一种数控电解加工的电极间隙控制方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种数控电解加工的电极间隙控制方法及装置，属于电极间隙测量领域。本发明的一种数控电解加工的电极间隙控制方法，步骤为：（1）电极间隙的测量：采用霍尔电流传感器作为数控电解加工电流的检测元件，由霍尔电流传感器的输出信号大小间接反映电极间隙；（2）电极间隙的标定：借助数控电解加工机床的高精度位置控制系统，对数控电解加工的电极间隙与霍尔电流传感器的输出信号的关系进行在线标定；（3）电极间隙的控制：基于数控系统、霍尔电流传感器和转换器，构建数控电解加工的电极间隙控制系统。本发明还公开了一种数控电解加工的电极间隙控制装置。本发明不仅提高了数控电解加工的效率，而且提高了电解加工的精度和稳定性。
【专利说明】—种数控电解加工的电极间隙控制方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种间隙控制方法及装置，更具体地说，涉及一种数控电解加工中工具(阴极)和零件(阳极)之间间隙的控制方法及装置。
【背景技术】
[0002]目前机械制造所使用的加工可分为传统机械加工和非传统加工。
[0003]传统机械加工是靠刀具材料比工件材料硬，利用机械能把工件上多余的材料切除的，一般情况下是可行的。但是，当工件材料愈来愈硬、加工表面愈来愈复杂的情况下，传统机械加工则会限制生产率和影响加工质量，有时甚至无法加工；如果工件的壁厚愈来愈小(壁厚小于0.5毫米)，由于传统的机械加工存在机械力的作用，很容易损坏被加工工件，难以完成加工任务。
[0004]非传统加工即特种加工，实现用软的工具加工硬的工件，主要是采用电、化学、光、声和热等能量来进行加工，而且加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力。在特种加工方法中，电火花加工精度高，但加工效率低；电解加工的效率高，但加工精度差，造成电解加工精度差的主要原因之一是工具(阴极)和零件(阳极)之间电极间隙难以控制。
[0005]五轴联动数控电解加工集成了数控和电解加工的优势，采用旋转的具有电解液内喷功能的旋转阴极为工具，旋转阴极接直流脉冲电源的负极，工件接直流脉冲电源的正极，在旋转阴极与工件之间喷入电解液，旋转阴极相对工件作数控展成运动，基于电化学阳极溶解原理可以加工出复杂形状的零件。五轴联动数控电解加工是一种间隙加工，这种加工的电极间隙稳定性决定了电解加工的精度。如果机床的进给速度小于电解加工的蚀除速度，电极间隙将愈来愈大，不仅加工效率低，加工精度也愈来愈差；反之，如果机床进给速度大于蚀除速度，电极间隙将愈来愈小，当电极间隙小到一定程度时，在一定的工艺条件下，会发生阳极膜的微火花击穿，此时由于电极被击穿，电极电阻很小，因而相应的回路电流会变得非常大，火花击穿将烧伤工件和工具，使加工无法正常进行。这时，对电极间隙的检测不仅仅是为了控制电极间隙的大小，而且还是为了防止短路和电极间隙火花放电的发生。
[0006]要实现五轴联动数控电解加工的电极间隙的控制，必须首先解决电极间隙的检测问题。由于电极间隙数值小，间隙中又充满电解液，电解液流场和电场情况很复杂，因此，直接测量电极间隙很困难。中国专利申请号201210241674.1，申请公布日为2012年11月14日，发明创造名称为:基于双电层电容的微细电解加工间隙的在线检测方法，该申请案涉及一种基于双电层电容的微细电解加工间隙的在线检测方法，首先采用有侧壁绝缘层和下端面平整且保持裸露的微小尺寸金属部件作为电极，然后把表面积大电极数个数量级的金属工件固定在电解池中；将电极移动至金属工件上方，将钝性电解液以恒定速度V侧流冲入，引起加工间隙h变化，进而引起圆柱电极、钝性电解液和金属工件之间总等效双电层电容C2改变，从总等效双电层电容C2大小的改变可检测出加工间隙h的大小，最后，采用阻抗测量法，将总等效双电层电容(:2作为被测对象，在数微秒内测量出总等效双电层电容C2的值，即可获得加工间隙h的值，方法简单，能在数毫秒内检测出加工间隙的大小。但其不足之处在于:该申请案通过将钝性电解液以恒定速度V侧流冲入，引起加工间隙h变化，进而引起总等效双电层电容C2的改变，钝性电解液的侧流冲入速度的影响因素较多，对加工间隙检测的稳定性存在一定的影响，从而易影响加工精度。
【发明内容】
[0007]1.发明要解决的技术问题
[0008]本发明的目的在于克服现有数控电解加工的电极间隙测量精度低的不足，提供一种数控电解加工的电极间隙控制方法及装置，采用本发明提供的技术方案，不仅可以提高数控电解加工的效率，而且还可以提高电解加工的精度和稳定性。
[0009]2.技术方案
[0010]为达到上述目的，本发明提供的技术方案为:
[0011]本发明的一种数控电解加工的电极间隙控制方法，其步骤为:
[0012](I)电极间隙的测量:基于电场简化的假设和法拉第电解定律对电极间隙进行分析得出:加工电流与电极间隙呈反比关系，间隙越小，加工电流越大，反之，则电流越小；采用霍尔电流传感器作为数控电解加工电流的检测元件，由霍尔电流传感器的输出信号大小间接反映电极间隙；
[0013](2)电极间隙的标定:借助数控电解加工机床的高精度位置控制系统，对数控电解加工的电极间隙与霍尔电流传感器的输出信号的关系进行在线标定，选择神经网络来处理加工电流与电极间隙之间的非线性映射，实现用实时电流检测在线预报电极间隙；
[0014](3)电极间隙的控制:在数控电解加工过程中，当电极间隙达到极小值时，霍尔电流传感器检测到加工电流的上限值，转换器将加工电流的上限值转换成高电平发送给数控系统，数控系统接收到来自转换器的高电平后控制数控电解加工机床的伺服电机同时停止；当电极间隙达到极大值时，霍尔电流传感器检测到加工电流的下限值，转换器将加工电流的下限值转换成低电平发送给数控系统，数控系统接收到来自转换器的低电平后控制数控电解加工机床的伺服电机同时启动工作，使加工继续进行，实现数控电解加工的电极间隙自动控制。
[0015]更进一步地，步骤(2)中所述的加工电流与电极间隙之间的非线性映射的处理方法:利用MATLAB神经网络工具箱，将输入输出的关系隐含在各个神经元的联接权值中，用BP神经网络建立实时加工电流与电极间隙之间的非线性映射。
[0016]更进一步地，步骤(2)中所述的数控电解加工机床为五轴联动数控电解加工机床。
[0017]更进一步地，通过调节步骤(3)中所述的加工电流的上限值与下限值，在很小的范围内自动控制电极间隙。
[0018]本发明的一种数控电解加工的电极间隙控制装置，包括霍尔电流传感器、转换器、数控系统和伺服电机，所述的霍尔电流传感器套装于机床脉冲电源的电源线上，所述的霍尔电流传感器通过转换器与数控系统连接，所述的数控系统与伺服电机相连。
[0019]更进一步地，所述的数控系统为五轴联动数控系统，所述的伺服电机包括X向伺服电机、Y向伺服电机、Z向伺服电机、数控双回转工作台B回转电机和数控双回转工作台C回转电机。
[0020]更进一步地，所述的转换器转换的低电平为0V，高电平为24V。[0021]3.有益效果
[0022]采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果:
[0023](I)本发明的一种数控电解加工的电极间隙控制方法，采用霍尔电流传感器作为数控电解加工电流的检测元件，由霍尔电流传感器的输出信号大小间接反映电极间隙，测量精度高、稳定性好、响应速度快，响应时间小于0.5 μ s ;
[0024](2)本发明的一种数控电解加工的电极间隙控制方法，利用MATLAB神经网络工具箱，将输入输出的关系隐含在各个神经元的联接权值中，用BP神经网络建立实时加工电流与电极间隙之间的非线性映射，实现用实时电流检测在线预报电极间隙；
[0025](3)本发明的一种数控电解加工的电极间隙控制方法，利用霍尔电流传感器检测到的加工电流的上限值或下限值，确定电极间隙的极小值或极大值，并通过数控系统控制伺服电机的停止或启动，实现数控电解加工的电极间隙自动控制，提高数控电解加工的效率；
[0026](4)本发明的一种数控电解加工的电极间隙控制方法，通过调节加工电流的上限值与下限值，可在很小的范围内自动控制电极间隙，提高加工精度；
[0027](5)本发明的一种数控电解加工的电极间隙控制装置，霍尔电流传感器套装于机床脉冲电源的电源线上，霍尔电流传感器通过转换器与数控系统连接，数控系统与伺服电机相连，结构简单，对数控电解机床的改进小，成本低，可以实现微细电解加工，便于推广；
[0028](6)本发明的一种数控电解加工的电极间隙控制装置，尤其适用于五轴联动数控电解加工机床，可以提高五轴联动数控电解加工的效率、精度和稳定性。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1为本发明的一种数控电解加工的电极间隙控制装置的原理图。
【具体实施方式】
[0030]为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
[0031]实施例
[0032]以五轴联动数控电解加工机床为例，本实施例的一种数控电解加工的电极间隙控制方法，其步骤为:
[0033](I)电极间隙的测量:在五轴联动数控电解加工中，旋转阴极与工件阳极的间隙中充满着电解液，在电场作用下，电解液中的正离子向工具阴极移动，形成了从工件阳极开始流向旋转阴极的正向电流，从而构成了电流场。虽然电极间隙受到多种因素的影响，但是其主要是受间隙电场的影响。因此，基于电场简化的假设和法拉第电解定律对电极间隙进行分析，导出电极间隙的近似公式表明:加工电流与电极间隙呈反比关系，间隙越小，加工电流越大，反之，则电流越小。本实施例中采用霍尔电流传感器作为数控电解加工电流的检测元件，由霍尔电流传感器的输出信号大小间接反映电极间隙，测量精度高、稳定性好、响应速度快，响应时间小于0.5 μ S。
[0034](2)电极间隙的标定:基于五轴联动数控电解加工机床，构建数控电解加工的电极间隙标定系统。借助五轴联动数控电解加工机床的高精度位置控制系统，对数控电解加工的电极间隙与霍尔电流传感器的输出信号的关系进行在线标定。由于加工电流与电极间隙是一种非线性映射，所以可以选择神经网络来处理非线性映射，在MATLAB神经网络工具箱的帮助下，该方法实现起来将比较简单，它是将输入输出的关系隐含在各个神经元的联接权值中，用BP神经网络建立实时加工电流与电极间隙之间的非线性映射后，可以实现用实时电流检测在线预报电极间隙。
[0035](3)电极间隙的控制:基于五轴联动数控系统、霍尔电流传感器和转换器，构建五轴联动数控电解加工的电极间隙控制系统(参见图1所示)。在五轴联动数控电解加工过程中，霍尔电流传感器一直处于在线检测状态，当电极间隙达到极小值时，霍尔电流传感器检测到加工电流的上限值，转换器将加工电流的上限值转换成高电平(24V)发送给五轴联动数控系统，五轴联动数控系统接收到来自转换器的24V高电平后立即控制五轴联动数控电解加工机床的5个伺服电机同时停止。值得说明的是，虽然5个伺服电机停止了工作，但是电解加工仍然在进行，电极间隙在慢慢变大。当电极间隙达到极大值时，霍尔电流传感器检测到加工电流的下限值，转换器将加工电流的下限值转换成低电平(0V)发送给五轴联动数控系统，五轴联动数控系统接收到来自转换器的OV低电平后立即控制五轴联动数控电解加工机床的5个伺服电机同时启动工作，使加工继续进行，实现五轴联动数控电解加工的电极间隙自动控制，提高数控电解加工的效率。上述加工电流的上限值与下限值可调，通过调节加工电流的上限值与下限值，可以在很小的范围内自动控制电极间隙，提高加工精度。
[0036]本实施例的一种数控电解加工的电极间隙控制装置，安装于五轴联动数控电解加工机床上，该五轴联动数控电解加工机床的具体结构，已经在中国专利号:ZL200810023230.4，专利名称为:数控电解机械复合加工机床的发明创造中公开，在此就不再赘述。
[0037]如图1所示，本实施例的一种数控电解加工的电极间隙控制装置，包括霍尔电流传感器、转换器、五轴联动数控系统和伺服电机，该伺服电机包括X向伺服电机、Y向伺服电机、Z向伺服电机、数控双回转工作台B回转电机和数控双回转工作台C回转电机，霍尔电流传感器套装于五轴联动数控电解加工机床脉冲电源的电源线上，霍尔电流传感器通过转换器与五轴联动数控系统连接，五轴联动数控系统分别与X向伺服电机、Y向伺服电机、Z向伺服电机、数控双回转工作台B回转电机、数控双回转工作台C回转电机相连，结构简单，对数控电解机床的改进小，成本低，可以实现微细电解加工，便于推广。上述转换器为专门研制的转换器，其将加工电流的下限值转换成的低电平为0V，将加工电流的上限值转换成的高电平为24V。
[0038]将本实施例的一种数控电解加工的电极间隙控制方法及装置，用于五轴联动数控电解加工机床上，并加工某航空发动机的整体涡轮盘的叶片间通道，加工电流的上限值设定为180A，下限值设定为120A，实现了整体涡轮盘五轴联动数控电解开槽加工的电极间隙自动控制，不仅提高了五轴联动数控电解加工的效率，而且提高了整体涡轮盘的叶片间通道的加工精度和稳定性。
[0039]以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种数控电解加工的电极间隙控制方法，其步骤为: (1)电极间隙的测量:基于电场简化的假设和法拉第电解定律对电极间隙进行分析得出:加工电流与电极间隙呈反比关系，间隙越小，加工电流越大，反之，则电流越小；采用霍尔电流传感器作为数控电解加工电流的检测元件，由霍尔电流传感器的输出信号大小间接反映电极间隙； (2)电极间隙的标定:借助数控电解加工机床的高精度位置控制系统，对数控电解加工的电极间隙与霍尔电流传感器的输出信号的关系进行在线标定，选择神经网络来处理加工电流与电极间隙之间的非线性映射，实现用实时电流检测在线预报电极间隙； (3)电极间隙的控制:在数控电解加工过程中，当电极间隙达到极小值时，霍尔电流传感器检测到加工电流的上限值，转换器将加工电流的上限值转换成高电平发送给数控系统，数控系统接收到来自转换器的高电平后控制数控电解加工机床的伺服电机同时停止；当电极间隙达到极大值时，霍尔电流传感器检测到加工电流的下限值，转换器将加工电流的下限值转换成低电平发送给数控系统，数控系统接收到来自转换器的低电平后控制数控电解加工机床的伺服电机同时启动工作，使加工继续进行，实现数控电解加工的电极间隙自动控制。
2.根据权利要求1所述的一种数控电解加工的电极间隙控制方法，其特征在于:步骤(2)中所述的加工电流与电极间隙之间的非线性映射的处理方法:利用MATLAB神经网络工具箱，将输入输出的关系隐含在各个神经元的联接权值中，用BP神经网络建立实时加工电流与电极间隙之间的非线性映射。
3.根据权利要求2所述的一种数控电解加工的电极间隙控制方法，其特征在于:步骤(2)中所述的数控电解加工机床为五轴联动数控电解加工机床。
4.根据权利要求3所述的一种数控电解加工的电极间隙控制方法，其特征在于:通过调节步骤(3)中所述的加工电流的上限值与下限值，在很小的范围内自动控制电极间隙。
5.一种数控电解加工的电极间隙控制装置，其特征在于:包括霍尔电流传感器、转换器、数控系统和伺服电机，所述的霍尔电流传感器套装于机床脉冲电源的电源线上，所述的霍尔电流传感器通过转换器与数控系统连接，所述的数控系统与伺服电机相连。
6.根据权利要求5所述的一种数控电解加工的电极间隙控制装置，其特征在于:所述的数控系统为五轴联动数控系统，所述的伺服电机包括X向伺服电机、Y向伺服电机、Z向伺服电机、数控双回转工作台B回转电机和数控双回转工作台C回转电机。
7.根据权利要求6所述的一种数控电解加工的电极间隙控制装置，其特征在于:所述的转换器转换的低电平为0V，高电平为24V。
【文档编号】B23H7/32GK103551683SQ201310542031
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月5日 优先权日:2013年11月5日
【发明者】干为民, 黄亮, 徐波, 褚辉生, 房汝建, 杨名利 申请人:常州工学院