聚晶金剛石(PolycrystallineDiamond，PCD)刀具具有高硬度、高抗壓強度、良好的導熱性及耐磨性，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，且某些復雜形狀PCD刀具(如木工刀具)的刃磨對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)，國內(nèi)外專家學者展開了大量的研究。對于電火花數(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);馬駿等對電火花加工數(shù)控系統(tǒng)進行了多任務劃分，提出了系統(tǒng)的多任務劃分模型，實現(xiàn)了系統(tǒng)的多任務調(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)，并自行設計了電火花專用四軸運動控制器。為了保證電加工的實時性，趙萬生等在開放式體系結(jié)構(gòu)的基礎上，進行了基于實時Linux系統(tǒng)的六軸聯(lián)動電火花數(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)概念分別處理實時任務和非實時任務;鄭君民等同樣采用RT-Linux解決數(shù)控系統(tǒng)的多線程和實時性的問題，并提出了以軟件插補的計算機數(shù)字控制為基礎的控制方式。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，PC和Linux為上位機的體系結(jié)構(gòu)，進行了微細電火花加工數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件設計，并開發(fā)了可以在線觀察和測量微細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)絡實現(xiàn)電機損耗的智能預測和補償，并用兩個分別以放電狀態(tài)和極間電壓作為輸入的模糊控制器實現(xiàn)進給系統(tǒng)的變步距、變頻雙重調(diào)節(jié);黃河等提出使用正反兩個運動程序結(jié)合后臺PLC程序進行加工的方法，實現(xiàn)了加工過程中高效、精確的運動控制;谷安等結(jié)合開放式的運動控制器，開發(fā)了基于PC的四軸聯(lián)動電火花數(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)無法滿足復雜PCD刀具的特殊刃磨需求，因為復雜PCD刀具的刃磨路徑需嚴格按照前刀面的實際位置來設定，這就要求系統(tǒng)必須具有通過“在線測量”的手段獲取PCD前刀面的實際位置并將測量結(jié)果自動轉(zhuǎn)化為加工程序的功能。英國COBORN、德國VOLLMER和LACH、瑞士EWAG等公司對復雜PCD刀具專用數(shù)控系統(tǒng)進行了深入研究，并開發(fā)出了成熟的產(chǎn)品，而國內(nèi)目前在本領域尚屬空白。

　　為此，本文以工控機和自主開發(fā)的控制板卡為硬件平臺，以RT-Linux為軟件平臺，開發(fā)了用于加工復雜PCD刀具的五軸電火花數(shù)控系統(tǒng)，并對此專用數(shù)控系統(tǒng)的各個關(guān)鍵模塊進行了詳細的設計。

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)除機床通用I/O信號，還有其特殊功能專用的控制信號。系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)采用工控機+自主設計的主控卡+自主設計的前端控制卡的方式實現(xiàn)。工控機存儲運行數(shù)控系統(tǒng)的軟件部分，同時通過PCI總線與主控卡通信。主控卡主要用于各軸伺服電機的運動控制，此控制實時性要求很高。前端控制卡放置于靠近機床的位置，用于機床的I/O信號讀取，包括檢測探針、脈沖電源的控制，以及電加工狀態(tài)的檢測等，這些功能的實時性要求在大部分時間內(nèi)低于運動控制。前端控制卡通過CAN總線協(xié)議和主控卡通信，保證了整個硬件的實時性和穩(wěn)定性。這種硬件設計方式使得實時性要求不高的I/O和A/D在前端被處理，只把關(guān)鍵的信號傳輸給工控機的軟件系統(tǒng)，并且由于離機床很近，減少了信號損失，增強了系統(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)動信號的產(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)需要對探針檢測信號以及電火花加工狀態(tài)信號及時響應，對實時性要求很高，因此采用RT-Linux作為軟件系統(tǒng)平臺。針對此專用PCD刀具五軸電火花刃磨數(shù)控系統(tǒng)，進行了詳細的軟件模塊劃分。

　　設計時，將PCD刀具五軸電火花刃磨數(shù)控系統(tǒng)的實時模塊與非實時模塊分開，放入RT-Linux不同的系統(tǒng)內(nèi)核中，以保證系統(tǒng)的實時性。系統(tǒng)采用的調(diào)度方式為守護機理，每個客戶端進程定時采用socket通信方式向服務器端主動報告運行狀態(tài)，服務器端定時檢查各進程的運行狀態(tài)，然后根據(jù)具體的客戶端狀態(tài)采取相應的進程調(diào)度。

2 數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵模塊設計

　　2.1 刀具形狀檢測及加工程序自動生成模塊

　　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，故不能用一個簡單而準確的數(shù)學模型表述，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先給出，需要在加工前對將要磨削的PCD刀具的刃口進行準確測量，并根據(jù)測量結(jié)果生成加工程序。刀具的測量采用自適應測量的算法，算法中考慮了測量過程中可能出現(xiàn)的各種情況，可以自動識別刀具邊沿，并通過使用帶有邏輯判斷及執(zhí)行控制功能的數(shù)控程序來完成對刀具復雜刃口曲線的實際在線測量，此算法使得操作變得簡單易行，用戶只需要為每個待測刀片提供一個測量參考點，而且對參考點在刀片上的位置也沒有任何要求。

　　系統(tǒng)完成刀具形狀檢測后，自動編程模塊需要根據(jù)檢測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。對于PCD刀具來說，刀具類型需要預先在系統(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，降低工人的勞動強度和技術(shù)要求，系統(tǒng)設計了常用刀具的工藝數(shù)據(jù)庫供使用者調(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。

　　自動編程模塊的結(jié)構(gòu)如圖4所示，模塊從人機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)，然后將上一步檢測的結(jié)果作為原始數(shù)據(jù)點擬合出刃口曲線方程。本文采用工業(yè)中廣泛應用的三次非均勻有理B樣條曲線進行刃口曲線擬合。根據(jù)原始數(shù)據(jù)點可以得到相應的控制頂點，繼而可以得到所需刃口曲線上的點。

　　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，進而生成加工程序。

　　2.2 電加工運動控制模塊

　　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質(zhì)上是一個間隙維持過程。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)伺服進給，保持間隙大小適當，才能維持較佳放電狀態(tài)。在PCD刀具刃磨系統(tǒng)的設計中，改進了以往其它系統(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)加工時電極和刀具兩端電壓預測出腐蝕量，進而得出下一時刻的進給速度。

　　為了保證系統(tǒng)的安全有效運行，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)生的電源正負極之間的短路?？刂屏鞒虨?當放電間隙檢測模塊檢測出的電壓很小時(小于短路預設值)，系統(tǒng)將記錄當前所處位置，停止向前插補，并將系統(tǒng)的前一個插補點作為插補終點、當前點作為插補起點反向快速插補5個插周期，控制電極自動按原軌跡回退;回退周期過后，系統(tǒng)會自動檢測間隙電壓，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:測量NC程序模板文件選擇及參數(shù)編輯界面模塊，簡稱測量界面模塊;EDG加工NC程序模板文件選擇及參數(shù)編輯界面模塊，簡稱加工界面模塊;系統(tǒng)設置及操作界面模塊，簡稱操作界面模塊;模板操作說明界面模塊，簡稱幫助界面模塊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。刃磨的進度和機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)還設計了電源參數(shù)管理和電極損耗補償?shù)饶K以保證系統(tǒng)的正確運行。電源參數(shù)管理模塊是一個靜態(tài)的數(shù)據(jù)庫，磨削PCD刀具時用戶可以選擇參數(shù)庫中的參數(shù)或者可以將自定義電加工參數(shù)添加到參數(shù)庫中。電極損耗補償采用電極在線修磨和自動損耗補償兩種方式相結(jié)合，用戶可以在自動生成加工程序時指定電極的修磨間

　　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)和預先設置好的補償量自動沿電極徑向進行補償。

3 加工實驗

　　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，加工電源使用專用電火花加工脈沖電源。系統(tǒng)包含5個軸，其中有X/Y/Z3個平動軸和A/E兩個轉(zhuǎn)動軸，可以實現(xiàn)復雜形狀PCD刀具的刃磨。

　　為了驗證此數(shù)控系統(tǒng)的性能，按照本文給出的復雜PCD刀具加工流程(在線測量刀具形狀、自動生成加工程序、電火花刃磨加工)，對兩種典型的PCD刀具———螺旋刀和預銑刀進行實際加工實驗。PCD螺旋刀和預銑刀是最為常用的兩種木工刀具類型，在實際生產(chǎn)中有重要作用。PCD螺旋刀和預銑刀雖然有多種型號，但基本構(gòu)型相同，差別體現(xiàn)在刀具的外徑和各個齒的排布上。實際刃磨加工后的刀具見圖8。

　　整個加工過程分為粗加工和精加工兩個階段，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。整個加工過程系統(tǒng)運行狀態(tài)穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)拉弧、短路和振動等不正常現(xiàn)象。表1為PCD螺旋刀的加工實驗結(jié)果，可以看出，系統(tǒng)所加工的PCD刀具刃口質(zhì)量良好，外圓跳動滿足要求，且具有較高的加工效率。

4 結(jié)論

　　(1)設計和實現(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，將實時任務與非實時任務分離，保證了系統(tǒng)的實時性與穩(wěn)定性，采用自行設計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先給出的問題，設計實現(xiàn)了能夠自動檢測刀具邊沿的刀具形狀在線測量模塊以及基于非均勻有理B樣條理論的加工程序自動生成模塊，并設計了電火花伺服控制模塊以及應急短路回退模塊，可以根據(jù)磨削量給出下一插補周期速度，使系統(tǒng)保持良好的放電狀態(tài)，并在系統(tǒng)出現(xiàn)短路時調(diào)整加工以保證加工安全;

　　(3)加工實驗結(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，運行穩(wěn)定，刃磨的刀具加工精度和刃口質(zhì)量均滿足實際生產(chǎn)需求，且具有很高的加工效率。