聚晶金刚石(PolycrystallineDiamond，PCD)刀具具有高硬度、高抗压强度、良好的导热性及耐磨性，可以在高速切削中获得很高的加工精度和加工效率。但其高硬度导致去除率只有硬质合金的万分之一，普通刃磨方式(金刚石砂轮刃磨)效率极低，且砂轮的损耗和刀具刃磨量基本相同，生产中不管时间还是成本均难以接受。电火花刃磨(ElectricalDischargeGrinding，EDG)技术不受被刃磨工件硬度的影响，且某些复杂形状PCD刀具(如木工刀具)的刃磨对这种灵活的刃磨工艺具有巨大需求，因此EDG技术逐渐成为PCD刀具加工的主要手段。

围绕电火花加工数控系统，国内外专家学者展开了大量的研究。对于电火花数控系统的体系结构，Yang等基于开放式数控系统结构，开发了用于线切割的电火花数控系统;马骏等对电火花加工数控系统进行了多任务划分，提出了系统的多任务划分模型，实现了系统的多任务调度;周亚军等

在分析电火花加工工艺和控制功能的基础上，构建了电火花数控系统的分层体系结构，并自行设计了电火花专用四轴运动控制器。为了保证电加工的实时性，赵万生等在开放式体系结构的基础上，进行了基于实时Linux系统的六轴联动电火花数控系统软件的研究;Huang等采用RT-Linux技术，提出双核结构概念分别处理实时任务和非实时任务;郑君民等同样采用RT-Linux解决数控系统的多线程和实时性的问题，并提出了以软件插补的计算机数字控制为基础的控制方式。为了提高系统的精度和灵敏度，Shieh等提出了在电火花成型数控系统中采用交叉耦合控制方式保证系统的轮廓精度;Guo等采用可编程多轴控制器为下位机，PC和Linux为上位机的体系结构，进行了微细电火花加工数控系统的软硬件设计，并开发了可以在线观察和测量微细电极的图像处理程序;李翔龙等在数控系统中，通过人工神经网络实现电机损耗的智能预测和补偿，并用两个分别以放电状态和极间电压作为输入的模糊控制器实现进给系统的变步距、变频双重调节;黄河等提出使用正反两个运动程序结合后台PLC程序进行加工的方法，实现了加工过程中高效、精确的运动控制;谷安等结合开放式的运动控制器，开发了基于PC的四轴联动电火花数控系统，并采用神经模糊控制智能技术，保证加工过程处于优化状态。然而，上述通用电火花加工数控系统无法满足复杂PCD刀具的特殊刃磨需求，因为复杂PCD刀具的刃磨路径需严格按照前刀面的实际位置来设定，这就要求系统必须具有通过“在线测量”的手段获取PCD前刀面的实际位置并将测量结果自动转化为加工程序的功能。英国COBORN、德国VOLLMER和LACH、瑞士EWAG等公司对复杂PCD刀具专用数控系统进行了深入研究，并开发出了成熟的产品，而国内目前在本领域尚属空白。

为此，本文以工控机和自主开发的控制板卡为硬件平台，以RT-Linux为软件平台，开发了用于加工复杂PCD刀具的五轴电火花数控系统，并对此专用数控系统的各个关键模块进行了详细的设计。

1 数控系统总体结构

1.1 数控系统硬件总体结构

PCD刀具五轴电火花刃磨数控系统除机床通用I/O信号，还有其特殊功能专用的控制信号，本文所设计PCD刀具五轴电火花刃磨数控系统的硬件总体结构如图1所示。系统硬件总体结构采用工控机+自主设计的主控卡+自主设计的前端控制卡的方式实现。工控机存储运行数控系统的软件部分，同时通过PCI总线与主控卡通信。主控卡主要用于各轴伺服电机的运动控制，此控制实时性要求很高。前端控制卡放置于靠近机床的位置，用于机床的I/O信号读取，包括检测探针、脉冲电源的控制，以及电加工状态的检测等，这些功能的实时性要求在大部分时间内低于运动控制。前端控制卡通过CAN总线协议和主控卡通信，保证了整个硬件的实时性和稳定性。这种硬件设计方式使得实时性要求不高的I/O和A/D在前端被处理，只把关键的信号传输给工控机的软件系统，并且由于离机床很近，减少了信号损失，增强了系统的可靠性。

主控卡主要由PCI9030、SJA1000和FPGA三大部分组成，FPGA内部由串口控制单元、脉冲发生单元、码盘计数单元和I/O控制单元组成。主要功能是PCI接口转换、与IO控制卡通信以及各轴驱动信号的产生。前端控制卡主要由ARM微处理器和CPLD组成，主要功能是和主控卡通信和I/O管理。

图1 PCD刀具五轴电火花刃磨数控系统硬件总体结构

1.2 数控系统软件总体结构

PCD刀具五轴电火花刃磨数控系统需要对探针检测信号以及电火花加工状态信号及时响应，对实时性要求很高，因此采用RT-Linux作为软件系统平台。针对此专用PCD刀具五轴电火花刃磨数控系统，进行了详细的软件模块划分，如图2所示。

图 2 PCD 刀具五轴电火花刃磨数控系统软件细分

设计时，将PCD刀具五轴电火花刃磨数控系统的实时模块与非实时模块分开，放入RT-Linux不同的系统内核中，以保证系统的实时性。系统采用的调度方式为守护机理，每个客户端进程定时采用socket通信方式向服务器端主动报告运行状态，服务器端定时检查各进程的运行状态，然后根据具体的客户端状态采取相应的进程调度。

2 数控系统关键模块设计

2.1 刀具形状检测及加工程序自动生成模块

在PCD刀具制造过程中，由于刀体制作以及焊接PCD刀片层时产生的偏差，刀口不是一条确定的空间曲线，故不能用一个简单而准确的数学模型表述，而且由于PCD材料的硬度很高，磨削量要取得尽量小，因此刀具的加工轨迹不能预先给出，需要在加工前对将要磨削的PCD刀具的刃口进行准确测量，并根据测量结果生成加工程序。如图3所示，刀具的测量采用自适应测量的算法，算法中考虑了测量过程中可能出现的各种情况，可以自动识别刀具边沿，并通过使用带有逻辑判断及执行控制功能的数控程序来完成对刀具复杂刃口曲线的实际在线测量，此算法使得操作变得简单易行，用户只需要为每个待测刀片提供一个测量参考点，而且对参考点在刀片上的位置也没有任何要求。

图 3 PCD 刀具的测量过程

系统完成刀具形状检测后，自动编程模块需要根据检测出来的刀具位置参数、用户输入的修电极参数以及刀具本身的类型、大小齿数等具体参数综合生成加工程序。对于PCD刀具来说，刀具类型需要预先在系统中定义，而同一类型的不同刀具表现为半径、齿数等形状参数不一致。因此，为了提高加工效率和加工质量，降低工人的劳动强度和技术要求，系统设计了常用刀具的工艺数据库供使用者调用，用户只需输入刀具基本的参数系统即可生成加工程序。

自动编程模块的结构如图4所示，模块从人机交互界面得到刀具参数信息，确定刀具类型和电加工参数，然后将上一步检测的结果作为原始数据点拟合出刃口曲线方程。本文采用工业中广泛应用的三次非均匀有理B样条曲线进行刃口曲线拟合。根据原始数据点可以得到相应的控制顶点，继而可以得到所需刃口曲线上的点。拟合过程中节点矢量的计算公式为

基于三次非均匀有理B样条理论和刃磨精度要求，可获得系统加工PCD刀具所需的轨迹点，进而生成加工程序。

2.2 电加工运动控制模块

和通用的电火花加工一样，PCD刀具的电火花刃磨放电过程实质上是一个间隙维持过程。间隙过大或者过小都不利于放电加工，因此只有精心调节伺服进给，保持间隙大小适当，才能维持较佳放电状态。在PCD刀具刃磨系统的设计中，改进了以往其它系统中将两极之间的放电状态传递给系统，从而控制系统加减速的控制策略，采用的控制方式是将放电电压直接传递给数控系统，根据加工时电极和刀具两端电压预测出腐蚀量，进而得出下一时刻的进给速度。

由图5可见，系统根据放电采集卡采集的放电信息计算出加工过程融化的体积，再由此推算出下一插补周期进给速度。此模块的功能即保证放电间隙在一个合理的范围内。

图 5 PCD 刀具五轴电火花刃磨数控系统伺服控制流程

为了保证系统的安全有效运行，需要回退伺服控制来防止由于切屑在放电间隙中的累积或者放电间隙过小而产生的电源正负极之间的短路。控制流程为:当放电间隙检测模块检测出的电压很小时(小于短路预设值)，系统将记录当前所处位置，停止向前插补，并将系统的前一个插补点作为插补终点、当前点作为插补起点反向快速插补5个插周期，控制电极自动按原轨迹回退;回退周期过后，系统会自动检测间隙电压，如果仍处于短路状态或小于阈值电压则继续回退，否则转为正常加工状态。回退伺服控制可以有效解除短路的状态、改善排屑环境。

2.3 图形用户界面管理模块

图形用户界面的作用是完成人机交互。由系统操作流程，图形用户界面模块需为用户提供以下4大操作界面模块:测量NC程序模板文件选择及参数编辑界面模块，简称“测量界面模块”;EDG加工NC程序模板文件选择及参数编辑界面模块，简称“加工界面模块”;系统设置及操作界面模块，简称“操作界面模块”;模板操作说明界面模块，简称“帮助界面模块”。图6是PCD刀具电火花刃磨数控系统其中一种刀具———螺旋形木工刀具自动生成加工程序界面的截图，界面左侧是刀具和加工信息，右侧为刀具参数信息，下方为功能键。用户在界面左侧栏上方输入加工的刀具类型、电极直径，选择相应的加工程序和电极修磨程序，再在界面右侧输入加工刀具的具体参数，即可开始刀具刃磨。刃磨的进度和机床的位置在界面左侧栏下方显示。

图 6 截取的图形用户界面

2.4 其它模块

除上述模块外，系统还设计了电源参数管理和电极损耗补偿等模块以保证系统的正确运行。电源参数管理模块是一个静态的数据库，磨削PCD刀具时用户可以选择参数库中的参数或者可以将自定义电加工参数添加到参数库中。电极损耗补偿采用电极在线修磨和自动损耗补偿两种方式相结合，用户可以在自动生成加工程序时指定电极的修磨间

隔加工齿数和修磨量;在电极修磨的间隔中，采用根据加工参数和预先设置好的补偿量自动沿电极径向进行补偿。

3 加工实验

按照本文中所提到的系统结构及关键技术所开发的PCD电火花刃磨系统如图7所示，系统使用盘状电极作为刃磨工具，红宝石探针用于刀具形状检测，加工电源使用专用电火花加工脉冲电源。系统包含5个轴，其中有X/Y/Z3个平动轴和A/E两个转动轴，可以实现复杂形状PCD刀具的刃磨。

为了验证此数控系统的性能，按照本文给出的复杂PCD刀具加工流程(在线测量刀具形状、自动生成加工程序、电火花刃磨加工)，对两种典型的PCD刀具———螺旋刀和预铣刀进行实际加工实验。PCD螺旋刀和预铣刀是最为常用的两种木工刀具类型，在实际生产中有重要作用。PCD螺旋刀和预铣刀虽然有多种型号，但基本构型相同，差别体现在刀具的外径和各个齿的排布上。实际刃磨加工后的刀具见图8。

整个加工过程分为粗加工和精加工两个阶段，粗加工采用峰值电压为180V、占空比为35%的脉冲电源，用来去除余量，加工过程中保持间隙电压在80—120V;精加工采用峰值电压为120V、占空比为30%的脉冲电源，用来保证切削刃形状和表面质量，加工过程保持间隙电压为70—90V。整个加工过程系统运行状态稳定，没有出现拉弧、短路和振动等不正常现象。表1为PCD螺旋刀的加工实验结果，可以看出，系统所加工的PCD刀具刃口质量良好，外圆跳动满足要求，且具有较高的加工效率。

4 结论

(1)设计和实现了一种适用于聚晶金刚石刀具五轴电火花刃磨加工的专用数控系统。系统软件以RT-Linux为开发平台，将实时任务与非实时任务分离，保证了系统的实时性与稳定性，采用自行设计的专用总线式硬件结构，保证了系统的特殊需求;

(2)为解决刀具刃磨轨迹不能预先给出的问题，设计实现了能够自动检测刀具边沿的刀具形状在线测量模块以及基于非均匀有理B样条理论的加工程序自动生成模块，并设计了电火花伺服控制模块以及应急短路回退模块，可以根据磨削量给出下一插补周期速度，使系统保持良好的放电状态，并在系统出现短路时调整加工以保证加工安全;

(3)加工实验结果表明，本文开发的五轴电火花刃磨PCD刀具数控系统功能完善，运行稳定，刃磨的刀具加工精度和刃口质量均满足实际生产需求，且具有很高的加工效率。