1、項目名稱 自導向彎孔電解加工數控系統研究 項目負責人（簽名）_所在學校（蓋章）_1本項目研究意義及國內外同類研究工作現狀（附主要參考文獻及出處）：(一)研究意義彎曲孔結構的應用非常廣泛，在很多的機械零部件中都需要用到彎曲孔的結構，具有廣闊的應用前景。（1）冷卻水道。在注塑模具及壓鑄模具的冷卻系統設計過程中，應盡可能的使各冷卻水道離型腔壁和型芯壁(即模腔) 保持合適的垂直距離，以保證型腔、型芯各處溫度均勻，使制品各處的冷卻速度均衡，有效地防止變形的產生，從而提升制品的外觀質量、延長制品的使用壽命，提高制品的生產效率。如果采用特定的加工工藝加工出可以隨意彎曲的冷卻水道，使得冷卻水道能夠根據模具型腔

2、隨形任意布置，將非常有利于冷卻系統的優化設計，獲得更好的制品質量。（2）渦輪增壓器。彎曲孔加工在渦輪增壓器的流道中應用也極為廣泛，流道的設計及加工直接影響到高速轉子運轉的速率及熱能動力轉化的效率。渦輪增壓器的核心部件，高速運轉的速度達到22萬轉/分鐘，需要充分的油潤滑及水冷，才能保證部件運行的平穩性及持續性，這就要求彎曲孔必須滿足油潤滑的均勻性及油流量的離散性，因此必須保證注油孔內孔的均勻性，冷卻水道的環繞性以及充分性。同時，彎曲孔加工的光滑性及清潔度，又極大的影響高速運轉的安全性，一個小小的毛刺可能直接將整個葉輪損壞，任何阻塞及潤滑的不充分性，會直接造成渦輪軸高速運轉中過熱過燒，甚至斷軸的風

3、險。（3）流道。在各種液壓元件以及氣動元件的流道中，既希望能減少接頭數量，又能弧形轉彎并保證孔壁的光滑性，以減少流道的阻力，獲得較好的流動性能，因此也需要應用彎孔結構。（4）特殊應用。彎曲孔也應用在一些需要彎孔的特殊場合，如核電設備的某些零部件中也需要用到彎曲孔。然而要實現彎孔的加工是很困難的，切削加工彎孔幾乎不可能完成。于是在提高機械加工的工藝性要求中，就提出盡可能不采用彎孔結構；在非用不可的結構中，往往是采用一些直孔分段擬合來代替或者采用一些較接近的、精度不高的方法來實現。然后這些方法加工的孔在滿足生產功能、防止泄漏方面總存在一些問題，而且大大增加了加工成本。因此，研究彎曲孔的加工方法及加

4、工工藝是非常有必要且具有實際意義的。（二）彎孔加工方法研究現狀研究國內外相關文獻資料可知，現有的彎孔加工主要有以下幾種方法：一是采用幾段直孔來擬合代替，采取先把孔鉆通，然后再封堵另一端的措施來完成。該方法加工的孔在滿足生產功能、防止泄漏方面存在一些問題，而且加工成本高。二是電子束加工微細彎孔。該技術利用電子束在磁場中偏轉的原理，使其在工件內部偏轉，加工出微細彎孔。控制電子束的速度和磁場強度，即可控制曲率半徑。該技術是一種微細加工方法，主要用于微細彎孔的加工5。三是使用線框電極的電火花套料加工彎曲孔。該工藝是將切削加工中的套料加工方法用于電火花加工。其所用電極和加工示意如圖1、圖2所示3。圖1

5、套料用的加工電極圖2 套料加工示意圖使用該工藝可以加工出任意形狀的彎孔，但彎孔有缺口，需要進行密封處理。四是在設計過程中，將需要加工彎孔的零件切割成上下兩片，分開后，用CNC實現彎孔的加工，加工完成后再組合起來。該方法一方面需要更改零件設計，另一方面接合面上需要耐高溫油封。五是國外學者研究的利用球形電極加工彎曲孔的方法。其中最有代表性的方法有二種：一種方法是將球形電極分成若干部分，通過控制不同部分通電或斷電來選擇不同的加工位置，從而實現孔中心線的彎曲，其典型電極如圖3所示1。圖3 用于彎曲孔加工的球電極該方法會留下未切割的區域，給后續加工帶來麻煩。另一種方法的加工原理示意圖如圖4所示1。圖4

6、圓形彎曲孔加工原理示意圖如圖4左圖所示，刀具的加工點是傾斜的，以便對與中心軸線具有一定偏移角度的區域進行加工。完成一定余量的加工后，刀具向前移動，使其前端與孔底部接觸，進一步進行加工。如圖4右圖所示，當該孔被加工成一定角度時，柔性刀具柄也彎曲在同一個方向。重復上述過程，即可加工出所需的彎曲孔。該方法通過旋轉球形電極來實現所加工孔的彎曲轉向，一方面只限用于圓孔的加工，另一方面，球形電極的前進軌跡不易控制。綜上所述，雖然彎曲孔結構的應用非常廣泛，但至今日，已有的彎曲孔加工方法都不能完全滿足生產要求。（三）主要參考文獻1M. Uchiyama, T. Shibazaki,Development of

7、 an electromachining method for machining curved holesJ, Journal of Materials Processing Technology 149 (2004) 4534592Ishida T, Takeuch i Y. L-Shaped Curved H o le C rea tion byM eans of E lectrical D ischargeM ach in ing and an Electrode Curved M otion Generato r J. Internationa l Journal o f Adv a

8、nced M anu factur ing Technology, 2002 ( 19): 260- 265.3徐盛林,彎曲孔加工技術及新方法J,現代制造工程,2006(9).4徐盛林, 楊俊杰,余五新,李京平, 傅志翔.彎曲孔電加工工藝的實驗研究J,制造技術與機床, 2005(6),71-745趙葛霄,黃玉輝.電子束加工技術在微細彎孔加工中的應用研究J, 電加工與模具2000(6)6徐家文,云乃彰,嚴德榮.數控電解加工整體葉盤的研究、應用和發展J,航空制造技術2003(6)7李亞敏, 劉洪軍.任意布置冷卻水道的鋅基合金塑料模具試制J,模具工業,2006(2)2主要研究內容、目標、方案和進度及

9、擬解決的關鍵問題：本課題是在新的彎曲孔加工原理的基礎上，利用數字控制、軟件編程和機械設計等技術搭建自導向彎孔數控電解加工的硬件試驗平臺并開發相應的控制軟件，為開發能用于實際生產的自導向彎孔數控電解加工的控制系統提供理論依據和工藝參考數據。新的彎曲孔加工原理示意圖如圖5所示。圖5彎曲孔加工原理示意圖加工彎孔前，預先在所需位置先加工一導向孔，然后再加工彎曲孔(以加工長方孔為例，也可以做成其他形狀的電極，用以加工異型孔)。當左右二根電極移動控制條（導體）和左右二根電極轉動控制塊（絕緣體）同步前進時，電極直線前進，接近待加工面時，電極和工件與電源相連，電解液從電極中間進入，由二側流出，電解加工開始。若

10、要加工直孔，左右二根電極移動控制條和左右二根電極轉動控制塊同步前進。若要使孔往右彎，則右側電極移動控制條和右側電極轉動控制塊停止前進，左側電極移動控制條和左側電極轉動控制塊前進，當左側加工出所需的彎曲弧面時，則左側電極移動控制條和左側電極轉動控制塊停止前進，右側電極移動控制條和右側電極轉動控制塊前進，當右側加工出所需的彎曲弧面后，重復右側停止、左側前進，右側前進、左側停止，即可使孔往右彎。反之，可以使孔往左彎。電極控制條和控制塊只能左右彎曲，不能前后彎曲。工件上的待加工面為電極底面和左右二側面。本課題通過分析不同曲率的自導向彎孔數控電解加工過程，結合相關測控技術、微機技術及微電子技術，擬采用交

11、流伺服電機和基于Contex M3 ARM微控制器開發專用于自導向彎孔電解加工的多軸數控系統，以對電極移動控制條和電極轉動控制塊進行運動定位控制，用直線和圓弧插補算法實現可編程的加工路徑，實現任意彎曲孔加工的精準控制，并具有手動/自動功能，快進/工進功能，校正/補償功能和示教/再現功能。本課題建立的自導向彎孔電解加工數控系統將實現彎孔電解加工的實時控制、人機交互、數據處理和系統管理，是自導向彎孔數控電解加工技術的核心組成部分。（一）研究的主要內容（1）分析新的彎曲孔加工原理及具體要求，設計控制系統的總體方案；（2）選擇合適的核心處理器設計主控板，完成信號采集模塊、模數轉換器、人機交互模塊、電機

12、驅動模塊等搭建控制系統的硬件電路設計；（3）根據自導向彎孔數控電解加工功能要求以及對控制系統的內在要求，完成控制系統的算法設計及軟件編寫，實現各個功能模塊；（4）調試與實驗。編寫典型彎孔加工程序，驗證控制系統的穩定性及可靠性。（二）研究目標具體目標如下：（1）開發出基于Contex M3 ARM 微控制器的專用于自導向彎孔電解加工的多軸硬件系統；（2）定制一套合適操作系統的軟件平臺，進行算法研究和軟件編寫，開發出所需接口的驅動程序，實現各個功能模塊。（3）設計滿足控制系統操作需求的人機交互系統。（二）課題研究方案1、控制系統總體方案設計自導向彎孔數控電解加工設備控制系統時，首先分析系統需要的功

13、能及技術要求，選擇合理的結構及功能模塊。在總體方案確定后，再進行硬件及軟件各部分的具體設計。控制系統主要包括：主控板；數據采集模塊；加工模塊；各開關量的控制；陰極伺服控制系統；故障自診斷和報警系統及過流、過熱、欠電壓等保護模塊。自導向彎孔電解加工數控系統原理圖如圖6所示：圖6 自導向彎孔電解加工數控系統原理圖（1）控制系統硬件設計數控系統的硬件系統主要由以Contex M3 ARM 微控制器為控制核心的伺服驅動系統和基于觸摸屏的人機交互系統組成，還包括控制系統硬件電路及各接口電路等。考慮到該課題所涉及的自導向彎孔電解加工設備，控制對象多，控制機理較為復雜，控制系統所處的環境較惡劣等因素，最終確

14、定系統硬件總體方案如下：采用基于以Contex M3 ARM 微控制器的控制方案。主軸進給系統由松下公司MINAS系列的交流伺服驅動器和交流伺服電機驅動。選用光洋公司ViewJetCmore系列工業觸摸屏作為人機界面。完成信號采集模塊設計；各參數由Contex M3 ARM微控制器進行集中采樣控制。啟動、準備、加液、加電等各開關量實現邏輯控制。選擇可靠的電氣元件，并合理布局布線，兼顧電磁兼容性，使控制系統具有很強的抗干擾能力、很好的穩定性和可靠性。（2）軟件部分本控制系統采用IAR EWARM集成開發環境，使用C和匯編語言對系統進行嵌入式應用程序進行開發，實現編程、監測和控制等功能。算法功能的

15、分析與設計由系統設計可知，根據控制對象的控制要求，采用模塊化編程，程序主要包括：手動加工模塊、自動加工測試模塊、自動加工模塊、斷電保護及記憶模塊、陰極自動保護模塊、溫度測量及控制模塊、故障自診斷和自動處理模塊，具體見圖7所示。圖7 控制系統功能模塊圖算法結構的分析與設計本課題中軟件的設計采用模塊化的程序設計方法。控制系統軟件模塊流程如圖8所示。圖8 軟件模塊流程圖（三）擬解決的關鍵問題在本課題中，擬解決的關鍵技術如下：（1）自導向彎孔電解加工控制試驗平臺搭建穩定可行的試驗平臺是該控制系統的硬件基礎。處理器是實現系統功能的核心器件，它的性能好壞決定著整個控制系統的準確度；信號采集部分實現對彎孔曲

16、率檢測；人機界面是嵌入式控制系統的一個重要組成部分，使用者只有通過人機界面才能知道系統的內部運行信息；抗干擾模塊對可能存在的各種干擾因素進行屏蔽，以保證控制系統的穩定性及可靠性。搭建穩定可靠的試驗平臺，是本課題需要解決的關鍵技術。（2）自導向彎孔電解加工同步控制算法研究算法對于控制系統設計是一個相當重要的環節，因為只有在確定了算法之后才能對系統中伺服電機的進行準確的控制，達到精確定位的目的。研究彎曲孔電解加工過程電極移動與電解處理的同步方法及實際可行的控制算法，編寫控制系統軟件，以實現不同曲率彎孔的自動加工，是本課題需要解決的核心技術。（四）技術路線及解決方案（1）技術路線融合研究式控制技術微

17、機技術微電子技術PID算法搭建驗證開發嵌入式控制技術微機技術微電子技術PID算法 新的彎曲孔加工原理及相應測控技術 自導向彎孔數控電解加工的硬件試驗平臺基于Contex M3 ARM微控制器的控制系統控制系統精確性、穩定性及可靠性 為開發能用于實際生產的自導向彎孔數控電解加工的控制系統提供理論依據和工藝參考數據。圖9 技術路線圖（2）解決方案（1）自導向彎孔電解加工控制試驗平臺搭建穩定可行的試驗平臺是該控制系統的硬件基礎，本課題擬結合微機技術、以嵌入式ARM為核心控制器的微電子技術及伺服驅動技術搭建硬件試驗平臺；采用高精度的光纖曲率傳感器，設計傳感器電路及信號調理電路，實現信號的數據采集及分析

18、；同時考慮到可能存在的各種干擾因素，采用軟硬件結合的抗干擾技術，提高系統的穩定性。（2）自導向彎孔電解加工同步控制技術研究彎孔加工運動為連續的控制過程，本課題研究彎曲孔電解加工過程電極移動與電解處理的同步方法，擬采用積分分離增量式PID控制算法及DSP插補算法，以實現不同曲率彎孔的自動加工。（五）具體實施計劃（含年度進展情況）：2014.5-2014.8 調研，查閱國內外相關資料，分析自導向彎孔數控電解加工的工作原理及具體要求，設計控制系統的總體方案；2014.9-2015.3 確定數控系統選型，采用Contex M3 ARM微控制器作為核心處理器設計主控板，完成信號采集模塊、模數轉換器、人機

19、交互模塊、電機驅動模塊等搭建控制系統的硬件電路設計；2015.4-2015.11 根據自導向彎孔數控電解加工功能要求以及對控制系統的內在要求，完成控制系統的算法設計及軟件編寫，實現各個功能模塊；2015.12-2016.2 調試與實驗。編寫典型彎孔加工程序，驗證控制系統的穩定性及可靠性。2016.3-2016.4 項目總結，建立相關的技術文檔，撰寫報告1份、公開發表論文24篇。3與本項目有關的工作條件（包括研究工作基礎、實驗條件等）本課題組所在單位是寧波大紅鷹學院機械與電氣工程學院。學院擁有特種加工實驗室、數控原理實驗室、數字電路實驗室、單片機原理及應用實驗室、PLC實驗室、傳感器與檢測技術實

20、驗室、電氣控制技術實驗室、電機與拖動實驗室、計算機控制/自控原理實驗室、機械原理與設計實驗室、力學性能和材料分析等30多個實驗室，擁有機械加工中心、數控加工中心、產品檢測中心等多個實習基地。為本課題的順利進行提供了硬件條件及實驗保障。項目負責人朱火美講師，華南理工大學碩士研究生，學院駐臺灣龍華科技大學數控技術教學特派員，主要研究領域為數控技術，長期參與數控技術相關課程教學與科研，主持浙江省教育廳教學改革項目“基于應用驅動的數控技術課程改革與探索”，主持校科研基金課題“基于CAXA的逆向模具裝配技術的研究”，參與校級以上教改三項，發表 “Research on the Reverse Mold

21、Assembly Technology based on Product Gene”、“數控瓦楞紙板印刷模切機伺服配置設計與評價研究”、“基于虛擬儀器的電主軸性能測試平臺的研制”等相關專業論文近十篇！研究生期間跟隨導師進行“工件搬運機器人系統研究”、“工業機械手研究與設計”、“數控機床電主軸及其檢測系統研究”、“DVD盒自動折疊加工生產線開發”等項目的研究。 課題組成員岑理章講師，從事機電一體化裝備的自動控制和專用數控系統（CNC）的開發研究工作。近3年來，主持或參與完成“流水線全自動送鎖螺絲機研制”、“智能超聲波細胞粉碎機控制系統研制”、“手持式自動送鎖螺絲機研究開發”、“工業推剪刀片銑床專用數控系統開發”、“汽車曲軸加工專用數控機