异形喷丝孔电火花加工编程原点与电极回转中心的自动补偿

叶秋琴，谭海林，倪敏敏，陆晓华

（苏州电加工机床研究所有限公司，江苏 苏州 215011）

喷丝板是化纤生产过程中的关键部件，其上的喷丝孔的形状、精度及表面粗糙度对化纤的性能和质量起着决定作用。随着民用与军用对化纤纺织品的光泽度、保暖性、透气性、坚固度、轻量化等需求不断提升，三角截面纤维、中空异形纤维、五角形截面纤维、多叶形截面纤维、Y型截面纤维、双十字截面纤维、扁平截面纤维等各种异形化纤丝相继问世，生产这类新型异形化纤丝的喷丝板需具有尺寸微细、形状特异、精度高且孔表面粗糙度值低的异形喷丝孔（图1），这就对异形喷丝孔的制造质量提出了新的要求。

图1 各种异形喷丝孔

目前，数控精密电火花喷丝板加工机床是完成这类异形喷丝孔的主要加工设备。该设备既可采用整体电极一次放电加工成形，也可采用简单电极，通过机床数控轴的位移、旋转等运动进行分步放电加工来完成单个异型喷丝孔的加工。一次放电加工工艺的效率、精度及孔的一致性相对较高，但电极的精度要求高、制作难度大且周期长，且一种电极只适合加工一种孔型，电极成本极大；分步放电加工工艺对电极的要求大大降低，只需机床的精度及数控系统满足要求，便可实现多规格、多品种的孔的批量加工。

20世纪80年代，苏州电加工机床研究所就提出采用扁电极丝加工异型喷丝孔的工艺方法，并研制了相应的设备，在我国化纤喷丝板制造行业得到了较好的应用。近年来，又在自主研制的数控精密电火花微孔加工机床上，采用“一”字形精密扁电极丝进行高精度拼花异形喷丝孔的加工研究，解决了由于编程原点与电极回转中心发生偏离而导致“散花”的关键技术问题，满足了大多数异形喷丝孔的拼花精度需求。

1 “一”字形扁电极异形喷丝孔加工原理

采用“一”字形扁电极对化纤拼花异形喷丝孔进行电火花加工的关键部件包括“一”字形扁电极、精密导向器、旋转分度轴（C）及数控轴（X、Y）。 如图2所示，“一”字形扁电极安装在自行研发的四矩形宝石错位组合的微细电极精密导向器内，为便于编程，将扁电极的一端定义为电极回转中心O′，同时定义其与导向器中心O重合，该点即为编程原点。“一”字形扁电极由一对同步滚轮送入导向器，同步滚轮和导向器安装在C轴的正下方，理想状态下，O、O′均与 C 轴旋转轴线重合（图 3）。

图2 电极安装在导向器内的截面示意图

图3 旋转分度机构（C轴）示意图

任何一个复杂的异形喷丝孔都可视为由 “一”字形孔通过C轴旋转分度及X、Y轴平移组合而成的图形，该图形可通过对“一”字孔形进行数控编程实现。以“Y”形孔为例，可由三个“一”字形孔组成，其交点为“Y”形孔的中心，实际加工时可将其定义为编程原点。

2 电极回转中心偏离编程原点的问题分析

利用电火花喷丝板加工机床加工异形喷丝孔时，由于受到机械加工、装配等因素的影响，O′往往会偏离编程原点。以“Y”形孔为例，加工过程中随着扁电极的偏移，导致O′形成一个圆形的偏离轨迹（图4），从而导致“散花”，致使化纤织品染色不均而变成次品。如果通过人工调整编程原点与O′的重合度，则精度差、随机性大，且费时费力，工作效率低。

图4 电极回转中心偏离编程原点示意图

经过分析可知，通过三角函数运算并由计算机控制坐标工作台平移和电极（C轴）旋转，可弥补O′与编程原点偏离的实际偏差。在所需加工的孔位中心建立X-Y直角坐标系，以“Y”形槽为例，理想的加工情况见图5，即加工任意时刻O′均处于X-Y直角坐标系的原点（O）。由图4所示的非理想加工情况可知，如果能计算出加工过程中任意时刻的O′在X-Y直角坐标系中的位置，并通过计算机控制工作台将O点分别平移至每个扁槽孔中心的下方，然后放电加工各个扁槽孔，就能补偿O′与编程原点偏离的实际偏差，进而加工出理想的孔形。

图5 电极回转中心与编程原点重合示意图

3 电极回转中心偏离编程原点的问题求解

由图6可知，当“一”字形扁电极的横截面与X轴平行时，其夹角分别为0°和180°，在这两个位置分别加工两个槽孔。假设，夹角为0°和180°时的电极回转中心分别为A和B，连接A、B两点，则线段AB的中点就是所要建立的直角坐标系原点（O）。设A 点坐标为（xA，yA），B点坐标为（xB，yB），随着加工的进行，电极回转中心的轨迹就是以O点为圆心、AB为直径的圆，用显微镜可测得Δx和Δy。

当“一”字形扁电极横截面与X轴正向平行（夹角为0°）时，将工作台沿X、Y轴方向分别移动Δx/2和Δy/2（可视为坐标系的移动），电极回转中心即可与坐标系原点重合，此时能加工出一个扁槽；同理，当“一”字形扁电极横截面与X轴反向平行（夹角为180°）时，将工作台沿X、Y轴方向分别移动-Δx/2和-Δy/2，电极回转中心又可与坐标系原点重合，此时能加工出另一个扁槽。上述两个扁槽可组合成为一条平行于X轴且关于Y轴对称的、尺寸二倍于扁电极长度的扁槽。

图6 “一”字形扁电极横截面与X轴平行时加工的槽孔位置

将上述理论推广到扁电极处于任意角度时，建立相同的直角坐标系。如图7所示，当“一”字形扁电极横截面与X轴正向平行（夹角为0°）时，电极回转中心为A，设∠AOX为α，电极回转中心围绕坐标系原点发生偏移的轨迹圆半径为R，即线段AO、BO，当扁电极沿着轨迹圆偏移θ角度后，电极回转中心变为B，此时与X轴的夹角为β。

图7 “一”字形扁电极在任意角度时加工的槽孔位置

因此，电极偏移任意θ角度后的工作台平移距离dx、dy的求解过程为：

另一种求解过程为：

即：

综上，只需将初值Δx和Δy输入计算机系统，并根据上述求解公式计算及控制工作台（X、Y）的移动，使电极回转中心与编程原点重合，从而达到应有的加工精度。

4 实际加工效果

采用自行研制的数控精密电火花喷丝板加工机床，其数控系统采取了上述自动补偿算法，有效解决了电极回转中心与编程原点的重合度问题，实现了喷丝板异形喷丝孔的精密加工（图8）。

图8 异形喷丝孔的喷丝板加工零件图

针对高档喷丝板的高精度异形喷丝孔加工特点，主机X、Y、C轴均采用全闭环控制，同时进行激光测量误差补偿，满足了异形喷丝孔加工时在XY平面极高的定位精度和C轴的高定位精度与重复定位精度，异形喷丝孔的拼花精度可达0.006 mm，且实际使用效果良好。

5 结束语

电火花喷丝板加工机床的电极实际回转中心会偏离编程原点，通过显微镜很容易测得其偏离值。通过采用简单的“一”字形扁电极加工异形喷丝孔及电极回转中心与编程原点的自动补偿算法，可满足异形喷丝孔精密加工的需求。