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三軸聯動的微型電（diàn）火（huǒ）花加工機床

2017-7-13 來源：哈爾（ěr）濱工業大學作者（zhě）：趙小文，李治廷，李柏毅

摘要：三軸聯動微型電火花加工機床與傳統加工技（jì）術要比，具有對加工（gōng）材料適應性強，適合複雜微小的三維結構加工，此外體積小、攜帶方便（biàn），更適合用於小孔和任意形狀加工等優點（diǎn）。

關鍵詞：三軸聯（lián）動；微型；電火花；加工

1.項目背景

隨（suí）著現代工（gōng）業的發展，機械行業對（duì）各種（zhǒng）機械設備零件的加（jiā）工需求量越（yuè）來越大，對其質量（liàng）和精度要求也在提高。與傳統切削加工（gōng）方法相比，電火花加工對加工材料（liào）的適應（yīng）性更強，更適合複（fù）雜微小三維結（jié）構的加工（gōng）。作（zuò）為傳統切削加工領域（yù）的補（bǔ）充，電火花加工在現代生產發揮著（zhe）不可替（tì）代的作用。

在機械（xiè）加工過程中，絲錐、鑽頭、絞刀（dāo）等加工（gōng）工具很容易折斷在工件內部，很（hěn）難將其取出（chū），這不僅影響（xiǎng）了生產效率，還會降低產品質量，甚至導致許多產品報廢。目前普遍的解決方法是手工提取或用電火花（huā）加工（gōng）機提取，不僅浪費大（dà）量時間，承擔運輸設備的成本，有時在取折斷工具時會導致工件報廢，給企業造成很大的經濟損失。利（lì）用電火花（huā）蝕除（chú）原理，用銅棒或（huò）銅片做電極，能（néng）輕鬆將斷絲錐去除或蝕斷。而且不影響工件材質，不破壞原有孔。

一方麵，國（guó）外目前（qián）的微小型機床隻能打孔，另一方麵，國內（nèi）目前沒有微小型三軸（zhóu）電火花加工機床。本項目（mù）希望（wàng）製作的電火花加工機床能夠（gòu）實現三軸聯動，以此來實現（xiàn）沿輪（lún）廓軌跡切割金（jīn）屬的功（gōng）能。我們的目標（biāo）是，實（shí）現卓越未來，智能製造！

2 .研（yán）究目標

設計出結構緊湊、輕便的三軸聯（lián）動微型電火花加工機床，方便攜帶，可作（zuò）為用於小孔和任意形狀加工的便攜式電火花加工（gōng）工具，用於（yú）科（kē）研和生產中各種難加工材料和難加工（gōng）型孔的加工。研究意義在於以下幾點：

（1）體積小（xiǎo）、易攜帶。通常的電火花加工機（jī）床體積和重量較大，但（dàn）當隻用於小件（jiàn）或微小件的加工時，則可設計成輕便、但基本功能具備的微型電火花加工機床，可作為用於小孔和簡單形狀加工的便攜（xié）式（shì）電火花加工工具，用（yòng）於科研和生產中各種難加工材料和難加工型（xíng）孔的加（jiā）工。

（2）教學演示。該微型電火花加工機床可作為教學演示的教具，實現理論與實踐相結合的教學方式，並通過光、聲、電等信息的處理（lǐ），可以使學生了（le）解和感受電火花加工現象和加工過程，對於增（zēng）加學（xué）生的感性認識，並促進其創新意識具有積極有效的作用。

（3）小型的科研工具。可以用（yòng）於科研和生產中各種難加工材料和難加工型孔的加（jiā）工。

3. 研究方（fāng）案

3 . 1 機（jī）械部分

圖 1 為（wéi）最終確定的三（sān）維結構，圖（tú） 2 為加工出的實物圖（紅色的油槽尚未（wèi）製作完成）。采用了導軌滑塊機（jī）構（gòu）分別實現三個軸的運動，旋轉電極通過鑽頭夾和電極相連（lián），便（biàn）於電極和工件之間持續放電。鑽頭夾可靠夾持（chí）範圍是 0.3~4 mm，可以滿足不同（tóng）尺寸電極的夾持要求。

采用絲（sī）杠進（jìn）給，彈簧拉緊式結構，電（diàn）極始終受到向上（shàng）的拉力，支撐板上表麵始終與球型（xíng）螺母緊密接觸，消除（chú）了回程誤差，提高了（le）伺服進給（gěi）的控製精（jīng）度。

3 . 2 電控部分

3 . 2 . 1 電源主回路部分

常見的電火花加工脈衝（chōng）電源分為兩種形式（shì），分別是 RC 式脈衝電源和晶體管脈衝電源。

圖 1 三軸聯動微型電火花加工機床三維圖

圖 2 加工機床實物圖

本次設計擬采用 RC 式脈衝電源（yuán）。RC 脈衝電源的工作原理（lǐ）非常簡單，原理如（rú）圖 3 所示。

圖 3 RC 脈衝電源工作原理圖

其優點是加工精度高，工作可靠，裝置簡單；其缺點是脈衝參數受到間隙狀態製約，加工速（sù）度低，電機（jī）損耗大。

3 . 2 . 2 檢測電路

在電火花加工時，直接測量電極與工件間隙 S 十分困難，一般采（cǎi）用測（cè）量（liàng）放電間隙（xì）的電壓來判斷間隙 S的大小。例（lì）如，當間隙很大時，放電回路開路，間隙電壓接近脈衝電源的開路電壓；當（dāng）間隙過小甚至為零時，放電回路短路，間隙電壓為 0。間（jiān）隙 S 與間隙電壓雖不成正比關係，但具有一（yī）定的相關性。本次設計采用平（píng）均間隙（xì）電壓檢測法，工具電極與工件之間的電壓經過差動增益環節，獲得兩者差值，再經過濾波環（huán）節輸（shū）出（chū）平均間隙（xì）電壓。

本次設計（jì）擬采用（yòng）平均電壓測量法，但是傳統的方法無法測量出負半波對平均電壓的影響，因此（cǐ）可以改進為加上帶整流橋的檢測電路，這種改進的電路（lù）適用於改變工具電極、工件極性的情況。

3 . 2 . 3 主控部分設計

本項目采用（yòng）基於 Cortex-M3 內核的 STM32 單片機作為核（hé）心控製芯片。TIM1，TIM3 通（tōng）用定時器控製步（bù）進電機（jī）的運動。采用 ADC 功能（néng）模塊采集平均（jun1）間隙電壓，實現伺服控製。並通（tōng）過 LCD 顯示屏顯示電（diàn）壓值。用 Lab VIEW 上位機繪製加工路（lù）徑，並（bìng）通過串口和單片機通信（xìn），從而控製加工的軌跡。

3 . 2 . 4 各個模塊之間的布置

各個模塊之間的布置（zhì），如圖 4 所示。

圖 4 模塊布置圖

3 . 2 . 5 三（sān）軸聯動加工過程

使用前，調節 X、Y、Z 軸電機，使油槽移動到合適位（wèi）置，將（jiāng）工件放在油槽中固定。開始加工，自動加（jiā）工模式下，Z 軸電機向下緩慢進（jìn）給，當電極（jí）和工件之間距離合適時（shí），開始電火（huǒ）花放電加工（gōng），通過檢測電路獲得平均間隙電壓，若間隙電壓大（dà）於伺服參考電壓，Z 軸快速向下進給；若間隙電壓小（xiǎo）於伺服參考電（diàn）壓，Z軸向上回退。若（ruò）兩者基本相等，Z 軸不動。極間電壓（yā）通過 LCD 顯示屏顯示（顯示的電壓值是實際電壓以一定比例縮小後的數值（zhí））。手動加（jiā）工（gōng）模式下，按鍵（jiàn）可以手動控製三個軸的運動方向。X，Y 軸不動（dòng）時為打孔加工狀態。通過L a b V I E W 編寫上位機（jī）與單（dān）片機通信，控製 X ， Y 軸連續運動，則為（wéi）銑槽加工狀態，可以實現沿著設定的（de）路徑銑槽（cáo），見（jiàn）圖 5。

4 .項目特色與創新

圖 5 控製麵（miàn）板示意圖（tú）

4 . 1 結構緊湊、體積小，便於攜帶（dài）

本次設計采用多模塊（kuài）化的形式（shì），將多個功能的單元模塊化，分別做在獨立的電路板上，最後再布置這幾個獨（dú）立電路板的空間位（wèi）置。這樣可以使得機床的整（zhěng）體結構緊湊，還有利於故障的檢測與後期維護（hù）。

4 . 2 三軸聯動

實現了三軸聯動之後（hòu），不（bú）僅可以打圓孔，還（hái）可以切割其他形狀（zhuàng）的孔和曲線，而且可以（yǐ）保（bǎo）證它的精度，這在（zài）國內外微型電火花加工機床還屬首次。

4 . 3 形象地展現加工狀態（tài）

可以（yǐ）從以下三方麵可（kě）以了解加工的狀況：（1）放大放電聲音；（2）放電間隙的平均電壓（yā）；（3）放電氣泡的發生狀態。該微型電火花（huā）加工機床還可作為教學演示的教具，實現理論與實踐（jiàn）相結合的教學方式，並通過光、聲、電等信息的處理，可以使（shǐ）學（xué）生了解和感受電火花（huā）加工現象和加（jiā）工過程，對於增加學生的感性認識，並促進其創新意識具有積極有效的作用。

5.項目成果

5 . 1 加工狀態

圖 6 為工藝性試驗的加工（gōng）狀態，采用直徑 2 mm紫銅電極加工 0.2 mm 塞（sāi）尺，可以看到明顯的氣泡和電火花，加工時間約為 1 min。

圖 6 工藝試驗圖

5 . 2 打孔加工

加工條件：60 v 電壓經過脈衝電（diàn）源（R=100 Ω，C=1 uf）放電（diàn），步進電機細分 25 000，步距角 1.8°，步長3 um。電極為直徑 2 mm 的銅電極，旋轉速度為3 8 r / s 工作液為（wéi）純淨水加工 0.2 mm 厚的塞尺，加工時間大約 3 min，如圖 7 所示

5 . 3 直線銑槽加工