摘 要：為了實現我國具有微細陣列（liè）孔結（jié）構的工業級精密（mì）微噴關鍵部件的自主開發（fā），本文圍繞微細電火花加（jiā）工的關鍵技術（shù），在研製具有多種功能的微細電火花（huā）機床基礎上，構建了基於PMAC 運動控製卡和工業控製計算機的開放式數控係統（tǒng）。重點分析了工作台控製係統、線電極磨削（xuē）控製係統、電火花脈（mò）衝電源控製係統、工作液控製係統、軟件係統設計等部分的相關組成及控製方案。該係統可實（shí）現較高的機床運動精度，滿（mǎn）足了（le）微細電火花加工中對脈衝電源信號控製和反（fǎn）饋的具體加工需求，保證了微細電（diàn）極的在線製作以及（jí）微（wēi）細陣列孔的加工，對我國微細電火花加工技術的發展具有（yǒu）重要意義。
 
      關鍵詞：微細電火花；微細陣列孔；PMAC 卡；開放式（shì）數控係統
 
      微（wēi）細陣列孔作為（wéi）一種典型的微細結構在精密儀（yí）器、航空航天、微機械、化纖等領域（yù）有著廣泛的應（yīng）用。電火花加工作為一種非接觸式的加（jiā）工方法，在加工中具有加工應力小，工件損耗（hào）小等優點，在微細製造業中具有無（wú）可比（bǐ）擬的（de）優勢[1]。因此，開展對微（wēi）細陣列孔電火（huǒ）花加工技（jì）術的研究，對實現我國工業級精（jīng）密（mì）微（wēi）噴關鍵（jiàn）部件的自主（zhǔ）開（kāi）發及生產具有重要（yào）意義。數控係統作為（wéi）微細電火花加（jiā）工（gōng）機床的主要組成部分之一，對機床的運動精度、加工性能以及穩定性（xìng）都有較大的影響（xiǎng） 。一般分（fèn）為傳統的數控係統和開放（fàng）式的（de）數（shù）控係統。目前，傳統的（de）計算機數控(CNC)係（xì）統大多采用專用（yòng）計算機係統，軟、硬件對用戶封閉，產品的彼此不兼容使得數控係（xì）統難以進行（háng）結構的改變和功能的（de）擴展，不能滿足微細電火（huǒ）花（huā）加（jiā）工（gōng）技（jì）術的發展要求；開（kāi）放式數控係統具有（yǒu）穩（wěn）定、可靠和全麵開放的特點（diǎn），同時能夠滿足本文對微細陣列孔加工的（de）特（tè）殊要求。開放式數控（kòng）係統最早出現於美國，並在歐美等（děng）發達國家迅速發展，而國內（nèi）的數控係統研究發展較慢，並且高檔數控係統也一直受到相關的技術封鎖[3]。本文采用美國DeltaTau 公司研製（zhì）的基於ISA 總線（xiàn）的PMAC 多軸（zhóu）運動控製卡作為開（kāi）放式數控係統的核心處理部件，該運動控製卡具有開放性的（de）硬件以及（jí）開放性的軟（ruǎn）件結構[4]，支持多種工作平台的（de）多（duō）功能軟件，既能與步進電機（jī）、直流伺服電機、交流伺服電機等多種電機連接，又能接受各種檢測（cè）元件的反饋信號，具有強大的邏輯功能和判斷能力。基於PC 機的（de）嵌入式運動控製卡能（néng）夠在保證開放性控製係統性能的同時，具有降低研發成本，減小體積等多種優（yōu）勢[5]。因此本文以Windows 操作係統為軟件（jiàn）平（píng）台、VC++為開發工（gōng）具，針（zhēn）對微（wēi）細電（diàn）火花加工技（jì）術的特點，研製了一（yī）種基於PC +PMAC 具有開放式操（cāo）作（zuò）的數控（kòng）係（xì）統，加速了微細電火花加工技術（shù）的（de）發展。
 
 
      1 、開放式數（shù）控係統（tǒng）設計
 
     微（wēi）細電（diàn）火花加工的關鍵技術主要包括：高精度微小進給裝置；微細電極製作技術；微小能量的加工電（diàn）源；與其他技術組合（hé）的新（xīn）型加工（gōng）技術（shù）；加工過程的監控技術（shù）[6]。本文研究的微細電火花加工機床與傳統的微細電火花加工機床相比[7]，具有（yǒu）更高精度的工（gōng）作台進給、微能脈衝電（diàn）源供（gòng）電、塊電極製（zhì）作（zuò）、線電極製作、在線測量、工作液製備等（děng）多種功能，
可以實現微細陣列孔工件的小批量生（shēng）產。因此，本文主要從以下幾個（gè）部分對微細（xì）電火花加工機床的開放式數控係統進行研究。
   
     1.2 開放式（shì）數控（kòng）係統總體結（jié）構
 
     本文研製的（de）控製係統（tǒng）主要是PMAC 運（yùn）動控製卡以及工業控製計算機實現的（de），其總（zǒng）體結構如（rú）圖1所示。工控機主要完成非實時任務，包括程序編寫和參數設置，而實時任務性較（jiào）強的事件主要由插入工（gōng）控機擴展槽的（de）PMAC 運動控製卡完成。
  

    
  
                          圖1 微細電火花機（jī）床控製係統（tǒng）總體方案
   
     機床的工（gōng）作台運動係統主要功（gōng）能是（shì）實現X/Y/Z三軸聯（lián）動，本文中的X/Y/Z 三軸均采用交流伺服電機驅（qū）動精密滾珠絲杠實現工作台進給，再由伺服電機的編碼器反饋構成位（wèi）置閉環修正進給，同時在機床本體（tǐ）上裝配精密光柵尺測量工作台位移，將測量（liàng）結果反饋給運動控製卡。線電極磨削控製係統包括線（xiàn）電（diàn）極磨削裝置、收絲伺服電（diàn）機、恒張力控製等，保證電極絲（sī）在運轉過程中的穩定性。電火花加工（gōng）控製係統主要由脈衝電源控製部分（fèn）以及放電狀態（tài）檢測部分（fèn）組成，保證了電火花加工過程中的高效性和穩定性。此外，機床（chuáng）采用高純度去離子水作（zuò）為（wéi）加工工作液，工控機通過（guò）繼電器等開關電路對其進行控製。
 
     1.2 工作台控製係統
 
     在（zài）微細電火花加工中，由於微細電火花加工的脈衝放電能量小，蝕除速度緩慢，而且放電間隙隻有數微米，可供（gòng）調節（jiē）的間隙範圍有限，這就要求機（jī）床工（gōng）作台控製係統具有很高的響應速度和（hé）控製靈敏度[8]。本文的工作台運（yùn）動係統主要控（kòng）製（zhì）機床的工作台分別沿X/Y/Z 三方向的預定軌跡（jì）精確運動，控製策（cè）略如圖2 所示，保證了微細電火花加工機床的位置控製精（jīng）度，達到理想的加工（gōng）效果（guǒ）。
   

                           圖2 機床工作（zuò）台控（kòng）製策略示意圖（tú）
   
    圖2 中（zhōng），工作台控製係統由輸入設備、輸出設備、工控機、PMAC 卡、伺（sì）服電機、光柵、限位（wèi）開關等部分組成。PMAC 卡作為（wéi）控製係統核心，實現了伺服電機的驅（qū）動控製（zhì）、機床位置（zhì）的采樣處理、誤差補償以及外部電路（lù）響應等多種功能。X/Y/Z 三（sān）軸工作台是機（jī）床的主體部分，其中X/Y 工作台采用二維交叉式直線滾動導軌，降低了工作台（tái）質量（liàng）和慣（guàn）量，提高了靈敏度，Z 軸為機床主軸所在工作平台。PMAC 卡發送PWM 信號控製了三軸伺服電機，伺服（fú）電機（jī）通過柔性聯軸器驅（qū）動高精（jīng）密滾珠絲杠旋轉，使工作台在導軌上按照預訂軌跡往返（fǎn）運動。同（tóng）時，伺服電機（jī）驅動器接收（shōu）編碼器反饋（kuì）的位置信號，對輸出脈衝信號進行修正，達到位置閉環控製效果。通過設定伺服電機驅動器的電子齒輪，工作（zuò）台的移動精度最終達到了（le）單脈（mò）衝20 nm。為了實時監測工（gōng）作台的移動（dòng）位置，運動控製係統采用了分辨率較高的Renisshaw 光柵（shān）尺，光柵尺信號通過細分盒後可達到單（dān）脈衝20 nm 的矩形脈衝信號，脈衝信號反饋至PMAC 卡，準確地反（fǎn）映出工作平（píng）台的位置。另外X/Y/Z 三軸的限位開關采用光電（diàn）式（shì）結（jié）構設計，能夠實時、準確判斷機床是否處於工作行程範圍內，並及（jí）時將光電信號轉換為電平信號反饋給PMAC 卡。
 
     機床工作台控製（zhì）係統不僅能夠實現工作台定（dìng）點、定位移動，也能實現恒速連續運動。作為（wéi）微細（xì）電火花機床，其運動精度要求較高，而在機床安裝過程中（zhōng）很難達到所需要求，所以在機（jī）床使用前必須進行螺距誤差補償。本機床的補償策（cè）略采用軟件誤差補償方法（fǎ），是根據PMAC 卡供應商提（tí）供的配套軟件Pewin32 實現的。軟件誤差補償方法是利用計算機（jī）輔助補償的方法消（xiāo）除定位誤差，具有靈活性大，補償量修改方便（biàn）等（děng）優點。因為本（běn）文的（de）工作台行程（chéng）較小，X/Y/Z 三軸工作台的行程分別為120/100/80 mm，並（bìng）且不易於裝夾激光幹涉儀的幹涉鏡和反射鏡，所以本文采用工（gōng）作台上安裝精密光柵尺對工作台的定位誤差（chà）進行測（cè）量。機床的實際應用過程（chéng）中，工作台的移（yí）動（dòng）距離是不確定的。本文采用采樣點之間間距不定的方法，對機床的定位（wèi）誤差進行測量（liàng），其中X 軸的測量結果如圖3 所示。

                             圖3 X 軸誤差補償前的定位誤差
   
     從圖3 中可以看出X 軸在補償前，螺距（jù）累積誤差較大，對微細電火（huǒ）花加工存在（zài）很大（dà）的影響，最大可（kě）達12.3 μm，並存在（zài）一定的反向（xiàng）間隙誤差，約為1.7 μm，因（yīn）此根據軟件誤差補償方法進行補償。誤差補償的數據測量時，每個采樣點之間的距離（lí）均相等，為4 mm，X 軸工（gōng）作台總行程120 mm 的采（cǎi）樣點數目為30 個。多次測量每個采樣點的定位（wèi）誤差，並取得平均值。根據PMAC 卡的絲杠補償功能以（yǐ）及伺服電機的電子齒輪計（jì）數單位，計算每個采（cǎi）樣點處（chù）的（de）補償脈衝數，輸入到間隙補償表和絲杠補償（cháng）表，可以達到雙向補償（cháng）的效果，最終X 軸經過補償後得到的定位誤（wù）差如圖（tú）4 所示。

                                圖4 X 軸誤差補（bǔ）償後的定位誤差

      從圖4 可以看出，X 軸在補償（cháng）後螺（luó）距累積誤差（chà）以及反向間隙誤差均得到了較大的改（gǎi）善。應用同樣的（de）方（fāng）法，Y/Z 軸的采（cǎi）樣個數分（fèn）別為25 和20，在進行螺距累積誤差補償和反向間隙誤差補償後，獲得的Y/Z 軸工作台的定（dìng）位誤（wù）差如圖5、6 所示。最終按照國標的（de）規定，分別對X/Y/Z 軸工作台進行多次測量，計算得（dé）到X/Y/Z 三軸工作（zuò）台的（de）重複（fù）定位精度分別（bié）為
2.9/4.2/2.3 μm，達到了微細電火花加工（gōng）的要求。

     
  
  
                                圖5 Y 軸誤差（chà）補償後（hòu）的定位誤差
  

        
  
                                  圖6 Z 軸補償後的定位誤（wù）差

      1.3 微細脈衝電源及伺服運動控製係統
 
      微細（xì）脈衝電源作（zuò）為微細電火花加工機床的重要組成（chéng）部分之一，脈衝電源的（de）優劣對微細電火花加工存在較大的影響[9]，特別是放電狀態檢測模塊是機床實現伺服運動的重要組成部分（fèn），因此脈（mò）衝電源及其檢測是數控係統不可或缺的一部分。本文的微細脈衝電源采（cǎi）用了（le）自主研發的多種電加工模式、能量可選範圍較大的納秒級加工脈衝電源，其控製示意（yì）圖如圖7 所示。
  

     
  
                             圖7 微細脈衝電源控（kòng）製係統示意圖

     圖（tú）7 中，工控機通過RS485 接口控製格（gé）爾仕公司研製的（de）DWW-2 型直流電源，設定主（zhǔ）回路中的開路電（diàn）壓以及最大電流值，並為功放電路提供所需的穩壓直流電源。主振電路、驅動電路、功放電路主要通過控製（zhì）晶體管關斷為微細電火花加工提供所需的加工脈衝電源。
 
     在電火花加工過程中，脈衝電源正、負兩極分別連接到工件和電極（jí），實現工件的放電蝕除。放電狀態檢測部分通過實時測量放電兩極之間的平均電壓，然後壓頻轉換（huàn）電路將電壓信號轉換為脈衝信號，並經過檢測電路處理後，將兩極之間的放電狀態反（fǎn）饋信號返（fǎn）回至PMAC 卡，實（shí）時的（de）顯示、判斷電（diàn）火花加工的放電加工狀（zhuàng）態。
 
     電火花加工一般分為（wéi）短路、開路以及正常放電三種放電加工狀態，本研究的機床運動就是根據放電兩極之間的放電加工狀態轉換的壓（yā）頻信號來實現對（duì）機床的（de）伺服運動進行控製，如圖8 所（suǒ）示。

    
  
  
                         圖8 機床電機伺服控製策略（luè）

     開路時，放電兩極之間的間隙大於放電間隙，需要機床實現快速進給提高工作（zuò）效率（lǜ），對應開路速度Va；短路時，放電兩極之間的間隙小於放電間隙，需要機床快速回退，避免電極和工件損壞，對應短路速度Vb；正常放電時，放電兩極之間（jiān）的（de）間隙約等於放電間隙，需要機床根據正常放電時的平均電壓，自適應調整機床的進給速度，正常放電狀態下
最大和最小的電機伺服速度分（fèn）別為VU 和VL。在數（shù）控係統中Va、Vb、VU、VL 均能（néng）夠根據實際加工狀況進行在線調節，滿足不同加工要求的同時（shí），提高放電穩定性和加工效率。
 
     1.4 線電極磨削控製係統
 
     本文（wén）研製的機床最終目（mù）的是加工固（gù）定間（jiān）距的微細陣（zhèn）列群孔，而微細陣列群孔的加工需要製備微細電極，微細電（diàn）極的（de）在線製作主要有塊電極磨削和線電極磨削兩（liǎng）種方法[10]。本數控係統為提高加工效率以及加工（gōng）質量（liàng），選擇了加工效率較高的塊電（diàn）極磨削作（zuò）為粗磨削加工以及加工質量較高的線電極磨削作為精磨削加工。塊電極（jí）磨削（xuē）采用銅粉燒結（jié）而成的銅（tóng）塊作為（wéi）塊磨削電極，電（diàn）極軸沿徑向方向進給，達到粗磨（mó）削的效（xiào）果，進給控（kòng）製比較簡單，而線電（diàn）極磨削需要配套（tào）的線電（diàn）極磨削裝置，其（qí）控製相對複雜。

     線電極（jí）磨削裝置，如圖9 所示，主要包（bāo）括儲絲筒、磁滯製動器、導輪、導電輪、收絲電機等[11]。線（xiàn）電極磨削控製係統的主要目的是保證（zhèng）線電極磨（mó）削裝置中電極絲的恒（héng）速穩定運轉以及電極絲的恒定張緊力，因此本文采用了伺服電機恒扭矩驅動電極絲的移動，雙磁滯製動器產生（shēng）恒定阻尼，控製電（diàn）極絲內部張緊力恒定，最終形成的控製係統如（rú）圖10所示。

                                 圖9 線電極磨削裝置示意圖

                              圖10 線電極磨削裝置控製示意圖

     本文使用三菱（líng）伺服電機作為收絲電機，既可采用脈衝脈寬調製信號（PWM）進行位（wèi）置控製，又可以（yǐ）采用模擬量（liàng）信號進行速度和轉矩控製。考慮到微細電火花加工中線電極絲速較低並且穩定，通過PMAC 卡（kǎ）輸（shū）出收絲控製信號（hào），進行（háng）PID 調節後實現控製（zhì）伺服電機，同時（shí）控製係統將電機編碼器的反饋（kuì）信號發送至PMAC 卡（kǎ）中，構成位置閉（bì）環[12]，使伺服電機以恒定的轉速和扭矩旋轉，從而驅動電極絲在導輪上移（yí）動，電極絲的絲（sī）速約為1 mm/min。磁（cí）滯製動器a 固（gù）定於儲絲筒之上，其主（zhǔ）要目的是減小儲絲筒（tǒng）受慣性力的影響。磁滯製動（dòng）器b 安（ān）裝於導輪之間，其主要目的是調節電極絲的恒定張緊力，使（shǐ）電極絲與導電輪接觸良好，以（yǐ）及電極絲在放電加工位置穩定。磁滯製動器通電後的扭矩與電流成正比關係，因此對磁滯製動器的控製是通過改變電流來實（shí）現的。本文通過（guò）工控機控製微處理器輸（shū）出（chū）PWM，經過脈寬調製電（diàn）路處理後輸出對應關係的直流電信號，分別對磁滯製動器a 和b 進行控製（zhì）。由收絲電機控（kòng）製部分（fèn）以及磁滯製動器（qì）控製部分組成的微細電火花線電極磨削控製係統，經過（guò）大量試驗驗證，能夠保證線電極（jí）磨削裝（zhuāng）置的正常、穩定加工，比較準確（què）的磨削特定尺寸的高質量微細電極（jí）。
 
      1.5 工作液製取控製係統
 
      本文的工作液采用了高純度的去離子（zǐ）水，運（yùn）用三級過濾裝置，使去離子水電導率不小於16 M·Ω。去離子水製取及其控製係（xì）統如圖11 所示。工控機（jī）通（tōng）過PMAC 卡控製開關電路，分別對三級循環離子樹脂過濾部分的開關閥、水泵以及抽取去離子水作為工作液的供給（gěi）泵進行控製。電阻率測量（liàng）儀實時監測去離子水的電導率，並按照一定的頻率反饋（kuì）檢（jiǎn）測
信號給PMAC 卡，判斷去（qù）離子水是否達（dá）到加工所需（xū）要求。同時水位傳（chuán）感器實時判斷工作液是否低（dī）於正常水位，並發送反饋信號於PMAC 卡進行處理（lǐ）。工作液控製係統能夠使去離子水通過三級過濾裝置後，滿足高純（chún）度去離子水的要求，也保證（zhèng）了微（wēi）細電火花的正常加工。

                     圖11 去離子水工作（zuò）液製取控（kòng）製示意（yì）圖

     2 、軟件係統設計
 
     根據數控係統的總體結構及其組成部分詳細的設計，本文研製了基於PMAC 卡的微細電火花（huā）數控係統的硬件部分。由於微軟的VC++開發軟件具有麵向對象的設計方法，便於與上位機（jī）進行通訊連接、編程周期短等優點，本文（wén）運用其對微細電火（huǒ）花機床控製係統進行了程序開發（fā），編寫了數控軟件（jiàn），其結構示意圖如圖12 所示。

                                   圖12 數控係統軟件部分示（shì）意圖

     從圖11 中可知微細電火花數控係統不僅具有一般電（diàn）火花加工機床的功（gōng）能，而且針對微（wēi）細陣列孔加工的（de）特殊（shū）要求增加了孔中心定位、線電極裝置控製、去離（lí）子水（shuǐ）裝置控製、工藝參數（shù）庫等功能。
 
     本文（wén）使用的（de）工件是通過兩個定位孔（kǒng）來實現定位的，陣列孔的加工位置坐標也均是基於（yú）定（dìng）位孔中心坐標設定的。孔中心定位功能（néng），是使用電火（huǒ）花（huā）加工技術中接觸感（gǎn）知的方法（fǎ）確定兩（liǎng）個定位孔（kǒng）中心（xīn）點的位置坐標，然後自動生（shēng）成加工坐標係，在加工坐標（biāo）係中移動到陣列孔加工的特定位置。工藝參數庫（kù）包含了微細脈衝電源（yuán）中可設定的多種電加工參數，如開路電壓、電阻、電容、脈寬、脈間等，同時可以根據所選的電加工參數對伺服進（jìn）給（gěi）參數進行選擇，使脈衝電源的放電能量可選範（fàn）圍變大。
 
     3 、加工案例
 
     本文采用上述的開放式數控係統，通（tōng）過多次試驗及調（diào）試得到（dào）合適的加工參數，可以（yǐ）順利的加工直（zhí）徑約45 μm，直（zhí）徑偏差不大於（yú）1 μm，長徑比大於16的電極軸。應用所加工的微細電極，加（jiā）工了2×128的陣列孔，孔間距（jù）0.5588 mm，孔（kǒng）間距誤差約1.5μm，如圖13 所示。單個微細孔的加工時間約10 s，2×128 的陣列孔孔徑為50±1 μm，通過（guò）電子掃描顯
微鏡（jìng）獲得微細孔的微觀圖如（rú）圖14 所示。

                       圖13 2×128 陣列孔的孔間距（jù）誤（wù）差

                           圖14 單個微（wēi）細孔的SEM 圖
   
     4 、結論
 
    本（běn）文（wén）在分析研究微（wēi）細電火花加工的關鍵技術的（de）基礎（chǔ）上，針對微細電火花加工中存在的（de）工作台高精（jīng）度運動控製、線電極磨削裝（zhuāng）置恒張力控製（zhì）、電火花放電（diàn）狀態檢測等技術（shù）難點，構建（jiàn）了基於工業控製計算機和PMAC 運動控製卡的開放式數控係統。這種（zhǒng）數控係統在本（běn）文的微細電火花加工中得到了（le）很（hěn）好的運用，使X、Y、Z 三軸工作台的重（chóng）複定位精度分別（bié）達到了2.1、4.2、2.3 μm。線電極（jí）磨削裝置能夠（gòu）實現恒張力控製，最終可以比（bǐ）較穩定的獲得（dé）直徑約45μm，直（zhí）徑偏差不大於（yú）1 μm，長徑比大（dà）於16 的電極軸。脈衝（chōng）電源控製係統可以為微細電火花加工提（tí）供所需（xū）的加（jiā）工脈衝電（diàn）源，同時通過實時（shí）檢測兩極之（zhī）間的放電（diàn）狀（zhuàng）態，為加工過程（chéng）中的伺服進給提供了判斷依（yī）據。去離子水裝置（zhì）控製係統實現了電導率不小於16 M·Ω 的去離子（zǐ）水製取，並為微細（xì）電火花放電加工提供工作液。利用該控製係統（tǒng），微細電（diàn）火花加工機床可以實現穩定加工2×128 陣列孔，孔間距誤差小於約1.5 μm，孔徑誤差小於2 μm。