三轴联动的微型电火花加工机床
2017-7-13 来源：哈尔滨工业大学 作者： 赵小文，李治廷，李柏毅
摘要 ：三轴联动微型电火花加工机床与传统加工技术要比，具有对加工材料适应性强，适合复杂微小的三维结构加工，此外体积小、携带方便，更适合用于小孔和任意形状加工等优点。
关键词 ：三轴联动 ；微型 ；电火花 ；加工
1.项目背景
随着现代工业的发展，机械行业对各种机械设备零件的加工需求量越来越大，对其质量和精度要求也在提高。与传统切削加工方法相比，电火花加工对加工材料的适应性更强，更适合复杂微小三维结构的加工。作为传统切削加工领域的补充，电火花加工在现代生产发挥着不可替代的作用。
在机械加工过程中，丝锥、钻头、绞刀等加工工具很容易折断在工件内部，很难将其取出，这不仅影响了生产效率，还会降低产品质量，甚至导致许多产品报废。目前普遍的解决方法是手工提取或用电火花加工机提取，不仅浪费大量时间，承担运输设备的成本，有时在取折断工具时会导致工件报废，给企业造成很大的经济损失。 利用电火花蚀除原理，用铜棒或铜片做电极，能轻松将断丝锥去除或蚀断。而且不影响工件材质，不破坏原有孔。
一方面，国外目前的微小型机床只能打孔，另一方面，国内目前没有微小型三轴电火花加工机床。本项目希望制作的电火花加工机床能够实现三轴联动，以此来实现沿轮廓轨迹切割金属的功能。我们的目标是，实现卓越未来，智能制造！
2 .研究目标
设计出结构紧凑、轻便的三轴联动微型电火花加工机床，方便携带，可作为用于小孔和任意形状加工的便携式电火花加工工具，用于科研和生产中各种难加工材料和难加工型孔的加工。研究意义在于以下几点 ：
（1）体积小、易携带。通常的电火花加工机床体积和重量较大，但当只用于小件或微小件的加工时，则可设计成轻便、但基本功能具备的微型电火花加工机床，可作为用于小孔和简单形状加工的便携式电火花加工工具，用于科研和生产中各种难加工材料和难加工型孔的加工。
（2）教学演示。该微型电火花加工机床可作为教学演示的教具，实现理论与实践相结合的教学方式，并通过光、声、电等信息的处理，可以使学生了解和感受电火花加工现象和加工过程，对于增加学生的感性认识，并促进其创新意识具有积极有效的作用。
（3）小型的科研工具。可以用于科研和生产中各种难加工材料和难加工型孔的加工。
3. 研究方案
3 . 1 机械部分
图 1 为最终确定的三维结构，图 2 为加工出的实物图（红色的油槽尚未制作完成）。采用了导轨滑块机构分别实现三个轴的运动，旋转电极通过钻头夹和电极相连，便于电极和工件之间持续放电。钻头夹可靠夹持范围是 0.3~4 mm，可以满足不同尺寸电极的夹持要求。
采用丝杠进给，弹簧拉紧式结构，电极始终受到向上的拉力，支撑板上表面始终与球型螺母紧密接触，消除了回程误差，提高了伺服进给的控制精度。
3 . 2 电控部分
3 . 2 . 1 电源主回路部分
常见的电火花加工脉冲电源分为两种形式，分别是 RC 式脉冲电源和晶体管脉冲电源。
图 1 三轴联动微型电火花加工机床三维图
图 2 加工机床实物图
本次设计拟采用 RC 式脉冲电源。RC 脉冲电源的工作原理非常简单，原理如图 3 所示。
图 3 RC 脉冲电源工作原理图
其优点是加工精度高，工作可靠，装置简单 ；其缺点是脉冲参数受到间隙状态制约，加工速度低，电机损耗大。
3 . 2 . 2 检测电路
在电火花加工时，直接测量电极与工件间隙 S 十分困难，一般采用测量放电间隙的电压来判断间隙 S的大小。例如，当间隙很大时，放电回路开路，间隙电压接近脉冲电源的开路电压 ；当间隙过小甚至为零时，放电回路短路，间隙电压为 0。间隙 S 与间隙电压虽不成正比关系，但具有一定的相关性。本次设计采用平均间隙电压检测法，工具电极与工件之间的电压经过差动增益环节，获得两者差值，再经过滤波环节输出平均间隙电压。
本次设计拟采用平均电压测量法，但是传统的方法无法测量出负半波对平均电压的影响，因此可以改进为加上带整流桥的检测电路，这种改进的电路适用于改变工具电极、工件极性的情况。
3 . 2 . 3 主控部分设计
本项目采用基于 Cortex-M3 内核的 STM32 单片机作为核心控制芯片。TIM1，TIM3 通用定时器控制步进电机的运动。采用 ADC 功能模块采集平均间隙电压，实现伺服控制。并通过 LCD 显示屏显示电压值。用 Lab VIEW 上位机绘制加工路径，并通过串口和单片机通信，从而控制加工的轨迹。
3 . 2 . 4 各个模块之间的布置
各个模块之间的布置，如图 4 所示。
图 4 模块布置图
3 . 2 . 5 三轴联动加工过程
使用前，调节 X、Y、Z 轴电机，使油槽移动到合适位置，将工件放在油槽中固定。开始加工，自动加工模式下，Z 轴电机向下缓慢进给，当电极和工件之间距离合适时，开始电火花放电加工，通过检测电路获得平均间隙电压，若间隙电压大于伺服参考电压，Z 轴快速向下进给 ；若间隙电压小于伺服参考电压，Z轴向上回退。若两者基本相等，Z 轴不动。极间电压通过 LCD 显示屏显示（显示的电压值是实际电压以一定比例缩小后的数值）。手动加工模式下，按键可以手动控制三个轴的运动方向。X，Y 轴不动时为打孔加工状态。 通过L a b V I E W 编写上位机与单片机通信，控制 X ， Y 轴连续运动，则为铣槽加工状态，可以实现沿着设定的路径铣槽，见图 5。
4 .项目特色与创新
图 5 控制面板示意图
4 . 1 结构紧凑、体积小，便于携带
本次设计采用多模块化的形式，将多个功能的单元模块化，分别做在独立的电路板上，最后再布置这几个独立电路板的空间位置。这样可以使得机床的整体结构紧凑，还有利于故障的检测与后期维护。
4 . 2 三轴联动
实现了三轴联动之后，不仅可以打圆孔，还可以切割其他形状的孔和曲线，而且可以保证它的精度，这在国内外微型电火花加工机床还属首次。
4 . 3 形象地展现加工状态
可以从以下三方面可以了解加工的状况 ：（1）放大放电声音 ；（2）放电间隙的平均电压 ；（3）放电气泡的发生状态。该微型电火花加工机床还可作为教学演示的教具，实现理论与实践相结合的教学方式，并通过光、声、电等信息的处理，可以使学生了解和感受电火花加工现象和加工过程，对于增加学生的感性认识，并促进其创新意识具有积极有效的作用。
5.项目成果
5 . 1 加工状态
图 6 为工艺性试验的加工状态，采用直径 2 mm紫铜电极加工 0.2 mm 塞尺，可以看到明显的气泡和电火花，加工时间约为 1 min。
图 6 工艺试验图
5 . 2 打孔加工
加工条件 ：60 v 电压经过脉冲电源（R=100 Ω，C=1 uf）放电，步进电机细分 25 000，步距角 1.8°，步长3 um。电极为直径 2 mm 的铜电极，旋转速度为3 8 r / s 工作液为纯净水加工 0.2 mm 厚的塞尺，加工时间大约 3 min，如图 7 所示
5 . 3 直线铣槽加工
图 7 打孔加工图
在加工的过程中，通过 Lab VIEW 编写上位机程序，与单片机通信，控制 X,Y 轴连续运动，可以三个方向单独进给加工，或者三轴同时运动，实现不同方向的直线加工，如图 8 所示。
图 8 铣槽加工图
5 . 4 数字、文字雕刻加工
通过指定每个目标点的坐标，进行多次直线插补铣槽，还可以加工出文字，简单的图形等，如图 9 所示。
图 9 数字、文字雕刻加工图
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