微细电火花铣削加工伺服控制及电极运动轨迹规划研究

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1、哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第1章绪论1.1课题的来源本课题来源于江苏省科技支撑计划“微细阵列型腔数控电火花铣削加工技术与装备的研发”。本课题主要研究微细电火花铣削加工的伺服控制方法和电极运动轨迹的规划，实现微细型腔高效高精度的加工。1.2课题研究的背景和意义随着科技的发展，现代工业产品及关键零件日趋小型化和精密化[1]。传统的电火花加工很难满足其尺寸和精度的要求，而微细电火花加工（Micro-ElectricalDischargeMachining，简称Micro-EDM）通过微能放电和微细工具电

2、极实现工件材料的微量蚀除，可以加工出尺寸较小、质量好的工件，因此Micro-EDM技术倍受科研单位和企业的关注。1984年，线电极电火花磨削技术成功地应用于微细电火花加工，实现了高精度电极在线稳定制作，解决了微细电极在线制备精度差的问题[2]，为Micro-EDM技术的广泛应用打下基础。利用这项技术，国内外专家学者先后加工制作出直径小于50µm的微细电极，并用加工出的微细电极进行打孔试验，制作出符合工业需求的大深径比微细孔和微细阵列孔[3]。随着对Micro-EDM技术研究的深入，微细电火花铣削技术走

3、进人们的视野。在进行型腔加工时，微细电火花铣削加工不需要像电火花成型加工一样制作复杂的成型电极，而是直接使用圆柱、方棒等简单形状的微细电极，借助数控编程技术，按照事先根据型腔规划好的加工轨迹进行铣削加工[4]，利用电极底面或侧面的放电来蚀除工件材料，加工出所需要的型腔。微细电火花铣削技术具有Micro-EDM技术的很多优点，克服了传统机械铣削应力大、电火花成型加工成型电极难制作、加工精度难提高等困难[5]。因此，微细电火花铣削技术被广泛的应用于微模具、微零件、微细沟槽等的加工制造，对现代制造业的发展起

4、到推动作用。微细电火花铣削加工的效率和精度问题是亟待解决的关键问题。由于在微细电火花铣削加工中脉冲放电能量较小，导致工件材料的去除速率也较小，会大大降低加工效率，而且在加工过程中存在着工具电极侧面和底面的损耗，影响加工型腔的精度。工具电极侧面损耗非常复杂，难于补偿。利用分层原理使-1-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文得电极损耗集中于电极底部端面[6]，改善了侧面损耗，使损耗问题得以简化，但是分层加工不可避免地延长了加工时间。由于工具电极的损耗是一个实时的、不断变化的过程，不同的加工轨迹会导致不同的加工状

5、态，所以轨迹规划直接影响着微细电火花铣削加工的精度和效率[7]。而影响轨迹规划的几个重要参数如放电间隙、分层厚度、电极运动速度及轨迹重叠率都对加工精度和加工效率有着重要影响。因此，研究轨迹规划及其影响因素对于提高微细电火花铣削加工的加工精度和加工效率具有重要意义。同时，微细电火花铣削加工的过程是非常复杂的，众多学者对放电状态检测、放电蚀除材料的机理、伺服控制方法等方面进行了深入的研究，目的就是获得稳定的放电状态，进行高效的加工。由于其放电能量小和采用分层方式加工的特殊性，微细电火花分层铣削加工的运动控

6、制包括型腔深度方向上的进给运动、补偿运动、短路回退运动和单层平面内的扫描运动，传统单一的进给-回退维持加工间隙的伺服方式不能满足微细电火花加工对加工精度的要求，所以还需要对微细电火花加工的伺服控制方法进行进一步研究。如今，国外的一些发达国家对Micro-EDM技术的研究已经比较成熟，具有了先进的工业应用技术，并生产出了很多Micro-EDM机床，而且有比较成熟的加工工艺，能够高效加工出精度高、质量好的微细零件，但对我国实行技术封锁和禁运[8]。国内微细电火花铣削加工设备、伺服控制技术及加工工艺都还不完

7、善，尤其在微细电火花铣削加工的加工精度和加工效率方面还有很大的提升空间，因此针对微细电火花铣削加工伺服控制技术及微细电火花加工技术进行研究具有重要意义。1.3微细电火花加工伺服控制技术的研究现状电火花加工过程是复杂瞬变的，经典控制理论不能满足电火花加工的特殊要求。为了改善电火花加工间隙放电状态，实现持续而稳定的放电加工，自适应控制技术、模糊控制技术和神经网络等先进的控制技术都被应用到电火花加工伺服控制中。微细电火花铣削加工通过对加工状态进行实时检测，发出并响应控制指令，以此实现伺服控制，保持稳定、高效

8、的加工。由于Micro-EDM的放电能量小，放电间隙小，导致排屑困难，材料蚀除速率较低，对伺服控制系统提出了更高的要求。在微细电火花铣削加工控制系统中采用合适的控制策略，保持加工过程稳定，且能提高加工效率和质量，是微细电火花铣削加工的研究热点。为了获得稳定良好的火花加工状态，保证加工效率，机床的伺服系统就必须具备以下特点[9]：-2-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文（1）系统精度高Micro-EDM用于加工微米级的孔或是型腔，加工过程中放电间隙很小，为了能