基于多軸運(yùn)動控制卡的微細(xì)電火花加工裝置控制系統(tǒng)開發(fā)

王春暉 劉真 陳紀(jì)亭

摘 要：隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對產(chǎn)品在小型化和經(jīng)濟(jì)化上提出了不斷的要求。人類能夠進(jìn)入狹小空間進(jìn)行工作往往是比較危險的，因此采取自助行走的微型機(jī)器人替代人進(jìn)入狹小空間進(jìn)行操作。例如在外科手術(shù)中血管內(nèi)進(jìn)行的人體腔體內(nèi)的管道手術(shù)等。在當(dāng)前的醫(yī)療手術(shù)中較為常見。隨著微細(xì)加工技術(shù)的不斷提高，在精密制造工業(yè)領(lǐng)域里，微細(xì)電火花，加工。在機(jī)床加工中通過降低人員勞動強(qiáng)度，增強(qiáng)安全性，獲得了企業(yè)的一致認(rèn)可，成為了當(dāng)前機(jī)械制造精細(xì)加工中運(yùn)用較為廣泛的技術(shù)。

關(guān)鍵詞：多軸運(yùn)動；控制技術(shù)；微細(xì)電火花加工

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.10.048

當(dāng)前在狹小空間內(nèi)，人類投入了大量的研究，對于自主行走的微型機(jī)器人進(jìn)行了論證，并且在技術(shù)實踐領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用。例如在血管內(nèi)完成手術(shù)和檢查的微型機(jī)器人，再比如加工技術(shù)中微細(xì)超聲加工，微細(xì)切削加工，為其添機(jī)加工，微細(xì)電火花加工等技術(shù)。上述這些微細(xì)加工技術(shù)各自擁有優(yōu)缺點(diǎn)，但是也存在一定的問題。因此隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及對產(chǎn)品的小型化精細(xì)化的不斷提升，目前大量的資源研究已經(jīng)集中在微細(xì)加工技術(shù)的開發(fā)和創(chuàng)新上。

1 微細(xì)加工技術(shù)概述

以微細(xì)電火花加工等微細(xì)加工技術(shù)為例，在微細(xì)電解加工中，不受加工材料強(qiáng)度和硬度的限制，而且要保證加工質(zhì)量好，需要對微細(xì)加工技術(shù)進(jìn)行深入的研究。例如在加工過程中，加工電機(jī)的損耗，工具電極的制造，工業(yè)加工表面的微細(xì)裂紋等都是要值得注意的。隨著加工技術(shù)的不斷提升，當(dāng)前加工裝置中采用高位移分辨率，高頻率響應(yīng)的方式，在加工過程中發(fā)揮的作用是比較小的，而且加工成本較高，因此傳統(tǒng)的微細(xì)加工技術(shù)已經(jīng)存在了一定的問題[1]。

通過微細(xì)加工平臺的創(chuàng)新，在生物醫(yī)療航空航天化學(xué)纖維等眾多領(lǐng)域進(jìn)行了相關(guān)的理論研究和實際應(yīng)用之后，得到了受到國內(nèi)外研究學(xué)者廣泛關(guān)注的結(jié)果。

2 微細(xì)加工數(shù)控平臺技術(shù)現(xiàn)狀

首先，隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)的高速發(fā)展，金屬的應(yīng)用是的微細(xì)孔加工技術(shù)應(yīng)用廣泛，在已知的微小聲孔加工方法中，已經(jīng)擁有了數(shù)十種。從磨削加工到鉆削加工，使用了超聲波激光加工技術(shù)。例如當(dāng)前在國外微細(xì)加工上使用數(shù)控機(jī)床，經(jīng)過各大公司進(jìn)行了研發(fā)之后，目前已經(jīng)實現(xiàn)了精密平臺可旋轉(zhuǎn)，工件微小溝槽，可以實行加工，同時還可以實現(xiàn)微線電機(jī)磨削，微型槍加工，微細(xì)電火花算削等加工技術(shù)。

3 微細(xì)電火花加工裝置控制系統(tǒng)

例如有一些公司推出了直線運(yùn)動軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動軸，晶系微放電加工機(jī)械，該機(jī)械可以通過CNC的控制，實現(xiàn)微小零件加工，并進(jìn)行異形孔加工。目前我國在進(jìn)行微細(xì)加工數(shù)控平臺的研究上，得到了大量的研究成果，取得很好的成效。例如微細(xì)電火花加工平臺上可以進(jìn)行微細(xì)電解加工實驗，通過對微細(xì)小孔進(jìn)行加工，采用超聲電火花復(fù)合加工方法，探索了電火花電解機(jī)械復(fù)合加工技術(shù)。在例如在數(shù)控精密電火花加工機(jī)床中，運(yùn)用電極進(jìn)行裝置的修正，采用電極加工的方式，通過相關(guān)軸的聯(lián)動，進(jìn)行各種形狀的電機(jī)反烤加工，開發(fā)出具有穿絲孔加工技能的微細(xì)電化學(xué)裝置[2]。

該裝置中包含了專用pc脈沖電源，加工狀態(tài)檢測模塊控制系統(tǒng)，精密高速旋轉(zhuǎn)主軸等等。在裝置中加工微細(xì)孔為三維結(jié)構(gòu)，有聯(lián)動功能，能夠?qū)崿F(xiàn)插補(bǔ)功能，而且在該裝置上進(jìn)行了微細(xì)電加工，加工出的微細(xì)軸最小直徑可以達(dá)到6UM三微細(xì)電火花加工。微細(xì)電火花加工原理是利用電極材料進(jìn)行火花放電的過程。在電化學(xué)和膠體化學(xué)等過程中，施加脈沖電壓，極間介質(zhì)被擊穿，形成極小的放電通道。在離子和電子中受到周圍的液體介質(zhì)和放電時的電磁力的壓縮，通道中的電流密度加大，可以達(dá)到較大的溫度。

此時粒子的動能可以轉(zhuǎn)化為熱能，通道中離子流和電子流。經(jīng)過陰極和陽極的表面的沖擊，在大量的熱能產(chǎn)生作用下，實現(xiàn)了瞬間的高溫下的融化和蒸發(fā)，最終形成小凹坑。如此高頻率的循環(huán)，可以使得共集電極不斷的靠前。在加工過程中，一部分能量是放在工具電極上，造成工具電極的損耗，而通道內(nèi)因為高溫膨脹產(chǎn)生的初始壓力，使得通道在瞬間擴(kuò)展到很大阻力，反過來對電子流產(chǎn)生周圍介質(zhì)慣性動力壓縮效應(yīng)，電火花放電去除材料的過程，使光效應(yīng)熱效應(yīng)，聲效應(yīng)等綜合沖擊的過程[3]。

4 結(jié)語

為了控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計方法和功能實現(xiàn)，也為了能夠加工出小尺度的微細(xì)裝置，給出了軸運(yùn)動控制卡的加工裝置的基本組成，微細(xì)電火花加工裝置控制系統(tǒng)的組成方案，并分析了控制系統(tǒng)的組成原理，本文詳細(xì)介紹了基本的硬件配置結(jié)構(gòu)控制和系統(tǒng)設(shè)計方案，紹了多軸運(yùn)動控制卡功能及軟硬件的開放性。通過該基于多軸運(yùn)動控制卡的控制系統(tǒng)實現(xiàn)了電火花加工裝置的實時控制與伺服控制，最終方案的實施，需要保證兩種狀態(tài)的相對平衡，一般采用先加工，然后再安裝主軸頭上的加工方法。此時對微型電機(jī)進(jìn)行加工，需要得到尺度更小的電極，采用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行微細(xì)電極的二次夾裝，容易產(chǎn)生變形和莊家誤差，難以保證主軸銅電極的同軸度，也難以保證加工面同工具電機(jī)間的垂直度，因此采用離線方式進(jìn)行電機(jī)的檢測是不可取的。從當(dāng)前的應(yīng)用看，采用磨削技術(shù)的微細(xì)電火花加工技術(shù)，能夠極大地改善微細(xì)工具電極制備困難，獲得小精度的微細(xì)電火花電機(jī)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張偉.基于多軸運(yùn)動控制卡的微細(xì)電火花加工裝置控制系統(tǒng)開發(fā)[D].廣東工業(yè)大學(xué)，2014.

[2]楊大師.超聲復(fù)合電加工過程參數(shù)檢測控制及試驗[D].揚(yáng)州大學(xué)，2017.

[3]張偉，郭鐘寧，連海山等.多軸運(yùn)動控制卡在微細(xì)電火花加工控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].機(jī)電工程技術(shù)，2014（10）：34-37.

課題：一種改進(jìn)型電火花加工控制系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)

課題編號：濰坊工商職業(yè)學(xué)院科研項目（2017A09）

作者簡介：王春暉（1987-），男，山東濰坊人，碩士，助理講師，研究方向：電氣控制。