一种电解加工自动对刀装置及其控制方法

摘要

本发明公开了一种电解加工自动对刀装置及其控制方法，对刀装置包括对刀控制器，与对刀控制器相连的对刀机构(35)，与对刀机构(35)相连的交流伺服驱动器(37)、位置检测传感器(36)和对刀电源(30)，对刀电源(30)与保护回路(31)相连。该对刀装置机构设计合理，自动化程度高，不但可运用控制系统和内置的对刀程序实现自动对刀，还可通过刀具的运动速度、信号采样时间的合理设置以及刀具位置修正等方法，提高对刀精度，使实际的对刀精度可以控制在0.01mm以内，实用性强。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于电解加工的自动对刀装置和对刀方法，属于电解加工技术领域。

背景技术

电解加工常用于航空发动机叶片、炮管膛线、深孔、齿轮、花键、零件抛光、去毛刺加 工等，它在加工高温合金、钛合金材料制造的复杂零件时有较大的优势，目前已被广泛应用 于航空航天、武器、汽车、医疗器械、仪表等制造行业。

电解加工具有阴极无损耗，无宏观切削力，不受加工材料硬度限制等特点，因此非常适 合于镍基高温合金、钛合金等难加工材料的加工。由于它在加工镍基高温合金、钛合金材料 结构件方面在加工成本、加工效率、表面质量上具有较大的优势，因而成为了这些难加工材 料的主要加工方法之一，目前已在航空、航天、兵工等领域得到了广泛应用。在航空工业领 域用于航空发动机的叶片、整体叶盘、机匣、扩压器以及高载荷齿轮、窄油槽与汽槽、叶片 冷却孔、气动表面微浮凸加工等；在兵工领域用于炮管膛线、枪管膛线的加工等；在民用领 域用于加工汽车发动机的增压涡轮、喷油嘴针阀体以及医疗器械、纳米器件、电动剃须刀盖 等零件的加工。

在电解加工过程中，对刀是开始电解加工前的一个重要步骤，过去都采用手工对刀方法， 即用对刀块、塞尺度等工具进行测量，缺点是对刀速度慢、对刀步骤麻烦、对刀精度低。在 一些加工场合，例如异形面上的对刀、密闭和狭小空间对刀等，对刀变比较麻烦，因此发展 一种自动对刀方法，提高电解加工过程的自动化程度，以适应现代电解加工的技术发展需要。

我国现有的电解加工设备大多数是在上世纪七八十年代从国外引进的，其技术已经落后， 也有少数设备是为了满足科研需要自行设计与开发的，例如西安昆仑机械厂与西安工业大学 联合研制的炮管膛线电解加工机床，南京航空航天大学研制的双头进给叶片电解加工机床、 四轴联动整体叶盘数控电解加工机床，合肥工业大学开发的DJK3225卧式电解加工机床，北 京航空制造工程研究所研制的单轴振动进给电解机床以及其它专用电解加工机床等。在这些 电解加工设备上都没有自动对刀装置，使电解加工前的对刀十分麻烦。本发明开发了一种自 动对刀装置及其控制方法，它可作为电解加工机床一种功能模块，能够满足新开发电解加工 机床需要，提高机床的自动化程度。

发明内容

发明目的：长期以来，我国电解加工机床的先进性与国外先进的电解加工机床技术水平 差距较大，主要表现在电解加工机床加工精度、可靠性和自动化程度方面。本发明针电解加 工过程对刀问题，发明了一种用于电解加工对刀的装置和控制方法，它采用计算机控制方法， 利用特定的对刀机构实现电解加工过程中的自动对刀，具有对刀自动化程度高，对刀精度高、 对刀安全等特点。

技术方案：为了实现以上目的，本发明采取的技术方案为：

一种用于电解加工的自动对刀装置，它包括对刀控制器，与对刀控制器相连的对刀机构， 与对刀机构相连的交流伺服驱动器、位置检测传感器和对刀电源，对刀电源与保护回路相连；

所述对刀机构安装在电解加工机床的主轴上，对刀机构通过低压信号进行对刀，由对刀 控制器通过交流伺服驱动器控制对刀机构运动，使阴极与工件接触，在阴极与工件之间形成 一个回路，在对刀过程中通过位置检测传感器反馈对刀过程中的阴极位置信号，利用该信号 实现阴极的高、低速运动切换，通过阴极的低速运动使工件与阴极之间柔性接触，避免碰撞； 同时利用对刀保护回路对对刀过程产生的异常情况进行保护。

作为优选方案，以上所述的电解加工自动对刀装置，所述对刀控制器包括计算机，运动 控制卡、数据采集卡、开关量输入接口板与开关量输出接口板；运动控制卡和数据采集卡安 装在计算机的PCI插槽中，数据采集卡通过数据线与开关量输入接口板与开关量输出接口板 连接，运动控制卡通过数据线连接数控转接板，再通过数据线与交流伺服驱动器连接；

阴极与工件接触的信号和阴极的位置位号通过开关量输入接口板输入到对刀控制器，对 刀控制器输出的报警信号和锁紧销动作信号由开关量输出接口板输出。

作为优选方案，以上所述的电解加工自动对刀装置，所述的对刀机构包括对刀轴、套筒、 锁紧销、绝缘板、弹性垫圈；所述的对刀轴安装在套筒中，对刀轴和套筒之间安装有衬套， 对刀轴在衬套中可以进行运动，由导向销对对刀轴的运动进行导向，在套筒的前端面与对刀 轴的前端法兰之间安装有弹性垫圈，在对刀轴的尾部利用锁紧螺母进行拉紧，套筒上开有锥 形孔，锥形孔内安装有锥形销，套筒上开有通气孔，通气孔上安装有气动连接头，通过气动 换向阀进行进气与排气换向，实现锥形销的松销与拔销动作；阴极和工件的底座上安装有绝 缘底座。

一种电解加工自动对刀装置的控制方法，对刀装置的对刀过程由对刀控制器进行控制， 对刀控制器中安装有对刀控制软件；首先在对刀控制器中调出对刀程序，同时发出锥形销的 拔销信号，在对刀过程中，对刀机构的运动速度分为高速与低速运动，首先控制软件控制交 流伺服电机以高速运动接近于对刀点，在接近对刀点前位置检测传感器发出变速信号，对刀 控制器控制交流伺服电机要以低速接近于对刀点，当阴极与工作接触的瞬间，对刀回路接通， 向对刀控制器发出位置到达信号，对刀控制器控制交流伺服电机停止运动，对刀控制器对记 录位置根据运动形式进行补偿，最终得到对刀的位置坐标，输出显示。

本发明提供的电解加工自动对刀装置的工作方式，对刀装置的正极接线端子、负极接线 端子分别连接到工作台上和阴极的电极连接座，通过气动换向阀控制对刀锁紧销从锁紧孔中 拔出；对刀控制器通过交流伺服电机控制对刀机构高速运动，当接近于工件时，由光电传感 器发出换速信号，对刀速度改为低速，当阴极与工件发生接触时，通过开关量输入接口向对 刀控制器发出运动停止信号，同时发出报警信号，对刀控制器自动记录对刀轴的位置，再控 制对刀轴回退到初始位置。

有益结果：本发明提供的电解加工自动对刀装置具有以下优点：

发明的电解加工自动对刀装置的对刀过程由计算机进行控制，采用运动控制卡进行驱动， 外部开关量信号通过数据采集卡进行采集和发送，运动控制卡与数据采集卡安装在计算机中， 控制的集成度高。对刀过程中的运动由交流伺服电机驱动，运动和定位精度高。对刀过程的 运动、全部动作由计算机控制，控制的自动化程度高。

对刀机构安装在电解加工机床的主轴上，对刀机构具有锁紧装置，在对刀时锁紧销拔出， 对刀轴可以进行微小运动，在对刀机构中有弹性结构，可以防止阴极与工件运动时碰撞，保 护阴极。在对刀时，锁紧销插紧，对刀轴不能运动，对刀机构与主轴、阴极之间为刚性连接。

在接近对刀时阴极以低速与工件发生接触，由计算机采样接触信号控制阴极运动，其对 刀精度根据对刀时的速度和采样时间进行计算，把这些值补偿到对刀结果中，提高对刀的位 置精度。

对刀装置中采用低压直流电源，在对刀回路中具有安全保护电路，在对刀过程中进行产 电流的限流、反向保护，在阴极与工件安装底座上安装有绝缘板，对刀过程中安全性高。

附图说明

图1为电解加工自动对刀装置的结构示意图。

图2为图1中沿B-B方向的截面图。

图3为电解加工自动对刀装置的工作示意图。

具体实施方式

如图1至3所示，一种用于电解加工的自动对刀装置，它包括对刀控制器，与对刀控制 器相连的对刀机构(35)，与对刀机构(35)相连的交流伺服驱动器(37)、位置检测传感器(36) 和对刀电源(30)，对刀电源(30)与保护回路(31)相连；

所述对刀机构(35)安装在电解加工机床的主轴上，对刀机构(35)通过低压信号进行对刀， 由对刀控制器通过交流伺服驱动器(37)控制对刀机构(35)运动，使阴极与工件接触，在阴 极与工件之间形成一个回路，在对刀过程中通过位置检测传感器(36)反馈对刀过程中的阴极 位置信号，利用该信号实现阴极的高、低速运动切换，通过阴极的低速运动使工件与阴极之 间柔性接触，避免碰撞；同时利用对刀保护回路(31)对对刀过程产生的异常情况进行保护。

所述对刀控制器包括计算机(24)，运动控制卡(23)、数据采集卡(25)、开关量输入接 口板(27)与开关量输出接口板(28)；运动控制卡(23)和数据采集卡(25)安装在计算机(24) 的PCI插槽中，数据采集卡(25)通过数据线与开关量输入接口板(27)与开关量输出接口板(28) 连接，运动控制卡(23)通过数据线连接数控转接板(32)，并通过数据线与交流伺服驱动器 (37)连接；

阴极(13)与工件(17)接触的信号和阴极(13)的位置位号通过开关量输入接口板(27) 输入到对刀控制器，对刀控制器输出的报警信号和锁紧销(21)动作信号由开关量输出接口 板(28)输出。

所述的对刀机构包括对刀轴(4)、套筒(9)、锁紧销(21)、绝缘板(12)、弹性垫圈(6)； 所述的对刀轴(4)安装在套筒(9)中，对刀轴(4)和套筒(9)之间安装有衬套(10)，对 刀轴(4)在衬套(10)中可以进行运动，由导向销(11)对对刀轴(4)的运动进行导向， 在套筒(9)的前端面与对刀轴(4)的前端法兰之间安装有弹性垫圈(6)，在对刀轴(4)的 尾部利用锁紧螺母(2)进行拉紧，套筒(9)上开有锥形孔，锥形孔内安装有锥形销(21)， 套筒(9)上开有通气孔，通气孔上安装有气动连接头(20)，气动连接头(20)与气动换向阀(26) 相连，通过气动换向阀(26)进行进气与排气换向，实现锥形销(21)的松销与拔销动作； 阴极(13)和工件(17)的底座上安装有绝缘底座(18)。

本发明计算机(24)选用了上海福研公司的15英寸工业触摸式电脑，运动控制卡(23) 选用了台湾泓格科技公司PISO－PS400运动控制卡，数据采集卡(25)选用了PCI-826LU， 开关量输入接口板(27)选用型号为DB-16P，开关量输出接口板(28)型号为DB-16R。运动 控制卡(23)与数据采集卡(25)安装在计算机(24)中的PCI插槽中，运用两根20线的扁 平线连接PCI-826LU与DB-16P与DB-16R接口板，两个接口板可以接16路的输入与输出。运 动控制卡(23)采用37针电缆线与数控转接卡DN-8648PB连接，采用专用连接线从DN-8648PB 的插槽中连接到交流伺服驱动器上。

对刀电源(30)选用12V的直流开关电源，电源输出经过保护电路，保护电路由限流电 阻，单向二极管、保险丝等组成，电源输出的端子正极接到工件上的正极接线端子(16)，负 极连接到阴极的负极接线端子(7)，电路的接通与关闭由控制器通过开关量接口控制，阴极 (13)与工件(17)接触时，对刀回路接通，同时数据采集卡采集阴极(13)与工件(17) 的接触信号。

对刀机构整体安装在机床主轴(8)上，通过螺钉与机床主轴(8)前端的法兰连接，阴极安 装在对刀轴的前端法兰上，机床工作台(19)上安装有绝缘底座(18)，在绝缘底座上安装有 导电板(14)，它与安装在绝缘底座(18)的工件(17)接触，导电板(14)通过导线与正极 接线端子(16)连接。

在控制器上安装有专用电解加工对刀程序，调出电解对刀程序，发出对刀指令时，控制 器发出拔销指令，控制气动电磁换向阀换向，通过气动方式从锥销孔中拔出锁紧销(21)，同 时打开对刀电路。对刀的运动过程自己分为快进、工进、快退几个过程，首先采用快进方式 快速接近工件(17)，接近工件(17)时由位置传感器(22)发出信号，控制器控制交流电机改来 低速运动，当阴极(13)与工件(17)接触时，数据采集卡(25)采样到接触信号，由控制器记录 此时的刀具坐标位置，同时控制电机停止运动。由于刀轴锁紧销(21)从销孔中拔出，当阴极(13) 与工件(17)接触时，对刀轴(4)微量缩回，避免阴极(13)与工件(17)相互损伤。在控制器数据 处理完成后，控制主轴的交流伺服电机(33)使阴极快退到初始阴极位置，同时弹性垫圈(6) 的弹性作用使对刀轴(4)回退到初始位置，同时控抽制器发出插销指令，锁紧销(21)锁紧刀轴。

由于系统具有一定的采样时间、交流伺服系统具有一定的响应时间以用运动速度，因此 影响对刀精度，在此通过修正法对阴极对刀的位置进行修正，单轴运动的对刀量根据以下公 式计算：

Δα＝(Δt_s+Δt_m)v

式中：Δt_s为采样时间，Δt_m为电机反应时间，v对刀速度。

对刀控制器利用计算得到的修正值对刀位置进行修正，得到最终的对刀位置。多轴运动 的对刀的修正方法可以借助于单轴却运动对刀方式中的修正计算方法得到。

实施例2

一种电解加工自动对刀装置的控制方法，对刀装置的对刀过程由对刀控制器进行控制， 对刀控制器中安装有对刀控制软件；首先在对刀控制器中调出对刀程序，同时发出锥形销(21) 的拔销信号，在对刀过程中，对刀机构的运动速度分为高速与低速运动，首先控制软件控制 交流伺服电机(33)以高速运动接近于对刀点，在接近对刀点前位置检测传感器发出变速信号， 对刀控制器控制交流伺服电机(33)要以低速接近于对刀点，当阴极与工作接触的瞬间，对刀 回路接通，向对刀控制器发出位置到达信号，对刀控制器控制交流伺服电机(33)停止运动， 对刀控制器对记录位置根据运动形式进行补偿，最终得到对刀的位置坐标，输出显示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说， 在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发 明的保护范围。