1 引言

　　我国特有的高速走丝线切割机床，通常只能实现两轴数控加工，可满足一般制造工艺要求。为拓宽其应用范围，解决空间复杂曲面零件的加工难题，很多专家学者对高速走丝线切割机床进行了改进，在复杂直纹曲面加工系统的理论分析、仿真及实验方面进行了大量的研究工作。如何拓宽电火花线切割加工的工艺范围，特别是如何利用计算机等现代工具来解决电火花线切割加工复杂曲面的问题，一直是电加工界研究与探索的课题。

　　本文在现有高速走丝电火花线切割加工技术基础上，开发出通用性很强的五轴联动加工系统。利用该系统，可以在高速走丝电火花线切割机床上加工出空间曲面零件，从根本上解决空间曲面加工难题。匀此同时，利用该系统，还可以对现有的高速走丝电火花线切割机床进行改造，扩大其工艺范围。

2 五轴联动加工系统运动参数

　　电火花线切割五轴联动加工系统是专为实现空间直纹曲面零件加工而开发的数控系统，此系统最大限度地包括了电火花线切割加工的所有运动参数，进一步扩大了线切割加工的工艺范围。此系统是由高速走丝数控电火花线切割机床和“转、摆、摆数控工作台”附件组成。通过五轴联动控制系统控制工件沿x轴、y轴移动(X、Y)和绕x轴、y轴、z轴转动(即A、B、C)，实现移、移、转、转、转五轴联动。其运动参数主要有X、Y、A、B、C，运动形式通式为Σ(X+Y+A+B+C)。实质上，以前研究的平面加工系统、极坐标加工系统、三轴和四轴联动加工系统都是五轴联动加工系统在一定条件下的特例。该系统可以加工所有上下异形的三导线曲面和复杂直纹曲面零件。

3 仿真系统实现

　　(1)仿真开发工具

　　选用的仿真编程开发工具为适合于面向对象程序设计的VisualC++6.0和OpeIflGL1.2。VisualC++6.0是在Windos平台上最流行的面向对象的32位编程语言。它紧密结合了面向对象分析(00A)、面向对象设计(OOD)、面向对象编程(OOP)的思想，从而为大型复杂的应用程序开发，提供了一种比传统的过程式编程放法更有效的方式。OpenGL的前身是由SGI公司为其图形工作站开发的IRISGL，是一个工业标准的三维计算机图形软件接口。绘画时，OpenGL通过建模与取景变换设置物体坐标系中对象的每个顶点，然后由投影变换指定的取景体积对顶点进行剪切，最后把这些顶点映射到视区上。

　　(2)仿真系统实现

　　对于五轴联动电火花线切割加工计算机仿真来讲，仿真就是把数控电火花线切割加工系统作为要研究的实际系统，以各种运动形式对应的数学模型作为仿真模型，模拟研究空间曲面零件线切割加工的实际过程。空间曲面电火花线切割多轴加工计算机仿真系统主要由仿真系统交互界面的设计、电火花线切割母线运动轨迹规划、工作环境的渲染、母线动画仿真实现等部分组成。为保证电极丝能绕上、下导线同步转动，需对所得的上．下导线数据文件进行线性插值处理。

　　(3)仿真编程数学模型的建立

　　为了编程方便，对五轴联动加上系统一般数学模型做如下处理。取电极丝的K度为h，没其端点为A、8，t时刻变为A1、B1，在O_tX_tY_tZ_t，坐标系中A_t、B_t点的坐标，其中，A点沿下导线运动，B点沿上导线运动，Φ0为B点在初始时刘的转角。式(1)和式(2)构成了t时刻电极丝在O_tX_tY_tZ_t，坐标系下仿真编程的数学模型。

　　(4)典型仿真结果

　　在设汁仿真系统中，把电极丝作为窄问解析几何中的母线来分析，在计算机图形学的基础上，采用了面向对象的程序设计方法．选择了适用于计算机仿真的Vlsum c++6 O和OpencL 1.2作为仿真编程工具．在计算机上将加工出的空间曲面形状用图形仿真的方法模拟井绘出，得到一些典型零件的仿真结果图。

　　通过仿真过程及仿真结粜的分析，验证了数学模型的正确性。因此，只要在计算机上通过仿真研究直接调榷数学模则中的有关运动参数，就能够得到理想的仿真型而;再根据仿真获得的理想加工运动参数去调格加工系统，还可加工出符合要求的空间曲伯(零件。利用计算机仿真技术不仅可以证明数学模型的正确性，还可以为空间直纹曲面零件电火花线切割加工实验研究和开发多轴联动加工系统提供可靠的理论浓据。

4 五轴联动加工系统开发

　　空间曲面电火花线切割五轴联动加工系统，是以“转、摆、摆数控工作台”作为主要硬件装置，加上三维加工信息流控制技术，与国产高速走丝电火花线切割机床相结合，从根本上解决空间曲面零件高速走丝电火花线切割加工的关键技术问题，扩大了电火花线切割加工工艺的应用范围。

　　4.1五轴联动加工传动原理

　　“转、摆、摆数控工作台”是线切割!%轴联动加工系统的重要组成部分.其上具有一个转台和两个摆台，传动原理如图2所示。步进电机3固定于基体上，由它通过齿轮副及蜗轮副传动，实现下摆台摆动;步进电机2固定于下摆台卜，由它通过另一套齿轮副及蜗轮副传动，使上摆台摆动;步进电机1固定于上摆台上，由它通过第三套齿轮副及蜗轮副传动，使回转台转动。工件装夹在回转台上，这样工件就可以实现一个转动、两个摆动的合成运动。如果将转、摆、摆数控工作台与电火花线切割机床的原工作台配合使用，即可实现五轴联动加工.也就是实现工件沿X轴、Y轴移动和绕X轴、Y轴、Z轴转动。

　　4.2五轴联动加工空间直纹曲面分析

　　例如在电火花线切割加工机床上，加工山椭圆形平滑过渡到六边形、并具有初始扭转角Φ0的三导线曲面零件。除了应用原机床工作台以外，述必须使用“转、摆、摆数控工作台”才能完成。在进行切割加工几前，应做好以下准备工作:(1)将“转、摆、摆数控台装”夹在电火花线切割机床的工作台上;(2)调节上摆台摆动轴心距离，使得上摆台摆动轴心与回转台回转中心的距离等于工件底圆半径;(3)调节下摆台的初始摆角Φ0，这样可以得到扭转的三导线曲面零件。

　　利用“转、摆、摆数控工作台”加工由椭圆形平滑过渡到六边形的三导线曲面零件。在加工时，步进电机1带动回转台绕其回转中心转动，同时，步进电机2通过上摆台带动回转台摆动，移动工作台的步进电机通过移动工作台带动“转、摆、摆数控台”沿x方向移动。工件放在回转台内，这样在加工过程中就可以使工件在绕自身轴线旋转的同时又辅以摆动和移动，从而完成三导线曲面的加工。切割加工时，工件底面椭圆周应切于上摆台的摆动轴心线上，随着工件的转动和移动，椭圆周上的各点应不断经过该点。这样才能把底面加工成椭圆形；上摆台的摆动可保证当工件下端加工成椭圆形时，其上端同时加工出六边形；而下摆台的初始摆角声Φ0是保证工件上下导线扭转的必要条件。

5 五轴联动加工数控系统开发

　　5.1 数控系统的硬件体系及软件结构

　　基于Windows操作系统和可编程多轴控制器(PMAC)，可开发出空间曲面多轴联动电火花线切割加工数控系统。PMAC是一个多任务实时计算机系统，可以实现复杂的实时运动控制任务，具有高度的开放性。本设计实现了基于可编程多轴控制器(PMAc)的开放式体系结构电火花线切割加工数控系统的硬件体系。该硬件体系实时性强，系统稳定性好，同时具有良好的开放性和可扩展性。五轴联动电火花线切割加工数控系统主要包括数控装置、脉冲电源控制机以及间隙电压检测装置、运动控制器等组成。开发出一套加工性能稳定的多轴联动电

火花线切割加工数控系统软件。电火花线切割数控系统的主要任务是对脉冲电源系统和伺服控制系统进行有效的控制，达到对工件高效稳定加工的目的。利用PC机本身的开放式结构就可以很容易地完成电火花线切割数控系统的大部分功能。此系统采用了基于PC机的开放式体系结构和模块化设计，使系统获得了很好的加工稳定性、快速的实时响应性和很强的扩展性。

在电火花线切割加工中，系统的所有硬件设备，包括伺服系统、脉冲电源控制及间隙电压检测装置、机床继电器等都在系统软件的控制下运行。系统软件是一个多任务系统，每个任务负责控制一个硬件设备，或者完成一组特定的操作。这些任务的协调运行使电火花线切割加工过程得以实现。

6 空间曲面零件五轴联动加工实验

　　首先通过CAD软件输入上、下导线的参数方程，然后CAD软件自动画出三维图形并进行加工仿真。在确认获得满意结果后，通过CAM软件的后髓处理模块生成下位机需要的加工代码．并下载到下位机中，由下位机逐行解释运行并命令执行元件完成加上。大多数的空间曲面零件的上下导线曲线不同而且彼此错位．显然对于形状如此复杂的零件，采用其他加工方法很难加工，只能采用五轴联动电火花线切割加工。

　　通过刘比分析可知，实际加工出的样件和引算机仿真结果完全一致。这就为研制多轴联动电火花线切割加工机床奠定基础。通过审问曲面零件的加工式验来验证新外发的加工系统艇件及软件的可靠性以及数学模删和数控模型的难确性和有效性。

7 结语

　　本文对线切割五轴联动加工计算机仿真过程进行了研究，改变数学模型中的加上参数．就可以改变被加工零什的型面特征，为生产实践研究提供理论依据。埘电火花线切割五轴联动加工运动规律进行了分析，建立了数控数学模型。研制了数控“转、摆、摆工作台”，开发出复杂曲面线切割五轴加工系统，计在高速走丝电火花线切割机眯卜加工出理想的三导线曲面零件和多种复杂纹曲面零件，加工结果与仿真结果基本相似，拓宽了电火花线切割加工的工艺范围。