微細(xì)電火花銑削加工伺服控制及電極運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃研究

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1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文第1章緒論1.1課題的來(lái)源本課題來(lái)源于江蘇省科技支撐計(jì)劃“微細(xì)陣列型腔數(shù)控電火花銑削加工技術(shù)與裝備的研發(fā)”。本課題主要研究微細(xì)電火花銑削加工的伺服控制方法和電極運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)微細(xì)型腔高效高精度的加工。1.2課題研究的背景和意義隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品及關(guān)鍵零件日趨小型化和精密化[1]。傳統(tǒng)的電火花加工很難滿足其尺寸和精度的要求，而微細(xì)電火花加工（Micro-ElectricalDischargeMachining，簡(jiǎn)稱Micro-EDM）通過(guò)微能放電和微細(xì)工具電

2、極實(shí)現(xiàn)工件材料的微量蝕除，可以加工出尺寸較小、質(zhì)量好的工件，因此Micro-EDM技術(shù)倍受科研單位和企業(yè)的關(guān)注。1984年，線電極電火花磨削技術(shù)成功地應(yīng)用于微細(xì)電火花加工，實(shí)現(xiàn)了高精度電極在線穩(wěn)定制作，解決了微細(xì)電極在線制備精度差的問(wèn)題[2]，為Micro-EDM技術(shù)的廣泛應(yīng)用打下基礎(chǔ)。利用這項(xiàng)技術(shù)，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者先后加工制作出直徑小于50μm的微細(xì)電極，并用加工出的微細(xì)電極進(jìn)行打孔試驗(yàn)，制作出符合工業(yè)需求的大深徑比微細(xì)孔和微細(xì)陣列孔[3]。隨著對(duì)Micro-EDM技術(shù)研究的深入，微細(xì)電火花銑削技術(shù)走

3、進(jìn)人們的視野。在進(jìn)行型腔加工時(shí)，微細(xì)電火花銑削加工不需要像電火花成型加工一樣制作復(fù)雜的成型電極，而是直接使用圓柱、方棒等簡(jiǎn)單形狀的微細(xì)電極，借助數(shù)控編程技術(shù)，按照事先根據(jù)型腔規(guī)劃好的加工軌跡進(jìn)行銑削加工[4]，利用電極底面或側(cè)面的放電來(lái)蝕除工件材料，加工出所需要的型腔。微細(xì)電火花銑削技術(shù)具有Micro-EDM技術(shù)的很多優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)機(jī)械銑削應(yīng)力大、電火花成型加工成型電極難制作、加工精度難提高等困難[5]。因此，微細(xì)電火花銑削技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于微模具、微零件、微細(xì)溝槽等的加工制造，對(duì)現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展起

4、到推動(dòng)作用。微細(xì)電火花銑削加工的效率和精度問(wèn)題是亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。由于在微細(xì)電火花銑削加工中脈沖放電能量較小，導(dǎo)致工件材料的去除速率也較小，會(huì)大大降低加工效率，而且在加工過(guò)程中存在著工具電極側(cè)面和底面的損耗，影響加工型腔的精度。工具電極側(cè)面損耗非常復(fù)雜，難于補(bǔ)償。利用分層原理使-1-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文得電極損耗集中于電極底部端面[6]，改善了側(cè)面損耗，使損耗問(wèn)題得以簡(jiǎn)化，但是分層加工不可避免地延長(zhǎng)了加工時(shí)間。由于工具電極的損耗是一個(gè)實(shí)時(shí)的、不斷變化的過(guò)程，不同的加工軌跡會(huì)導(dǎo)致不同的加工狀

5、態(tài)，所以軌跡規(guī)劃直接影響著微細(xì)電火花銑削加工的精度和效率[7]。而影響軌跡規(guī)劃的幾個(gè)重要參數(shù)如放電間隙、分層厚度、電極運(yùn)動(dòng)速度及軌跡重疊率都對(duì)加工精度和加工效率有著重要影響。因此，研究軌跡規(guī)劃及其影響因素對(duì)于提高微細(xì)電火花銑削加工的加工精度和加工效率具有重要意義。同時(shí)，微細(xì)電火花銑削加工的過(guò)程是非常復(fù)雜的，眾多學(xué)者對(duì)放電狀態(tài)檢測(cè)、放電蝕除材料的機(jī)理、伺服控制方法等方面進(jìn)行了深入的研究，目的就是獲得穩(wěn)定的放電狀態(tài)，進(jìn)行高效的加工。由于其放電能量小和采用分層方式加工的特殊性，微細(xì)電火花分層銑削加工的運(yùn)動(dòng)控

6、制包括型腔深度方向上的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)、短路回退運(yùn)動(dòng)和單層平面內(nèi)的掃描運(yùn)動(dòng)，傳統(tǒng)單一的進(jìn)給-回退維持加工間隙的伺服方式不能滿足微細(xì)電火花加工對(duì)加工精度的要求，所以還需要對(duì)微細(xì)電火花加工的伺服控制方法進(jìn)行進(jìn)一步研究。如今，國(guó)外的一些發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)Micro-EDM技術(shù)的研究已經(jīng)比較成熟，具有了先進(jìn)的工業(yè)應(yīng)用技術(shù)，并生產(chǎn)出了很多Micro-EDM機(jī)床，而且有比較成熟的加工工藝，能夠高效加工出精度高、質(zhì)量好的微細(xì)零件，但對(duì)我國(guó)實(shí)行技術(shù)封鎖和禁運(yùn)[8]。國(guó)內(nèi)微細(xì)電火花銑削加工設(shè)備、伺服控制技術(shù)及加工工藝都還不完

7、善，尤其在微細(xì)電火花銑削加工的加工精度和加工效率方面還有很大的提升空間，因此針對(duì)微細(xì)電火花銑削加工伺服控制技術(shù)及微細(xì)電火花加工技術(shù)進(jìn)行研究具有重要意義。1.3微細(xì)電火花加工伺服控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀電火花加工過(guò)程是復(fù)雜瞬變的，經(jīng)典控制理論不能滿足電火花加工的特殊要求。為了改善電火花加工間隙放電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)持續(xù)而穩(wěn)定的放電加工，自適應(yīng)控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)的控制技術(shù)都被應(yīng)用到電火花加工伺服控制中。微細(xì)電火花銑削加工通過(guò)對(duì)加工狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，發(fā)出并響應(yīng)控制指令，以此實(shí)現(xiàn)伺服控制，保持穩(wěn)定、高效

8、的加工。由于Micro-EDM的放電能量小，放電間隙小，導(dǎo)致排屑困難，材料蝕除速率較低，對(duì)伺服控制系統(tǒng)提出了更高的要求。在微細(xì)電火花銑削加工控制系統(tǒng)中采用合適的控制策略，保持加工過(guò)程穩(wěn)定，且能提高加工效率和質(zhì)量，是微細(xì)電火花銑削加工的研究熱點(diǎn)。為了獲得穩(wěn)定良好的火花加工狀態(tài)，保證加工效率，機(jī)床的伺服系統(tǒng)就必須具備以下特點(diǎn)[9]：-2-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文（1）系統(tǒng)精度高M(jìn)icro-EDM用于加工微米級(jí)的孔或是型腔，加工過(guò)程中放電間隙很小，為了能