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三軸聯動的微型電火花加工機床

2017-7-13 來源：哈爾濱工業大學作者：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術要比，具有對加工材料適應性強，適合復雜微小的三維結構加工，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點。

關鍵詞：三軸聯動；微型；電火花；加工

1.項目背景

隨著現代工業的發展，機械行業對各種機械設備零件的加工需求量越來越大，對其質量和精度要求也在提高。與傳統切削加工方法相比，電火花加工對加工材料的適應性更強，更適合復雜微小三維結構的加工。作為傳統切削加工領域的補充，電火花加工在現代生產發揮著不可替代的作用。

在機械加工過程中，絲錐、鉆頭、絞刀等加工工具很容易折斷在工件內部，很難將其取出，這不僅影響了生產效率，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加工機提取，不僅浪費大量時間，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，不破壞原有孔。

一方面，國外目前的微小型機床只能打孔，另一方面，國內目前沒有微小型三軸電火花加工機床。本項目希望制作的電火花加工機床能夠實現三軸聯動，以此來實現沿輪廓軌跡切割金屬的功能。我們的目標是，實現卓越未來，智能制造！

2 .研究目標

設計出結構緊湊、輕便的三軸聯動微型電火花加工機床，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：

（1）體積小、易攜帶。通常的電火花加工機床體積和重量較大，但當只用于小件或微小件的加工時，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，用于科研和生產中各種難加工材料和難加工型孔的加工。

（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，并通過光、聲、電等信息的處理，可以使學生了解和感受電火花加工現象和加工過程，對于增加學生的感性認識，并促進其創新意識具有積極有效的作用。

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

3. 研究方案

3 . 1 機械部分

圖 1 為最終確定的三維結構，圖 2 為加工出的實物圖（紅色的油槽尚未制作完成）。采用了導軌滑塊機構分別實現三個軸的運動，旋轉電極通過鉆頭夾和電極相連，便于電極和工件之間持續放電。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。

采用絲杠進給，彈簧拉緊式結構，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

其優點是加工精度高，工作可靠，裝置簡單；其缺點是脈沖參數受到間隙狀態制約，加工速度低，電機損耗大。

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，一般采用測量放電間隙的電壓來判斷間隙 S的大小。例如，當間隙很大時，放電回路開路，間隙電壓接近脈沖電源的開路電壓；當間隙過小甚至為零時，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系，但具有一定的相關性。本次設計采用平均間隙電壓檢測法，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，再經過濾波環節輸出平均間隙電壓。

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

3 . 2 . 3 主控部分設計

本項目采用基于 Cortex-M3 內核的 STM32 單片機作為核心控制芯片。TIM1，TIM3 通用定時器控制步進電機的運動。采用 ADC 功能模塊采集平均間隙電壓，實現伺服控制。并通過 LCD 顯示屏顯示電壓值。用 Lab VIEW 上位機繪制加工路徑，并通過串口和單片機通信，從而控制加工的軌跡。

3 . 2 . 4 各個模塊之間的布置

各個模塊之間的布置，如圖 4 所示。

圖 4 模塊布置圖

3 . 2 . 5 三軸聯動加工過程

使用前，調節 X、Y、Z 軸電機，使油槽移動到合適位置，將工件放在油槽中固定。開始加工，自動加工模式下，Z 軸電機向下緩慢進給，當電極和工件之間距離合適時，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。極間電壓通過 LCD 顯示屏顯示（顯示的電壓值是實際電壓以一定比例縮小后的數值）。手動加工模式下，按鍵可以手動控制三個軸的運動方向。X，Y 軸不動時為打孔加工狀態。通過L a b V I E W 編寫上位機與單片機通信，控制 X ， Y 軸連續運動，則為銑槽加工狀態，可以實現沿著設定的路徑銑槽，見圖 5。

4 .項目特色與創新

圖 5 控制面板示意圖

4 . 1 結構緊湊、體積小，便于攜帶

本次設計采用多模塊化的形式，將多個功能的單元模塊化，分別做在獨立的電路板上，最后再布置這幾個獨立電路板的空間位置。這樣可以使得機床的整體結構緊湊，還有利于故障的檢測與后期維護。

4 . 2 三軸聯動

實現了三軸聯動之后，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

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）放電氣泡的發生狀態。該微型電火花加工機床還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，并通過光、聲、電等信息的處理，可以使學生了解和感受電火花加工現象和加工過程，對于增加學生的感性認識，并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狀態，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，加工時間約為 1 min。