CN208162800U - 纳秒脉冲电化学微细加工装置 - Google Patents

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顾佳钰
陈康
俞耀
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张建华
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一种纳秒脉冲电化学微细加工装置，包括加工平台基座、电解液槽、工件夹持机构、电极夹持机构、电源、控制电路和工件/电极相对位置调整机构；所述工件夹持机构在电解液槽内，电极夹持机构在工件夹持机构的上方。所述工件/电极相对位置调整机构包括大位移的宏运动机构和微量位移的微运动机构；宏运动机构包括X向运动机构、Y向运动机构和Z向运动机构；微运动机构的运动方向为Z’向；微运动机构包括压电致动器；压电致动器的主体竖直固定于Z向运动机构；电极夹持机构连接在压电致动器上；X向运动机构固定在加工平台基座上；Y向运动机构固定在X向运动机构上，随之作X向运动；电解液槽固定在Y向运动机构上，随之作Y向运动；Z向运动机构固定在加工平台基座上。

Description

纳秒脉冲电化学微细加工装置
技术领域
本实用新型属于微细加工技术领域，具体是一种纳秒脉冲电化学微细加工装置。
背景技术
现有技术中，电解加工是电化学微细加工的一个分类。电解加工是利用阳极溶解的电化学反应对金属材料进行去除的加工方式。在工具阴极与工件阳极之间间隙最小的地方，电流密度最大，工件阳极在此处溶解得最快，电解产物被电解液冲走，直至工件表面形成所需的形状。
在微细加工过程中，提高工具电极与工件之间的脉冲信号的脉宽等级至纳秒级有助于提高加工精度。但是，现有技术中工具电极/工件之间位移动作执行机构的精度等级还不能最优化地达到精度要求，这与电机、传动机构等机械精度的技术局限性有关，短期内难以解决。尤其是工具电极/工件之间的间距控制尤为重要，如果间距控制不当会造成短路等故障，损坏设备和工件。
发明内容
为了解决上述问题，本实用新型提出一种纳秒脉冲电化学微细加工装置，包括加工平台基座、电解液槽、工件夹持机构、电极夹持机构、电源、控制电路和工件/电极相对位置调整机构；电源为本加工装置的用电部分提供电源；所述工件夹持机构在电解液槽内，电极夹持机构在工件夹持机构的上方。所述工件/电极相对位置调整机构包括：大位移的宏运动机构和微量位移的微运动机构；
大位移的宏运动机构包括X向运动机构、Y向运动机构和Z向运动机构，X向、Y向和Z向与三维坐标系xyz的X、Y和Z轴方向对应；X向、Y向和Z向运动机构的驱动装置都是交流伺服电机，分别设为X电机、Y电机和Z电机；
微量位移的微运动机构的运动方向为Z’向，Z’向与三维坐标系xyz的Z轴方向对应；微运动机构包括压电致动器；压电致动器的主体竖直固定于Z向运动机构，且随之作Z向运动；电极夹持机构连接在压电致动器上，且随之作Z’向运动；
压电致动器、X电机、Y电机和Z电机的控制输入端分别通过驱动电路连接控制电路的相应控制信号输出端；
所述X向运动机构固定在加工平台基座上；Y向运动机构固定在X向运动机构上，随之作X向运动；电解液槽固定在Y向运动机构上，随之作Y向运动；Z向运动机构固定在加工平台基座上。
所述X向运动机构、Y向运动机构和Z向运动机构都是由交流伺服电机驱动滚轴丝杠-螺母机构构成的滑台，分别是X向、Y向和Z向运动滑台。
所述X向运动滑台的滑动路径上布设有用于测量和反馈X向运动位移的光栅传感器；
所述Y向运动滑台的滑动路径上布设有用于测量和反馈Y向运动位移的光栅传感器；
所述Z向运动滑台的滑动路径上布设有用于测量和反馈Z向运动位移的光栅传感器；
各个光栅传感器的信号输出端连接控制电路的反馈信号输入端。
实现Z’向运动的压电致动器一端固定在Z向运动机构上，电极夹持机构固定在压电致动器另一端上；
所述压电致动器的驱动电路包括依次连接的D/A转换电路和电压放大电路，电压放大电路的输出端连接压电致动器的功放输入端；D/A转换电路的输入端连接控制电路的相应信号输出端；
还包括压电致动器的微位移检测电路，它包括位移拾取电路、信号放大电路、A/D转换电路；所述位移拾取电路由测量桥路构成，测量桥路的反馈电压经信号放大电路放大后，再经A/D转换电路转换后传送给控制电路的输入端。
压电致动器的驱动电路的原理是，由控制电路(例如嵌入式控制系统)输出的信号经D/A转换电路得到0～5V的电压，0～5V的电压经放大电路得到0～10V的标准控制电压，送给压电致动器；
现有技术中，测量桥路的原理是随着位移的变化，电阻发生变化，引起测量信号的变化。测量桥路得到表征微位移的反馈电压送给控制电路。
还包括工具显微镜；工具显微镜的镜头对准工件夹持机构所在的加工位置。工具显微镜的视频、图形信号输出给计算机。
还包括工作液循环泵；工作液循环泵的进液口和出液口分别通过管道连接电解槽。促进电解液的流动。
本加工装置的工作流程为：通过控制电路(可以是宏观控制电路，也可以是以计算机为核心)控制X、Y、Z电机交流伺服电机以及压电致动器，实现三轴运动机构宏运动，以及压电致动器微运动。其中，电机实现大位移量的运动，压电致动器实现微小位移量。
附图说明
图1是本例的纳秒脉冲电化学微细加工装置结构示意图；
图2是本例的电路原理示意图；
图3是测量桥路结构图；
图中：加工平台基座1、电解液槽2、工件夹持机构3、电极夹持机构4、X向运动机构5、Y向运动机构6、Z向运动机构7、压电致动器8、工具显微镜9、计算机10、工作液循环泵11。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进行说明：
如图1：一种纳秒脉冲电化学微细加工装置，包括加工平台基座、电解液槽、工件夹持机构、电极夹持机构、电源、控制电路和工件/电极相对位置调整机构；电源为本加工装置的用电部分提供电源；所述工件夹持机构在电解液槽内，电极夹持机构在工件夹持机构的上方。所述工件/电极相对位置调整机构包括：大位移的宏运动机构和微量位移的微运动机构；
宏运动机构包括X向运动机构、Y向运动机构和Z向运动机构，X向、Y向和Z向与三维坐标系xyz的X、Y和Z轴方向对应；X向、Y向和Z向运动机构的驱动装置都是交流伺服电机，分别设为X电机、Y电机和Z电机；
微运动机构的运动方向为Z’向，Z’向与三维坐标系xyz的Z轴方向对应；微运动机构包括压电致动器；压电致动器的主体竖直固定于Z向运动机构，且随之作Z向运动；电极夹持机构连接在压电致动器上，且随之作Z’向运动；
压电致动器、X电机、Y电机和Z电机的控制输入端分别通过驱动电路连接控制电路的相应控制信号输出端；
所述X向运动机构固定在加工平台基座上；Y向运动机构固定在X向运动机构上，随之作X向运动；电解液槽固定在Y向运动机构上，随之作Y向运动；Z向运动机构固定在加工平台基座上。
所述X向运动机构、Y向运动机构和Z向运动机构都是由交流伺服电机驱动滚轴丝杠-螺母机构构成的滑台，分别是X向、Y向和Z向运动滑台。
所述X向运动滑台的滑动路径上布设有用于测量和反馈X向运动位移的光栅传感器；
所述Y向运动滑台的滑动路径上布设有用于测量和反馈Y向运动位移的光栅传感器；
所述Z向运动滑台的滑动路径上布设有用于测量和反馈Z向运动位移的光栅传感器；
各个光栅传感器的信号输出端连接控制电路的反馈信号输入端。各个光栅传感器构成宏位移反馈电路。
实现Z’向运动的压电致动器一端固定在Z向运动机构上，电极夹持机构固定在压电致动器另一端上；
所述压电致动器的驱动电路包括依次连接的D/A转换电路和电压放大电路，电压放大电路的输出端连接压电致动器的功放输入端；D/A转换电路的输入端连接控制电路的相应信号输出端；
还包括压电致动器的微位移检测电路，它包括位移拾取电路、信号放大电路、A/D转换电路；所述位移拾取电路由测量桥路构成，测量桥路的反馈电压经信号放大电路放大后，再经A/D转换电路转换后传送给控制电路的输入端。
还包括工具显微镜；工具显微镜的镜头对准工件夹持机构所在的加工位置。工具显微镜的视频、图形信号输出给计算机。
还包括工作液循环泵；工作液循环泵的进液口和出液口分别通过管道连接电解槽。
本装置的工程实现说明如下：
所述X向运动滑台的电机连接在X向运动机构的左端，通过X向运动通过交流伺服电机带动滚珠丝杠-螺母机构运动到指定位置。所述Y向运动滑台的电机连接在Y向运动机构的前端，Y向运动通过交流伺服电机带动滚珠丝杠-螺母机构运动到指定位置。所述Z向运动滑台的电机连接在Z向运动机构的顶端，通过Z向运动通过交流伺服电机带动滚珠丝杠-螺母机构运动到指定位置。
如图2：
所述压电致动器的驱动电路包括D/A转换电路和电压放大电路；控制电路(本例中是嵌入式控制系统)控制D/A转换电路得到0～5V的电压，0～5V的电压经放大电路得到0～10V的标准控制电压，送给压电致动器；
压电致动器的微位移检测电路包括位移拾取电路、信号放大电路、A/D转换电路，其中位移拾取电路由测量桥路实现，随着位移的变化，电阻发生变化，引起测量信号的变化，测量桥路得到表征微位移的反馈电压；压电致动器的反馈电压连接信号放大电路的输入端，信号放大电路的输出端连接A/D转换电路的输入端，A/D转换电路的输出送给嵌入式控制系统；
如图3：
所述测量桥路的E为电源电压，Sig为给定信号，R1、R4为应变片，Δ为应变片的变化量，R2、R3为基准电阻，当位移发生变化时，引起应变片Δ发生变化，其输出信号与应变量Δ一一对应，正比于应变片的变化量Δ。

Claims (6)

1.一种纳秒脉冲电化学微细加工装置，包括加工平台基座、电解液槽、工件夹持机构、电极夹持机构、电源、控制电路和工件/电极相对位置调整机构；电源为本加工装置的用电部分提供电源；所述工件夹持机构在电解液槽内，电极夹持机构在工件夹持机构的上方，其特征是所述工件/电极相对位置调整机构包括大位移的宏运动机构和微量位移的微运动机构；
大位移的宏运动机构包括X向运动机构、Y向运动机构和Z向运动机构，X向、Y向和Z向与三维坐标系xyz的X、Y和Z轴方向对应；X向、Y向和Z向运动机构的驱动装置都是交流伺服电机，分别设为X电机、Y电机和Z电机；
微量位移的微运动机构的运动方向为Z’向，Z’向与三维坐标系xyz的Z轴方向对应；微运动机构包括压电致动器；压电致动器的主体竖直固定于Z向运动机构，且随之作Z向运动；电极夹持机构连接在压电致动器上，且随之作Z’向运动；
压电致动器、X电机、Y电机和Z电机的控制输入端分别通过驱动电路连接控制电路的相应控制信号输出端；
所述X向运动机构固定在加工平台基座上；Y向运动机构固定在X向运动机构上，随之作X向运动；电解液槽固定在Y向运动机构上，随之作Y向运动；Z向运动机构固定在加工平台基座上。
2.根据权利要求1所述的纳秒脉冲电化学微细加工装置，其特征是所述X向运动机构、Y向运动机构和Z向运动机构都是由交流伺服电机驱动滚轴丝杠-螺母机构构成的滑台，分别是X向、Y向和Z向运动滑台。
3.根据权利要求2所述的纳秒脉冲电化学微细加工装置，其特征是
所述X向运动滑台的滑动路径上布设有用于测量和反馈X向运动位移的光栅传感器；
所述Y向运动滑台的滑动路径上布设有用于测量和反馈Y向运动位移的光栅传感器；
所述Z向运动滑台的滑动路径上布设有用于测量和反馈Z向运动位移的光栅传感器；
各个光栅传感器的信号输出端连接控制电路的反馈信号输入端。
4.根据权利要求1所述的纳秒脉冲电化学微细加工装置，其特征是
所述压电致动器的驱动电路包括依次连接的D/A转换电路和电压放大电路，电压放大电路的输出端连接压电致动器的功放输入端；D/A转换电路的输入端连接控制电路的相应信号输出端；
还包括压电致动器的微位移检测电路，它包括位移拾取电路、信号放大电路和A/D转换电路；所述位移拾取电路由测量桥路构成，测量桥路的反馈电压经信号放大电路放大后，再经A/D转换电路转换后传送给控制电路的输入端。
5.根据权利要求1所述的纳秒脉冲电化学微细加工装置，其特征是还包括工具显微镜；工具显微镜的镜头对准工件夹持机构所在的加工位置。
6.根据权利要求1所述的纳秒脉冲电化学微细加工装置，其特征是还包括工作液循环泵；工作液循环泵的进液口和出液口分别通过管道连接电解槽。
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