微細(xì)電火花加工主軸伺服控制系統(tǒng)及三維加工技術(shù)的研究.pdf

1、微細(xì)電火花加工作為較低成本、非接觸式的特種微細(xì)加工技術(shù)，在金屬材料、半導(dǎo)體材料、甚至陶瓷材料的微孔、微槽、三維微結(jié)構(gòu)的加工上具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，已成為微細(xì)加工的有效手段之一，使其在許多領(lǐng)域中具有應(yīng)用前景，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。
　　然而，微細(xì)電火花加工還具有加工間隙小、電蝕產(chǎn)物排出困難、工具電極損耗嚴(yán)重、電源脈沖利用率低等特點(diǎn)，使其對(duì)微結(jié)構(gòu)加工工藝和主軸伺服控制系統(tǒng)的性能提出了更高要求。特別是加工高深寬比、復(fù)雜形狀、特殊材料的三維微

2、結(jié)構(gòu)，還需要進(jìn)一步探索和研究。
　　本文根據(jù)微細(xì)電火花加工工藝和主軸控制系統(tǒng)現(xiàn)狀的總結(jié)和分析，從具有應(yīng)用價(jià)值的加工效率、尺寸形狀精度、重復(fù)性精度的實(shí)際加工需求考慮，開(kāi)展微細(xì)電火花加工主軸伺服控制系統(tǒng)及三維加工技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究和應(yīng)用實(shí)驗(yàn)研究，解決影響微結(jié)構(gòu)加工精度和效率的關(guān)鍵性問(wèn)題。
　　首先，實(shí)驗(yàn)研究了微細(xì)電火花加工的狹小間隙放電特性，確定了適合主軸系統(tǒng)伺服控制放電間隙的優(yōu)化方案。為驗(yàn)證高頻響主軸機(jī)構(gòu)的優(yōu)越性，采用閾值控制

3、的直線電機(jī)主軸進(jìn)行了加工實(shí)驗(yàn)研究；為驗(yàn)證優(yōu)化方案中伺服控制策略，分析了放電間隙伺服控制方法存在控制目標(biāo)中心難于確定的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了具有通用性的自適應(yīng)模糊伺服控制放電間隙的方法。
　　為使自適應(yīng)模糊伺服控制方法具有快速收斂的自優(yōu)化性能，采用了全論域范圍內(nèi)帶有自調(diào)整因子的解析式控制規(guī)則模糊控制器。研究了自適應(yīng)快速收斂算法，使控制目標(biāo)中心和速度比例因子趨向最優(yōu)，因而提高了間隙伺服控制的精度和效率，使加工過(guò)程中放電率始終趨向最高。與優(yōu)化后的

4、閾值控制方法相比，自適應(yīng)模糊伺服控制方法的微孔加工效率提高20％，也顯著提高了伺服控制參數(shù)的優(yōu)化效率。
　　然后，提出了基于放電間隙伺服控制進(jìn)行電極損耗實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)娜S微細(xì)電火花伺服掃描加工方法，為解決限制三維掃描加工技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的微細(xì)工具電極損耗補(bǔ)償問(wèn)題開(kāi)辟了一可行途徑。分析了三維伺服掃描加工的技術(shù)方案和實(shí)現(xiàn)策略，并研究了其加工過(guò)程控制方法?；谌S伺服掃描加工的特殊性分析，設(shè)計(jì)了CAD/CAM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案，研究了CAD/C

5、AM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了短直線插補(bǔ)的通用型點(diǎn)位坐標(biāo)代碼和集成度高的G代碼的兩種加工文件。
　　為驗(yàn)證三維微細(xì)電火花伺服掃描加工方法的有效性，進(jìn)行了基礎(chǔ)工藝實(shí)驗(yàn)研究和典型的三維微結(jié)構(gòu)加工實(shí)驗(yàn)，歸納了提高伺服掃描加工精度和效率的一般性規(guī)律。實(shí)驗(yàn)研究表明：伺服掃描加工方法實(shí)現(xiàn)了電極軸向損耗的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，加工形狀尺寸精度較高。
　　進(jìn)而，針對(duì)這種工具電極無(wú)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的三維伺服掃描加工和穿孔成型加工效率低、以及加工狀態(tài)不穩(wěn)定的問(wèn)題，

6、采用輔助工件高頻振動(dòng)工藝改善其加工過(guò)程。工藝實(shí)驗(yàn)研究了輔助振動(dòng)頻率和幅值對(duì)微細(xì)電火花加工的影響規(guī)律，并在金屬材料上進(jìn)行了陣列微齒輪和三維微結(jié)構(gòu)的振動(dòng)輔助加工實(shí)驗(yàn)?；陂g隙伺服控制的微細(xì)電火花加工原理，建立并重點(diǎn)研究了工件高頻振動(dòng)輔助微細(xì)電火花加工過(guò)程模型，得出了工件高頻振動(dòng)輔助加工的機(jī)理，為優(yōu)化輔助振動(dòng)頻率和幅值提供了依據(jù)。
　　最后，為獲得更高表面精度的三維微結(jié)構(gòu)，解決傳統(tǒng)主軸低放電能量加工的放電率低和穩(wěn)定性差問(wèn)題，研究了采用功

7、能復(fù)合型宏微驅(qū)動(dòng)主軸的三維伺服掃描加工方法和主軸的實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)控制方法。實(shí)現(xiàn)了高頻響和大行程的主軸性能，改善了低放電能量的三維伺服掃描加工的穩(wěn)定性和放電率。在P型摻雜硅片上的微結(jié)構(gòu)加工實(shí)驗(yàn)得到了尺寸誤差小于2%，表面粗糙度Ra達(dá)到了0.37μm，材料去除率達(dá)1.58×104μm3/s，重復(fù)加工尺寸的一致性誤差小于0.7%。
　　綜上所述，本文研究的提高三維微細(xì)電火花加工精度和效率的工藝和機(jī)電系統(tǒng)控制方法，為金屬材料和半導(dǎo)體材料微結(jié)構(gòu)和