阅读说明：本技术 一种微细超声复合电解加工系统 (Fine ultrasonic composite electrolytic machining system ) 是由 朱永伟 陈湾湾 李晶 于 2020-07-30 设计创作，主要内容包括：一种微细超声复合电解加工系统,涉及特种加工和微细加工包括：工具头、运动系统、超声发生系统、控制单元、脉冲电源以及电解液循环系统,另外还包括数字示波器和工业相机等加工状态监测装置。所述运动系统包括X轴进给机构、Y轴进给机构、Z轴进给机构,所述X轴进给机构上布置Y轴进给机构,所述电解液循环系统布置于Y轴进给机构上,所述电解液循环系统由X轴进给机构、Y轴进给机构进行X向、Y向调节；所述工具头安装于Z轴进给机构,由Z轴进给机构对工具头进行Z向调节。本发明定位精度高,进给平稳低速,伺服响应快,实时检测间隙状态,脉冲电源和超声振动与主轴伺服同步控制,工件及夹具与运动台体绝缘,操作空间大,关键部件耐腐蚀,具有实用性。(A micro-ultrasonic composite electrolytic machining system relates to special machining and micro-machining and comprises: the ultrasonic processing device comprises a tool head, a motion system, an ultrasonic generation system, a control unit, a pulse power supply, an electrolyte circulating system, a digital oscilloscope, an industrial camera and other processing state monitoring devices. The movement system comprises an X-axis feeding mechanism, a Y-axis feeding mechanism and a Z-axis feeding mechanism, the Y-axis feeding mechanism is arranged on the X-axis feeding mechanism, the electrolyte circulating system is arranged on the Y-axis feeding mechanism, and the X-axis feeding mechanism and the Y-axis feeding mechanism are used for adjusting the electrolyte circulating system in the X direction and the Y direction; the tool head is arranged on the Z-axis feeding mechanism, and the Z-axis feeding mechanism is used for adjusting the tool head in the Z direction. The invention has the advantages of high positioning precision, stable and low feeding speed, quick servo response, real-time gap state detection, synchronous control of the pulse power supply, ultrasonic vibration and main shaft servo, insulation of the workpiece and the clamp and the motion table body, large operation space, corrosion resistance of key parts and practicability.)

一种微细超声复合电解加工系统

技术领域

本发明涉及特种加工和微细加工，特别涉及一种微细超声复合电解加工系统。

背景技术

在现代工业中，微型化、精细化装备发挥着越来越重要的作用，对精微制造有愈来愈迫切的特殊需求。目前具有微细结构的精密零件被广泛用于在汽车、生物医学、精密仪器、航天航空等领域。在此趋势下，微细结构的加工需求量日益增大。相较而言，微细电解加工工艺以离子形式去除工件材料，原理上可实现微米，、亚微米级精度。具有不受材料机械性能限制，加工表面完整性好，尺寸在线可控等优势。但是由于电解加工采用电化学反应溶解金属材料，在针对特殊材料加工效率，加工定域性和尺寸、形状精度、加工间隙检测与控制等方面还存在诸多问题。

发明内容

为解决现有技术中的存在问题，本发明设计一种微细超声复合电解加工系统，满足背景技术中存在的问题和需求。

一种微细超声复合电解加工系统，包括：工具头、运动系统、超声发生系统、控制单元（电气控制系统及控制软件）、脉冲电源以及电解液循环系统，另外还包括数字示波器和工业相机等加工状态监测装置。所述运动系统包括X轴进给机构、Y轴进给机构、Z轴进给机构，所述X轴进给机构上布置Y轴进给机构，所述电解液循环系统布置于Y轴进给机构上，所述电解液循环系统由X轴进给机构、Y轴进给机构进行X向、Y向调节；所述工具头安装于Z轴进给机构，由Z轴进给机构对工具头进行Z向调节。

进一步地，所述运动系统可实现二维X-Y平面运动，同时Z轴采用“粗动+精动”复合结构；

进一步地，所述运动系统中，Z轴进给机构中Z轴粗动部分采用“步进电机+滚珠丝杠”构成开环系统，提供较大运动范围内的粗定位，主要用于工具电极装夹准备；精动部分固连在粗动部分之上，采用伺服电机驱动高精度滚珠丝杠，其中内置高分辨率光栅尺构成闭环系统。

进一步地，所述超声发生系统采用部分耦合式的非接触电能传输系统，同时采用原、副边非完全对称式的结构。

进一步地，所述超声发生系统具有电学补偿系统，采用原边补偿、副边不补偿方法。

所述电气控制系统采用可编程多轴运动控制卡为控制系统的核心，相关信息指令的传递通过总线与工控机相连。

所述电解加工系统中，脉冲电源采用双路MOSFET管产生加工产生高频窄脉冲电源，最小脉宽100ns，最大电流5A，且脉冲参数可在线连续调整。

所述一种微细超声复合电解加工系统，配备数字示波器用于实时显示工件—电解液—工具电极回路中的电压信号，采用CCD工业相机用作图像检测。

本发明具有如下功能和特点：定位精度高，进给平稳低速，伺服响应快，实时检测间隙状态，脉冲电源和超声振动与主轴伺服同步控制，工件及夹具与运动台体绝缘，操作空间大，关键部件耐腐蚀，具有实用性。

附图说明

图1为加工系统主要组成示意图；

图2为加工系统非接触电能传输系统电学模型示意图；

图3为加工系统的部分耦合式电能传输系统的结构图（mm）；

图4为加工系统的部分耦合式补偿后电压电流波形图；

图5为加工系统超声集成刀柄的整体机械结构；

图6为加工系统电气控制单元结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，一种微细超声复合电解加工系统包括：机械及运动系统、超声发生系统、控制单元（电气控制系统及控制软件）、脉冲电源以及电解液循环系统，另外还包括数字示波器和工业相机等加工状态监测装置。

在运动单元中，X-Y轴的平面运动（X轴进给机构、Y轴进给机构）由电控整***移平台实现，采用交叉滚柱导轨。运动分辨率最小可达1um，配合控制单元对运动执行机构的闭环控制，其定位精度为±2um，重复定位精度约±1.5um。

在Z轴方向上，采用“粗动+精动”复合结构，进一步提高定位精度。Z_cu轴粗动部分采用“步进电机+滚珠丝杠”构成开环系统，提供较大运动范围内的粗定位，主要用于工具电极装夹准备以及加工尺度变化较大的工件，在微细加工中该轴被锁定；Z_xi轴精动部分固连在粗动部分之上，采用伺服电机驱动，其中内置高分辨率光栅尺构成闭环系统。Z_xi轴运动由伺服电机带动高精度滚珠丝杠执行，其运动分辨率为1.5um，光电编码器反馈运动信号实现闭环运动控制，定位精度为±1.5um。高速旋转主轴和专用夹具装夹在Z_xi轴上，针对不同的加工对象，两个主轴机构可在运动机构上在位切换使用。

所设计加工系统复合超声加工单元，超声加工单元中超声振动系统是主要部分，其中主要部件包括超声波发生器、非接触电能传输系统、超声换能器、超声变幅杆以及超声刀具等。当系统工作时，超声波发生器输出超声频的电信号从而为超声换能器的工作提供电能，非接触电能传输系统则通过非接触电能传输的方式将其传输给压电式超声换能器，使得压电换能器可以在旋转的刀柄中平稳工作，压电超声换能器将电能转换为机械能，输出超声频的机械振动，该机械振动通过超声变幅杆的传递和进一步放大，最终在刀具的端部输出大振幅的超声频机械振动，使刀具能够对工件进行旋转超声加工。

本发明所设计超声发生系统采用部分耦合式的非接触电能传输系统，且为了达到超声刀柄能够自动换刀的目标，将部分耦合式电能传输系统设计为部分对称的结构，即原边线圈为部分环形结构，副边线圈为完整环形结构，且两者间的截面对称。其中非接触电能传输系统电学模型如图2所示，所设计部分耦合式电能传输系统的结构尺寸如图3所示。所设计线圈中的导线选用具有一定耐温性能的铜漆包线，线圈骨架作为铜导线的支撑结构，材料需要满足无电磁屏蔽效应、不导电、足够好的刚度和耐热性能等条件，根据上述要求选用环氧树脂作为线圈骨架的材料。磁芯材料选用软磁性材料锰锌铁氧体作为磁芯材料，选用型号为DMR90的铁氧体。考虑当非接触电能传输系统工作过程非谐振状态，本发明设计对超声振动系统的等效电学网络进行电学补偿，以提升超声换能器的输出振幅使其满足旋转超声加工的要求，补偿后的超声振动系统在较小的电压激励下，输出较大的振幅，补偿后电流和电压波形如图4所示。电源电压与原边电流同相位，系统处于电学谐振状态，且超声振子两端的电压和流经超声振子的电流近似同相位，满足加工系统的要求。

所设计非接触超声系统主要由静止和旋转两大部分构成：静止部分主要包括超声波发生器，原边补偿电路，原边线圈、磁芯及支架。其中，超声波发生器和原边补偿电路放置于机床床身之外，原边线圈、磁芯及支架固定在加长轴上，原边线圈通过原边补偿电路与超声波发生器相接。旋转部分即为超声集成刀柄，主要分为三个部分：

1）副边线圈、磁芯及支架。副边与原边进行电磁耦合，副边线圈通过导线与换能器连接。

2）超声换能器、变幅杆及刀具。这部分是机械振动的发生源和传输线。

3）具有标准连接形式的刀柄壳体。刀柄结构可与机床主轴进行连接，壳体主要起到连接、支撑和保护电、机部件的作用。本发明中根据对超声振动系统和非接触电能传输系统的研究，考虑与刀柄连接的机床加长轴的端面结构和尺寸，选用BBT30型刀柄作为参考，设计非标连接形式，选取变幅杆的第一处理论振幅为0的节面，采用螺纹压块，对变幅杆进行固定，且设计采用了阶梯形变幅杆。最终设计整体机械结构如图5所示。

所设计的一种微细超声复合电解加工系统电解加工系统中，电解液使用NaNO3，质量分数5%。电解电源采用双路MOSFET管产生加工产生高频窄脉冲电源，最小脉宽100ns，最大电流5A，且脉冲参数可在线连续调整；通过运动控制卡的串行接口可在线控制其输出脉冲参数。

在加工过程中，电气控制系统采用可编程多轴运动控制卡为控制系统的核心，相关信息指令的传递通过总线与工控机相连。电气控制系统中的工控机作为上位操作机主要负责图形化的人机交互，工控机采用性能稳定的Windows操作系统，定时与运动控制卡通讯进行数据传输，实现加工参数设置、状态及坐标显示以及加工过程动态仿真等实时性要求不高的任务。

运动控制卡作为下位机同时负责多轴电机速度和位置控制、轨迹插补、加工间隙状态检测与控制、脉冲电源同步控制以及超声振动等实时性要求高的任务。控制及运动程序从工控机下载到运动控制卡的存储器以后，运动控制卡中的高速数字信号处理器(DSP或FPGA)与工控机并行运行，在极短时间内完成一次循环扫描并迅速作出判断并输出相对应指令，确保控制的实时性。加工系统电气控制过程如图6所示。

运动控制卡集成了一定数量的A/D模数转换接口和DI/DO数字量输入输出接口用于其他设备的控制和通讯。控制程序通过A/D接口实时测量加工过程中的极间电压和加工电流，通过接口检测脉冲电源的状态，根据电压和电流判断间隙内加工状态是否正常，进行主轴伺服控制，并通过IO接口控制脉冲电源输出通断与主轴运动同步。工控机通过运动控制卡的IO接口驱动继电器，控制电解液系统。

加工过程中，为了实时显示工件-电解液-工具电极回路中的电压信号，使用数字示波器，所设计加工系统中，选定数字示波器带宽为2GHz，且可使用时间选通FFT功能进行混合域分析。图像检测装置采用CCD工业相机最高分辨率为2456×2058，采用数字I/O接口控制，与其配套的工业放大镜头放大倍数为0.7—4.5倍。图像检测装置可不仅可实时显示电解加工状态，并具有在线测量和确定加工工具头初始位置等功能。