大型精密六軸聯(lián)動數(shù)控電火花成形裝備的技術(shù)突破

發(fā)布時間：2021-07-16 11:41:29 作者：顯揚(yáng)科技

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近年來,，隨著航天航空,、軍工,、能源領(lǐng)域的重型運(yùn)載火箭,、大型能源壓縮機(jī)等產(chǎn)品快速發(fā)展,，眾多大型型面空間扭曲類關(guān)鍵零件需求不斷增多,，如大型閉式渦輪盤,、大型整體閉式葉輪,、整體帶冠渦輪盤等,。這類零件是發(fā)動機(jī),、大型壓縮機(jī)的“心臟”零件，具有型面空間扭曲較大,、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,、特殊材質(zhì)、超硬,、耐高溫等特點(diǎn),，使用普通機(jī)床難以完成，電火花加工則有著巨大的技術(shù)優(yōu)勢,。

  北京市某研究所針對航天領(lǐng)域重型運(yùn)載火箭發(fā)動機(jī)大型帶葉冠整體式渦輪盤,、帶葉冠導(dǎo)向環(huán)和噴嘴葉柵環(huán)，能源領(lǐng)域整體閉式葉輪等關(guān)鍵零件的制造難題,，借助國家相關(guān)科技專項(xiàng)的支持,，在自主知識產(chǎn)權(quán)五軸聯(lián)動電火花加工機(jī)床及葉輪等特殊零件電火花加工技術(shù)的基礎(chǔ)上,，突破裝備技術(shù)、電源開發(fā),、軟件開發(fā),、加工工藝、裝配,、檢測等技術(shù)“瓶頸”,，研發(fā)了國內(nèi)首臺大型精密六軸聯(lián)動數(shù)控電火花成形加工機(jī)床及工藝技術(shù)，為航天航空,、軍工,、能源等領(lǐng)域提供了關(guān)鍵制造裝備，并可推廣至模具,、汽車等領(lǐng)域中,。

一、產(chǎn)品主要技術(shù)參數(shù),、性能和特點(diǎn)

  1. 機(jī)床技術(shù)參數(shù)

  機(jī)床部分技術(shù)參數(shù)見下表,。

  2．機(jī)床主要性能

  (1)具備六軸數(shù)控、六軸聯(lián)動功能,。

  (2)具備數(shù)控系統(tǒng)集成三維CAD/CAM軟件,，實(shí)現(xiàn)編程加工無縫連接功能。

  (3)具備帶冠渦輪盤,、整體閉式葉輪等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電火花成形加工功能,。

  (4)具備加工鈦合金、高溫耐熱合金等難加工材料的電火花成形加工功能,。

  3. 機(jī)床主要特點(diǎn)

  (1)六軸聯(lián)動大型電火花機(jī)床行程大,，保證大型渦輪盤的加工空間。

  (2)采用六軸聯(lián)動加工,，可減少電極設(shè)計(jì)數(shù)量,，減少裝夾次數(shù)，降低因反復(fù)裝夾產(chǎn)生的精度損失,。

  (3)采用六軸聯(lián)動編程加工,，電極可實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜軌跡運(yùn)動。

  (4)大功率的脈沖電源實(shí)現(xiàn)高效快速的去除,，提高加工效率,。

二、關(guān)鍵技術(shù)研究內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)

  1. 研發(fā)大型數(shù)控電火花成形機(jī)床主機(jī)及關(guān)鍵部件

  研發(fā)的大型精密六軸聯(lián)動數(shù)控電火花成形機(jī)床主機(jī)(ZL201410150558.8,，ZL201520382510.X)采用傾斜滑板式結(jié)構(gòu),，有效改善了現(xiàn)有機(jī)型的結(jié)構(gòu)動態(tài)特性，保證了設(shè)備的加工精度。

  通過CAD/CAE建模仿真分析,、基于多體運(yùn)動學(xué)理論的電火花機(jī)床幾何誤差分析,、熱-結(jié)構(gòu)耦合變形分析等技術(shù)的應(yīng)用，從設(shè)計(jì)階段保證了機(jī)床的高精度和持續(xù)改進(jìn),；通過在制造加工環(huán)節(jié)進(jìn)行材料優(yōu)選,、熱處理、選取合適的加工方法及在線檢測等手段,，保證各零部件的加工精度,；在裝配環(huán)節(jié),，通過優(yōu)化裝配順序,、嚴(yán)格控制裝配誤差等，保證機(jī)床各部分完美配合,，達(dá)到設(shè)計(jì)精度要求,。

  各軸系采用自主設(shè)計(jì)的全閉環(huán)控制技術(shù)，該技術(shù)可對各種干擾和非線性因素對運(yùn)動軸位移產(chǎn)生的影響進(jìn)行有效的動態(tài)校正,，使任何時刻運(yùn)動軸的實(shí)際位移時時跟隨設(shè)定值變化,，因而可以保證機(jī)床具有非常高的動、靜態(tài)精度,。

  此外,，針對重型運(yùn)載火箭發(fā)動機(jī)帶葉冠整體式渦輪盤及環(huán)形件、大型壓縮機(jī)整體閉式葉輪的大件加工需求,，開發(fā)出直徑600mm以上的大型直驅(qū)全浸液電火花專用數(shù)控轉(zhuǎn)臺(ZL201621416804.0),，密封等級IP68。該全浸液轉(zhuǎn)臺定位精度0.0014°,，滿足這類零件精度需求,。

  2. 研發(fā)電火花專用Windows+RTX六軸數(shù)控系統(tǒng)

  研發(fā)出基于Windows系統(tǒng)的六軸聯(lián)動開放式數(shù)控系統(tǒng)(2016SR084163)，通過RTX實(shí)時內(nèi)核補(bǔ)丁插件實(shí)現(xiàn)Windows下的實(shí)時任務(wù)調(diào)度,?；诟咝阅艿腦86處理器，研發(fā)了包含COMExpress模塊和COMExpress載板的數(shù)控主板,，滿足控制算法及集成CAD/CAM對數(shù)控系統(tǒng)性能的需求,。

  基于高性能FPGA，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動/放電一體化控制卡的開發(fā),，提升放電控制和運(yùn)動控制協(xié)同算法的并行性能和實(shí)時性能,。

  基于Windows+RTX開發(fā)出實(shí)時系統(tǒng)、六軸矢量分配插補(bǔ)算法,，實(shí)現(xiàn)了電火花加工六軸聯(lián)動回退,、抬刀、搖動等功能，實(shí)現(xiàn)了CAD/CAM系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)的全集成,，能夠?qū)崿F(xiàn)編程加工無縫連接,，提升了數(shù)控系統(tǒng)的靈活性和電火花加工機(jī)床的易用性。

  3. 研發(fā)六軸聯(lián)動CAD/CAM系統(tǒng)

  六軸聯(lián)動CAD/CAM系統(tǒng)(2018SR037238)可用于解決復(fù)雜曲面零件(如整體閉式葉輪或渦輪盤類零件)的電極設(shè)計(jì)和軌跡仿真,。該系統(tǒng)可極大地提高電極設(shè)計(jì)效率,，縮短該類零件的加工周期，可嵌入到大型專業(yè)三維CAD軟件,，接口方便快捷,。運(yùn)用該系統(tǒng)能快速檢測所設(shè)計(jì)電極的合理性，自動優(yōu)化電極軌跡,，通過不斷的模擬仿真進(jìn)而不斷完善電極設(shè)計(jì),。電極和軌跡優(yōu)化完成后可一鍵自動生成電火花加工G代碼，極大地提高編程效率,，節(jié)約了大量的人工成本,。

  基于EROWA、3R等多個系列的標(biāo)準(zhǔn)夾具產(chǎn)品建立了夾具庫,，將現(xiàn)有的N系列,、B系列、M系列電火花成形機(jī)床的三維模型集成到CAD/CAM系統(tǒng)中,，形成機(jī)床數(shù)據(jù)庫,，能夠滿足虛擬加工的快速裝夾及加工仿真需求。

  基于CAD/CAM API接口的網(wǎng)絡(luò)通信軟件開發(fā),，實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器端的通信連接及系統(tǒng)控制功能,。開展了基于網(wǎng)絡(luò)的CAD/CAM系統(tǒng)License授權(quán)管理軟件開發(fā)，用戶可以通過License授權(quán)進(jìn)行訪問CAD/CAM系統(tǒng)云端服務(wù)平臺以獲得相應(yīng)服務(wù),，從而保證用戶訪問服務(wù)平臺的有效性,。

  4. 研發(fā)高效率大功率脈沖電源

  針對重型運(yùn)載火箭發(fā)動機(jī)帶冠渦輪盤及環(huán)形件加工去除量較大，而電火花加工效率較低的特點(diǎn),，開發(fā)了大功率PWM開關(guān)電源(見圖7),，采用疊層母線主回路設(shè)計(jì)(見圖8)，顯著降低放電寄生電感,；研發(fā)了SiCMOSFET的納米級低損耗加工模塊和終端增爆模塊,，開發(fā)的高效率大功率脈沖電源，經(jīng)國家機(jī)床質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢驗(yàn),，脈沖電源最大加工電流200A,，電機(jī)驅(qū)動精度0.1μm，驅(qū)動當(dāng)量0.1μm,。

  對POCO的EDM-AF5,、EDM-C3、EDM-3三種型號的石墨電極材料進(jìn)行分析和大量工藝試驗(yàn)，構(gòu)建了石墨材料加工工藝數(shù)據(jù)庫,，采用新型加工回路,，實(shí)現(xiàn)了1000mm3/min以上的鈦合金高效率加工和2000mm3/min以上的模具鋼高效加工。

  5.開展大型六軸聯(lián)動電火花加工工藝技術(shù)

  開展了大型電火花加工機(jī)床六軸聯(lián)動的工藝試驗(yàn),，制定了基于球面的變深度,、變截面的S形曲線六軸聯(lián)動電火花加工工藝方法，并完成了試件的加工,。開展了基于六軸聯(lián)動電火花加工裝備的重型運(yùn)載火箭發(fā)動機(jī)鈦合金,、高溫耐熱合金整體帶冠渦輪盤(ZL201310000946.3、ZL201610053352.2),、大型壓縮機(jī)整體閉式葉輪與結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄壁件,、環(huán)形件的智能化電火花高效加工工藝技術(shù)研究，建立了工藝數(shù)據(jù)庫,。同時完成了大型壓縮機(jī)整體閉式葉輪的工藝設(shè)計(jì)規(guī)范和驗(yàn)證,，形成了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

三,、成果應(yīng)用及推廣情況

本項(xiàng)目研發(fā)的大型智能精密六軸聯(lián)動電火花成形裝備，突破了大型六軸聯(lián)動電加工機(jī)床及工藝關(guān)鍵核心技術(shù),，可解決以重型運(yùn)載火箭發(fā)動機(jī)帶葉冠整體式渦輪盤,、噴嘴葉柵環(huán)及復(fù)雜薄壁件、大型壓縮機(jī)整體閉式葉輪等復(fù)雜形狀零件為代表的大型關(guān)鍵零部件加工,，解決了加工“瓶頸”問題,。

  應(yīng)用項(xiàng)目成果，為航天領(lǐng)域完成了多種型號的帶葉冠整體渦輪盤的加工,，解決了重型運(yùn)載火箭發(fā)動機(jī)渦輪盤葉片扭曲度高,、尺寸大、精度要求高,、表面質(zhì)量要求高等問題,，并推廣至航空、船舶,、汽車發(fā)動機(jī)復(fù)雜零件加工,、復(fù)雜模具加工等國防軍工與民用領(lǐng)域，推動了其所在行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步,；同時,，利用項(xiàng)目成果，形成了系列化大型牛頭電火花機(jī)床新產(chǎn)品,，已成功用于中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司,、蘇州中悅百毅光電科研開發(fā)有限公司、南京歐霸機(jī)電有限公司、寧波方正汽車模具有限公司等單位,，提高了用戶的市場競爭力,，降低了生產(chǎn)成本。

  應(yīng)用項(xiàng)目成果加工的透平壓縮機(jī),、發(fā)動機(jī)用整體閉式葉輪,、導(dǎo)行轉(zhuǎn)子等關(guān)鍵零件，都是這些單位所承擔(dān)的國家國防重大項(xiàng)目涉及的零件以及重大技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目應(yīng)用零件,，解決了這些單位所承擔(dān)的國家國防重大項(xiàng)目中關(guān)鍵技術(shù)難題,，為國家重要基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、能源等領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步提供了重要支撐,。

  與此同時,，通過項(xiàng)目研發(fā)，推動了我國大型精密六軸聯(lián)動數(shù)控電火花成形裝備在設(shè)計(jì),、制造,、加工工藝等方面的技術(shù)突破，增強(qiáng)了我國大,、精,、尖裝備的創(chuàng)新能力。同時,，項(xiàng)目所開發(fā)的技術(shù),，將為類似電火花成形機(jī)床的開發(fā)提供技術(shù)支撐，也將進(jìn)一步提升企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力及市場競爭力,。

顯揚(yáng)科技優(yōu)勢：

顯揚(yáng)科技是國家高新技術(shù)企業(yè),，在機(jī)器人、機(jī)器視覺方面有多年的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗(yàn),，可為你提供完善的售后與保修服務(wù),，以及其他研發(fā)方面協(xié)作，并且提供專用移動機(jī)器人工作臺,。

顯揚(yáng)科技已成功銷售Franka機(jī)器人,、UR機(jī)器人、Robotiq夾具等產(chǎn)品給浙江大學(xué),，清華大學(xué),，哈爾濱工業(yè)大學(xué)等，獲得了非常好的評價,。顯揚(yáng)科技研發(fā)人員超過50人,，精通UR，F(xiàn)ranka,，遨博機(jī)器人安裝,、調(diào)式,、二次開發(fā)等，對基于協(xié)作機(jī)器人的各種應(yīng)用開發(fā)已有超過8年經(jīng)驗(yàn),。

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