一种便携式数控电火花加工系统及其加工方法

本发明涉及电火花加工，尤其涉及一种便携式数控电火花加工系统及其加工方法。

背景技术：

1、石油钻杆、压力容器、船舶结构等大型金属部件在长期服役过程中，由于承受复杂交变载荷、腐蚀介质冲蚀及意外损伤，表面极易产生深度刻痕、微裂纹等局部缺陷。这些缺陷不仅是显著的应力集中源，更是诱发部件疲劳断裂、甚至导致重大安全事故的首要诱因。在设备检测与维护领域，为了评估缺陷对结构安全的影响、验证无损检测技术的可靠性，往往需要人工刻制标准缺陷（如刻痕、凹坑）作为参考样件。此外，当大型部件发生局部损伤时，传统修复模式必须将部件整体拆卸、运输至固定车间，依赖大型电火花成型机床进行处理，导致停工周期长达数周，产生高昂的运输与停产损失。

2、现有电火花加工装备对“设备便携性”与“加工高性能”难以同时满足；一方面，高精度微细电火花机床虽能达到微米级加工精度，但系统庞大、环境适应性差，无法部署于野外井场或大型构件现场；另一方面，简易手持式电火花装置虽实现便携，但脉冲波形不可控、缺乏间隙自适应调节能力，仅能完成粗放式作业，无法满足精密缺陷刻制与修复的要求。

3、因此，石油化工、能源、船舶等行业的几乎所有大型部件缺陷检测与修复场景，都迫切需要一种能够现场作业、便携移动且具备高精度加工能力的装备。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种便携式数控电火花加工系统及其加工方法，解决了现有的电火花加工设备不适用于野外对大型构件进加工的问题。

2、第一方面，为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种便携式数控电火花加工系统，包括执行机构、工作液循环系统和控制系统；执行机构包括基座，基座的顶部安装有壳体，基座和壳体的侧面安装有磁吸定位底座；壳体内部安装有z轴进给机构，z轴进给机构与控制系统连接；z轴进给机构的输出端连接有电极夹持组件；电极夹持组件上固定有电极；壳体外壁上设置有喷水管，喷水管和工作液循环系统连接。

4、在本方案中，执行机构通过磁吸定位底座安装在待加工部件上，z轴进给机构控制电极夹持组件和电极沿着z轴方向运动，z轴方向即控制电极靠近或者远离待加工部件的方向，使电极与待加工部件之间保持合适的放电间隙；利用脉冲电源击穿放电间隙对待加工部件进行加工；同时工作液循环系统通过喷水管喷射工作液，为电火花加工间隙提供稳定的冷却与排屑环境。该便携式数控电火花加工系统中执行机构安装方便，适用于野外井场或大型构件现场，能节省部件运输周期，提高效率。

5、进一步地，z轴进给机构包括安装架，安装架安装在基座和壳体内部；安装架的一侧设置有电机，电机的输出轴通过梅花联轴器与轴向锥齿轮传动连接；轴向锥齿轮与纵向锥齿轮啮合传动连接，纵向锥齿轮固定在滚珠丝杠的一端；滚珠丝杠的底部通过压力轴承活动连接在基座的轴承室内，滚珠丝杠的顶部转动连接在安装架的顶部；滚珠丝杠上螺纹连接有螺母，螺母通过l型连接件连接有导轨滑块，导轨滑块滑动连接在导轨上；电极夹持组件安装在导轨滑块上。

6、在本方案中，电机通过梅花联轴器带动轴向锥齿轮转动，轴向锥齿轮与纵向锥齿轮啮合传动，纵向锥齿轮带动滚珠丝杠转动；滚珠丝杠转动中螺母和导轨滑块沿着滚珠丝杠的轴向进行移动，进而带动电极夹持组件沿着z轴方向运动。

7、进一步地，电极夹持组件包括夹持座，夹持座的一端安装在导轨滑块上，夹持座的另一端设置有第一电极安装座；夹持座的中部为矩形框体结构，矩形框体内部可拆卸连接有l型的延长臂，并通过锁紧螺钉进行紧固；延长臂上套设有电极第二安装座；基座上还安装有两根压簧轴；夹持座贯穿两根压簧轴设置，压簧轴上套设的弹簧位于夹持座和基座之间。

8、在本方案中，电极夹持组件针对不同类型电极有三种不同的夹持构型；第一种夹持构型，针对直四棱柱电极进行夹持，夹持座中部的矩形框体与直四棱柱电极外廓匹配，直四棱柱电极插入矩形框体后通过侧向锁紧螺钉固定，利用螺纹的自锁特性形成稳定可靠的夹持力，确保电极在电火花加工过程中承受脉冲放电产生的瞬态冲击力时无轴向窜动或周向偏转；该夹持构型结构紧凑、力传递路径短、刚度高，适用于直槽、方形凹坑等规则刻痕的精密加工。第二种夹持构型，针对片状电极进行夹持；夹持座前端的第一安装座上设置有两个平行间隔布置的压紧螺钉，片状电极可通过压紧螺钉固定在第一安装座上。第三种夹持构型是利用延长臂安装电极；先将延长臂的一端套设在夹持座中部的矩形框体内，并通过锁紧螺钉紧固，此时通过将延长臂夹持在夹持座的不同高度，可调节延长臂沿着z轴方向的位置；再将电极安装在第二安装座上；第二安装座可沿着延长臂滑动，进而实现沿y轴方向的调节，调节后通过螺钉紧固。

9、进一步地，安装架的顶部和基座上分别安装有上限位器和下限位器；上限位器和下限位器用于检测导轨滑块的行程。

10、在本方案中，上限位器和下限位器分别安装于z轴方向行程的上下两端，用于检测并反馈导轨滑块的极限运动位置，防止超程。

11、进一步地，工作液循环系统包括回收箱体和工作液箱体，回收箱体的顶部开设有漏斗状回收结构；工作液箱体顶部安装有流量计，流量计的输出端通过柔性水管与壳体外壁上的喷水管连接。

12、在本方案中，工作液箱体内部的工作液依次通过流量计、柔性水管和喷水管后喷出，为电火花加工间隙提供稳定的冷却与排屑环境；流量计实时监测管路内工作液的瞬时流量与累计流量，为加工过程中的工艺参数优化提供数据支撑。针对电火花加工过程中工作液沿待加工部件表面流淌的工况设计回收箱体，从工件表面流下的携带电蚀产物的工作液通过漏斗状回收结构流至回收箱体，避免废液飞溅与环境污染。

13、进一步地，壳体的侧面还设置有接线盒，接线盒的侧面安装有两个防水接头；防水接头通过电源线外接电容储能脉冲电源。

14、进一步地，磁吸定位底座设计有v形接触面，用于吸附在待加工部件的外壁或内壁上。

15、在本方案中，磁吸定位底座内嵌铁氧体永磁体阵列，开启磁力开关将执行机构吸附固定于大型铁质部件（如石油钻杆、压力容器筒体、船舶钢板）的外壁或内壁。磁吸定位底座v形接触面的v形槽夹角为120°，利用v形槽的自对中特性使电极轴线与工件表面法线基本重合，无需设置主动调平机构，成本低廉。磁吸定位底座与工件之间设置有硅橡胶绝缘层，用于隔离高压放电回路与工件之间的爬电路径，从根本上杜绝高压放电回路可能发生的沿面爬电或击穿风险。

16、进一步地，控制系统包括：

17、放电状态检测单元，包括高压分压采样电路及线性光耦隔离电路，用于采集待加工部件和电极之间放电间隙的电压信号和电流信号；

18、放电状态识别单元，用于根据电压信号和电流信号的幅值及波形特征，提取能表征放电状态的特征向量，判断当前放电状态为正常放电、短路、开路或异常电弧；

19、控制单元，用于根据状态识别单元的判断结果控制z轴进给机构运动。

20、第二方面，本发明基于第一方面提供的一种便携式数控电火花加工系统，提供一种便携式数控电火花加工系统的加工方法，包括以下步骤：

21、s1：通过磁吸定位底座将执行机构磁吸固定于待加工部件表面；

22、s2：根据待加工部件的缺陷形貌选择电极，并将电极安装在电极夹持组件上；

23、s3：连接喷水管和工作液循环系统，启动供液；

24、s4：启动控制系统，控制z轴进给机构运动，进而带动电极加工；

25、s5：关闭电容储能脉冲电源与工作液循环系统，解除磁吸，取下执行机构。

26、进一步地，s4包括以下步骤：

27、s401：初始化参数设置；获取电极当前的初始位置，预设工艺参数；

28、s402：放电状态检测；采集待加工部件和电极之间放电间隙的电压信号和电流信号；

29、s403：放电状态识别；根据电压信号和电流信号的幅值及波形特征，提取能表征放电状态的特征向量，判断当前放电状态为正常放电、短路、开路或异常电弧；

30、s404：根据识别的放电状态，协同调节z轴进给机构的速度与电容储能脉冲电源参数，进行缺陷加工；

31、当识别为短路状态时，输出z轴回退指令并降低脉冲能量，电机带动电极远离待加工部件；

32、当识别为开路状态时，输出z轴快进指令，电机带动电极靠近待加工部件，直至击穿放电间隙；

33、当识别为正常放电状态时，根据预设工艺数据库及流量计反馈的流量数据，输出z轴运动速度调节指令及脉冲电源脉宽/峰值电流调节指令，控制电极正常加工；

34、s405：加工结束，回到z轴的初始位置。

35、本发明的有益效果是：

36、本发明提供的便携式数控电火花加工系统同时满足了“便携性”与“高性能”的技术需求。本发明通过v形底座的磁吸定位底座、轻量化的z轴进给机构、微型电容储能脉冲电源及硅橡胶绝缘防护的系统级集成创新，在整机重量≤12kg、支持电池供电的便携约束下，实现了比肩传统电火花机床的加工能力（表面粗糙度ra≤1.6μm，重复定位精度±2μm），填补了便携式高性能电火花现场加工装备的空白，可广泛应用于石油钻杆、压力容器、船舶结构等几乎所有大型部件的人工缺陷刻制与现场修复，方便于野外工作。

37、夹持座活动设置在压簧轴上，工作中弹簧处于压缩状态产生向上的弹性回复力，使电极的夹持座始终贴紧与其连接的金属零件，消除机械间隙，确保z轴进给的传动刚性与位置精度。

38、电极夹持组件的设计适用于多种类型电极的安装，安装时仅通过旋紧或旋松紧定螺钉即可实现，确保电极在加工过程中保持稳定的空间姿态，适用于条状划痕或刻伤的加工。增设l形结构的延长臂，显著拓展加工可达空间；延长臂的设计，使得电极具备z轴方向（夹持座在延长臂上的固定位置）和y轴方向（第二安装座在延长臂上的固定位置）双重手动调节功能，在保持z轴进给机构的高精度前提下，实现了加工初始位置的大范围可调，可灵活适应管内深部刻伤、复杂姿态加工等多种现场工况，大幅提升了设备的工程实用性。