CN106001808B - 磁电联动式电化学加工间隙自动反馈控制装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁电联动式电化学加工间隙自动反馈控制装置及其使用方法。工作腔位于工作台上端面上，工作腔内部设有夹具和阴极基板，阴极基板上方设有工具阳极，工作台下端面上固定安装有滑块和滑轨，滑块之间固定安装有上电磁装置，滑轨之间固定安装有下电磁装置，上电磁装置和下电磁装置之间通过弹簧连接，滑轨整体固定在X‑Y‑Z三坐标数控平台上。本发明利用电磁场的磁力驱动原理，将反映电极间隙的加工电流与产生电磁力的磁场电流直接联动，根据电化学加工电流的大小，调整电磁场电流，控制驱动工作腔运动的磁力大小，使得固定在工作腔内的阴极基板随工作腔移动，与工具阳极保持稳定的加工间隙，提高电化学沉积加工质量。

Description

磁电联动式电化学加工间隙自动反馈控制装置及使用方法

技术领域

本发明涉及制造技术中的特种加工领域，特指一种磁电联动式电化学加工间隙自动反馈控制装置及其使用方法。

背景技术

随着科学技术的发展，具有一定形状和尺寸精度的微型零件在微电子仪器、通信设备、微型机器人等领域有着广阔的应用。近年来，许多研究学者对电化学沉积在微机电系统领域的应用进行了深入的研究和探索，目的在于制造精密、复杂的金属零部件。局部电化学沉积可以在不同形状、大小、厚度的金属和半导体材料表面沉积出任意形状和高度的结构。但电化学沉积同时也存在一些不足：沉积速率慢；沉积层均匀性差；沉积层易出现针孔，杂质等缺陷。

在电化学加工过程中，沉积体的精度取决于工艺参数的设定、维持和控制。加工间隙是核心工艺参数，它受电场、电化学和流场等因素的影响，是加工过程中各物理、化学因素的综合反映，加工间隙的变化直接影响着加工精度、加工效率、表面质量。在电沉积加工过程中，加工间隙的不稳定性将影响沉积体质量，如何有效地控制加工间隙，并使其在沉积过程中保持动态稳定，是电沉积加工专家、学者们始终希望解决的一个关键问题。

国内外研究人员在控制并稳定加工间隙方面取得了一些研究进展，中国专利“电解加工间隙的检测装置及监测方法”，专利号：CN104625272A，提出了利用对刀电极与工件接触产生短路信号，再将短路信号反馈至自动测量系统，多次测量得到对刀电极与工件之间的准确间隙，最终实现电解加工间隙的检测。该方法提供了一种可以检测电化学加工间隙的方法，但是它只是可以检测加工间隙，无法实时控制加工间隙。中国专利“一种数控电解加工的电极间隙控制方法及装置”，专利号：CN103551683A，提出利用霍尔电流传感器作为电解加工电流的检测元件，由霍尔元件输出的电流信号大小间接反映电极间隙；再根据电流信号对应电极间隙的标定数值，判断间隙是否达到极大或极小值；然后由数控系统调整进给系统控制加工间隙。该方法提出了一种可以实时监测并控制电解加工间隙的方法，但加工电流与电极间隙之间呈反比关系，且只是间接反映间隙大小，还需由控制系统进行数值标定和判断后再调整进给，必然存在误差和延迟。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述缺点，提出了一种磁电联动式电化学加工间隙自动反馈控制装置及其使用方法，利用电磁场的磁力驱动原理，将反映电极间隙的加工电流与产生电磁力的磁场电流直接联动，根据电化学加工电流的大小，调整电磁场电流，控制驱动工作腔运动的磁力大小，使得固定在工作腔内的阴极基板随工作腔移动，与工具阳极保持稳定的加工间隙，提高电化学沉积加工质量。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种磁电联动式电化学加工间隙自动反馈控制装置，包括工作台和工作腔，所述工作台包括工作台上端面和工作台下端面，所述工作腔位于工作台上端面上，所述工作腔内部设有夹具，所述夹具上安装有阴极基板，所述阴极基板上连接有工具阳极，所述阴极基板和所述工具阳极均与可调脉冲电源连接；所述工作台下端面上固定安装有若干滑块，所述滑块与滑轨移动副连接，所述滑块之间固定安装有上电磁装置，所述滑轨之间固定安装有下电磁装置，所述上电磁装置和所述下电磁装置之间通过弹簧连接，所述上电磁装置和所述下电磁装置均与数控稳流电源连接；所述滑轨整体固定在X-Y-Z三坐标数控平台上。

上述方案中，所述工具阳极上还设置有电流探头，所述电流探头与示波器连接。

上述方案中，所述X-Y-Z三坐标数控平台与运动控制卡连接，所述运动控制卡、所述示波器、所述数控稳流电源和所述可调脉冲电源均与计算机连接。

上述方案中，所述弹簧位于弹簧固定装置内部。

上述方案中，所述工具阳极为金属铂丝，所述阴极基板为不锈钢薄板，

本发明还提供了一种磁电联动式电化学加工间隙自动反馈控制装置的使用方法：在工作腔内加入电沉积液；开启电化学脉冲电源，开始发生电沉积反应，阴极基板上生成沉积体与工具阳极之间电极间隙减小，电流探头通过示波器检测工具阳极处的电流信号，当电流探头检测到工具阳极处的加工电流增大时，及时将检测的电流数据上传计算机，计算机根据加工电流联动控制数控稳流电源输出的磁场电流也同时增大；上电磁装置与下电磁装置之间的吸力也增大，克服弹簧的推力驱动工作台下端面向下运动，工作台下端面带动工作腔使阴极基板随沉积过程下移，使电极间隙增大，从而保证阴极基板上的沉积体与工具阳极之间的加工间隙稳定。

上述方案中，所述工具阳极直径为200~500微米的金属铂丝；所述阴极基板为经打磨抛光—除油—酸洗—水洗的不锈钢薄板，所述工具阳极头部距离阴极基板30~80微米。

上述方案中，所述阴极基板上表面至电沉积液的液面3毫米。

上述方案中，所述可调脉冲电源的电压0~20V，频率1kHz~100kHz，占空比0~100%。

本发明的有益结果是：1. 根据加工电流和电极间隙的关系，利用电流探头和控制调节系统，将加工电流和磁场电流直接联动，通过自动反馈方式使阴极基板上沉积体与工具阳极之间的加工间隙保持稳定，可以避免加工间隙过大而导致过低的加工速率，或加工间隙过小，甚至两电极接触导致短路，造成不必要的损失。2. 本电磁驱动系统中，工作台下端面四周安装四对高精度滑块，减小了摩擦和阻尼，提高了控制精度。3. 弹簧置于弹簧固定装置中，只在Z方向上发生形变，保证了整个系统的稳定性和加工精度。

附图说明

图1是本发明的磁电联动式电化学加工间隙自动反馈控制装置的示意图。

图中：1.X-Y-Z三坐标数控平台，2.下电磁装置，3. 磁场，4. 弹簧固定装置，5.弹簧，6.上电磁装置，7.滑块，8 滑轨，9.工作台下端面，10工作台上端面，11.工作腔，12.夹具，13.阴极基板，14.电沉积液，15.工具阳极，16.电流探头，17.示波器，18.可调脉冲电源，19.数控稳流电源，20.计算机，21.运动控制卡。

具体实施方式

下面结合附图1详细说明本发明方法和装置的细节和工作情况。

如图1所示，本发明的磁电联动式电化学加工间隙自动反馈控制装置包括X-Y-Z三坐标数控平台1，下电磁装置2，磁场3，弹簧固定装置4，弹簧6，上电磁装置6，滑块7， 滑轨8，工作台下端面9，工作台上端面10，工作腔11，夹具12，阴极基板13，电沉积液14，工具阳极15，电流探头16，示波器17，可调脉冲电源18，数控稳流电源19，计算机20，运动控制卡21。工具阳极15为直径为500~200微米的金属铂丝；阴极基板13为经打磨抛光—除油—酸洗—水洗的不锈钢薄板，所述阴极基板13由夹具12定位并固定在工作腔11内，所述工具阳极15头部距离阴极基板13的距离在80~30微米，所述阴极基板13上表面至液面3毫米，所述可调脉冲电源18的电压0~20V，频率1kHz~100kHz，占空比0~100%。所述上电磁装置6与所述下电磁装置2由所述数控稳流电源19加载电流后发出相同的异性磁场，所述弹簧5置于所述弹簧固定装置4内，保证弹簧5只在Z轴方向上发生形变，从而稳定加工间隙。所述电流探头16安装在电化学加工回路中的工具阳极15，所述电流探头16与所述示波器17相连，所述电流探头16将检测电化学加工回路中的加工电流通过示波器17显示出来，并将检测数据及时上传计算机20，所述计算机20对上传数据进行分析并控制所述数控稳流电源19的输出电流。

本发明装置的使用方法如下：将阴极基板13安装并固定在夹具12中，夹具12与阴极基板13固定放置于工作腔11中，工作腔11放置于工作台上端面10上；滑块7安装在工作台下端面9上后再整体安装在滑轨8内；上电磁装置6安装在工作台下端面9内的滑块7之间，下电磁装置2安装在滑轨8的底部，数控稳流电源19分别与上电磁装置6和下电磁装置2相连；将下电磁装置2置于X-Y-Z三坐标数控平台1上，X-Y-Z三坐标数控平台1与运动控制卡21相连，计算机20通过控制运动控制卡21控制X-Y-Z三坐标数控平台1在X、Y和Z三个方向单轴运动或三轴运动，从而可以满足不同加工需求。

在工作腔11内加入电沉积液14，阴极基板上表面至液面3毫米；将工具阳极15与可调脉冲电源18正极相连，将阴极基板13与可调脉冲电源18负极相连，构成电化学回路，进行电沉积反应。将电流探头16与示波器相连17，电流探头16置于工具阳极15处检测加工电流。将弹簧5安装在弹簧固定装置4中，以保持弹簧只在Z轴方向上发生形变产生推力，提高了整个装置的精度。

电化学脉冲电源18开启后，开始发生电沉积反应，阴极基板13上生成沉积体与工具阳极15之间电极间隙减小，电流探头16检测到工具阳极15处的加工电流增大，并将检测的电流数据上传计算机20，计算机20根据加工电流联动控制数控稳流电源19输出磁场电流也同时增大；上电磁装置6与下电磁装置2之间的吸力也增大，克服弹簧5的推力驱动工作台下端面9向下运动，工作台下端面9带动工作腔11使阴极基板13随沉积过程下移，使电极间隙增大，从而保证阴极基板13上的沉积体与工具阳极15之间的加工间隙稳定。

需要说明的是：以上实施例只是为了便于理解本发明申请的技术方案，并不构成对保护范围的限制，凡是未脱离本发明申请技术方案的内容或依据本发明申请的技术实质对以上方案的任何简单修改、等同变化与修饰所形成的方案，均应被纳入属于本发明申请保护范围之内。所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种磁电联动式电化学加工间隙自动反馈控制装置，其特征在于，包括工作台和工作腔（11），所述工作台包括工作台上端面（10）和工作台下端面（9），所述工作腔（11）位于工作台上端面（10）上，所述工作腔（11）内部设有夹具（12），所述夹具（12）上安装有阴极基板（13），所述阴极基板（13）上连接有工具阳极（15），所述阴极基板（13）和所述工具阳极（15）均与可调脉冲电源（18）连接；所述工作台下端面（9）上固定安装有若干滑块（7），所述滑块（7）与滑轨（8）移动副连接，所述滑块（7）之间固定安装有上电磁装置（6），所述滑轨（8）之间固定安装有下电磁装置（2），所述上电磁装置（6）和所述下电磁装置（2）之间通过弹簧（5）连接，所述上电磁装置（6）和所述下电磁装置（2）均与数控稳流电源（19）连接；所述滑轨（8）整体固定在X-Y-Z三坐标数控平台（1）上。

2.根据权利要求1所述的一种磁电联动式电化学加工间隙自动反馈控制装置，其特征在于，所述工具阳极（15）上还设置有电流探头（16），所述电流探头（16）与示波器（17）连接。

3.根据权利要求2所述的一种磁电联动式电化学加工间隙自动反馈控制装置，其特征在于，所述X-Y-Z三坐标数控平台（1）与运动控制卡（21）连接，所述运动控制卡（21）、所述示波器（17）、所述数控稳流电源（19）和所述可调脉冲电源（18）均与计算机（20）连接。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种磁电联动式电化学加工间隙自动反馈控制装置，其特征在于，所述弹簧（5）位于弹簧固定装置（4）内部。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种磁电联动式电化学加工间隙自动反馈控制装置，其特征在于，所述工具阳极（15）为金属铂丝，所述阴极基板为不锈钢薄板。

6.一种权利要求3所述的磁电联动式电化学加工间隙自动反馈控制装置的使用方法，其特征在于，在工作腔（11）内加入电沉积液（14）；开启可调脉冲电源（18），开始发生电沉积反应，阴极基板（13）上生成沉积体与工具阳极（15）之间电极间隙减小，电流探头（16）通过示波器（17）检测工具阳极（15）处的电流信号，当电流探头（16）检测到工具阳极（15）处的加工电流增大时，及时将检测的电流数据上传计算机（20），计算机（20）根据加工电流联动控制数控稳流电源（19）输出的磁场电流也同时增大；上电磁装置（6）与下电磁装置（2）之间的吸力也增大，克服弹簧（5）的推力驱动工作台下端面（9）向下运动，工作台下端面（9）带动工作腔（11）使阴极基板（13）随沉积过程下移，使电极间隙增大，从而保证阴极基板（13）上的沉积体与工具阳极（15）之间的加工间隙稳定。

7.根据权利要求6所述的磁电联动式电化学加工间隙自动反馈控制装置的使用方法，其特征在于，所述工具阳极直径为200~500微米的金属铂丝；所述阴极基板为经打磨抛光—除油—酸洗—水洗的不锈钢薄板，所述工具阳极头部距离阴极基板30~80微米。

8.根据权利要求6所述的磁电联动式电化学加工间隙自动反馈控制装置的使用方法，其特征在于，所述阴极基板上表面至电沉积液的液面3毫米。

9.根据权利要求6所述的磁电联动式电化学加工间隙自动反馈控制装置的使用方法，其特征在于，所述可调脉冲电源的电压0~20V，频率1kHz~100kHz，占空比0~100%。