（机械电子工程专业论文）微细电火花加工机床控制系统的研究.pdf

微细电火花加工机床控制系统的研究甘真玮( 机械电子工程)指导教师：李文卓副教授摘要随着科学技术的发展，对产品的小型化和精密化程度的要求越来越高，从目前的情况来看，由于微细电火花加工技术具有电极制造简单、电极与工件间宏观作用力小、可控性好等优点，它已经成为微机械制造领域的一个重要组成部分，在制造业中得到了广泛的应用。通过对微细电火花加工原理特点和国内外多种微细电火花伺服系统的分析研究，提出了徼细电火花宏微复合伺服进给系统。该系统采用以p c 机控制下的单片机为核心，利用步迸电机作为宏驱动，用压电陶瓷和柔性铰链作为微驱动，使系统在提高加工精度的同时保证了加工速度。完成了宏微复合伺服进给系统机械部分和电气部分的设计，编写了可实现电极振动式迸给的微细电火花加工控制程序，并根据有限元原理，用a n s y s 软件对压电陶瓷与柔性铰链组成的微进给机构进行结构分析，并确定了出合适的结构尺寸。通过该方法设计出的柔性铰链机构具有很高的频率响应和最大行程，有利于提高微细电火花n i 的精度与速度。在查阅大量文献并分析了多种常用的电火花放电间隙状态检测方法的基础上，本文采用基于多传感器信息融合技术原理的模糊神经网络来融合电压和电流信息并对间隙放电状态进行判别。该方法能避免单传感器检测出现的误判，能更准确地对放电状态进行识别。最后用v i s u a lc 抖编写了基于w i n d o w s 的用户界面，并在微细电火花加工机床上进行了加工实验。加工得到3 0 i u n 的微细轴和微细孔。关键词：微细电火花加工，宏微复合伺服系统，有限元。微进给机构，模糊神经网络r e s e a r c ho nc o n t r o ls y s t e mf o rm i c r o - e d mm a c h i n i n gt o o lg a nz h e n w e i ( m e c h a n i c a l & e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g )d i r e c t e db yv i c ep r o f e s s o rl iw e n - z h u oa b s t r a c tw i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h er e q u i r et op r o d u c t s m i n i a t u r i z a t i o na n dp r e c i s i o ni sh i g h e ra n dh i g h e r a c c o r d i n gt op r e s e n ts i t u a t i o n ，t h em i c r o - e d m ( e l e c t r o nd i s c h a r g em a c h i n i n g ) p l a ya 1 1i m p o r t a n tp a r ti nm i c r om a c h i n i n gf i e l db e c a u s eo fi t se a s yf a b r i c a t i o no fe l e c t r o d e ，s m a l lf o r c eb e t w e e ne l e c t r o d ea n dw o r kp i e c ea n dg o o dc o n t r o l l a b i l i t y a f t e rt h er e s e a r c ht ot h ep r i n c i p l ea n ds e r v os y s t e mo fm i c r o - e d m ，t h em a c r o - m i c r oc o m p o s i t e r v os y s t e mi sp r o p o s e d t h ec o r eo ft h es y s t e mi sas c mc o n t r o l l e db yp c 1 ks t e pm o t o ri sa d o p t e di nt h em a c r os e r v os y s t e ma n dt h em e c h a n i s mb a s eo np i e z o e l e c t r i cc e r a m i ci su s e di nt h em i c r os e r v os y s t e m 1 h em e c h a n i c a lp a r ta n de l e c t r i cp a r to fm a c r o m i c r oc o m p o s i t es c r v os y s t e mi sd e s i g n e d a n dt h ep r o g r a mw h i c hc a l lm a k et h ee l e c t r o d em o v ev i b r a n t l yi sa c c o m p l i s h e d n ef e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) s o f t w a r ea n s y si su s e dt od ot h es t r u c t u r a la n a l y s i sf o rt h em i c r os e r v om e c h a n i s m b yt h i sm e t h o dt h ed i m e n s i o no ft h em e c h a n i s mi sd e c i d e da n dh i g h e rf r e q u e n c yr e s p o n s ea n dl a r g e rr a n g ec a nb eg o t t e n o nt h eb a s i so fag r e a tl o tl i t e r a t u r e sa b o u tt h ed i s c h a r g ec o n d r i o nd e t e c t i o nm e t h o d s , t h ef n n ( f u z z yn e u r a ln e t ) b a s eo nm u l t i s e n s o ri n f o r m a t i o nf u s i o nt e c h n o l o g yi su s e dt os y n c r e t i z et h ev o l t a g ed a t aa n dc u r r e n td a t aa n di d e n t i f yt h et y p eo f d i s c h a r g ec o n d i t i o n a ni n t e r f a c eo np ci sc o m p i l e dw i t hv i s u a lc + + u s i n gt h ed e s i g n e dm a c h i n et o o l ，s o m et r i a l sa r ed o n e t h em i c r oe l e c t r o d ea n dt h em i c r oh o l ew i t h3 0 “md i a m e t e rc a nb eg e t k e y w o r d ：m i c r o - e d m , m a c r o - m i c r oc o m p o s i t es e r v os y s t e m ，f e m 。m i c r os e r v om e c h a n i s m ，f n n独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。妒以年6 月中日关于论文使用授权的说明本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密论文在解密后应遵守此规定)学生签名：盔盔。痉导师签名：查童照沙? 年l f 月妒日沙一6 年b 月l ：1 日中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论第1 章绪论1 1 课题来源及研究目的意义1 1 1 课题来源本课题是与鲁南机床厂合作项目微细喷孔电火花加工机床的组成部分。1 1 2 研究的目的及意义微机械技术是近十几年来新出现的- - f - j 技术，它对现代科技的影响将超过过去晶体管的出现，堪称为跨时代的技术。从目前的情况来看，由于微细电火花加工技术具有电极制造简单、电极与工件间宏观作用力小、可控性好等优点，它已经成为微机械制造领域的一个重要组成部分，在制造业中得到了广泛的应用。微细电火花加工的研究已成为整个微型机械制造领域的一个非常重要的方向：具有重大的理论意义和实际应用前景，受到了国内外的广泛重视i m 】。如今国外的微细龟火花加工己步入工业应用阶段，微细电火花加工专用机床也应运而生，日本松下精机、瑞士夏米尔、阿奇、美国麦威廉斯等公司都有较成熟的产品，其中日本松下精机的产品能加工m 5 1 m a 的微细孔，具有一定的代表性。在国内，对微细电火花加工的研究，大都结舍实际生产的需要，如喷油嘴触火花小孔加工等。上个世纪9 0 年代以来，国内对微细电火花加工技术的研究领域有所扩展也更为活跃，取得了不少成绩。如采用反拷模块法加工微细电极，可稳定地加工1 0 0 p r o 的微细孔；中国纺织大学采用超声电火花复合加工法，可以加工数十微米的微细孔，加工效率也较高【6 】；南京航空航天大学对微细电火花加工的研究起步较早，也较系统，首次在国内加工出1 9 t t m 深径比为3 1 ：1 的微细孔f ”。清华大学应用w e d g 法可加工4 0 t t m 的孔和槽1 8 , 9 ；山东工业大学在微细电火花加工电源方面做了很多的研究工作；哈尔滨工业大学特种加工研究所也在这方面做了许多工作【1 0 , 1 1 】，中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论开发了4 轴联动精微电火花加工机床，用该机床加工出了4 0 9 i n 的微细轴，此外还研制了一台横轴布局的微细电火花加工样机，能稳定地加工出直径小于6 t t m 的微细轴以及直径小于1 0 t u n 的微细孔，其长径比分别可达到2 5和l o 以上【1 2 】。我国加工微细轴、微细孔零件的极限尺寸水平已接近于世界先进水平，但是在微细电火花加工技术转化为实际生产力( t i p 产品化和商业化) 方面则远远落后于日本与欧美【1 2 】。前面提到的日本松下精机的产品售价可达2 0 万美元，且对中国禁运，因此，研究具有自主知识产权的微细电火花核心技术并加速产业化进程对中国的制造业具有重大的现实意义和战略意义。1 2 国内外微细电火花伺服进给系统的研究成果在微细电火花加工中，由于受加工尺寸、放电能量及放电间隙中工作液循环排放困难等诸多因素的影响，使得伺服进给系统称为稳定、高效电火花加工的关键技术之一。目前在普通电火花伺服进给系统中广泛使用的伺服进给系统如电液压式、步进电机式、力矩电机式等，由于电极进给机构结构尺寸、运动行程、步距精度等方面的制约，不适于微小型、任意行程、微米级或纳米级布局的进给驱动。因此，对电极驱动装置及机床伺服进给系统的研究成为微细电火花加工领域的一大热点，且具有广阔的应用前景。早在1 9 7 0 年美国斯坦福大学就开始了微型机械的研究工作，1 9 8 7 年以后，美国各部门便开始投入大量的经费资助微型机械的开发。随后日本和西欧各国也相继将此项研究列为重要发展领域【1 3 1 。日本在微型机械方面的研究虽然起步晚于美国，但重视程度和投资强度均超过美国【1 4 】。目前，作为后起之秀的日本在微小型电火花加工装置的研究方面，处于世界领先地位。日本学者古谷克司、毛利尚武等人先后研制出冲击式、椭圆运动式和蠕动式电极直接驱动的小型电火花n t 装置【”】。近年来，我国的一些高等院校和研究机构也逐步意识到微小型电火花加工装置的发展和应用前景，开始对该领域进行跟踪探索，并取得了一定成果【1 ”1 2 1 国外微细电火花伺服进给系统研究成果2中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论1 2 i i 压电冲击式伺服迸给系统1 9 9 0 年日本东京大学生产技术研究所t h i g u c h i 教授，利用压电陶瓷的快速变形原理，研制出能实现电极双向微步距( o 0 2 9 m 0 6 9 r a ) 进给的微型驱动装置i d m ( i m p a c td r i v em e 宅h a r t i s m ) 。其尺寸为l g m m x l 4 m m x 6 8 m m ；利用该装置进而成功研制了尺寸为几十毫米级能实现微细加工的电火花加工机床。其核心是微型电极驱动机构圈。试验结果表明，电极最小进给步距可以达到0 0 2 9 m 采用该电火花加工装置只用5 6 s 就在0 1 m m 厚的不锈钢板上加工出直径为3 3 r a m 的小孔。1 2 1 2 蠕动式电火花伺服进给系统1 9 9 2 年，日本丰田工业大学毛利尚武教授等人，根据蠕动原理，采用压电元件作为驱动器，研制出龟极直接驱动的小型电火花加工装置。其电极蠕动微进给机构体积为9 0 m m x 2 6 m m x 3 0 衄【2 3 捌。蠕动式电火花伺服进给机构的原理图与时序图如周1 1 。蠕动式伺服进给系统如图l - 2 所示【2 5 1 。cab( b ) 驱动电压信号时序图图1 - 1 电极蠕动式进给机构原理图鲫图l - 2 蠕动式伺服进给系统原理图1 2 5 l中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论当电致伸缩元件a 、b 、c 按照图1 - l ( b ) 的驱动时序通电并实现伸缩，电极即可向下移动一步。该类加工装置如果采用细分伺服系统，进给分辨率可达几十纳米1 9 】，响应频率可达5 0 0 h z 瑚试验结果表明，采用该电火花加工装置，用纯水作工作液，在厚度为l r n m 的不锈钢块上加工直径为0 5 m m 的小孔最短加工时间为2 m i n 左右。1 2 1 3 椭圆运动驱动式电火花加工装置日本丰田工业大学古谷克司教授等人于1 9 9 5 年研制出采用椭圆运动原理( e l l i p f i c a lm o v e m e n t ) 直接驱动电极的小型电火花加工装置。其中微量进给机构的体积为6 0 m m x 2 0 m m x 7 6 m m l 2 6 1 利用椭圆运动驱动式原理，古谷克司与毛利尚武等人研制了外形尺寸为2 0 m m x 6 0 m m 7 2 m m ，步距为1 2 p r o ，重约1 5 9 9 的装置，用钨丝在厚o 1 m m 的不锈钢板上3 0 s 时间内加工出i r m a 的孔，工作液为纯水，驱动的频率为l k h z 。1 2 1 4 点阵式电火花加工装置日本丰田工业大学于1 9 9 7 年开发了点阵式电火花加工装置。该系统将多个蠕动式小型电火花加工装置按一定的方式排列起来，可加工出具有三维形貌的工件。该装置可加工出具有一定的坡度的曲面，其面积为4 2 4 2 m m ，最大深度为o 5 m m 瑚。此外，古谷克司等人还利用蠕动装置开发了平行电火花扫描装置，利用该装置，可使用形状简单的电极扫描加工出复杂的三维型腔圆。1 2 2 国外徽细电火花加工机床的新进展针对微小零件的加工而开发研制新型实用的微细电火花加工机床是目前国际电加工界重要的发展方向。国际著名的电加工机床生产厂家，如日本的松下精杌，三菱电机、骏河葙机、徽研、瑞士夏米尔、美国麦威廉斯等均相继推出了相应的微细电火花加工机床。一台能够满足微细电火花加工要求的机床应具备以下特征：具备微细电极的在线制作手段，如具有w e d o 装置；具有微能放电脉冲电源。为满足微米级的加工，单脉冲放电能量应小于l o 勺；灵敏可靠的高精度伺服和微进给系统；微细电极和微细加工过程的在线( 或在位) 监测系统：高精度、高速主轴系统；具有3 轴以上的数控加工能力【3 0 】。4中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论1 2 2 1 高精度微细电火花加工机床m g - e d 8 2 w日本松下精机生产的m g - e d 8 2 w 是一种高精度的微细电火花加工机床【3 i 】，也是目前商业销售中精度最高和微细电火花机床，该机床的实物照片女阍1 - 3 ( a ) 所示。内部构成包括加工主单元和n c 控带惮元两部分，如图l 一3 ( b ) 所示为便于观察微加工状态，还配有显微镜。机床还配有线电极磨削单元( w e d g ) 1 3 2 | 。加工主单元w 控制单元图l 3 ( a ) 松下m g - e d 8 2 w 机床照图1 3 ( b ) m g - e d 8 2 w 的内部m g - e d 8 2 w 的加工主单元是由可z 向移动的加工头和可x 向和y 方向移动工作台组成，其主要性能指标见表1 。m g - e d 8 2 w 的电火花放电电源采用r c 微能驰张式电源，其最小脉冲能量可达l o - 7 j ，是传统电火花加工电源能量的1 1 0 到1 1 0 0 。为了减少寄生电容对加工过程的影响，机床采用了陶瓷材料做主要零件。在m g - e d 9 2 w上可进行电火花钻削、铣削、磨削( 线电极磨削) 、成型加工等多种电火花加工，其能稳定地加工出0 5 肛m 的微细轴和m 5 f t r n 的微小孔，表面粗糙度可达r m a x 0 ，1 。该机床可用于各种微小轴、孔、三维曲面、型腔的加工。适用于微加速度计、微力传感器、微喷头等微机电系统的研制和生产中【3 3 1 。1 2 2 2 扫描式微电火花加工机床日本丰田大学古谷克司、毛得尚武等人开发的一种新型微电火花加工机床p 4 j 。因平行机构具有高频响、多自由度和高刚度等特点，在此被用作中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论微电火花加工终端驱动器，使之产生扫描运动。其电极具有三个自由度，即沿x 、y 方向的两个倾斜运动和一个沿z 方向的移动，配合各种形式和各种自由度的工作台，即可各种复杂微曲面的加工。整个主轴的尺寸为0 1 8 2 m m x 2 2 8 m m ，重6 k g 。平台的响应频率由压电陶瓷决定，可以达到2 0 0 i - i z ，位置误差小于3 0 m 和0 0 4 。1 2 2 3 多功能微细电火花加工中心德国柏林技术大学生产技术研究中心( p r o d u c t i o nt e c h n o l o g yc e n t e r )在夏米尔公司的r o b o f i l2 0 0 0 五轴线切割机床的基础上改进的微细电火花加工中心如图1 - 4 所示【3 5 】。该加工中心能实现微线切割、微型腔加工、微线电极磨削、微电火花钻削和铣削等多种微电火花加工。由于该加工中心功能众多，因此非常适合加工各种复杂的型面加工。图l - 4 微细电火花加工中心示意图1 2 3 国内微细电火花伺服进给系统的研究成果1 2 3 1 以步进电机为基础的电致伸缩电火花微细加工伺服系统南京航空航天大学结合电火花微细加工伺服系统的特殊要求，在步进电机进给系统的基础上，采用粗精结合的实现了以电致伸缩器件作为伺服系统主要执行件的方法。系统构成如图1 5 所示：6中国石油大学( - 华东) 硕士论文第1 章绪论图1 5 步进电机结合电致伸缩进给机构示意图该装置的原理为：将电火花微细加工的总工作行程分为几个小行程，在每个小行程( 2 0 肿) 由w d t s 器件构成的执行件做微步距伺服进给，在它的输出总位移达到2 0 岬的满量程后，让它快速回退到起始位置。经常出现上述的回退动作相当于常规电火花成形加工中的抬刀作用，可以抽吸放电区域的工作液，有利于促进排屑循环，改善间隙状态1 3 6 8 7 】。1 - 2 3 2 采用蠕动式微进给机构研制的微细电火花加工装置清华大学与北京市机电研究院共同研制一种采用蠕动式微进给机构的微细电火花加工装置。该装置系统主要包括蠕动式微进给机构、微小电极线放电磨削制作机构、精密旋转主轴头、微小能量放电电源、加工状态检测电路、控制用计算机以及相关驱动控制电路等。蠕动式微进给机构主要由沿轴向配置的主致动件( 国产w t d s - - 衄型电致伸缩陶瓷微位移器件) 、两端部的径向夹紧箝位机构以及进给机构驱动心轴构成。两夹紧筘位机构设计为常闭型，且下端的夹紧机构与床身固联。工作时顺序地施加驱动电压，首先松开上端夹紧机构，再使主致动件伸至最大长度，然后上端夹紧，下端松开，减小加于主致动件的电压，即可实现驱动心轴的迸给运动。当电压减为下限时，下端夹紧，完成一次进给循环。改变上下夹紧筘位机构和主致动件的控制顺序，即可实现心轴的反向回退。控制加于主致动件的电压波形，可实现大步距的进给回退以及小步距连续进给运动运动。微迸给定位分辨率可达5 0 m 。7中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论1 2 3 3 基于蠕动原理微小型电极直接驱动机构哈尔滨工业大学开发研制的基于蠕动原理微小型电极直接驱动机构是根据尺蠖头或尾部的运动原理而设计的。电极蠕动进给机构不同于一般的尺蠖机构。一般的尺蠖机构是机构本身运动，而电极蠕动进给机构则是电极在运动，机构本身是静止不动的。如图1 - 6 所示的电极驱动机构中，a 、b 为夹持电极的夹具，c 为驱动元件。它们均由w r d s 型电致伸缩微位移器件构成。a 、b 、c 三器件通过一定的时序伸缩即可实现电极的连续进给。该机构具有如下许多特点：移动副间无机械摩擦、无间隙，具有较高的位移分辨率；具有较高的几何精度和精度稳定性；具有较高的固有频率，具有良好的动态特性和抗干扰能力；无传动环节，电极便于控制，回退速度快。试验研究结果表明该系统驱动电极可以实现7 8 r i m 的微步距进给，且具有较好的动态响应【1 7 , 3 8 1图! - 6 蠕动式电火花加工装置机构原理图1 2 3 4 超声振子箝位的小型微位移直线压电驱动器最近，哈尔滨工业大学又开展了超声振子箝位的小型微位移直线压电驱动器的研究工作。如图l - 7 ( a ) 所示，该驱动器由驱动压电陶瓷、被驱动轴及两个超声箝位器组成。该驱动器仍然是一个采用蠕动原理的微驱动器，但与一般的蠕动原理的微驱动器所不同的有两点：驱动用压电陶瓷采用了两个电学上并联的压电陶瓷管，避免了叠层压电陶瓷电容大，充放电时间长，响应速度慢的缺点；箝位方法采用了超声箝位方法，其夹紧环如图l - 7 所示。8中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章绪论图1 7 ( a ) 超声箝位微小型直线驱动器结构图l - v ( b ) 超声箝位夹紧环结构采用该原理的微驱动器具有结构简单、体积小、响应速度快、换向方便和可控性好等优点，目前已成功地用于电火花微孔加工实验，取得了很好地加工效果。1 2 4 国内微细电火花加工机床的新进展近年来，国内多家高校及研究机构都研制出了具有自主知识产权的微细电火花加工机床，下面仅介绍两个比较成熟的机床。1 2 4 1 微细电火花、电化学加工装置哈尔滨工业大学设计开发了一台用于微细电火花、电化学加工的装置，如图1 8 所示【1 2 j 。它由花岗岩基座、精密伺服机构、精密高速旋转主轴、线电极磨削装置、专用r c 脉冲电源、加工状态检测系统和控制系统等部分组成。x 、y 、z 方向上的运动部件都由直流伺服电机驱动，行程范围为1 0 2m m x1 0 2 m m x1 0 2m m ，具有3 轴联动功能，控制方便，容易实现数控插补功能在该装置上可以进行微细轴、微细孔和微三维结构的加工。能稳定地加工出直径小于6 t t m 的微细轴以及直径小于l o 岫的微细孔，其长径比分别可达到2 5 和1 0 以上。且该装置还能进行微细电化学加工，加工出的微细轴最小直径达到$ 1 j z n 【3 9 】。9中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论图1 - 8 微细电火花、电化学加工装置结构图1 2 4 2 六轴数控精密微细电火花机床最近上海s a r i x 公司推出六轴( x z ，c ，a b ) s x - 2 0 0 h p m 数控精密电火花机床，x y z 行程3 5 0 2 0 0 2 0 0 m m ，x y 轴定位精度l l u n ，工作台上装有电极修正装置，采用线电极等方式进行修正，通过x 、y 、z 、c等相关轴的联动，进行各种形状电极的反拷贝加工。z c a b 可加工直径小于0 0 2 r a m 的微孔，如可进行硬质合金集成电路模具的穿丝孔加工等。该机还可以进行电火花铣削加工【柏】。1 3 本文研究的主要内容综观国内外微细电火花加工伺服进给系统及加工装置的研究现状，不难发现国内的研究离实际应用在存在很大距离，同时也具有巨大的潜力。本文基于宏微复合进给的原理，设计一台高精度、高效率并重的微细电火花机床，并将设计的重点放在对微细电火花伺服进给系统的设计上。需要作的研究工作包括：( 1 ) 归纳出微细电火花加工特点及工艺规律，提出对原理样机的设计要求，并根据设计要求，完成用于微细电火花加工机床样机的总体方案设计。1 0中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论( 2 ) 设计制作微细电火花加工机床的伺服控制系统。微细电火花加工的脉冲放电能量极小，且放电间隙只有几微米，而放电的频率又极高，这就要求所研制的微细电火花加工机床的伺服系统和执行机构要有很高的响应速度和控制灵敏度。特别是在微进给机构的设计上，采用有限元分析软件对机构模型进行分析计算，优化机构尺寸。同时，还要完成机床设计中相关的各种驱动电路设计和相关的各种软件编制。( 3 ) 设计一种基于多传感器信息融合的微细电火花放电状态检测模块，该模块能综合放电间隙的电压和电流信号，通过模糊神经网络的方法，判断放电状态。( 4 ) 利用设计的样机，进行电火花微细加工实验，摸索微细电火花加工的一些规律和方法，并加工出微细轴和微小孔。中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章微细电火花加工特点及系统整体设计第2 章微细电火花加工特点及系统整体设计寻求加工技术的微细加工极限是制造领域所追求的目标】。微细电火花加工作为电火花加工的重要分支，近年来在电火花加工中所占的比重正逐年上升。微细电火花加工的原理与普通电火花加工并无本质区别其加工的表面质量主要取决于电蚀凹坑的大小和深度，即单个放电脉冲的能量；而其加工精度则与放电间隙、工艺系统稳定性，电极损耗等因素密切相关微细电火花加工还具有许多普通电火花加工不具备的特点，因此，在机床设计上需要把电火花微细加工与一般尺寸加工区别开来。2 1 微细电火花加工原理与特点通常认为，电火花加工中电极材料的蚀除过程是火花放电时的电场力、磁力、熟力、流体动力、电化学及胶体化学等综合作用的过程【4 2 】。当脉冲电压施加到工具与工件电极之间时，极闯介质被击穿并形成一个极为细小的放电通道。由于放电通道中电子和离子受到放电时的电磁力和周围液体介质的压缩，因此其截面积很小，通道中的电流密度极大，可达1 0 4 1 0 7 c m 2 放电通道是由数量大体相等的带正电粒子( 正离子) 和带负电粒子( 电子) 以及中性粒子( 原子或分子) 组成的等离子体。在极间电场作用下，通道中的正离子与电子高速地向阴极和阳极运动并发生剧烈碰撞，从而在放电通道中产生大量的热量；同时，阳极和阴极表面分别受到电子流和离子流的高速冲击，动能也转换为热能，在电极放电点表面产生大量的热，整个放电通道形成一个瞬时热源，其温度可达l o o o o 以上。另外，由于火花放电时的电流会产生磁场，该磁场又反过来对电子流产生向心的磁压缩效应和周围介质惯性动力压缩效应的作用，通道瞬间扩展受到很大阻力。故而放电开始阶段通道截面很小，而通道内由高温热膨胀形成的初始压力可达数十甚至上百个千帕，高压高温的放电通道以及随后瞬时气化形成的气体急速扩展、产生一个强烈的冲击波向四周传播。因此，火花放电，蚀除材料的过程是热效应、电磁效应、光效应、声效应及频率范围很1 2中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章微细电火花加工特点及系统整体设计宽的电磁辐射和爆炸冲击的综合过程，而这一过程一般只有1 0 7 1 0 4 秒 4 2 , 4 3 。图2 1 是电火花在空气中放电时的放电通道形状照片1 4 4 1 。图2 - 1 放电通道照片 4 3 1电火花微细加工的加工机理与常规电火花n - r 的机理相同，都是利用脉冲电源将高频放电能量输向放电间隙，靠产生的高温热效应等综合效应实现对材料的去除，进而达到对工件尺寸加工的目的。但由于被加工的孔径细微，一般在5 b t r n 1 0 0 l x m 之间，因此要达到加工的尺寸精度和表面质量要求，还应有一些特殊的要求。针对所要的研究内容，在查阅大量前人研究成果的基础上，本文总结出微细电火花加工的特点主要有以下几点：1 火花加工的放电面积很小假设所用为圆柱形电极，其火花放电面积a 为：彳： 石d2(2-1)4式中，a 为圆柱电极截面面积， t m 2 ；d 为圆柱电极直径，l a i n 。微细电火花加工的电极一般在中5 肛l 巾1 0 0 “m 之间，对于一个c d 5 “m的电极来说，放电面积不到2 0 9 m 2 ，在这样小的面积上放电，放电点的分散范围十分有限，极易造成放电位置和时间上的集中，极大地增大了放电过程的不稳定，使得微细电火花加工变得非常困难。2 单个脉冲放电能量很小电火花加工的单个脉冲放电能量可用下式表示：2 弘( f ) i ( t ) a tr 7 )式中，f 例为放电电流，a ；u c t ) 为极间电压，v ： 为放电时间，s ，中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章微细电火花加工特点及系统整体设计为适应放电面积极小的电火花放电状况要求，保证加工的尺寸精度和表面质量要求，每个电火花放电的去除量应控制在0 1 o 0 1 p r o 的范围内，因此必须控制每个放电脉冲的能量在1 0 l o 。7j 之间，甚至更小。3 火花放电间隙很小放电间隙的大小和一致性对加工精度有着极大的影响。火花放电间隙与介质的抗电强度有极大关系，当采用纯净的煤油作为工作液时，由于它的抗电强度高，通常放电间隙很小。然而，在电火花加工过程中，极间液体介质都混有电蚀产物，使其抗电强度大大降低，放电间隙显著加大。其次，击穿电压与放电间隙亦有很大关系，表2 1 给出了在纯净煤油中，两种形状紫铜电极相对平面钢工件的实验数据 4 3 1 。表2 - i 在煤油中小间隙的击穿电压u k p ( v ) 1 4 3 】堡塑堕童! ! 丛里!整塑旦苎皇堡旦生盟鐾塑亘皇堡旦纽堡211 6 81 4 4放电间隙可用下列经验公式来表示【4 2 1 ：s = k ，“+ k 矗矿04 + s ，( 2 - 3 )式中，s 为放电间隙( 指间面放电间隙) ，岬；甜，为开路电压，v ；勋为与工作液介电强度有关的常数，纯煤油时为5 x 1 0 之；含有电蚀物后缸f 增大：1 4姒娜甜蝌m姗m撇墨|啪砣“饥拼m狮划拼姗2，m”加巧如鲐中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章微细电火花加工特点及系统整体设计为常数，与加工材料有关，一般易熔金属的值较大，对铁，j 知- - 2 5 x 1 0 2 ，对铜，磁- - 2 3 x 1 0 2 ；w u 为单个脉冲能量，j ；| s 胁为考虑热膨胀、收缩、振动等影响的机械间隙。为保证加工尺寸精度和表面质量的要求，微孔加工时的放电间隙应控制在很小的范围，最好应在l t t m 左右。因此要求迸给系统的响应灵敏，且步距进给分辨率应小于o 1 t t m ，最好在0 o l o 0 0 1 l g n 之间。4 微细工具电极的制备困难为了能加工出尺度很小的微小孔和微细型腔，必须先获得尺度更小的微细工具电极。在以往的微细电火花加工中，微细工具电极一般采用专门加工后，二次安装到机床主轴头上的方法，此时明显存在着微细电极的安装误差及变形误差等，难以保证工具电极与工作台面的垂直度以及电极与回转主轴的同轴度等。w e d g 出现以前，微细电极的制造与安装一直是制约微细电火花加工技术发展的瓶颈阀题。由于微细电极安装过程中存在的问题，采用离线方式进行电极的检测显然是不可取的。从目前的应用情况来看，采用w e d g 技术能很好地解决微细工具电极的制备问题。为了获得极细的工具电极，要求具有高精度的w e d g 系统，同时还要求电火花加工系统的主轴的回转精度达到极高的水准，一般应控制在1 岬1以内。5 电火花加工用的脉冲电源频率高由于每个电火花脉冲的能量极低，为保证电火花具有一定的效率，用于微细电火花加工的脉冲电源应具有很高的频率，一般应高于1 0 m h z ，且脉宽要小于l o o n s 。6 排屑困难，不易获得稳定火花放电状态由于微孔加工时放电面积极小，且放电间隙也很小，极易造成短路，因此欲获得稳定的火花放电状态，其进给伺服控制系统应有足够的灵敏度，在非正常放电时能快速地回退电极，消除间隙的异常状态，提高脉冲利用率，保护电极不受损坏，最终提高加工速度。2 2 微细电火花加工机床整体方案设计中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章微细电火花加工特点及系统整体设计2 2 1 机床整体框架根据以上微细电火花加工的特点，本文在查阅大量国内外关于微细电火花加工机床研究成果的基础上，设计了一台微细孔电火花加工样机。该样机采用立式主轴，通过x 、y 轴运动可完成微细工具电极的加工，通过z轴运动则可实现微细孔的加工。该机床的构成示意如图2 - 2 ：图2 - 2 微细电火花加工机床的构成示意图该机床系统由机械部分和电气控制部分组成。其中机械部分包括：直流电机驱动的立式旋转主轴、步进电机和压电陶瓷构成的伺服进给装置、制作微细工具电极的反拷装置、x - y 两轴联动工作台。电气控制部分则包括：p c 控制下的单片机控制系统，微细电火花加工微能脉冲电源，步进电机伺服控制系统，压电陶瓷驱动控制电路、放电间隙检测以及接触感知电路。本文将着重对电气控制部分进行深入研究和具体设计。2 2 2 宏微复合伺服进给系统机床系统采用步进电机和压电陶瓷构成的宏微复合伺服进给系统，系统构成图如图2 3 所示。中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章微细电火花加工特点及系统整体设计图2 - 3 宏微复合进给机构示意图其中，宏量进给系统由旋转电机和滚珠丝杠组成。旋转电机以微步距旋转，再通过丝杠和螺母产生微进给，在几毫米到上百毫米范围内实现主轴分辨率为几百纳米的粗进给，这种进给方式具有行程大的优点，但其进给精度不足，响应速度不快，如果单独使用难以满足微细电火花加工的需要。微量进给系统由压电陶瓷和柔性铰链构成。压电陶瓷控制驱动器可在o 1 4 p m 的范围内实现分辨率为0 0 0 3 4 2 i t m ，即3 4 2 n m 的微进给。由于压电陶瓷具有响应速度快，无回程间隙，进给分辨率高等优点，可很好地满足微细电火花加工的高精度进给和短路时快速回退要求。但其存在行程太短的问题。在宏量进给机构上搭载微量进给机构，组成宏微复合进给系统，当工件和电极在加工中发生短路时，单片机发出指令，可令压电陶瓷控制电极作快速回退，短路消除后，恢复正常的加工迸给速度进行宏进给。可以同时具有高精度、大行程、高频响、高分辨率等优点，可以实现高效稳定的微细电火花加工。2 2 3 控制系统电气控制部分拟采用p c 机控制下的单片机为核心的控制系统，其组成图如图2 - 4 所示。1 7中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章微细电火花加工特点及系统整体设计图2 _ 4 微细电火花加工机床的电气控制系统构成在电气控制系统中，单片机作为核心计算机实时控制整个系统的运行，其操作的指令来源于具有良好人机界面的p c 机的r s - 2 3 2 通信。通过交互界面在p c 机上设定加工参数，如速度、加工方式等，并由r s - 2 3 2 通信方式把相应指令和参数传送到单片机中。同样，单片机在加工过程中得到的信息，如位置，也通过r s - 2 3 2 通信方式传送到p c 机上，并在界面上给予显示，方便操作者或p c 机进行判断处理。2 2 3 1 接触感知电路对于精密电火花加工机床来说接触感知功能是一项非常重要的功能，尤其是在微细电火花加工领域。目前来讲，进行在线检测的办法并不太多，而接触感知测量就是这不多的办法中比较简单易行一种方法【4 5 1 。接触感知电路如图2 5 所示，接触感知电路与正常电火花加工电路由转换开关进行切换，其原理与正常电火花加工相似，但接触感知由5 1 0 k 电阻限流，使得其在接触区产生电流小于0 2 m a ，对工件加工表面的影响微乎其微。中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章微细电火花加工特点及系统整体设计5 1 0 k接触感知测量图2 - 5 接触感知电路2 2 3 2 放电状态检测电路本文所采用的放电状态检测电路由以下峰值电流检测电路、峰值电压检测电路、模糊神经网络等几部分组成。组成框图如图2 - 6 所示。其中，峰值电流检测和峰值电压检测得到的信号通过光电隔离和a d 转换之后进入经过训练的模糊神经网络中，经过信息融合，即可得到间隙放电状态的判定结果。详细的设计过程见第5 章。图2 - 6 放电状态检测模块系统构成图2 3 电极尺寸的简易测量电极的尺寸、形状及电极损耗的在线或在位测量，一直是电加工工作者致力于解决的重要研究内容之一。由于装夹精度等因素，离线测量是不现实的。先后有人采用c c d 摄像投影和试加工等方法，但效果都不理想，由于电极上附着有工作液，给摄像投影带来了极大的麻烦；而试加工则存1 9中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章微细电火花加工特点及系统整体设计在加工间隙无法准确定量和电极在试加工过程中损耗两大致命缺点【驰j 。目前电火花加工机床的数控功能日趋完善，加之现代电力电子技术的迅猛发展，已经使得电火花加工机床实现准确微位移和微能放电成为可能。因此充分利用电火花加工机床所特有的接触感知功能，使微细电极以极低速度( 减小对微细电极的惯性冲击) 接触线电极丝( 在线电极磨削机构上已经具备) ，在间隙脉冲能量极小( 减小接触感知时极间的火花放电和间隙值) 的情况下，应能得到较为准确的接触感知值。利用所得的数据可以较准确地测得所制作电极的锥度和直径情况。由于加工与测量时所采用的是同一的机械与电气系统，而且电火花j j 日- 过程本身具有随机性，因此用上述方法所得的结果将更能准确地反映实际加工过程。另外，采用读数光学显微镜进行在线测量也是行之有效的方法。在本文所设计的微细电火花i j h - r 系统中，采用的是接触感知的方法，由于其原理与电火花加工类似，因此只需具有反拷用的反拷块或电极丝即可完成测量任务。2 4 本章小结本章总结了微细电火花加工的特点，完成了微细电火花加工机床的总体方案设计，其中机械部分主要由立式旋转主轴、步进电机及压电陶瓷伺服进给装置、制作微细工具的反拷系统、x - y 双轴联动工作台构成。电气部分则采用p c 机控制下的单片机核心控制系统，其中，伺服进给系统采用宏微复合进给的方式，即用步进电机作为宏进给驱动，用压电陶瓷作为微进给驱动。该进给方式可实现电极的精密、高频响、大行程伺服。本章还简要介绍了在本机床中所采用的放电间隙检测电路和接触感知电路。中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章伺服进给系统设计第3 章伺服进给系统设计3 1 微细电火花加工对伺服进给系统的要求电火花机床伺服进给系统的性能是机床性能优劣的一项重要指标，尤其是其加工过程顺利进行的前提。在电火花加工过程中，伺服进给系统的性能直接关系到间隙状态的好坏，电火花加工速度和加工质量有着极大的影响，对整个机床的加工性能起着决定性的作用。电火花微细加工过程是在极小间隙下进行的，伺服进给系统的任务就是通过调节放电间隙的大小，使火花放电维持在一种最佳状态。如果间隙过大，处于开路状态，放电间隙不能产生火花放电；若工件与电极相接触，则处于短路状态，也不能产生火花放电，甚至可能致使微细工具电极弯曲或折断。因此，伺服进给系统应具有灵敏的动态调节放电间隙的能力，使火花放电维持在一种稳定的状态。因此，电极伺服进给系统应满足以下要求：( 1 ) 有较广的速度调节跟踪范围在电火花加工过程中，加工规准、加工砸积等条件的变化，都会影响其进给速度，调节系统应有较宽的调节范围，以适应加工的需要。( 2 ) 有足够的灵敏度和快速性放电加工的频率很高，放电间隙的状态瞬息万变，要求进给调节系统根据间隙状态的微弱信号能相应地快速调节。为此整个系统的不灵敏区、时间常数、可动部分的惯性要求要小，放大倍数应足够，过渡过程应短。( 3 ) 有必要的稳定性电蚀速度一般不高，加工时的进给速度也不必过大，所以应有很好的低速性能，均匀、稳定地进给，避免低速爬行，超调量要小，传动刚度应高，传动链中不得有明显间隙，抗干扰能力要强。此外，自动进给装置还要求体积小，结构简单可靠及维修操作方便等【4 死。3 2 微细电火花机床伺服进给机构的设计中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章伺服进给系统设计3 2 1 伺服进给机构方案选择宏微复合伺服进给系统的原理如图2 - 3 所示。系统串联了大行程、低分辨率的宏进给机构和小行程、高分辨率的微进给机构，即可实现整个伺服进给系统的大行程和高分辨率。在对宏进给机构和微进给机构的选择上目前有以下几种方案【4 9 】；1 、宏进给机构由步进电动机、减速器、滚珠丝杠和移动部件等组成开环系统，分辨率可达1 岫1 ，它的运动范围是整个加工行程：微进给机构用电致伸缩元件制成，与位置检测环节构成闭环伺服控制，分辨率为o 1 5 n m ，整个行程为1 5 1 0 0 p m 。这种方案的特点是：宏进给机构的组成比较简单，整个复合进给机构的定位精度和移动精度都由微进给机构保证，执行速度较慢。微进给时的响应速度与控制精度有关，控制精度越高，响应速度越低。2 、宏进给机构由伺服电动机、精密滚珠丝杠和移动部件等组成闭环系统，分辨率可达0 1 i m a ，微进给机构为开环控制。定位由宏进给机构完成，微位移由徼进给机构实现，这种方案适用于对定位精度和迸给精度要求一，般，而对响应速度要求较高的场合，如多功能电火花微细加工。3 、宏微进给机构都由开环控制，这种方案的成本最低，响应速度高，只是控制精度较差，可以借助于其它检测手段来提高精度。这种方案适用于对定位精度和进给精度要求较低，而对响应速度要求较高的场合，如电火花微细孔加工。4 、宏微进给机构都由闭环控