chǎn)生的蝕除產(chǎn)物會被迅速排出，避免粘附在工件和工具電極表面而造成拉弧和燒傷。

圖1 設備構成示意圖

2 智能化數(shù)控系統(tǒng)構成

電火花輔助電弧高效銑削智能化數(shù)控系統(tǒng)的主要模塊有數(shù)據(jù)實時采集模塊、數(shù)字孿生與遠程監(jiān)控模塊、智能狀態(tài)識別模塊、伺服運動智能控制模塊和工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫模塊等（圖2）。

圖2 電火花輔助電弧高效銑削機床智能化數(shù)控系統(tǒng)組成原理圖

本地機床端與云端服務器協(xié)同實現(xiàn)整個數(shù)控系統(tǒng)的功能。其中，本地機床端的主要功能是伺服控制機床各軸、采集機床各類運行數(shù)據(jù)以及簡單識別極間狀態(tài)；云端服務器的主要功能是遠程監(jiān)控加工狀態(tài)、數(shù)字孿生加工過程、更新工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫以及智能控制模型計算。云端服務器與本地機床端進行實時通訊。

2.1 伺服運動控制模塊設計

本研究采用PowerPMAC，通過以太網(wǎng)對各個坐標軸所用伺服電機進行控制。在數(shù)控系統(tǒng)中實現(xiàn)控制G代碼等的傳輸與解析，以控制各軸實現(xiàn)移動、轉動等。伺服運動控制示意見圖3。Power PMAC控制器所用CPU為CK3M、軸卡為CK3W，這二者通過殼體上的接口直接連接并固定，具有較高的集成度和穩(wěn)定性；控制器由24 V穩(wěn)壓電源供電，并通過工業(yè)以太網(wǎng)與上位機連接通訊。

圖3 設備構成示意圖

Power PMAC控制器極大地提升了運算速度，可實現(xiàn)多任務同時在線、超高速地同步控制與高精度的軌道控制，依靠高度智能化可化解許多操作系統(tǒng)故障并減少意外發(fā)生。研究時采用的EtherCAT以太網(wǎng)接口，可使控制器集成度更高、結構更緊湊、傳輸性能極大提高。一方面，工控機通過與Power PMAC通訊來實現(xiàn)對交流伺服電機的控制并完成機床的伺服運動；另一方面，工控機通過與微型控制器通訊來完成對電火花輔助電弧高效銑削加工電源的控制。本研究在數(shù)控系統(tǒng)的設計中同時考慮了工控機與下位機和單片機的通訊。

數(shù)控系統(tǒng)的主界面見圖4。數(shù)控系統(tǒng)軟件的監(jiān)測模塊和模式選擇模塊分別位于主界面兩側，其主要功能是顯示機床運動坐標和選擇不同功能模塊。該部分不會隨著不同模塊的切換而改變。

圖4 電火花輔助電弧銑削數(shù)控系統(tǒng)主界面

在自動運行模式下，數(shù)控系統(tǒng)界面的最左側一欄為監(jiān)測部分，其作用是實時顯示機床的機床坐標和指令坐標以及電極與工件之間的反饋電壓；界面的最右側一欄為模式選擇部分，可在此切換不同模式。模式切換后，界面左右兩側不變，但界面中間會顯示為相應模塊。

2.2 智能狀態(tài)識別模塊設計

本研究構建了智能加工狀態(tài)識別模型，對電火花輔助電弧高效銑削加工狀態(tài)進行智能識別。實時識別由“云-邊緣計算”協(xié)同進行，綜合利用了云端服務器和本地計算機計算能力。本地機床端需完成大量其他工作，無法實現(xiàn)大規(guī)模計算，因此將這部分工作轉移到云端服務器進行。在本地機床端放置構建的模型，僅需進行簡單運算，即可完成對加工狀態(tài)進行識別；在云端服務器，對本地機床端的識別結果進行核驗，并根據(jù)實際情況修正模型。系統(tǒng)會根據(jù)加工狀態(tài)識別結果對機床運動過程進行在線調(diào)整，從而實現(xiàn)智能伺服控制。

2.3 工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫設計

電火花輔助電弧高效銑削加工時需設置大量工藝參數(shù)，并且不同工藝參數(shù)組合對應的加工效果也不同，因此設計了工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫，可根據(jù)工況實現(xiàn)對工藝參數(shù)的調(diào)用，避免了因選用不合適的加工參數(shù)而對工件和工具電極造成損壞。

依據(jù)數(shù)據(jù)庫設計流程對電火花輔助電弧高效銑削加工工藝數(shù)據(jù)庫進行設計，首先將大量實驗獲得的工藝參數(shù)和工藝性能導入數(shù)據(jù)庫管理軟件并生成數(shù)據(jù)庫文件，隨后通過操作語句實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫文件的操作。數(shù)據(jù)庫的人機界面分為狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)顯示、功能選擇和數(shù)據(jù)操作四部分（圖5）。

圖5 電火花輔助電弧高效銑削加工數(shù)據(jù)庫界面

界面打開之后，首先顯示的是數(shù)據(jù)庫狀態(tài)，若正常連接則顯示連接成功，反之則顯示連接失敗。數(shù)據(jù)顯示部分顯示的是數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，當單擊界面左側數(shù)據(jù)顯示模塊中的數(shù)據(jù)時，對應行的參數(shù)將顯示在界面右側的參數(shù)文本框內(nèi)。界面右側是對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進行操作的部分，具體包括查詢模式、添加模式、修改模式、刪除模式四部分。在進行模式選擇之前，下方的四個操作按鈕失能，不能進行操作。

單擊查詢模式按鈕，進入查詢模式，開始查詢按鈕使能，在界面右側文本框中輸入加工電流、電極直徑、加工深度、沖液流量后，單擊查詢按鈕即可得到對應的參考加工結果，左側數(shù)據(jù)顯示部分也會定位到所查詢的數(shù)據(jù)的位置。若所輸入的參數(shù)不存在于數(shù)據(jù)庫中，則會提示“數(shù)據(jù)庫中無此記錄”。

單擊添加模式按鈕，確認添加按鈕使能，此時可忽略編號文本框，在參數(shù)文本框中輸入對應的加工電流、電極直徑、加工深度、沖液流量、參考加工結果，單擊確認添加按鈕則所填寫的數(shù)據(jù)將添加進數(shù)據(jù)庫，若所填寫的參數(shù)與數(shù)據(jù)庫中重復，則會進行提醒并且不進行添加操作。確認修改按鈕使能，在左側數(shù)據(jù)顯示區(qū)域單擊需要修改的數(shù)據(jù)記錄，則右側的文本框中進行顯示，直接編輯修改文本框中的數(shù)據(jù)，單擊確認修改按鈕則修改完成。確認刪除按鈕使能，在刪除模式下，文本框部分則不能進行編輯，在左側數(shù)據(jù)顯示區(qū)域選擇需刪除的記錄，文本框中顯示數(shù)據(jù)內(nèi)容，單擊確認刪除按鈕，則對應數(shù)據(jù)記錄被刪除；刪除后，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)編號將進行重新調(diào)整排序，后續(xù)數(shù)據(jù)依次提前一位。

2.4 數(shù)字孿生模型與遠程監(jiān)控系統(tǒng)

數(shù)字孿生技術是現(xiàn)今智能制造最有前途的實現(xiàn)技術之一，其特點是無縫集成物理空間與計算機空間。如今數(shù)字孿生技術已在產(chǎn)品設計、生產(chǎn)、預算和管理以及其他一些領域成功應用?，F(xiàn)代控制理論提升，預示著傳統(tǒng)制造業(yè)必然向智能制造方向轉變。該技術的應用解決了規(guī)劃制造中制造設備的問題和生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)交互問題，實現(xiàn)了提高生產(chǎn)率的目的。

應用數(shù)字孿生技術可提高電火花輔助電弧高效銑削加工機床的智能化水平。在實際設計中，使用三維建模軟件繪制出機床的靜態(tài)模型，轉換成通用格式后，再在Unity3D中構建數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)了機床模型的可視化映射。數(shù)字孿生模塊的原理如圖6所示，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集機床的各類數(shù)據(jù)，實時傳輸?shù)缴衔粰C及云端服務器；在數(shù)字孿生模塊中，讀取處理好的相應加工狀態(tài)數(shù)據(jù)，驅動數(shù)字孿生模型實現(xiàn)相應動作，即可實現(xiàn)數(shù)字孿生模型與實際機床的同步展示；在云端服務器，還設計了遠程監(jiān)控模塊，可實現(xiàn)對機床運行數(shù)據(jù)、運動狀態(tài)、加工過程的遠程監(jiān)測。

圖6 數(shù)字孿生模塊構建原理圖

3 結束語

本文對基于電火花輔助電弧高效銑削技術的智能化數(shù)控系統(tǒng)進行了研究，主要包括數(shù)據(jù)實時采集模塊、伺服運動智能控制模塊、智能狀態(tài)識別模塊、數(shù)字孿生與遠程監(jiān)控模塊、工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫模塊等，有效提升了該技術的智能化程度。