三维微细电解加工装备的研制与开发

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 2007年 10月 第 35卷 第 10期 机床与液压 MACH INE TOOL & HYDRAUL ICS Oct12007 Vol135 No110 三维微细电解加工装备的研制与开发 3 莫秉华 1 , 郭钟宁 1 , 梁嘉豪 1 , 刘江文 2 , 韩子平 1 (11广东工业大学机电工程学院 , 广州 510090; 21香港理工大学工业与系统工程系 , 香港 ) 摘要 : 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 开发了一台微细电解加工装置。该装置采用龙门固定式结构 , 具有高精密的压电陶瓷微动工作台 , 可通过 CCD观察整个加工过程 ; 在宏微结合的驱动控制下 , 可进行各种微细孔、微细轴以及复杂微细结构的高精度微细电解加 工。 关键词 : 微细电解 ; 宏微驱动 中图分类号 : TG662　　文献标识码 : A　　文章编号 : 1001 - 3881 (2007) 10 - 037 - 4 The D evelopm en t of Three2d im en siona l Electrochem ica l Genera ting M icromach in ing Equ ipm en t MO B inghua1 , GUO Zhongning1 , L IANG J iahao1 , L IU J iangwen2 , HAN Zip ing1 (11Faculty of Electromechanical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510090, China; 21Department of Industrial and Systems Engineering, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong, China) Abstract: A set of experimental equipment was developed for the purpose of three2dimensional electrochem ical m icromachining ( EMM ) research. In this setup, a stiff portal frame is adop ted, p iezoelectric ceram ic m icro2positioning worktable is emp loyed, and the whole p rocess can be observed by CCD device. Many EMM experiments, such as m icro2hole, m icro2shaft and m icro2structure, were performed by macro /m icro dual2drive control. Keywords: Electrochem ical machining ( EMM ) ; Macro /m icro dual2drive 0　引言 随着科学技术的不断发展 , 许多领域诸如医学、 生物工程、机械工程、电工电子以及航空航天等 , 对 微细器械的需求越来越大。微机电系统 (MEMS: M i2 cro Electro Mechanical System ) 已经成为机电领域内 研究和发展的热点 , 如何实现复杂微细零件和微细结 构的高效低成本加工已经成为加工业面临的新挑战。 然而 , 目前一些传统的微细加工技术 , 在加工微细零 件或结构时 , 常遭遇工具损耗、工件材料特性改变、 工具和工件热变形等问题 , 使得加工难以顺利进行 ; 而电解加工以其非接触、无变形、低损耗的特征得到 了多方面的关注 , 从加工机理上讲 , 控制加工条件 , 选择适当的加工参数 , 可望实现以离子数量级对材料 进行加工 [ 1 - 2 ]。因此 , 把电解加工引入到三维微细加 工领域的加工方法值得我们进一步研究。 笔者研制开发了一台微细电解加工试验用装置。 该装置采用龙门固定式结构 , 具有高精密旋转的电主 轴 , 在自主开发的宏微结合的驱动控制下 , 可进行各 种微细结构的电解加工试验。 1　装备结构设计 为实现三维空间上电极对工件的加工 , 本装备必 须包含 X、Y、Z三个方向上的直线运动系统 ; 同时 具有旋转主轴 , 带动工具电极 (或工件 ) 作高精度 旋转 ; 另外还应具有通电装置、电解液供给系统等辅 助装置。装备要求具有较高的运动精度和运作平稳 性。 111　布局选择 由于微细电解加工对象的尺寸在几微米到几毫米 之间 , 因此水平工作台、电主轴等运动部件精度必须 控制在数微米以内 , 整机运作要求平稳可靠。在总体 结构选择上 , 我们分别比较了立柱式、悬臂式、龙门 固定式和龙门移动式等几种布局 [ 3 ] ; 分析表明 , 龙门 固定式 (即龙门架固定在底座上 , Z向运动工作台安 装在龙门架上 , XY水平工作台安装在装备底座上 ) 结构刚性好 , 装备布局紧凑 , 电主轴产生的倾覆力矩 小 , 适合小型、高精度的加工装备。 112　水平进给机构 水平进给机构将带动电解液槽以及安装其上的工 件或者工具电极 , 产生 X和 Y两个方向的水平运动。 考虑到单纯的滚珠丝杠螺母副精度和我们的装备要求 仍有差距 , 我们在水平工作台上添加了微位移器件 , 以宏微结合的驱动方式来保证水平进给精度。 11211　水平宏进给机构 目前滚珠丝杠螺母副制造技术成熟 , 具有精度 高、效率高、寿命长、磨损系数小、结构紧凑等特 点 , 适合作为宏进给机构。这里我们采用了南京 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 装配厂制造的 SZH0505型数控十字工作台 , 精度为 P3级 , 其主要参数如表 1所示。3 基金项目 : 广州市科技 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 项目 (2004Z3 - D0051) ; 广东省科技计划项目 (2005B10201016) © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 表 1　十字数控工作台的主要参数 行程 / (mm ×mm) 丝杠导程 /mm 重复定位 精度 /μm 定位精度 /μm X Y直角 度 /μm 台面尺寸 / (mm ×mm) 50 ×50 4 5 15 15 154 ×140 　　十字工作台采用步进电机驱动。这里选用北京斯 达特 17HS101型两相混合式步进电机 , 最大输出转 矩为 0135N·m。驱动器为 SH22H042Mb, 具有五细分 功能 , 最小输出步距为 01045°, 结合宏运动工作台 , 理论上每脉冲输出最小位移为 015μm。 11212　微位移驱动机构 目前常用的微位移技术有机械式、电致式、电磁 式、压电式、电热式等 , 很多都能达到微米甚至纳米 级的定位精度以及纳米级的分辨率 , 在众多精密仪器 中得到广泛的应用。其中压电式微位移驱动机构 , 采 用压电陶瓷作为驱动元件 , 具有体积小、位移分辨率 极高、响应速度快、不发热、采用相对简单的电压控 制方式、位移重复性好等优点 , 非常适合用于精密工 作台的补偿、精密机械加工中的微进给及微调机构 [ 3 ]。 本设备的微位移驱动机构采用中国电子科技集团 二十六研究所设计生产的 WDT22D250精密微定位工 作台。它采用压电陶瓷驱动 , 具有二维独立的位移输 出功能 , 响应快、运动精度较高 , 而且其驱动电源通 过 D /A转换器可以实现计算机的自动控制。表 2是 其主要的技术参数。 表 2　压电陶瓷微动工作台主要参数 行程 / (μm ×μm) 位移分辨 率 /μm 重复定位 精度 /μm 最大驱 动力 /N 最大承载 / kg 工作电压 /V 250 ×250 0105 015 20 5 0～200 11213　宏微复合驱动 图 1　宏微复合驱动原理 宏微复合驱动的运动 过程如图 1所示。加工时 , 先由压电陶瓷微动工作台 作高精度的微量进给 ; 当 其达到满行程而加工又未 结束时 , 微动工作台将回 退到初始设定状态 , 由宏 驱动机构 (滚珠丝杠副 ) 补偿其回退的位移 ; 然后 微动工作台在初始状态下继续进给 , 以此循环。这 样 , 加工的位移将累计 , 直到加工结束为止。当加工 过程中发生短路时 , 微动工作台将以预先设好的保护 位移进行回退 , 从而避免了工具和工件的损伤。 113　垂直进给机构 垂直进给机构的作用是带动旋转主轴做垂直运 动 , 即带动工具电极 (或工件 ) 做 Z 向进给运动。 与水平宏运动工作台所不同的是 , 垂直进给工作台要 求重量尽量轻 , 以减小对机架造成的倾覆力矩。本工 作台采用北京集科生产的 01TS102型方导轨电动平移 台 , 为铝合金底座 , 大大减轻了重量 ; 采用台湾 H IW IN的导轨和滚珠丝杠螺母副 , 精度高。工作台的 其它相关参数如表 3所示。 表 3　垂直工作台主要参数 行程 /mm 丝杠导程 /mm 重复定位 精度 /μm 定位精度 /μm 单轴直线 度 /μm 台面尺寸 / (mm ×mm) 100 4 5 10 10 120 ×120 　　此工作台中丝杆的负载基本不变 , 所以负载转矩 基本不变 , 其摩擦力矩 T为 : T = ( TF + TP ) ×u (1) 其中 : u为伺服电动机至丝杆的传动比 , 因为该系统丝 杆与电机直联 , 所以取值为 1; TF 为外加载荷产生的摩 擦力矩; TP 为滚珠丝杠螺母副预加载荷 FP 产生的预紧 力矩。其计算公式如下 : TF = Fmax Ph 2πη TP = FP Ph 2π 1 -η2 η2 (2) 式中 : Fmax为滚珠丝杆副上的最大轴向载荷 , 跟据其 所驱动的旋转主轴系统 , 重量为 50N; Ph 为滚珠丝杆副的导程 , 4mm; η为滚珠丝杆副的机械效率 , 取 019; FP 为滚珠丝杠螺母副预加载荷 , FP = 13 Fm ax。 根据计算得 : TF = 0105N·m, TP = 0101N·m, 则 T = 0106N·m。另外 , 本进给机构所需的加工速度和 进给速度都不大 , 因此其加速转矩很小 , 可忽略 ; 估 计其它元件的摩擦力矩折算到电机上 , 总力矩 T总 不 超过 011N·m。因此 , 竖直方向工作台选用四通 42BYG250B, 其最大输出转矩为 0143N·m, 可满足要 求 ; 驱动器为雷赛 M420, 最大细分数为 125, 采用 最大细分步进驱动本工作台 , 理论上一步最小输出位 移为 0116μm。 114　旋转主轴 旋转主轴的作用是带动工具电极 (或工件 ) 高 精度旋转 , 以促进加工过程中电解液的更新和电解产 物的排除 , 并配合完成在线电极制作。本设计采用电 主轴单元作为旋转主轴。电主轴由内装式电动机直接 驱动 , 它把电机到主轴的传动链缩短为 0, 结构简 单、回转精度高、运行稳定 ; 电机由变频器驱动 , 主 轴转速可在大范围内连续调整 [ 4 ]。这里采用无锡开源 机床集团的 D62D24型电主轴 , 采用油脂润滑 , 水冷 却 , 其主要参数如表 4所示。 表 4　电主轴参数 最高转速 / ( r·m in - 1 ) 功率 /W 频率 /Hz 装夹刀头 /mm 外形尺寸 /mm 重量 / kg 24 000 400 400 <3～<7 <58 ×178 315 ·83· 机床与液压 第 35卷 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 　　本装置采用石墨电刷对电主轴的转子通电 , 然后 使所夹持的工具电极 (或工件 ) 带电。为避免整个 主轴单元带电对电机的运作造成影响 , 我们把原电主 轴的滚珠钢球轴承更换成陶瓷球轴承 , 同时将电刷安 装在绝缘的电刷座内。这样既保证了电主轴的精度 , 又使得在电主轴通电后 , 只会在电机的转子上过电 , 定子不带电 , 不会对电机的运转带来影响。 115　装备底座 装备底座起支承龙门架、水平驱动机构以及观测 装置的作用 , 它的性能将影响装备的稳定与精度。花 岗石具有非常好的稳定性 , 加工后基本无内应力 , 导 热系数和热膨胀系数小 ; 它的阻尼系数比钢大 15倍 , 吸振性好 , 能抵抗一般酸、碱性气体和溶液的侵蚀 , 在精密仪器中得到了广泛的应用。在这里 , 笔者采用 厚度 80mm花岗石作为底座。 116　供液系统 供液系统的作用是给加工区域供给电解液 , 并将 加工后的电解液收集 , 回流到电解液箱 , 循环使用。 供液系统主要包括供液箱、电解液泵、喷嘴、电解工 作台、水管、回液箱、电解液过滤网等。这里我们采 用滴注式供液方式 , 所采用的喷嘴的内径为<110mm。 117　观测装置 图 2　结构示意图 图 3　微细电解加工装备 　　由于微细电解加工的工件尺寸比较小 ( 1mm以 内 ) , 用肉眼难以观察加工过程 , 因此本装备配备了 观测装置 , 将加工过程的图像放大 , 在显示器中实时 显示。观测装置由连续变倍单筒放大镜、CCD摄像 头、视频采集卡、显示器等组成。 图 2为本装备的整体结构图 , 图 3为装备装配完 成后的实物照片。 2　控制系统的开发 本装备的宏运动机构由步进电机驱动 , 微动机构 由压电陶瓷驱动 , 控制系统主要是对以上两者进行控 制 , 使它们能带滚珠丝杠螺母副工作台和微动工作台 按要求进给 , 满足微细电解加工的需要。 控制系统的硬件以计算机为核心 ; 采用运动控制 卡控制步进电机的运动 ; D /A转换器控制压电陶瓷 微动工作台驱动电压的变化 , 实现对微运动的控制 ; 数据采集卡检测加工电压信号 , 用于监测加工过程 ; 采用 VB610作为控制系统的开发工具。 装备的控制系统的总体结构如图 4所示 , 在 VB 中分别用程序实现了各部分结构的控制。该系统可实 现对刀、单轴驱动控制、两轴联动控制、宏微复合控 制等功能 , 并可根据加工实验需要以及加工过程中统 计到的短路次数实时改变相关的加工参数。 图 4　控制系统 ·93·第 10期 莫秉华 等 : 三维微细电解加工装备的研制与开发 　　　 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 3　微细电解加工实验 实验在室温下进行 , 电解液采用 6%的 NaNO3 , 滴注式供给 ; 加工峰值电压为 6V, 脉宽为 8μs, 占 空比为 015, 电主轴的回转速度为 1 200 r/m in; 短路 电压门槛值为 414V, 短路回退量为 10μm。 311　微细轴的加工 本实验以一个厚 5mm的铜块为工具电极 , 直径 1mm的合金钢圆棒为工件 , 加工时工件只作旋转运 动 , 而工具电极则由水平工作台带动向工件进给 , 运 动方向如图 5 ( a)所示。加工结果如图 5 ( b)所示 , 轴 的圆度较好 , 直径约为 180μm, 长约 2mm。 图 5　块电极加工微细轴 312　微结构的加工 采用直径 0125mm的硬质合金钢钻头作为工具电 极 , 加工条件同前。加工结果如图 6所示 , 方型突台 顶面尺寸约为 500μm ×500μm, 高约 600μm; 圆台的 直径约为 500μm, 高为 450μm, 周围方形槽的面积 为 115mm ×115mm。由图可以看出 , 加工轮廓清晰 , 形状精度高。 图 6　微细电解加工的微结构 4　结论 设计并制作了一台微细电解加工装备。该装备 采用龙门式结构 , 刚度高 , 稳定性好 ; 采用宏微复 合的驱动机构 , 运动范围大 , 定位精度、分辨率 高。 自行开发的宏微结合的控制系统 , 以计算机为核 心 , 采用运动控制卡控制宏运动 , D /A转换器控制 微运动 , 配合自主设计的 VB610控制平台 , 可进行 各种微零件和微结构的电解加工实验。 参考文献 【1】M1Kock, V1Kirchner, R1Schuster1 Electrochem ical m i2 cromachining with ultrashort voltage pulses—a versatile method with lithographical p recision [ J ] 1Electrochim ica Acta, 2003, 48: 3213 - 32191 【2】Rolf Schuster, V iola Kirchner, Philippe A llongue, Ger2 hard Ertl1Electrochem icalM icromachining [ J ] 1Science, 2000, 289 (7) 1 【3】李庆祥 , 王东生 , 李玉和 1现代精密仪器设计 [M ]. 北京 : 清华大学出版社 , 20031 【4】张伯霖 1高速切削技术及应用 [M ] 1北京 : 机械工 业出版社 , 20021 作者简介 : 莫秉华 , 男 , 1977年 11月生 , 广西桂林 人 , 硕士研究生。电话 : (020) 39322412, 13751794137。 E - mail: mobinghua001@1631com。 收稿日期 : 2006 - 10 - 31 (上接第 84页 ) 图 4　通用算法插补 Bezier曲线 Bezier曲线 , 程序运行显 示其结果完全正确。图 4 为初始段插补轨迹 , 图中 网格距离为 01001mm。插 补误差小于一个当量值。 应用这一算法插补其 它复杂参数曲线 , 原理上 讲是完全可行的。 4　结论 (1) 一般的参数曲线 , 如 Bezier曲线不是正则曲 线 , 也就是在曲线同一侧的数据点坐标代入参数曲线 隐式方程得到的数值符号不一定相同。 (2) 在微观条件下 , 工程曲线局部可以看成是直 线 , 微观条件下可以用直线插补的方法对其进行插 补。 (3) 当前点插补的方向由它对应的参数切线决 定。 (4) 本文所提出的算法具有通用性 , 可以对任意 参数曲线进行直接插补。 (5) 如何能使算法更简单、更高效 , 如何有效求 取插补点对应的参数值是有待进一步研究的问题。能 否进一步改进为可以由硬件实现直接插补也是值得研 究和比较有意义的问题。 参考文献 【1】刘勇奎 1曲线的整数生成算法 [ J ] 1计算机学报 , 1998, 21 (3) : 270 - 2811 【2】蔡耀志 1关于隐式曲线表达式的划分正负性质 [ J ] 1 数值计算与计算机应用 , 1985, 6 (3) : 129 - 1341 作 者 联 系 方 式 : 吕 彦 明 , 电 话 : 13961823651, E - mail: luyanm ing66@ yahoo1com1cn。 收稿日期 : 2006 - 09 - 13 ·04· 机床与液压 第 35卷