CN111014855A - 一种超声复合电加工系统参数控制模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超声复合电加工系统参数控制模块，包括：激光位移传感器用于检测工具端面的位移值；激光位移传感器控制单元，与激光位移传感器连接，以通过激光位移传感器控制单元具有预设位移值；脉冲电源同步斩波控制单元，与激光位移传感器控制单元连接，以使脉冲电源同步斩波控制单元根据斩波信号控制加工区的脉冲放电状态，并使脉冲放电与工具电极进行同频、同步震动；预压力主轴控制单元，与主轴驱动连接，预压力主轴控制单元与脉冲电源同步斩波控制单元连接，以使脉冲电源同步斩波控制单元通过预压力主轴控制单元控制主轴的运动。以解决在加工过程中，随着加工深度增大、面积增大，加工过程的稳定性难以持续保持，加工效率、精度下降的技术问题。

Description

一种超声复合电加工系统参数控制模块

技术领域

本发明涉及超声复合电加工技术领域，具体而言，涉及一种超声复合电加工系统参数控制模块。

背景技术

目前，超声复合电加工利用超声频振动的空化、泵吸、涡流作用及微火花放电、电化学作用等效应的有机复合，能有效解决难加工材料、异形面零件的微精加工难题。

然而，在实践中，因其电极间物理、化学过程复杂多变，在加工深度、面积增大时，加工过程的稳定性难以持续保持，如不及时进行有效参数调节，加工效率、精度均将下降。针对超声复合电加工方法存在的现有问题，通过机电参数调制，改变超声、放电、电解作用能量关系，研究各作用效应对加工过程的影响规律及其相互协同作用机理，研制可在线测量、实时控制加工参数的超声复合电加工控制系统，保持加工过程的持续稳定、优化，实现各种物理特性材料的高效、精微加工。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种超声复合电加工系统参数控制模块，以解决现有技术中在加工过程中，随着加工深度增大、面积增大，加工过程的稳定性难以持续保持，加工效率、精度下降的技术问题。

本发明提供了一种超声复合电加工系统参数控制模块，包括：

激光位移传感器，激光位移传感器用于检测工具端面的位移值；

激光位移传感器控制单元，与激光位移传感器连接，以通过激光位移传感器控制单元具有预设位移值，当工具断面的位移值达到预设位移值时，激光位移传感器发出斩波信号；

脉冲电源同步斩波控制单元，与激光位移传感器控制单元连接，以使脉冲电源同步斩波控制单元根据斩波信号控制加工区的脉冲放电状态，并使脉冲放电与所述工具电极进行同频、同步震动；

预压力主轴控制单元，与主轴驱动连接，预压力主轴控制单元与脉冲电源同步斩波控制单元连接，以使脉冲电源同步斩波控制单元通过预压力主轴控制单元控制主轴的运动。

进一步地，超声复合电加工系统参数控制模块还包括：超声电源控制单元，预压力主轴控制单元和脉冲电源同步斩波控制单元均与超声电源控制单元连接。

进一步地，超声电源控制单元包括基于ARM为核心的STM32和数字电位器X9312，基于ARM为核心的STM32和数字电位器X9312连接设置。

进一步地，激光位移传感器为LK-HD500。

进一步地，激光位移传感器控制单元采用超声斩波器，超声斩波器用的电源包括供电芯片TPS7A4901和TPS7A3001，以分别产生所需的+5V、-5V电源电压，且超声斩波器电源可替代为RSNP高频单脉冲电源。

进一步地，数字电位器为100阶数字电位器，数字电位器的电阻为R，R的取值范围为40Ω～10KΩ。

进一步地，采用基于ARM核心的STM32与数字电位器X9312组合实现对超声电源的智能控制。

进一步地，该超声复合电加工系统所用电机为DH系列交流永磁同步伺服电机。

进一步地，采用位置控制方式进行电机驱动器接线设计。

应用本发明的技术方案，由于本发明中的设置有预设位移值，当工具断面的位移值大于预设位移值时，控制单元通过反馈，控制预压力主轴控制单元的工作，以调整加工单元的运动。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的超声复合电加工系统参数控制模块组成框图；

图2示出了超声复合电加工系统参数控制模块超声斩波器的电源电路；

图3示出了超声复合电加工系统参数控制模块预压力主轴控制单元调控流程图；

图4示出了超声复合电加工系统参数控制模块通讯数据流；

图5示出了超声复合电加工系统参数控制模块的加工控制主要组成图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1至图5所示，本发明实施例提供了一种超声复合电加工系统参数控制模块，组成单元框图如图1所示，其中主要包括：脉冲电源同步斩波控制单元、激光位移传感器控制单元、超声电源控制单元以及预压力控制模块。

脉冲电源同步斩波控制单元：采用高精度CMOS激光位移传感器控制加电的同步方法进行超声复合电加工控制，激光位移传感器采样速度远高于工具电极的超声振动频率，采样精度高、可靠性好。首先由LK-HD500高精度CMOS激光微位移传感器将检测到的工具端面位移值转换为电信号，将该电信号引入斩波控制电路，和电压比较器的基准电压进行比较，通过比较结果来决定光电元件的开关状态，进而产生斩波管开关状态的斩波脉冲信号，从而决定电加工电源的开通与关断，控制加工区的脉冲放电状态，使得与工具电极振动的精确同频、同步。

激光位移传感器控制单元：该单元是该超声复合电加工系统参数控制模块的关键单元，本发明所设计超声复合电加工系统参数控制模块可实现电加工作用与超声振动的实时同频、同步，在使用位移检测同步斩波方法时，对激光位移传感控制器设定门槛位移值，当工具头端面位移振动至门槛位移值时，传感器发出斩波电信号。激光感测头探测到工具头端面的振动位移信号后，与控制器预先设定的上、下限位移值作比较，根据是否超出门槛位移值由传感控制器I/0端子输出斩波电信号。当工具头的振幅在此门槛位移值之间时，GO输出高电平，脉冲电源开通，电加工正常进行；当工具头端面振幅处于极大间隙或极小间隙时(即超出上限HI、下限LO门槛位移值)，GO输出低电平，电流被切断，电加工停止，此时的超声振动起产物排除与工作液更新作用。对于公差比较器值的设定，方式如下：

(1)按SET键，控制器系统进入公差设定模式，通过上下左右键以设定公差比较器值、HI比较器值、LO比较器值，通过ENT键确认，按SET键系统返回检测状态。

(2)在正接地环境中，通过USB或LAN连接PC(控制计算机)，通过控制软件能够实时设定激光位移传感器的工作参数。

(3)LK-HD500系列激光位移传感器可以根据从外部设备传入的命令控制操作，然后向外部设备发送相应命令。因此，通过RS-232C接口进行通信，控制计算机可向激光位移传感器发送命令来控制测量的命令格式。传入命令是LK-HD500系列可以在测量期间接收的命令，响应命令是在正确处理传入命令后所发送的命令。

超声斩波器用的电源由极低噪声的电源供电芯片TPS7A4901、TPS7A3001分别产生所需的+5V、-5V电源电压，且超声斩波器电源可替代为RSNP高频单脉冲电源，TPS7A4901、TPS7A3001作为电源主要芯片，优化电路设计，为系统提供稳定、低纹波的电源输出；图2所示，参考﹢5V输出为例：

输入电压经过滤波电感初步滤波，配置滤波电容C2(0.1UF)、C3(22UF)C4(10UF)组合进一步滤波后连接至TPS7A4901输入端，计算选择芯片输出端所需电压值，匹配R1电阻值为8.25K，R2为26.7K，最终输出得到要求的稳定、低噪声的﹢5V电源输出。

参考﹣5V输出为例：

输入电压经过滤波电感初步滤波，配置滤波电容C2(0.1UF)、C3(22UF)C4(10UF)组合进一步滤波后连接至TPS7A4901输入端，计算选择芯片输出端所需电压值，匹配R3电阻值为71.5K，R4为22K，最终输出得到要求的稳定、低噪声的﹢5V电源输出。

通过RS-232C接口进行通信，控制计算机可向激光位移传感器发送命令来控制测量的命令格式。传入命令是LK-HD500系列可以在测量期间接收的命令，响应命令是在正确处理传入命令后所发送的命令。

超声电源控制单元：设计选用X9312数字电位器，X9312是100阶数字电位器，滑动单元的位置由CS、U/D和INC三个输入端控制。滑动端的位置可以被储存在一个非易失性存储器中，在下一次上电工作时可以被重新调用。数字电位器带有总线接口，可利用逻辑电路或者单片机进行编程调节。本发明所设计控制系统中选择基于ARM为核心的STM32与数字电位器X9312组合实现对超声电源的智能控制；数字电位器的3个控制端U/D、INC和CS分别接STM32的I/O端口PG3、PG4和PG5，同时，电源芯片产生的5V电压可完全满足数字电位器的供电要求，将数字电位器的输出引脚(VH、VL与VM)连接到超声波发生器输入接口。工作过程中，STM32向数字电位器X9312发送脉冲信号，精确控制数字电位器的电阻值大小，从而实现对超声波发生器功率的调节。本发明所用电机为永磁同步伺服电机，型号为110DH-A04030H；采用位置控制方式进行驱动器接线设计。

预压力主轴控制单元：本发明所设计的主轴升降装置由伺服电机、滚珠丝杠、光电编码器等部分构成，伺服电机采用立式方形凸缘安装方式，通过法兰盘和止口固定在机械装置上，电机的轴伸端与滚珠丝杠通过刚性联轴器连接安装，滚珠丝杠导程4mm，升降行程范围100mm。伺服电机通过编码器反馈由驱动器闭环控制，当驱动器工作正常时，驱动器每接收一个脉冲命令，驱使电机转动一个角度，并通过编码器反馈检查从而使得伺服电机不丢步。

位置控制方式是驱动器对电机的转矩、转角和转速都进行控制，驱动器的脉冲频率控制电机的转速，脉冲个数控制电机转动的角度；本发明所设计系统中的可编程控制器选用型号为FX3U-48MT/DSS，输入24点，输出24点，能同时输出多点200KHz脉冲，输出响应时间也在0.2ms以下，内置5V、500mA直流电源可用于自身元件或者外围设备供电。

PLC与驱动器采用共阳极接线方法，即将脉冲CP+与方向DIR+通过公共正方式一起连接至可编程控制器的接口电压端。可选用PLC输出端Y0、Y2作为脉冲指令输出端CP-与方向指令控制端DIR-，对电机驱动脉冲的频率大小以及电机旋转方向进行控制，将Y0的公共端COM0与Y2的公共端COM2连接至接地端COM；由于接口电压为24V，脉冲与方向端电路均需串联2KΩ的电阻R；伺服驱动器的端子引脚CN1-8与CN1-3可直接连至PLC的自带+24V与COM直流供电，伺服使能也可由PLC输出端Y3作为开关量控制。接线过程中，+24V电源极性不得接反，否则将造成伺服驱动器损坏。由上位机给伺服驱动器发送个脉冲，对伺服电机的驱动控制方式如下：

对于脉冲CP-，有脉冲时工作，高电平有效；若无脉冲，则锁定电机并自动半流。对于方向DIR-，高电平输入或者悬空时电机正转；低电平时输入时电机反转。PLC脉冲输出的过程就是PLC晶体管输出端Y0不断置位与复位的循环过程。同理可知，当PLC输出端Y2置位，即步进电机驱动器方向DIR-为高电平时，电机正转，使Y2复位，则电机反转。

本发明所设计系统中，编码器回馈每转脉冲数Pt为10000脉冲/转，通过自行设置电子齿轮分子和电子齿轮分母，可得到任意的脉冲当量，其比值G为电子齿轮比，值范围不超出1/127～127，缺省值为1。电机的位置分辨率，即一个指令脉冲行程△l，可表示为指令脉冲与电子齿轮比G的乘积，由下式表示：

式中，△l为一个脉冲行程(mm)；△S为伺服电机每转行程(mm/转)

同理，可推出输入脉冲个数Pulses与旋转圈数N的关系：

电机旋转圈数：

输入脉冲频率Frequency(单位HZ)与电机转速n(单位r/min)的关系：

电机转速：

如图3所示，预压力主轴控制单元调控流程：开启电源后，控制系统启动程序，并初始化进行参数设置，通过指令打开相应通讯端口，设定运动方向。初始化操作完成后，进行运动深度检测，激活计时器，主控单元判断是否满足要求，实时采集加工现场参数，运行控制软件，评定加工状态，再通过输出接口，进行参数控制。工作结束后，按照流程关闭计时器、通讯端口，系统结束工作。以上调节过程是一个重复循环、不断逼近最佳点的自动寻优过程。

如图5所示，超声复合电加工系统参数控制模块的加工控制：超声电源、脉冲电源中控MCU进行调节，经RS485串口进行通信，分别作用在工件和工具头上；PC端经RS232串口对工作台运动控制：通过驱动器、伺服电机、传动环节等作用在工作台上。

采用本发明提供的技术方案，能够实现以下技术效果：本发明所设计超声复合电加工系统参数控制模块弥补现有超声复合电加工系统参数控制模块的不足，可实现单超声加工、超声复合电加工、同步超声复合电加工，当进行单超声加工时，将脉冲电源及斩波电源关闲；进行超声复合电加工则打开脉冲电源，关闭斩波电源；进行同步超声复合电加工打开斩波电源，关闭脉冲电源。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超声复合电加工系统参数控制模块，其特征在于，包括：

激光位移传感器，所述激光位移传感器用于检测工具端面的位移值；

激光位移传感器控制单元，与所述激光位移传感器连接，以通过所述激光位移传感器控制单元具有预设位移值，当所述工具断面的位移值达到所述预设位移值时，所述激光位移传感器发出斩波信号；

脉冲电源同步斩波控制单元，与所述激光位移传感器控制单元连接，以使所述脉冲电源同步斩波控制单元根据所述斩波信号控制加工区的脉冲放电状态，并使脉冲放电与所述工具电极进行同频、同步震动；

预压力主轴控制单元，与主轴驱动连接，所述预压力主轴控制单元与所述脉冲电源同步斩波控制单元连接，以使所述脉冲电源同步斩波控制单元通过所述预压力主轴控制单元控制所述主轴的运动。

2.根据权利要求1所述的一种超声复合电加工系统参数控制模块，其特征在于，所述超声复合电加工系统参数控制模块还包括：

超声电源控制单元，所述预压力主轴控制单元和所述脉冲电源同步斩波控制单元均与所述超声电源控制单元连接。

3.根据权利要求2所述的一种超声复合电加工系统参数控制模块，其特征在于，所述超声电源控制单元包括基于ARM为核心的STM32和数字电位器X9312，基于ARM为核心的STM32和数字电位器X9312连接设置。

4.根据权利要求1所述的一种超声复合电加工系统参数控制模块，其特征在于，所述激光位移传感器为LK-HD500。

5.根据权利要求1所述的一种超声复合电加工系统参数控制模块，其特征在于，所述激光位移传感器控制单元采用超声斩波器，所述超声斩波器用的电源包括供电芯片TPS7A4901和TPS7A3001，以分别产生所需的+5V、-5V电源电压，且超声斩波器电源可替代为RSNP高频单脉冲电源。

6.根据权利要求3所述的一种超声复合电加工系统参数控制模块，其特征在于，所述数字电位器为100阶数字电位器，所述数字电位器的电阻为R，R的取值范围为40Ω～10KΩ。

7.根据权利要求1所述的一种超声复合电加工系统参数控制模块，其特征在于，所述超声复合电加工系统所用电机为DH系列交流永磁同步伺服电机。

8.根据权利要求7所述的一种超声复合电加工系统参数控制模块，其特征在于，采用位置控制方法进行所述电机的驱动器接线设计。

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