CN103418865A - 一种超声调制静电感应驱动的微细电火花加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超声调制静电感应驱动的微细电火花加工装置，包括主控单元、机床本体和电源，机床本体上设有工作台和Z轴升降进给机构，Z轴升降进给机构上设有金属片，所述工作台上设有超声振动及检测装置，所述超声振动及检测装置上设有工件夹具，所述金属片、工件夹具、电源串联，所述超声振动及检测装置、电源分别与所述主控单元连接。本发明的有益效果是：通过电源分别对金属片与工件夹具上的工件施加电压，使得金属片与工件夹具上的工件因带异性电荷而具有吸引力，在该吸引力的作用下，金属片弯曲变形，使得金属片朝向工件夹具上的工件移动，实现微细进给，并且可通过超声振动及检测装置来改善排屑，有利于实现高精密微细电火花加工。

Description

一种超声调制静电感应驱动的微细电火花加工装置

技术领域

本发明涉及电火花加工装置，尤其涉及一种超声调制静电感应驱动的微细电火花加工装置。

背景技术

随着科技水平的发展，对工件的加工精度要求越来越高，工件的尺寸越来越小，为此，国内外学者发明了很多种微细加工技术，如光刻技术、LIGA技术、激光技术和微细电火花加工技术等。由于微细电火花在加工微小零件方面有其独特的优势，因而获得了越来越广泛的应用。微细电火花加工的精度与伺服进给装置的精度密切相关，因此，微小位移的精密伺服进给装置是微细电火花加工系统不可缺少的组成部分。

微细电火花加工是利用电极和导电工件之间的非接触式放电蚀除工件材质，每次放电蚀除凹坑的大小与放电能量相关，能量越大，蚀除体积越大，但表面质量越差，微细电火花加工为获得较高的表面质量、较高的蚀除精度而采用微能电源提供放电能量，单次放电能量约为                                                

，甚至更小。微细电火花加工状态根据其放电状态可分为开路、偏开路、正常和短路。由于每次蚀除工件的尺寸很小，每次伺服进给量也非常小，过大则造成短路，过小则造成开路，影响加工的连续性及稳定性，从而降低工件的质量。

一直以来，滚珠丝杠加交流伺服电机或直线电机是主流的伺服驱动装置。随着技术的进步，这两种驱动机构的精度也在不断提高，尽管如此，目前滚珠丝杠自身的误差多数也在几微米以上，再加上伺服电机的旋转误差，精度会进一步降低。而且微细电火花加工属于低速加工，伺服电机在低速下易出现爬坡现象，严重影响了伺服机构的进给精度。配合高精密光栅尺的直线电机可以达到1微米的进给精度，但仍然不能满足微细电火花加工伺服进给要求。

近年来，在精密伺服进给上开始采用压电陶瓷电机，相对于前面两种伺服装置，压电陶瓷电机的进给精度提高不少，可以达到纳米级，但其成本较高，限制了其推广应用。

另外传统的电火花加工中由于加工尺寸很小，放电间隙狭小，蚀除产生的废屑排出困难，极易造成短路、拉弧等非正常的放电，同时，为了达到较高的加工精度和表面质量，采用减小单次放电能量的方法减小材料的蚀除量，降低了加工速度。在加工微孔时，工具电极细微，当加工深径比较大的微孔时，异常放电易烧毁工具电极，造成加工不能稳定进行，限制了微细电火花加工的应用。在实践中，研究人员采用人工排气法、强迫冲液或抽液法、加速工作液循环等方法加速蚀除物的排出，但都没有达到很好的效果。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种超声调制静电感应驱动的微细电火花加工装置。

本发明提供了一种超声调制静电感应驱动的微细电火花加工装置，包括主控单元、机床本体和电源，所述机床本体上设有工作台和Z轴升降进给机构，所述Z轴升降进给机构上设有金属片，所述Z轴升降进给机构与所述金属片绝缘连接，所述工作台上设有超声振动及检测装置，所述超声振动及检测装置上设有工件夹具，所述金属片、工件夹具、电源串联，所述超声振动及检测装置、电源分别与所述主控单元连接。

作为本发明的进一步改进，所述金属片包括薄金属片、连接部和加工头（即电极），所述薄金属片的端部通过所述连接部与所述Z轴升降进给机构绝缘连接，所述加工头设置在所述薄金属片上。

作为本发明的进一步改进，所述薄金属片的端部分别通过所述连接部与所述Z轴升降进给机构绝缘连接，所述加工头设置在所述薄金属片的中部。

作为本发明的进一步改进，所述薄金属片上设有微细电极或通孔。

作为本发明的进一步改进，所述电源为脉冲电源。

作为本发明的进一步改进，所述脉冲电源包括脉冲调制电路，所述脉冲调制电路包括直流电源DC1、MOS管VT1和MOS管VT2，所述直流电源DC1、MOS管VT1、金属片、工件夹具串联，所述MOS管VT2与金属片、工件夹具并联。

作为本发明的进一步改进，所述金属片、工件夹具之间串联有极间放电检测电路，所述极间放电检测电路与所述主控单元连接，所述极间放电检测电路检测金属片、工件夹具之间的电压并向所述主控单元输出极间状态信号和极间短路信号，所述主控单元根据所述极间放电检测电路反馈的极间状态信号和极间短路信号控制所述脉冲调制电路的MOS管VT1和MOS管VT2的开关。

作为本发明的进一步改进，所述超声振动及检测装置包括超声振动电路和超声检测电路，所述超声振动电路和超声检测电路连接，所述超声检测电路与所述主控单元连接，所述超声检测电路检测所述超声振动电路的电压信号和电流信号并向所述主控单元输出超声调制信号，所述主控单元根据所述超声检测电路反馈的超声调制信号控制所述脉冲调制电路的MOS管VT1和MOS管VT2的开关。

作为本发明的进一步改进，所述工作台为XY运动平台，所述金属片为矩形、三角形、正方形、多边形中的任意一种，所述金属片与所述电源的负极连接，所述工件夹具与所述电源的正极连接。

本发明的有益效果是：通过上述方案，金属片与工件夹具上的工件可形成一个电容，金属片与工件夹具上的工件分别为电容的两极，当Z轴升降进给机构带动金属片下移，使金属片与工件夹具上的工件的距离变小时，通过电源分别对金属片与工件夹具上的工件施加电压，进行充电，便得金属片与工件夹具上的工件因带异性电荷而具有吸引力，在该吸引力的作用下，金属片弯曲变形，使得金属片朝向工件夹具上的工件移动，实现微细进给，有利于实现微细电火花加工，可通过超声振动及检测装置来改善排屑。

附图说明

图1是本发明一种超声调制静电感应驱动的微细电火花加工装置的结构示意图；

图2是本发明一种超声调制静电感应驱动的微细电火花加工装置的金属片为矩形的结构示意图；

图3是本发明一种超声调制静电感应驱动的微细电火花加工装置的金属片为三角形的结构示意图；

图4是本发明一种超声调制静电感应驱动的微细电火花加工装置的金属片为正方形的结构示意图；

图5是本发明一种超声调制静电感应驱动的微细电火花加工装置的超声振动电路图；

图6是本发明一种超声调制静电感应驱动的微细电火花加工装置的超声检测电路图；

图7是本发明一种超声调制静电感应驱动的微细电火花加工装置的超声调制信号示意图；

图8是本发明一种超声调制静电感应驱动的微细电火花加工装置的极间放电检测电路图；

图9是本发明一种超声调制静电感应驱动的微细电火花加工装置的控制原理框图；

图10是本发明一种超声调制静电感应驱动的微细电火花加工装置的金属片的弯曲变形示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

图1至图10中的附图标号为：机床本体1；Z轴升降进给机构2；金属片3；工件夹具4；XY运动平台5；超声换能器6；触发器7；异或门8；比较器9；光耦10；与非门11；数据选择器12；主控单元101；电源102；极间放电检测电路103；超声振动及检测装置104；

如图1所示至图10，一种超声调制静电感应驱动的微细电火花加工装置，包括主控单元101、机床本体1和电源102等，所述机床本体1优选为花岗石，所述机床本体1上设有工作台和Z轴升降进给机构2，所述Z轴升降进给机构2上设有金属片3，所述金属片3优选为薄金属片，所述Z轴升降进给机构2与所述金属片3为绝缘连接，所述工作台上设有超声振动及检测装置104，所述超声振动及检测装置104上设有工件夹具4，所述金属片3、工件夹具4、电源102串联为一闭合回路，所述超声振动及检测装置104、电源102分别与所述主控单元101连接。

如图1所示至图10，在电火花加工中，通过所述超声振动及检测装置104产生超声振动可以使金属片3与工件夹具4上的工件形成的两个电极端面频繁的进入合适的放电间隙，提高火花击穿的概率，同时由于超声的空化和泵吸作用，可以增大被加工材料的蚀除量，加速工作液循环，改善间隙放电条件，改善排屑问题，从而提高加工质量。

如图1所示至图10，所述金属片3包括形成金属桥式结构的薄金属片、连接部和加工头（加工头），所述薄金属片为金属片本体，所述薄金属片的端部通过所述连接部与所述Z轴升降进给机构绝缘连接，所述加工头设置在所述薄金属片上，所述加工头为成形电极或通孔。

如图1所示至图10，所述薄金属片的端部分别通过所述连接部与所述Z轴升降进给机构2绝缘连接，所述加工头设置在所述薄金属片的中部。

如图1所示至图10，所述悬臂梁上设有电极或通孔。

如图1所示至图10，所述电源102优选为微能脉冲电源。

如图1所示，所述脉冲电源包括脉冲调制电路，所述脉冲调制电路包括直流电源DC1、MOS管VT1和MOS管VT2，所述直流电源DC1、MOS管VT1、金属片、工件夹具串联，所述MOS管VT2与金属片、工件夹具并联，所述直流电源DC1、MOS管VT1之间串联有负载电阻，所述直流电源DC1、MOS管VT2之间串联有负载电阻。

如图1所示至图10，所述金属片3、工件夹具4之间串联有极间放电检测电路103，所述极间放电检测电路103与所述主控单元101连接，所述极间放电检测电路103检测金属片3、工件夹具4之间的电压并向所述主控单元101输出极间状态信号和极间短路信号，所述主控单元101根据所述极间放电检测电路103反馈的极间状态信号和极间短路信号控制所述脉冲调制电路的MOS管VT1和MOS管VT2的开关。

如图1所示至图10，所述超声振动及检测装置104包括超声振动电路和超声检测电路，所述超声振动电路和超声检测电路连接，所述超声检测电路与所述主控单元101连接，所述超声检测电路检测所述超声振动电路的电压信号和电流信号并向所述主控单元输出超声调制信号，所述主控单元101根据所述超声检测电路反馈的超声调制信号控制所述脉冲调制电路的MOS管VT1和MOS管VT2的开关。

图5为超声振动电路图，所述超声振动电路包括直流电源DC2、MOS管VT3、MOS管VT4、MOS管VT5、MOS管VT6T 、电感L、超声换能器6、采样电阻R1、采样电阻R2和采样电阻R3；其中，直流电源DC2、MOS管VT3、MOS管VT5串联，MOS管VT3、MOS管VT5和MOS管VT4、MOS管VT6并联，工件超声振动的幅值是正弦波，经采样电阻R1、R2、R3采样得到的电压和电流的相位差及超前或滞后信号输入到主控单元进行控制，获得最佳超声振动的频率。（主控单元控制脉冲电源的频率与此相同）。

图6为超声检测电路图。所述超声检测电路包括放大器、滤波器、触发器7、异或门8，超声调制信号由超声振动电流信号经放大、滤波，再经过一个比较器获得，比较器的电压阀值为VREF。由于正弦波的对称性，电流信号值会有两次等于阀值。当电流信号值高于电压阀值VREF时，超声调制信号输出为高电平，当电流信号值电压低于电压阀值VREF时，超声调制信号输出为低电平，产生的超声调制信号如图7所示。

在超声振动正半周期，超声振动幅值的最高点表示工件和电极间距最小，电流信号值也最大，在超声振动负半周期，超声振动幅值的最低点表示工件和电极间距最大，电流信号值也最小（负值）。在超声振动正半周期，当超声振动幅值升到一定值（工件和电极间距小到一定值），即超声电流信号大于阀值时可以给工件和电极充电，当满足放电条件时，进行放电；当超声振动幅值从最高点降到一定值（工件和电极间距由最小值变大到一定值），即超声电流信号小于阀值时关闭电源，完成一个调制脉冲放电。而实际上，由于本方案控制脉宽非常窄，在到达阀值之前脉宽控制信号已经到来将电源关断。在超声振动负半周期，由于工件远离平衡位置，放电间隙变大，大于能够进行放电的间隙要求，不需要进行调制放电。

极间放电检测电路检测工件和金属片间的电压，检测及处理电路如图8所示，极间放电检测电路包括比较器9、光耦10和与非门11。极间电压V为待检测电压，VH定义为开路电压，VL定义为短路电压，若VH>V>VL 时，表示正常放电，极间状态信号为低电平，极间短路信号为低电平；若VH<V,表示开路，没有放电，极间状态信号为高电平，短路信号为低电平；若VL>V，表示极间发生短路，极间短路信号输出高电平，经相应的窗口比较器9、光耦10和与非门11后极间状态信号输出高电平，此时需要切断脉冲电源，伺服装置需要迅速回退，以免烧坏电极和工件，影响加工的连续性和稳定性。

如图1所示至图10，所述工作台为XY运动平台5，所述XY运动平台包括X轴进给机构和Y轴进给机构，用于驱动工件作XY方向的进给，如图2至图4所示，所述金属片3为矩形、三角形、正方形、多边形中的任意一种，所述金属片3与所述电源102的负极连接，所述工件夹具4与所述电源102的正极连接。

如图1所示至图10，XY运动平台5上放置超声振动及检测装置104，超声振动及检测装置104上安装工件夹具4，工件夹具4上安装待加工的工件。电源102的正极通过工件夹具4连接到工件上。超声振动及检测装置104用来调制静电感应驱动微进给和电源102放电，即在超声振动作用下调制金属片3的位移，并自适应地进行放电。

如图1所示至图10，金属片3的形状可以是矩形（即长条形）、三角形、正方形甚至多边形，如图2至图4所示。带悬臂梁的金属桥式结构对于金属片3在低电压下获得较大的形变非常有益。悬臂梁的形变与施加在工件和电极间的电压有关，严格来说这个关系并不是线性关系，但是可以通过设计闭环实现线性化。除此之外，变形还与悬臂梁的弹性模量，金属片3的长、宽、厚度等相关。金属片3连接在电源102的负极上。金属片3的中心用熔融沉积成型法或其他方法加工出微细单电极或阵列电极，又或者是孔或阵列孔。

本发明首先在金属片3的中心通过熔融沉积成型法或其他方法加工出微细电极，又或者是孔或阵列孔。采用悬臂梁的金属桥式结构安装在Z轴升降进给机构2末端，利用Z轴升降进给机构2上的直线电机实现宏进给运动。通过超声振动工件调制MOS管VT1和MOS管VT2控制电源102开闭来控制金属片3和工件之间充电（工件接正极，金属片3接负极），并利用静电力作用使得连接金属片3的带弯曲悬臂的金属桥式结构变形，即使金属片3的悬臂梁变形，从而促进金属片3上的所述加工头（即电火花的加工电极）微进给，当金属片3与工件夹具上的工件之间距离达到放电间隙要求，金属片3与工件形成放电通道，从而进行放电加工，释放金属片3与工件上的电荷。也即通过超声振动及检测装置104调制脉冲电源来控制金属片3与工件之间的距离及放电时间，能够控制单个脉冲放电能量的大小，实现自适应放电加工。

本发明为实现微细电火花精密加工，获得更高的加工精度和表面质量，利用静电理论设计了微伺服进给机构，并对工件施加超声振动，超声调制脉冲电源放电及伺服进给，解决了伺服进给精度不够，放电间隙控制不精确，蚀除物排出困难以及放电能量微小化等问题，实现微细精密加工的要求。

本发明的XY运动平台5和Z轴升降进给机构2均采用直线电机配合精密光栅尺构成闭环系统，实现微细电火花加工的宏进给，进给精度1微米，光栅尺分辨率为0.1微米，在Z轴升降进给机构2顶端的圆盘下装一较薄的金属片3，通过带悬臂梁的金属桥式结构固定在Z轴升降进给机构2顶端并与Z轴升降进给机构2绝缘。金属片3与工件形成一个电容，金属片3与工件分别为电容的两极。当超声调制信号为高电平时打开MOS管VT1，通过电源102对两极施加电压，即对电容进行充电，两个带异性电荷的金属片3与工件之间形成了一个高强度电场，具有吸引力，促使金属片3的悬臂梁在金属片3与工件两极间吸引力的作用下发生变形，使得金属片3平行整体向前移动（如图10所示，工件固定，不能进行变形），实现静电感应微伺服进给驱动。

当继续给电容充电或电压升高，金属片3上的电荷持续增加，吸引力逐渐增大，悬臂梁变形量也随着变大，使得金属片3与工件两极间距离更小，达到放电距离，在电极与工件之间形成放电通道，产生放电，进行放电加工，同时释放两极上的电荷。如果悬臂梁变形使两极之间的距离过小，致使短路，即电极与工件短路，两极上的电荷迅速中和，悬臂梁马上恢复原形，使得短路时不进行放电加工。实现自适应加工。

如果在两极之间施加的是脉冲电压，则这一脉冲周期结束。放电完毕，悬臂梁恢复原型，等待下一个脉冲到来。

图1中的两个MOS管VT1和MOS管VT2由超声调制信号、脉宽控制信号、极间状态信号和极间短路信号共同控制，调制静电感应驱动微进给和电源102放电主要由这两个开关管来实现，具体控制原理图如图9所示。

如图1至图10所示，本发明提供的一种超声调制静电感应驱动的微细电火花加工装置的工作原理：在超声振动正半周期，当振动超过t1点时产生超声调制信号（见图7），并当脉宽设定到来（脉宽由主控单元设定，脉宽控制信号为低电平），这两个信号（超声调制信号、脉宽控制信号）经非门、与门后打开MOS管VT1，MOS管VT2保持关断，直流电源DC1加在工件和金属片3（电极）之间，工件带正电，电极带负电，直流电源DC1开始给金属片3与工件组成的电容充电，由于静电力的相互作用促使金属片3的悬臂梁在两极间吸引力的作用下发生变形，使得金属片3平行整体向前移动，金属片3的加工头（即电极）产生微小的进给，如图10所示。其中静电力使得金属片3向下运动，而超声振动及检测装置所产生的超声振动又使得工件向上运动，这两种作用都使得极间距离变小。当极间足够小时，满足放电条件，开始放电加工。当极间状态信号由高变低即开始正常放电时，主控单元开始计时，此时脉宽控制信号保持为低。当脉宽计时达到系统设定的脉宽时脉宽控制信号由低变高；或者极间产生短路，极间短路信号为高电平，需要切断脉冲，脉宽控制信号也由低变高；又或者振动超过t2点时，超声调制信号为低电平，经非门、与门后关断MOS管VT1，打开MOS管VT2，极间消电离。由于MOS管VT1关断滞后，因此增加MOS管VT2，使得打开MOS管VT2时，电流快速经MOS管VT2流走，不经过放电间隙，达到及时切断电源的目的。而且打开MOS管VT2时，也使得金属片3与工件上的多余电荷通过MOS管VT2中和，金属片3和工件失去静电力的作用，弯曲的悬臂梁马上恢复原形，金属片3回到原始位置。到超声振动负半周期时，通过主控单元，关断MOS管VT2，为下一周期伺服微进给和放电做准备。这样，一个超声振动调制静电感应驱动微进给和超声振动调制脉冲放电周期结束，等待下一个超声振动正半周期到来，再次调制静电感应驱动微进给和脉冲放电。经过加工一段时间后，工件材料被蚀除量已大于静电感应变形量，驱动直线电机进行宏进给。又再进行调制静电感应驱动微进给和脉冲放电，周而复始，直到加工结束。

本发明提供的一种超声调制静电感应驱动的微细电火花加工装置的优点为：通过采用超声调制静电驱动微细电火花加工装置，实现了伺服精微进给，更精确的控制放电间隙，提高了加工精度、加工质量和稳定性，满足小型化和精密化产品的要求，具有重要的理论意义和工程应用价值。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种超声调制静电感应驱动的微细电火花加工装置，其特征在于：包括主控单元、机床本体和电源，所述机床本体上设有工作台和Z轴升降进给机构，所述Z轴升降进给机构上设有金属片，所述Z轴升降进给机构与所述金属片绝缘连接，所述工作台上设有超声振动及检测装置，所述超声振动及检测装置上设有工件夹具，所述金属片、工件夹具、电源串联，所述超声振动及检测装置、电源分别与所述主控单元连接。

2.根据权利要求1所述的超声调制静电感应驱动的微细电火花加工装置，其特征在于：所述金属片包括薄金属片和加工头，所述薄金属片的端部与所述Z轴升降进给机构绝缘连接，所述加工头设置在所述薄金属片上。

3.根据权利要求2所述的超声调制静电感应驱动的微细电火花加工装置，其特征在于：所述薄金属片的端部分别通过连接部与所述Z轴升降进给机构绝缘连接，所述加工头设置在所述薄金属片的中部。

4.根据权利要求2所述的超声调制静电感应驱动的微细电火花加工装置，其特征在于：所述薄金属片上设有微细电极或通孔。

5.根据权利要求1所述的超声调制静电感应驱动的微细电火花加工装置，其特征在于：所述电源为脉冲电源。

6.根据权利要求5所述的超声调制静电感应驱动的微细电火花加工装置，其特征在于：所述脉冲电源包括脉冲调制电路，所述脉冲调制电路包括直流电源DC1、MOS管VT1和MOS管VT2，所述直流电源DC1、MOS管VT1、金属片、工件夹具串联，所述MOS管VT2与金属片、工件夹具并联。

7.根据权利要求6所述的超声调制静电感应驱动的微细电火花加工装置，其特征在于：所述金属片、工件夹具之间串联有极间放电检测电路，所述极间放电检测电路与所述主控单元连接，所述极间放电检测电路检测金属片、工件夹具之间的电压并向所述主控单元输出极间状态信号和极间短路信号，所述主控单元根据所述极间放电检测电路反馈的极间状态信号和极间短路信号控制所述脉冲调制电路的MOS管VT1和MOS管VT2的开关。

8.根据权利要求7所述的超声调制静电感应驱动的微细电火花加工装置，其特征在于：所述超声振动及检测装置包括超声振动电路和超声检测电路，所述超声振动电路和超声检测电路连接，所述超声检测电路与所述主控单元连接，所述超声检测电路检测所述超声振动电路的电压信号和电流信号并向所述主控单元输出超声调制信号，所述主控单元根据所述超声检测电路反馈的超声调制信号控制所述脉冲调制电路的MOS管VT1和MOS管VT2的开关。

9.根据权利要求1所述的超声调制静电感应驱动的微细电火花加工装置，其特征在于：所述工作台为XY运动平台，所述金属片为矩形、三角形、正方形、多边形中的任意一种，所述金属片与所述电源的负极连接，所述工件夹具与所述电源的正极连接。

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