《微细电解加工的过程检测及精度控》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微细电解加工的过程检测及精度控（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、微细电解加工的过程检测及精度控摘要: 超短脉冲微细电解加工时 ,极间加工间隙很小, 加工过程的稳定性是影响加工精 度的重要因素。在所建立的加工控制系统中 , 采用两步短路对刀法精确定位电极初始间隙, 利用霍尔电流传感器实时检测平均加工电流 ,动态控制电极的进给运动速度, 从而保持不同 加工条件下稳定加工的最小加工间隙。进行了微细结构的电解加工试验,通过检测加工过程 的状态,保证了加工的稳定性,实现了线宽只有 25 m 的微细结构加工。关键词:微细电解加工;控制系统;过程检测; 极间间隙1 引言电解加工(electr ochemical machining, ECM)过程中，如果工具电极和工件之
2、间的加工间 隙过小,则电解产物、 电解热等难以排出, 加工电流会发生明显的波动,加工过程变得很不稳 定,最终将跳变到短路状态, 导致工具和工件电极损坏,甚至会毁坏加工电源。因此, 实时检测 加工状态, 维持稳定的加工过程非常重要。加工间隙与加工过程的状态和稳定性密切相关 , 对加工间隙进行检测和控制是提高电解加工精度、 保证加工质量的关键。电解加工的间隙检测技术分为直接采样和间接控制两种。直接采样测量的方法精度高, 但加工过程中需要多次暂停加工以测量间隙,加工效率不高1。间接控制以能够反映间隙变化 的参数为检测控制对象, 如电压、 电流和电导率等,还有采用阴极表面的力信号作为检测对 象的2,
3、3。德国Fri tz- Haber研究所采用纳秒脉冲宽度的微能电源实现了微米尺度的电解加 工,从而使其成为微细加工领域的重要发展方向4。纳秒脉冲微细电解加工的加工间隙只有几 微米,与常规电解加工数百微米或几毫米的加工间隙有显著差别,如采用上述测控方法会产生 很大误差。德国科研人员采用了电化学测试系统的三电极体系,利用参比电极和辅助电极检 测电极电位来控制电化学反应过程, 该试验系统较为复杂,不适于加工应用。本文针对超短脉冲电解加工极间间隙小、 加工过程的稳定性和加工精度难以控制的问 题, 根据微细电解加工的特点及要求 , 构建了微细电解加工的检测及控制系统 , 设计了 LabVIEW 加工控制
4、程序, 采用霍尔电流传感器实时检测加工状态, 保证加工过程的稳定性; 并利用纳秒脉冲电源、酸性电解液以及两步法短路对刀定位等技术,实现了微细结构的电解 加工。2 微细电解加工的检测及控制系统2. 1 加工控制系统构成微米尺度的电解加工与常规电解加工虽然都是利用阳极金属材料的电化学反应 , 实现 工件材料的溶解去除, 但在加工条件、 过程状态以及控制系统方面都有很大区别5。 为实现 加工间隙只有几微米的微细电解加工,对加工设备有严格的要求:机床本体应具有良好的刚性 及隔振性能, 运动进给及安装定位能精确控制, 加工过程可实时在线检测。本研究中采用的 加工设备由机床本体、运动进给、加工电源、电解液
5、循环以及检测和控制系统等部分构成。控制系统是实现这些要求的核心,试验研究中微细电解加工的控制系统如图1 所示。步进电机1步进电机2步进电机3驱动器1编码器1童驱动器2编码器2驱动器3X轴传动环节Y轴传动环节Z轴传动环节PCI-7344多功能控制卡7764WWUMI短路对到电路加工过程检测霍尔电流传感器工具|超短脉冲电源图 1 控制系统示意图工具电极装夹在加工机床的主轴上,由 Z 轴步进电机带动做垂直方向运动。 工件固定 于电解液槽内,安装在工作台上, 工作台由 X、 Y 两台步进电机驱动做平面运动。 为实现 精确微量的进给运动要求, X、Y、Z 三个方向的加工运动采用/ 电机驱动器- 步进电机
6、- 滚 珠丝杠副0 的驱动方式。所使用的两相混合式细分电机驱动器可对控制信号进行1/ 2、1/ 41/ 8、1/16、1/ 32、1/ 64细分。步进电机的步距角为1.8 ,丝杠的导程为1mm。当驱动器的细分模式设置为 1/ 64 时, 进给运动的分辨率即每步进给量为18。11000ym xx= 0.078125 pm360。 64步进电机后端的伸出轴上安装有光电编码器作为位置传感器,可实时反馈运动和速度信 号,并由控制程序及时输出相应指令, 实现进给运动的精确闭环控制。控制系统的硬件主要包 括PC810工控机和NI公司的PCI-7344多功能控制卡、UMI7764接口板以及传感器、继 电器等
7、。此系统充分利用了 PC机的显示器、存储器及处理器，以PCI- 7344控制卡作为核 心，控制卡与外部各种电路之间的D/ A和A/ D信号交流全部通过UMI 7764接口板实现。 PCI- 7344多功能控制卡拥有两个68针的I/ O 口( 68芯数字I/ O和68芯运动I/ O)，包括 电机控制命令模拟量和步进电机输出、 编码器反馈输入、 限位、 零位输入、 断点输出、 触发输入以及模数转换器信号等。在闭环控制模式下, 通过三个光电编码器信号输入通道和 三个12位ADC输入通道来接收位置和速度的反馈信号上述通道也可以用于接收一般用 途的模拟量输入。本系统选用两个模拟量输入分别用于对刀电流和加
8、工电流的采集 , 另外, 该控制卡还具有四个16位的模拟量输出，输出电压为土 10V。利用模拟量的输出信号控制 继电器, 实现短路对刀电路和加工试验电路的切换。选择两个模拟量输出通道分别控制纳秒 脉冲电源和电解液泵的启动( 或停止)。2. 2 加工过程的检测方法减小加工间隙是提高加工精度的主要手段,对于微细电解加工, 其加工间隙要求减小至 几微米。如此小的加工间隙必然造成电解产物很难及时排出,在工具阴极和工件阳极之间极 易发生短路,因此需要实时检测加工过程的状态。利用控制系统调整加工进给速度,维持合适 的微米级加工间隙,就能够保证加工过程的稳定进行。本文采用霍尔电流传感器 CHB- 25NP
9、测量微细电解加工过程中的电流信号, 然后通 过UMI 7764接口板将其传送到PCI- 7344控制卡，实时监测平均加工电流的变化 从而及时 发现加工短路征兆,迅速采取相应措施,防止间隙过小发生火花放电和短路。霍尔电流传感器 具有突出的性能,其主电流回路与电子控制电路隔离,可以测量任意波形的电流和电压, 甚至 可对瞬态峰值进行测量,其副边电路可真实反映原边电流的波形,具有 精度 高、线 性度 好 ( 0 .1% )、频 带宽( 0 100kHz)、 响应快( 1y )、 可靠性高、 过载能力强和不损失被 s 测电路能量等诸多优点。它由原边电路、聚磁环、 霍尔器件、 次级线圈和放大电路等组成,
10、其测量原理如图 2 所示。霍尔器件 放大电路电阻原级线圈图 2 霍尔电流传感器测量原理当原边电流I流过传感器中带气隙的聚磁环时，I产生的原边磁力线集中在聚磁环 pp的气隙周围,内置在磁芯气隙中的霍尔元件可产生和原边磁力线成正比、大小仅为几毫伏的 感应电压，通过后续放大电路可把这个微小信号转变成副边电流I s，并存在以下关系式：I = IN /N（1）pp p s式中， N s 为次级线圈匝数; N 为原级线圈匝数。p当原边电流I变化时，它将产生磁场变化，霍尔元件产生的感应电压也发生相应变化,p最终导致副边电流I大小发生相应的变化。由霍尔电流传感器检测的加工采样电流作为 s反馈信号, 用于控制电
11、极进给动作和电源通断, 从而避免电极短路以及火花放电, 保持稳定 的加工状态。2. 3 加工过程的控制程序笔者以 LabVIEW 软件为工具, 根据 PCI-7344 多功能控制卡的结构、 功用及性能, 设计了结构化的微细电解加工控制程序。可以在控制程序界面完成各种加工参数的设定、运 行方式设定、启停等功能。针对整个系统硬件平台, 控制程序主要实现加工过程电信号和位 置信号数据的采集、 过程控制策略的选择和实施、数据存储显示、数据分析处理及仪器面 板设计。程序主要由虚拟面板（控制与显示）部分、 功能模块（加工零位检测模块、自动进给 加工模块等） 及其连接部分组成,具有运动控制、 数值计算、 实
12、时数据曲线显示等功能。根据加工过程设计, 微细电解加工的控制程序控制流程如图 3所示。电极首先与短路对 刀电源接通,工具电极随主轴垂直向下进给,当它和工件接触时发生短路, 电流产生突变;然后 电极回退5卩m的初始加工间隙；启动电解液泵；利用继电器将对刀电源切换为脉冲微细加工电源，并设置加工深度、进给速度、运动轨迹等加工参数。控制程序通过对X、Y、Z三个步进电机的联动控制,就能够使工具电极和工件进行相对运动,实现三维的加工进给。加 工过程中, 如果加工电流超出稳定加工的电流范围时 , 说明加工状态不正常,应断开电源、暂停加工,电极回退一定的间隙,并调整进给速度继续进给。电极完成加工进给后,脉冲电
13、源和 电解液泵停止, 电极回退至初始位置。图 3 微细电解加工控制流程图加工复杂型腔时, 所需的运动轨迹由圆弧和直线组成,可在 LabVIEW 程序的运动轨迹 数据表中预先设定各关键点和参数, 由控制程序发出运动指令到各轴的步进电机驱动器, 根 据数控插补原理实现复杂轨迹的多轴联动加工。3 微细电解加工试验3. 1 电极的短路对刀微细电解加工开始之前, 需要先确定工具电极和工件之间的相对位置,并控制电极运动 使其达到所需的初始加工间隙。加工过程中,工具电极与工件间距离由初始间隙向平衡间隙 趋近。预留的初始加工间隙应该比平衡间隙大,否则, 在恒电压、 恒速进给的条件下,工件的 溶解速度低于工具电
14、极的进给速度, 加工间隙只能越来越小直至短路。而对于平衡间隙只有 几微米的微细电解加工,设置精确的初始加工间隙更是保证稳定加工的必要条件。因此, 在加 工之前必须实现准确的对刀 6。本文采用接触感知的对刀方法,并设计了液面低于加工区的电解液循环系统 , 由电解液 泵为加工区提供电解液。泵停止工作后, 由于电极之间的加工区低于液面,没有电解液存留, 从而能够实现准确的对刀定位。试验中发现, 当对刀进给速度较高时,电极之间短路接触后, 控制系统检测到电流发生突变, 然后对步进电机发出停止进给指令 ,到步进电机完全停止进 给,会有一定的时间延迟,从而造成干对刀,产生定位误差。而采用很低的对刀进给速度
15、则又会 影响对刀的效率,因此本文通过试验研究了干对刀定位精度与工具电极对刀进给速度的关系 首先,以每秒 1 步( 1 步=5/ 64 m )的进给速度进行精确对刀检测, 所确定的短路接触位置 为参考零点。然后采用不同进给速度对刀, 每种速度连续进行 20 次重复对刀试验以测定其 定位误差。根据对试验结果的分析, 我们提出两步对刀法:先采用每秒 70 50 步的进给速度进行 粗对刀,再采用每秒5 步的进给速度进行精对刀就可以在提高对刀效率的同时保证较高的定 位精度。对刀进给速度不应高于每秒 100 步, 否则在步进电机停止之前微细电极将被工件碰 弯, 无法进行加工。3. 2 加工过程的状态检测微
16、细电解加工需要采用低压超短脉冲电源,以抑制电化学杂散腐蚀, 提高加工的定域性, 保证微米级的加工精度。由于脉冲电源频率太高( MHz 级) ,瞬时加工电流随着脉冲电路的充 放电不断变化, 对加工电流的实时采样非常困难, 而且采样信号也不能真实反映加工状态。 从整个加工过程来看, 平均加工电流基本稳定,也便于实时监测,所以试验中以平均电流作为 检测对象。当工件的溶解速度低于工具的进给速度时, 加工间隙不断减小, 电解液电阻变小, 加工电流逐渐上升;当加工间隙过小时, 电解产物、电解热等难以排出,稳定性变得越来越差, 加工电流开始发生明显的波动,如果不采取措施,电流波动会越来越大直至跳变到短路状态。 因此,实时监测平均加工电流,调整加工的进给速度,可以
