三軸聯(lián)動的微型電火花加工機(jī)床

趙小文，李治廷，李柏毅

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

三軸聯(lián)動的微型電火花加工機(jī)床

趙小文，李治廷，李柏毅

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

三軸聯(lián)動微型電火花加工機(jī)床與傳統(tǒng)加工技術(shù)要比，具有對加工材料適應(yīng)性強(qiáng)，適合復(fù)雜微小的三維結(jié)構(gòu)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(yōu)點(diǎn)。

三軸聯(lián)動；微型；電火花；加工

1 項(xiàng)目背景

編者按：2015年9月20日，首屆“薩馳杯”智能科技創(chuàng)新大賽決賽在蘇州大學(xué)敬賢堂成功舉辦。大賽由薩馳華辰機(jī)械（蘇州）有限公司主辦，中國石油和化工勘察設(shè)計(jì)協(xié)會橡膠塑料設(shè)計(jì)專業(yè)委員會、中國橡膠工業(yè)協(xié)會機(jī)械模具分會、《橡塑技術(shù)與裝備》雜志社、上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院、東南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院、蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院、青島科技大學(xué)、西門子工廠自動化工程有限公司及羅克韋爾自動化（中國）有限公司共同協(xié)辦。

為共同促進(jìn)我國科技教育多元化，實(shí)現(xiàn)中國制造2025的中長期目標(biāo)提供有力的支持，促進(jìn)企業(yè)文化活躍橡塑行業(yè)科技文化事業(yè)發(fā)展。本刊將分期連續(xù)選登參賽作品，以供業(yè)內(nèi)人士全方位、寬領(lǐng)域了解科技發(fā)展動態(tài)。

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，機(jī)械行業(yè)對各種機(jī)械設(shè)備零件的加工需求量越來越大，對其質(zhì)量和精度要求也在提高。與傳統(tǒng)切削加工方法相比，電火花加工對加工材料的適應(yīng)性更強(qiáng)，更適合復(fù)雜微小三維結(jié)構(gòu)的加工。作為傳統(tǒng)切削加工領(lǐng)域的補(bǔ)充，電火花加工在現(xiàn)代生產(chǎn)發(fā)揮著不可替代的作用。

在機(jī)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(nèi)部，很難將其取出，這不僅影響了生產(chǎn)效率，還會降低產(chǎn)品質(zhì)量，甚至導(dǎo)致許多產(chǎn)品報(bào)廢。目前普遍的解決方法是手工提取或用電火花加工機(jī)提取，不僅浪費(fèi)大量時(shí)間，承擔(dān)運(yùn)輸設(shè)備的成本，有時(shí)在取折斷工具時(shí)會導(dǎo)致工件報(bào)廢，給企業(yè)造成很大的經(jīng)濟(jì)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(zhì)，不破壞原有孔。

一方面，國外目前的微小型機(jī)床只能打孔，另一方面，國內(nèi)目前沒有微小型三軸電火花加工機(jī)床。本項(xiàng)目希望制作的電火花加工機(jī)床能夠?qū)崿F(xiàn)三軸聯(lián)動，以此來實(shí)現(xiàn)沿輪廓軌跡切割金屬的功能。我們的目標(biāo)是，實(shí)現(xiàn)卓越未來，智能制造！

2 研究目標(biāo)

設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)緊湊、輕便的三軸聯(lián)動微型電火花加工機(jī)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(chǎn)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(diǎn)：

（1）體積小、易攜帶。通常的電火花加工機(jī)床體積和重量較大，但當(dāng)只用于小件或微小件的加工時(shí)，則可設(shè)計(jì)成輕便、但基本功能具備的微型電火花加工機(jī)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(chǎn)中各種難加工材料和難加工型孔的加工。

（2）教學(xué)演示。該微型電火花加工機(jī)床可作為教學(xué)演示的教具，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方式，并通過光、聲、電等信息的處理，可以使學(xué)生了解和感受電火花加工現(xiàn)象和加工過程，對于增加學(xué)生的感性認(rèn)識，并促進(jìn)其創(chuàng)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(chǎn)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(jī)械部分

圖1為最終確定的三維結(jié)構(gòu)，圖2為加工出的實(shí)物圖（紅色的油槽尚未制作完成）。采用了導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)分別實(shí)現(xiàn)三個(gè)軸的運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)電極通過鉆頭夾和電極相連，便于電極和工件之間持續(xù)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(jìn)給，彈簧拉緊式結(jié)構(gòu)，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(jìn)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(lián)動微型電火花加工機(jī)床三維圖

圖2 加工機(jī)床實(shí)物圖

本次設(shè)計(jì)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(yōu)點(diǎn)是加工精度高，工作可靠，裝置簡單；其缺點(diǎn)是脈沖參數(shù)受到間隙狀態(tài)制約，加工速度低，電機(jī)損耗大。

3.2.2 檢測電路

在電火花加工時(shí)，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(dāng)間隙很大時(shí)，放電回路開路，間隙電壓接近脈沖電源的開路電壓；當(dāng)間隙過小甚至為零時(shí)，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(guān)系，但具有一定的相關(guān)性。本次設(shè)計(jì)采用平均間隙電壓檢測法，工具電極與工件之間的電壓經(jīng)過差動增益環(huán)節(jié)，獲得兩者差值，再經(jīng)過濾波環(huán)節(jié)輸出平均間隙電壓。

本次設(shè)計(jì)擬采用平均電壓測量法，但是傳統(tǒng)的方法無法測量出負(fù)半波對平均電壓的影響，因此可以改進(jìn)為加上帶整流橋的檢測電路，這種改進(jìn)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(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32單片機(jī)作為核心控制芯片。TIM1，TIM3通用定時(shí)器控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動。采用ADC功能模塊采集平均間隙電壓，實(shí)現(xiàn)伺服控制。并通過LCD顯示屏顯示電壓值。用LabVIEW上位機(jī)繪制加工路徑，并通過串口和單片機(jī)通信，從而控制加工的軌跡。

3.2.4 各個(gè)模塊之間的布置

各個(gè)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(lián)動加工過程

使用前，調(diào)節(jié)X、Y、Z軸電機(jī)，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(jī)向下緩慢進(jìn)給，當(dāng)電極和工件之間距離合適時(shí)，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(jìn)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(shí)際電壓以一定比例縮小后的數(shù)值）。

手動加工模式下，按鍵可以手動控制三個(gè)軸的運(yùn)動方向。X，Y軸不動時(shí)為打孔加工狀態(tài)。通過LabVIEW編寫上位機(jī)與單片機(jī)通信，控制X，Y軸連續(xù)運(yùn)動，則為銑槽加工狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)沿著設(shè)定的路徑銑槽，見圖5。

4 項(xiàng)目特色與創(chuàng)新

圖5 控制面板示意圖

4.1 結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，便于攜帶

本次設(shè)計(jì)采用多模塊化的形式，將多個(gè)功能的單元模塊化，分別做在獨(dú)立的電路板上，最后再布置這幾個(gè)獨(dú)立電路板的空間位置。這樣可以使得機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)緊湊，還有利于故障的檢測與后期維護(hù)。

4.2 三軸聯(lián)動

實(shí)現(xiàn)了三軸聯(lián)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(nèi)外微型電火花加工機(jī)床還屬首次。

4.3 形象地展現(xiàn)加工狀態(tài)

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(fā)生狀態(tài)。

該微型電火花加工機(jī)床還可作為教學(xué)演示的教具，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方式，并通過光、聲、電等信息的處理，可以使學(xué)生了解和感受電火花加工現(xiàn)象和加工過程，對于增加學(xué)生的感性認(rèn)識，并促進(jìn)其創(chuàng)新意識具有積極有效的作用。

5 項(xiàng)目成果

5.1 加工狀態(tài)

圖6為工藝性試驗(yàn)的加工狀態(tài)，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(shí)間約為1 min。

圖6 工藝試驗(yàn)圖

5.2 打孔加工

加工條件：60 v電壓經(jīng)過脈沖電源（R=100 Ω，C=1 uf）放電，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分25 000，步距角1.8°，步長3 um。電極為直徑2 mm的銅電極，旋轉(zhuǎn)速度為38 r/s工作液為純凈水

加工0.2 mm厚的塞尺，加工時(shí)間大約3 min，如圖7所示

5.3 直線銑槽加工

圖7 打孔加工圖

在加工的過程中，通過LabVIEW編寫上位機(jī)程序，與單片機(jī)通信，控制X，Y軸連續(xù)運(yùn)動，可以三個(gè)方向單獨(dú)進(jìn)給加工，或者三軸同時(shí)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)不同方向的直線加工，如圖8所示。

圖8 銑槽加工圖

5.4 數(shù)字、文字雕刻加工

通過指定每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)，進(jìn)行多次直線插補(bǔ)銑槽，還可以加工出文字，簡單的圖形等，如圖9所示。

圖9 數(shù)字、文字雕刻加工圖

［1］ 劉志東，高長水. 電火花加工工藝及應(yīng)用［M］. 北京：國防工業(yè)出版社，2010.

［2］ 郭潔民. 電火花加工技術(shù)問答［M］. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

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［5］ 白基成，郭永豐，劉晉春. 特種加工技術(shù)［M］. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

［6］ 周旭東，劉汀，梁新. 數(shù)控及電加工技術(shù)［M］. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2009.

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［8］ 盧存?zhèn)? 電火花加工工藝學(xué)［M］. 北京：國防工業(yè)出版社，1988.

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（R-03）

玉米”變身“輪胎” 新型催化劑為生物基材料發(fā)展鋪平道路

美國華盛頓大學(xué)特聘教授WangYong教授表示為了降低對環(huán)境影響和迎合可持續(xù)發(fā)展新規(guī)，化學(xué)工業(yè)正逐漸擺脫化石能源并轉(zhuǎn)向發(fā)展生物基產(chǎn)品。

從塑料汽水瓶到汽車輪胎，異丁烯幾乎無處不在，通常這種產(chǎn)品通過原油裂解制備。但是，在同阿徹丹尼-爾斯米德蘭（ADM）公司的合作中，Wang和他的同事開發(fā)了一種可以通過一步簡單制備步驟將來源于玉米或者其他生物質(zhì)的生物乙醇轉(zhuǎn)化為異丁烯的催化劑。

研究人員測試了他們所開發(fā)的催化劑的成本和壽命，以確定其市場實(shí)用性以及其在其他相關(guān)原料中應(yīng)用的可行性。他們還發(fā)現(xiàn)了該催化劑工作的機(jī)理，這為設(shè)計(jì)用途更廣泛、更高效的催化劑打下基礎(chǔ)。

除了ADM外，這項(xiàng)工作得到了美國能源部（DEAC05-RL01830，F(xiàn)WP-47319）的基金支持。

同時(shí)也是美國能源部太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室兼職研究人員的Wang說，這是一個(gè)典型的例子，它得益于通過將應(yīng)用研究與基礎(chǔ)研究緊密結(jié)合來發(fā)展具有可擴(kuò)展性和商業(yè)化的重要工業(yè)應(yīng)用催化劑。

該工作以全文的形式發(fā)表在the Journal of the American Chemical Society ，并被授予了美國專利。

本刊摘編自“高分子科學(xué)前沿”

（R-01）

Micro EDM machine tool with three-axis linkage

TQ330.43

1009-797X（2016）01-0069-04

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.01.013

趙小文（1995-），男，就讀于哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院飛行器制造工程專業(yè)，參加過多次創(chuàng)新大賽。

2015-10-26