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一种多功能微细电火花铣削加工装置

阅读：947发布：2020-05-12

专利汇可以提供一种多功能微细电火花铣削加工装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种多功能微细电火花铣削加工装置，所述加工装置包括机床、产生加工能量的混合式微能脉冲电源、提供放电介质的工作液循环系统、磨削超细工具电极的线电极磨削系统、视频监测系统，以及与以上各部分相连的控制系统。本发明中的四轴三联动结构能够实现复杂三维轨迹插补，混合式微能脉冲电源可以通过控制系统的参数设置实现放电参数的大范围调节和稳定放电，可以实现不同加工效率和加工精度的更多选择；线电极磨削系统可实现电极丝的张力设定、恒速运行，视频监测系统可实现工件、电极的在位测量和辅助观察。本发明中的数控系统既实现了电火花加工的伺服进给自适应控制特殊功能，又具备了完备的通用数控功能和操作方式。，下面是一种多功能微细电火花铣削加工装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种多功能微细电火花铣削加工装置，其特征在于：所述的加工装置包括机床本体、产生加工能量的混合式微能脉冲电源、提供放电介质的工作液循环系统（9）、磨削超细工具电极的线电极磨削系统（2）、视频监测系统、控制系统的控制柜（1）；混合式微能脉冲电源（112）置于控制柜（1）内；混合式微能脉冲电源经电缆与机床本体相连，工作液循环系统（9）经管路与机床本体相连，线电极磨削系统（2）、视频监测系统均与机床本体相连接；混合式微能脉冲电源、工作液循环系统（9）、线电极磨削系统（2）、视频监测系统均经控制电缆与控制系统相连接；
所述的机床本体的下部为一个“L”型基座（8），Y轴直线平台（7）固定在基座（8）的水平面内并与基座（8）相连，X轴直线平台（6）置于Y轴直线平台（7）的滑板上，在基座（8）水平面内垂直于Y轴直线平台（7）并与Y轴直线平台（7）的滑板连接；工作液槽（10）叠放在X轴直线平台（6）的滑板上与X轴直线平台（6）的滑板相连；X轴直线平台（6）与Y轴直线平台（7）用于实现平面内的联动，带动工作液槽10在平面上移动；在基座（8）的立柱上固定连接有Z轴直线平台（11），主轴（3）固定连接在Z轴直线平台（11）的滑板上；所述X轴直线平台（6）、Y轴直线平台（7）、Z轴直线平台及主轴（3）分别经控制电缆与控制系统相连；
所述的混合式微能脉冲电源为两级限脉宽的精密放电加工脉冲电源；混合式微能脉冲电源中的可调稳压电源E1，限流电阻阵列R1~Rn，前级场效应管Q1和放电电极正极P+顺序电连接；后级场效应管Q2与前级场效应管Q1串联电连接，与正负放电两电极P+、P-并联电连接，两级场效应管被高频反相驱动，分别控制输出放电脉冲的上升沿和下降沿，用于实现两级限脉宽；
所述的工作液循环系统（9）包括油箱（907）、油泵（905）、电机（909）、精过滤器（903）、网式过滤器（906）、粗过滤器（910）、溢流阀（904）、单向阀（902）、二位二通电磁阀（901）、可调节流阀（911）、供液管（912）、排液控制阀（914）、工作液槽（913）；油泵（905）与电机（909）相连；油箱（907）、网式过滤器（906）、油泵（905）、溢流阀（904）、精过滤器（903）、单向阀（902）、二位二通电磁阀（901）、可调节流阀（911）、供液管（912）通过管路依次连接；工作液由供液管（912）进入工作液槽（913）；油箱（907）、粗过滤器（910）、排液控制阀（914）、工作液槽（913）通过管路依次连接；工作液槽（913）与机床本体通过管路进行连接；二位二通电磁阀（901）、电机（909）分别与控制系统相连。
2.根据权利要求1所述的一种多功能微细电火花铣削加工装置，其特征在于：所述的线电极磨削系统（2）固定在一个支撑板上，线电极磨削系统（2）包括送丝轮（201）、收丝轮（206）、平衡轮（207）以及数个导轮；电极丝由线圈（204）引出，经导向轮（203）和红宝石棒（202）引导在送丝轮（201）的牵引下经过平衡轮（207），通过数个导轮引导后，电极丝穿过“L”型基座立柱上的矩形孔后，经过磨削头和导轮（205），由收丝轮（206）拉动电极丝以恒定的速度运行；送丝轮（201）和收丝轮（206）均与驱动电机相连，驱动电机与控制系统相连。
3.根据权利要求1所述的一种多功能微细电火花铣削加工装置，其特征在于：所述的视频监测系统包括在位视频测量系统（4）和辅助观察系统（5）；所述视频测量系统包括高变焦比、高解析率视频显微镜、同轴照明系统、物镜I、图像采集卡I；所述辅助观察系统包括连续变焦视频系统、物镜II、转接器、图像采集卡II；图像采集卡I和图像采集卡II分别与控制系统相连。
4.根据权利要求1所述的一种多功能微细电火花铣削加工装置，其特征在于：所述控制系统包括上位控制计算机（101）、基于DSP的多轴运动控制器（102）、I/O 接口板（103）以及开放式数控软件；运动控制器（102）通过PCI、ISA或USB与工业控制计算机（101）相连接；置于控制柜内1的X轴直线平台驱动系统（107）、Y轴直线平台驱动系统（108）、Z轴直线平台驱动系统（109）、送丝电机驱动系统（105）、收丝电机驱动系统（106）分别与运动控制器相连接，并由运动控制器进行精确的定位控制；视频测量系统（4）、辅助观察系统（5）与工业控制计算机（101）相连接；混合式微能脉冲电源（112）与工业控制计算机（101）相连接从其获得脉冲参数，并反馈相关的状态给工业控制计算机（101）；工作液循环系统（9）与I/O接口板（103）相连接，数字开关信号用于实现工作液供液方式和启停控制；开放式数控软件包括运行在上位控制计算机（101）上的上位控制软件和运行在运动控制器（102）上的下位控制软件；上位控制软件用于实现人机交互，下位软件用于实现对机床的实时控制和逻辑控制。

说明书全文

一种多功能微细电火花铣削加工装置

技术领域

[0001] 本发明属于特种微细加工领域，具体涉及一种多功能微细电火花铣削加工装置。本发明能够实现微小、复杂三维导电零件的放电铣削加工。

背景技术

[0002] 随着科学技术的发展，各种微型机械、微机电系统的不断涌现，出现了大量的带有微小孔和复杂微三维结构型腔的微小零件。这些结构复杂的微小零件的出现，给微细加工技术提出了更高的要求。由于微细电火花加工技术因具有非接触加工、无宏观切削力、材料适用范围广等特点而在微小尺度工件加工领域有着无可比拟的优越性，对其需求也相应地越来越迫切。因此在国防安全、航空航天、生物科技、信息通讯、模具制造等很多领域显示出了广阔的应用前景，如MEMS技术微传感器、微执行器、微驱动器的制造。

[0003] 微细电火花加工技术就是基于脉冲电源正、负电极之间高频释放电能，从而产生瞬间的高温、高压，可熔化甚至气化零件的微小局部材料，达到对零件进行精密微细去除加工的目的。因此其加工性能主要取决于机床的结构、精度、脉冲电源的单次放电能量等因素。目前国内的一些研究机构设计的装置功能非常有限，如单脉冲放电能量不够小、机床进给精度达不到微米级、多轴联动功能不完备、不具备线电极磨削功能、不具备在位精密测量功能，难于实现微小、复杂零件的加工，这就大大限制了微细电火花加工的应用范围。本发明提交了一种多功能微细电火花铣削加工装置，结构合理、功能完备，可以解决这一问题。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种多功能微细电火花铣削加工装置。

[0005] 为解决上述问题，本发明提出的方案为：

[0006] 本发明的多功能微细电火花铣削加工装置，其特点是，所述的加工装置包括机床本体、产生加工能量的混合式微能脉冲电源、提供放电介质的工作液循环系统、磨削超细工具电极的线电极磨削系统、视频监测系统，控制系统的控制柜，混合式微能脉冲电源置于控制柜内。混合式微能脉冲电源经电缆与机床本体相连，工作液循环系统经管路与机床本体相连，线电极磨削系统、视频监测系统分别与机床本体相连接；混合式微能脉冲电源、工作液循环系统、线电极磨削系统、视频监测系统分别经控制电缆与控制系统相连接。

[0007] 所述的机床本体的最下面是一个“L”型基座，Y轴直线平台固定在基座的水平面内并与基座相连，X轴直线平台置于Y轴直线平台的滑板上，在基座水平面内垂直于Y轴直线平台并与Y轴直线平台的滑板连接。工作液槽叠放在X轴直线平台的滑板上与X轴的直线平台滑板相连；X轴直线平台与Y轴直线平台用于实现平面内的联动，带动工作液槽在平面上移动。在基座的立柱上固定连接有Z轴直线平台，主轴固定连接在Z轴直线平台的滑板上，实现工具电极的上下运动和高速旋转。所述X轴直线平台、Y轴直线平台、Z轴直线平台及主轴分别经控制电缆与控制系统相连。

[0008] 所述的混合式微能脉冲电源为两级限脉宽的精密放电加工脉冲电源；混合式微能脉冲电源中的可调稳压电源E1，限流电阻阵列R1~Rn，前级场效应管Q1和放电电极正极P+顺序电连接；后级场效应管Q2与前级场效应管Q1串联电连接，与正负放电两电极P+、P-并联电连接，两级场效应管被高频反相驱动，分别控制输出放电脉冲的上升沿和下降沿，用于实现两级限脉宽。

[0009] 所述工作液循环系统，包括油箱、油泵、电机、精过滤器、网式过滤器、粗过滤器、溢流阀、单向阀、二位二通电磁阀、可调节流阀、供液管、排液控制阀、工作液槽；油泵与电机相连；油箱、网式过滤器、油泵、溢流阀、精过滤器、单向阀、二位二通电磁阀、可调节流阀、供液管通过管路依次连接；工作液由供液管进入工作液槽；油箱、粗过滤器、排液控制阀、工作液槽通过管路依次连接；工作液槽与机床本体通过管路进行连接；工作液经过过滤器，由油泵从油箱中泵出，依次经过溢流阀、单向阀、二位二通电磁阀、可调节流阀，然后把工作液加入到工作液槽中，工作液槽中的工作液经过排液控制阀返回油箱中，经过过滤进行重复使用；二位二通电磁阀、电机分别与控制系统相连。

[0010] 所述线电极磨削系统固定在一个支撑板上，线电极磨削系统包括送丝轮、收丝轮、平衡轮以及若干导轮；电极丝的运行过程为：电极丝由线圈引出，经导向轮和红宝石棒引导在送丝轮的牵引下运行，然后经过平衡轮，通过数个导轮引导后，电极丝穿过实验装置“L”型基座立柱上的矩形孔后，经过磨削头和导轮，由收丝轮拉动电极丝以恒定的速度运行，电极丝不重复使用；送丝轮和收丝轮均与驱动电机相连，驱动电机与控制系统相连。收丝轮的速度决定了电极丝的走丝速度，可以根据需要由控制系统任意设定，送丝轮的速度由控制系统基于模糊控制理论进行控制，平衡轮的重量和位置决定了电极丝的张力，其位置由霍尔元件进行检测，检测结果作为送丝轮速度控制的依据。

[0011] 所述视频监测系统包括用于在位视频测量系统和辅助观察系统两部分；所述视频测量系统包括高变焦比、高解析率视频显微镜、同轴照明系统、物镜I、图像采集卡I；所述辅助观察系统包括连续变焦视频系统、物镜II、转接器、图像采集卡II；图像采集卡I和图像采集卡II分别与控制系统相连。视频测量系统得到的图象经过图像采集卡进入计算机，经过自主开发的图像处理软件处理，可以测量得到被测对象的尺寸；辅助观察系统得到的图象经过图像采集卡进入计算机，直接显示在计算机屏幕上，供操作者对加工区域的微小部位进行观察。

[0012] 所述控制系统，包括上位控制计算机、基于DSP的多轴运动控制器、I/O 接口板以及开放式数控软件；运动控制器通过PCI、ISA或USB与工业控制计算机相连接；置于控制柜内的X轴直线平台驱动系统、Y轴直线平台驱动系统、Z轴直线平台驱动系统、以及送丝电机驱动系统、收丝电机驱动系统均与运动控制器相连接，并由运动控制器进行精确的定位控制；视频测量系统、辅助观察系统与工业控制计算机相连接；微能脉冲电源与工业控制计算机相连接从其获得脉冲参数，并反馈相关的状态给工业控制计算机；混合式微能脉冲电源的放电状态通过I/O接口板反馈给运动控制器，运动控制器根据反馈的放电状态进行机床的进给状态自适应控制，以保证正常加工过程的进行；工作液循环系统与I/O接口板相连接，由数字开关信号实现工作液供液方式和启停控制；开放式数控软件包括运行在上位控制计算机上的上位控制软件和运行在运动控制器上的下位控制软件；上位控制软件实现人机交互，下位软件实现对机床的实时控制和逻辑控制。

[0013] 本发明的一种多功能微细电火花铣削加工装置，能够实现复杂三维形状工件加工；该装置具有“L”型固定基座，X轴直线平台、Y轴直线平台在水平面内二维联动，Z轴直线平台实现高度方向的运动，高速高精度主轴随Z轴直线平台上下运动，X轴直线平台、Y轴直线平台、Z轴直线平台和主轴构成四轴三联动的方式实现三维轨迹插补；线电极磨削系统实现了电极丝的恒速、恒张力控制，从而可以制作20微米以内的工具电极；混合式微能脉冲电源可以通过控制系统的参数设置实现放电参数的大范围调节和稳定放电，可以实现不同加工效率和加工精度的更多选择；通过混合式微能脉冲电源对放电状态的检测，配合“短路快速回退、开路进给、正常放电进给保持”的控制策略，实现了电火花加工的伺服进给自适应控制特殊功能，又具备了完备的通用数控功能和操作方式，确保了更高的加工效率、加工稳定性、工件和工具电极的安全。附图说明

[0014] 图1为本发明的多功能微细电火花铣削加工装置的结构示意图；

[0015] 图2为本发明中的机床本体结构示意图；

[0016] 图3为本发明中的两级限脉宽的精密放电加工脉冲电源主电路连接图；

[0017] 图4为本发明中的工作液循环系统示意图；

[0018] 图5为本发明中的线电极磨削系统示意图；

[0019] 图6为本发明中的控制系统示意图；

[0020] 图7为本发明中的伺服进给自适应控制流程图。

具体实施方式

[0021] 下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

[0022] 图1为本发明的多功能微细电火花铣削加工装置的结构示意图、图2为本发明中的机床本体结构示意图、图3为本发明中的两级限脉宽的精密放电加工脉冲电源主电路连接图、图4为本发明中的工作液循环系统示意图、图5为本发明中的线电极磨削系统示意图、图6为本发明中的控制系统示意图。

[0023] 在图1-图6中，本发明的多功能微细电火花铣削加工装置包括机床本体、“L”型大理石基座8、X轴直线平台6、Y轴直线平台7、Z轴直线平台11和主轴3、提供放电介质的工作液循环系统9、磨削超细工具电极的线电极磨削系统2、视频监测系统、控制系统的控制柜1、置于控制柜1内产生加工能量的混合式微能脉冲电源112。混合式微能脉冲电源112经电缆与机床本体相连，工作液循环系统9经管路与机床本体相连，线电极磨削系统2、视频监测系统分别与机床本体相连接；混合式微能脉冲电源、工作液循环系统9、线电极磨削系统2、视频监测系统分别经控制电缆与控制系统相连接。

[0024] 如图2所示，所述的机床本体最下面是一个“L”型基座8，Y轴直线平台7固定在基座的水平面内并与基座8相连，X轴直线平台6置于Y轴直线平台7的滑板上，在基座8水平面内垂直于Y轴直线平台7并与Y轴直线平台的滑板连接。工作液槽10叠放在X轴直线平台6的滑板上与X轴直线平台6的滑板相连；X轴直线平台6与Y轴直线平台7用于实现平面内的联动，带动工作液槽10在平面上移动，相应地就实现了固定在工作液槽10内的工件、反拷块在平面上行程范围内的任意移动。在基座8的立柱上固定连接有Z轴直线平台11，主轴3固定连接在Z轴直线平台11的滑板上，实现工具电极的上下运动和高速旋转。所述X轴直线平台6、Y轴直线平台7、Z轴直线平台11及主轴3分别经控制电缆与控制系统相连。

[0025] 如图3所示，所述的混合式微能脉冲电源为两级限脉宽的精密放电加工脉冲电源；混合式微能脉冲电源中的可调稳压电源E1，限流电阻阵列R1~Rn，前级场效应管Q1和放电电极正极P+顺序电连接；后级场效应管Q2与前级场效应管Q1串联电连接，与正负放电两电极P+、P-并联电连接，两级场效应管被高频反相驱动，分别控制输出放电脉冲的上升沿和下降沿，用于实现两级限脉宽，限制输出脉宽最小达到60纳秒，从而输出最小放电能-7量达10 焦耳量级的微能放电脉冲。

[0026] 如图4所示，所述工作液循环系统，包括油箱907、油泵905、电机909、精过滤器903、网式过滤器906、粗过滤器910、溢流阀904、单向阀902、二位二通电磁阀901、可调节流阀911、供液管912、排液控制阀914、工作液槽913；油泵905与电机909相连；油箱907、网式过滤器906、油泵905、溢流阀904、精过滤器903、单向阀902、二位二通电磁阀901、可调节流阀911、供液管912通过管路依次连接；工作液由供液管912进入工作液槽913；油箱907、粗过滤器910、排液控制阀914、工作液槽913由管路依次连接；工作液槽913与机床本体通过管路进行连接；工作液经过过滤器，通过油泵905从油箱907中泵出，依次经过溢流阀904、单向阀902、二位二通电磁阀901、可调节流阀911，然后把工作液加入到工作液槽中，工作液槽中的工作液经过排液控制阀914返回油箱中，经过过滤进行重复使用；二位二通电磁阀901、电机909分别与控制系统相连。

[0027] 如图5所示，所述线电极磨削系统固定在一个支撑板上，线电极磨削系统包括送丝轮201、收丝轮206、平衡轮207以及若干导轮；电极丝的运行过程为：电极丝由线圈204引出，经导向轮203和红宝石棒202引导在送丝轮201的牵引下前进，然后经过平衡轮207，在本实施例中，共设置有六个导轮，导论208为其中一个，通过六个结构相同的导轮引导后，电极丝穿过实验装置“L”型基座立柱上的矩形孔后，经过磨削头和导轮205，由收丝轮206拉动电极丝以恒定的速度前进，电极丝不重复使用；送丝轮201和收丝轮206均与电机驱动相连，驱动电机与控制系统相连。收丝轮206的速度决定了电极丝的走丝速度，可以根据需要由控制系统任意设定，送丝轮201的速度由控制系统基于模糊控制理论进行控制，平衡轮207的重量和位置决定了电极丝的张力，其位置由霍尔元件进行检测，检测结果作为送丝轮速度控制的依据。

[0028] 所述视频监测系统包括在位视频测量系统4和辅助观察系统5两部分；所述视频测量系统包括高变焦比、高解析率视频显微镜、同轴照明系统、物镜I、图像采集卡I；所述辅助观察系统包括连续变焦视频系统、物镜II、转接器、图像采集卡II；图像采集卡I和图像采集卡II分别与控制系统相连。视频测量系统得到的图象经过图像采集卡I进入计算机，经过自主开发的图像处理软件处理，可以测量得到被测对象的尺寸；辅助观察系统得到的图象经过图像采集卡II进入计算机，直接显示在计算机屏幕上，供操作者对加工区域的微小部位进行观察。

[0029] 如图6所示，所述控制系统，包括上位控制计算机101、基于DSP的多轴运动控制器102、I/O接口板103以及开放式数控软件；运动控制器102通过PCI、ISA或USB与工业控制计算机101相连接；置于控制柜内的X轴驱动系统107、Y轴驱动系统108、Z轴驱动系统
109、以及送丝电机驱动系统105、收丝电机驱动系统106均与运动控制器102相连接，并由运动控制器102进行精确的定位控制；视频测量系统4、辅助观察系统5与工业控制计算机
101相连接；混合式微能脉冲电源112与工业控制计算机101相连接从其获得脉冲参数，并反馈相关的状态给工业控制计算机101；混合式微能脉冲电源112的放电状态通过I/O接口板103反馈给运动控制器102，运动控制器102根据反馈的放电状态进行机床的进给状态自适应控制，以保证正常加工过程的进行；工作液循环系统9与I/O接口板103相连接，由数字开关信号实现工作液供液方式和启停控制；开放式数控软件包括运行在上位控制计算机101上的上位控制软件和运行在运动控制器102上的下位控制软件；上位控制软件实现人机交互，下位软件实现对机床的实时控制和逻辑控制。

[0030] 图7为本发明中的伺服进给自适应控制流程图，本发明中的混合式微能脉冲电源的放电状态通过I/O接口板103反馈给运动控制器102，运动控制器根据反馈的放电状态进行加工装置的进给状态自适应控制，其控制流程如图7所示，开始加工后，经步骤701、步骤702到判断步骤703，如果放电状态为短路，则由步骤706、步骤707至判断步骤709，如果放电状态为正常放电，则由步骤708至判断步骤709，如果放电状态为开路，则由步骤704、步骤705至判断步骤709；到判断步骤709之后，如果未加工完成，则返回判断步骤703，否则经步骤710完成加工。

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