三軸聯(lián)動(dòng)的微型電火花加工機(jī)床
2017-7-13 來源：哈爾濱工業(yè)大學(xué) 作者： 趙小文，李治廷，李柏毅
摘要 ：三軸聯(lián)動(dòng)微型電火花加工機(jī)床與傳統(tǒng)加工技術(shù)要比，具有對加工材料適應(yīng)性強(qiáng)，適合復(fù)雜微小的三維結(jié)構(gòu)加工，此外體積小、攜帶方便，更適合用于小孔和任意形狀加工等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞 ：三軸聯(lián)動(dòng) ；微型 ；電火花 ；加工
1.項(xiàng)目背景
隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，機(jī)械行業(yè)對各種機(jī)械設(shè)備零件的加工需求量越來越大，對其質(zhì)量和精度要求也在提高。與傳統(tǒng)切削加工方法相比，電火花加工對加工材料的適應(yīng)性更強(qiáng)，更適合復(fù)雜微小三維結(jié)構(gòu)的加工。作為傳統(tǒng)切削加工領(lǐng)域的補(bǔ)充，電火花加工在現(xiàn)代生產(chǎn)發(fā)揮著不可替代的作用。
在機(jī)械加工過程中，絲錐、鉆頭、絞刀等加工工具很容易折斷在工件內(nèi)部，很難將其取出，這不僅影響了生產(chǎn)效率，還會(huì)降低產(chǎn)品質(zhì)量，甚至導(dǎo)致許多產(chǎn)品報(bào)廢。目前普遍的解決方法是手工提取或用電火花加工機(jī)提取，不僅浪費(fèi)大量時(shí)間，承擔(dān)運(yùn)輸設(shè)備的成本，有時(shí)在取折斷工具時(shí)會(huì)導(dǎo)致工件報(bào)廢，給企業(yè)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。 利用電火花蝕除原理，用銅棒或銅片做電極，能輕松將斷絲錐去除或蝕斷。而且不影響工件材質(zhì)，不破壞原有孔。
一方面，國外目前的微小型機(jī)床只能打孔，另一方面，國內(nèi)目前沒有微小型三軸電火花加工機(jī)床。本項(xiàng)目希望制作的電火花加工機(jī)床能夠?qū)崿F(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)，以此來實(shí)現(xiàn)沿輪廓軌跡切割金屬的功能。我們的目標(biāo)是，實(shí)現(xiàn)卓越未來，智能制造！
2 .研究目標(biāo)
設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)緊湊、輕便的三軸聯(lián)動(dòng)微型電火花加工機(jī)床，方便攜帶，可作為用于小孔和任意形狀加工的便攜式電火花加工工具，用于科研和生產(chǎn)中各種難加工材料和難加工型孔的加工。研究意義在于以下幾點(diǎn) ：
（1）體積小、易攜帶。通常的電火花加工機(jī)床體積和重量較大，但當(dāng)只用于小件或微小件的加工時(shí)，則可設(shè)計(jì)成輕便、但基本功能具備的微型電火花加工機(jī)床，可作為用于小孔和簡單形狀加工的便攜式電火花加工工具，用于科研和生產(chǎn)中各種難加工材料和難加工型孔的加工。
（2）教學(xué)演示。該微型電火花加工機(jī)床可作為教學(xué)演示的教具，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方式，并通過光、聲、電等信息的處理，可以使學(xué)生了解和感受電火花加工現(xiàn)象和加工過程，對于增加學(xué)生的感性認(rèn)識，并促進(jìn)其創(chuàng)新意識具有積極有效的作用。
（3）小型的科研工具。可以用于科研和生產(chǎn)中各種難加工材料和難加工型孔的加工。
3. 研究方案
3 . 1 機(jī)械部分
圖 1 為最終確定的三維結(jié)構(gòu)，圖 2 為加工出的實(shí)物圖（紅色的油槽尚未制作完成）。采用了導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)分別實(shí)現(xiàn)三個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)電極通過鉆頭夾和電極相連，便于電極和工件之間持續(xù)放電。鉆頭夾可靠夾持范圍是 0.3~4 mm，可以滿足不同尺寸電極的夾持要求。
采用絲杠進(jìn)給，彈簧拉緊式結(jié)構(gòu)，電極始終受到向上的拉力，支撐板上表面始終與球型螺母緊密接觸，消除了回程誤差，提高了伺服進(jìn)給的控制精度。
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沖電源分為兩種形式，分別是 RC 式脈沖電源和晶體管脈沖電源。
圖 1 三軸聯(lián)動(dòng)微型電火花加工機(jī)床三維圖
圖 2 加工機(jī)床實(shí)物圖
本次設(shè)計(jì)擬采用 RC 式脈沖電源。RC 脈沖電源的工作原理非常簡單，原理如圖 3 所示。
圖 3 RC 脈沖電源工作原理圖
其優(yōu)點(diǎn)是加工精度高，工作可靠，裝置簡單 ；其缺點(diǎn)是脈沖參數(shù)受到間隙狀態(tài)制約，加工速度低，電機(jī)損耗大。
3 . 2 . 2 檢測電路
在電火花加工時(shí)，直接測量電極與工件間隙 S 十分困難，一般采用測量放電間隙的電壓來判斷間隙 S的大小。例如，當(dāng)間隙很大時(shí)，放電回路開路，間隙電壓接近脈沖電源的開路電壓 ；當(dāng)間隙過小甚至為零時(shí)，放電回路短路，間隙電壓為 0。間隙 S 與間隙電壓雖不成正比關(guān)系，但具有一定的相關(guān)性。本次設(shè)計(jì)采用平均間隙電壓檢測法，工具電極與工件之間的電壓經(jīng)過差動(dòng)增益環(huán)節(jié)，獲得兩者差值，再經(jīng)過濾波環(huán)節(jié)輸出平均間隙電壓。
本次設(shè)計(jì)擬采用平均電壓測量法，但是傳統(tǒng)的方法無法測量出負(fù)半波對平均電壓的影響，因此可以改進(jìn)為加上帶整流橋的檢測電路，這種改進(jìn)的電路適用于改變工具電極、工件極性的情況。
3 . 2 . 3 主控部分設(shè)計(jì)
本項(xiàng)目采用基于 Cortex-M3 內(nèi)核的 STM32 單片機(jī)作為核心控制芯片。TIM1，TIM3 通用定時(shí)器控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。采用 ADC 功能模塊采集平均間隙電壓，實(shí)現(xiàn)伺服控制。并通過 LCD 顯示屏顯示電壓值。用 Lab VIEW 上位機(jī)繪制加工路徑，并通過串口和單片機(jī)通信，從而控制加工的軌跡。
3 . 2 . 4 各個(gè)模塊之間的布置
各個(gè)模塊之間的布置，如圖 4 所示。
圖 4 模塊布置圖
3 . 2 . 5 三軸聯(lián)動(dòng)加工過程
使用前，調(diào)節(jié) X、Y、Z 軸電機(jī)，使油槽移動(dòng)到合適位置，將工件放在油槽中固定。開始加工，自動(dòng)加工模式下，Z 軸電機(jī)向下緩慢進(jìn)給，當(dāng)電極和工件之間距離合適時(shí)，開始電火花放電加工，通過檢測電路獲得平均間隙電壓，若間隙電壓大于伺服參考電壓，Z 軸快速向下進(jìn)給 ；若間隙電壓小于伺服參考電壓，Z軸向上回退。若兩者基本相等，Z 軸不動(dòng)。極間電壓通過 LCD 顯示屏顯示（顯示的電壓值是實(shí)際電壓以一定比例縮小后的數(shù)值）。手動(dòng)加工模式下，按鍵可以手動(dòng)控制三個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)方向。X，Y 軸不動(dòng)時(shí)為打孔加工狀態(tài)。 通過L a b V I E W 編寫上位機(jī)與單片機(jī)通信，控制 X ， Y 軸連續(xù)運(yùn)動(dòng)，則為銑槽加工狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)沿著設(shè)定的路徑銑槽，見圖 5。
4 .項(xiàng)目特色與創(chuàng)新
圖 5 控制面板示意圖
4 . 1 結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，便于攜帶
本次設(shè)計(jì)采用多模塊化的形式，將多個(gè)功能的單元模塊化，分別做在獨(dú)立的電路板上，最后再布置這幾個(gè)獨(dú)立電路板的空間位置。這樣可以使得機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)緊湊，還有利于故障的檢測與后期維護(hù)。
4 . 2 三軸聯(lián)動(dòng)
實(shí)現(xiàn)了三軸聯(lián)動(dòng)之后，不僅可以打圓孔，還可以切割其他形狀的孔和曲線，而且可以保證它的精度，這在國內(nèi)外微型電火花加工機(jī)床還屬首次。
4 . 3 形象地展現(xiàn)加工狀態(tài)
可以從以下三方面可以了解加工的狀況 ：（1）放大放電聲音 ；（2）放電間隙的平均電壓 ；（3）放電氣泡的發(fā)生狀態(tài)。該微型電火花加工機(jī)床還可作為教學(xué)演示的教具，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方式，并通過光、聲、電等信息的處理，可以使學(xué)生了解和感受電火花加工現(xiàn)象和加工過程，對于增加學(xué)生的感性認(rèn)識，并促進(jìn)其創(chuàng)新意識具有積極有效的作用。
5.項(xiàng)目成果
5 . 1 加工狀態(tài)
圖 6 為工藝性試驗(yàn)的加工狀態(tài)，采用直徑 2 mm紫銅電極加工 0.2 mm 塞尺，可以看到明顯的氣泡和電火花，加工時(shí)間約為 1 min。
圖 6 工藝試驗(yàn)圖
5 . 2 打孔加工
加工條件 ：60 v 電壓經(jīng)過脈沖電源（R=100 Ω，C=1 uf）放電，步進(jìn)電機(jī)細(xì)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(zhuǎn)速度為3 8 r / s 工作液為純凈水加工 0.2 mm 厚的塞尺，加工時(shí)間大約 3 min，如圖 7 所示
5 . 3 直線銑槽加工
圖 7 打孔加工圖
在加工的過程中，通過 Lab VIEW 編寫上位機(jī)程序，與單片機(jī)通信，控制 X,Y 軸連續(xù)運(yùn)動(dòng)，可以三個(gè)方向單獨(dú)進(jìn)給加工，或者三軸同時(shí)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)不同方向的直線加工，如圖 8 所示。
圖 8 銑槽加工圖
5 . 4 數(shù)字、文字雕刻加工
通過指定每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)，進(jìn)行多次直線插補(bǔ)銑槽，還可以加工出文字，簡單的圖形等，如圖 9 所示。
圖 9 數(shù)字、文字雕刻加工圖
投稿箱：
如果您有機(jī)床行業(yè)、企業(yè)相關(guān)新聞稿件發(fā)表，或進(jìn)行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機(jī)床行業(yè)、企業(yè)相關(guān)新聞稿件發(fā)表，或進(jìn)行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相關(guān)信息
業(yè)界視點(diǎn)
| 更多
行業(yè)數(shù)據(jù)
| 更多
- 2025年1月 新能源汽車銷量情況
- 2024年12月 新能源汽車產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年12月 基本型乘用車（轎車）產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年12月 軸承出口情況
- 2024年12月 分地區(qū)金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年12月 金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 分地區(qū)金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 軸承出口情況
- 2024年11月 基本型乘用車（轎車）產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 新能源汽車產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 新能源汽車銷量情況
- 2024年10月 新能源汽車產(chǎn)量數(shù)據(jù)
博文選萃
| 更多
- 機(jī)械加工過程圖示
- 判斷一臺加工中心精度的幾種辦法
- 中走絲線切割機(jī)床的發(fā)展趨勢
- 國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床何去何從？
- 中國的技術(shù)工人都去哪里了？
- 機(jī)械老板做了十多年，為何還是小作坊？
- 機(jī)械行業(yè)最新自殺性營銷，害人害己！不倒閉才
- 制造業(yè)大逃亡
- 智能時(shí)代，少談點(diǎn)智造，多談點(diǎn)制造
- 現(xiàn)實(shí)面前，國人沉默。制造業(yè)的騰飛，要從機(jī)床
- 一文搞懂?dāng)?shù)控車床加工刀具補(bǔ)償功能
- 車床鉆孔攻螺紋加工方法及工裝設(shè)計(jì)
- 傳統(tǒng)鉆削與螺旋銑孔加工工藝的區(qū)別