一种参数可调的电解加工振动进给装置及其控制方法与流程

本发明涉及一种参数可调的用于电解加工的振动进给装置，属于电解加工技术领域。

背景技术：

电解加工具有阴极无损耗，无宏观切削力，不受加工材料硬度限制等特点。由于它在加工镍基高温合金、钛合金材料结构件方面在加工成本、加工效率、表面质量上具有较大的优势，因而成为了这些难加工材料的主要加工方法之一。电解加工常用于航空发动机叶片、炮管膛线、深孔、齿轮、花键、零件抛光、去毛刺加工等，它在加工高温合金、钛合金材料制造的复杂零件时有较大的优势，目前已被广泛应用于航空航天、武器、汽车、医疗器械、仪表等制造行业。

振动进给电解加工方式可以改善电解加工间隙内部的流场状态，提高电解产物的排除速度，使电解液能够完成周期性的更新，从而可以进一步的提高电解加工的精度。脉冲电源在极间间隙最小的时候接通；脉冲电源在极间间隙扩大时切断，这样电解加工就可以在普通的电解液压力下实现小间隙(小于0.05毫米)时加工，大间隙时排除电解产物，因此振动进给能够显著地提高电解加工的加工精度以及它的稳定性。目前国外已经大量的应用这种方法用于加工叶片、锻模等，它的精度已经超过了0.1mm。目前从驱动方式上区分用于产生线性往复运动的振动系统，可以分为机械式、液压式、压电陶瓷式和电磁式等几种方式。

液压式振动装置的通过电液伺服阀-电液转换元件，将液压油按照控制的电流信号的大小输入到伺服油缸的活塞两侧，使油缸输出与电流信号成正比的控制位移，带动负载运动。液压式振动装置具有如下特点：负载比较大，输出力也比较大，振动频率范围在0～20Hz,振动幅值大，可以拥有任意的运动波形，能够方便的调节它的运动波形与参数，但是它的成本需求高且精度不高。

压电陶瓷式振动装置是利用压电材料的逆压电效应，在输入电压或电流的作用下发生形变，实现驱动物体的目的。压电陶瓷式的主要特点为：因为体积小所以它的负载一般大，输出力不大，振动频率在0～20KHz，振幅比较小，精度较高，但调节不太方便。

电磁式振动装置是利用通电导体在磁场中受到安培力而实现对负载的驱动，通过改变导体中电流大小和方向，完成对负载速度及运动方向的调整。电磁式的驱动方式它的负载一般大，输出力也是一般，振动频率能够达到0～100Hz，振动幅度较小，且拥有可以方便任意调节的波形，精度较高。

电解加工的振动装置一般安装在机床的主轴上或工作台上，由振动装置带动阴极或工件一起做振动进给运动。国内外研究结果表明，电解加工采用的振动频率在30～100Hz之间较为合适。根据一般电解加工装置的重量、惯量、运行时间、振动幅度等参数进行计算，振动的持继推力维持在300N以上，如果产生振幅为0.1mm，频率50Hz的振动，振动加速度与减速度达到20g，一般的机、电、液伺服系统难以实现这种高速切换，因此对振动装置的设计与制造提出了极高的要求。目前已有的振动装置难以达到这样的要求，因此设计大推力、高精度的电解加工振动装置是提高机床电解加工精度所要解决的一个技术难题。

技术实现要素：

发明目的：本发明目的是克服现有技术的不足，提供一种结构设计合理，自动化程度高，加工的振动参数可调，加工精度高，工作效率高的电解加工的振动进给装置。

技术方案：为了实现以上目的，本发明采取的技术方案为：

一种可调参数的电解加工振动进给装置，它包括振动进给的控制器、振动装置及振动驱动系统、检测装置、进给装置及其驱动系统；

控制器控制交流伺服系统通过滚珠丝杠机构带动进给装置作定位运动和低速电解加工进给运动，在预定的工作位置再控制振动装置进行阴极振动；先要在控制器中编写控制振动频率和幅值的控制程序，再通过振动驱动系统控制振动装置的工作过程；振动装置采用音圈直线电机作为振源，产生一定的推力带动阴极做高速的往复运动，同时利用光栅对振动主轴的位置进行精确检测，控制主轴运动和定位；

所述控制器包括控制计算机、运动控制卡、转接板、交流伺服电机驱动器、交流伺服电机、振动电机驱动器、主电源、辅助电源、振动电机的定子组件和振动电机的动子组件；所述的运动控制卡安装在控制计算机的PCI插槽中，运动控制卡通过数据线与转接板连接；控制计算机与振动电机驱动器之间用通讯线相连，振动电机驱动器与主电源和辅助电源相连；光栅读数头的数据线与振动电机驱动器的光栅接口连接，交流伺服电机与交流伺服电机驱动器相连。

作为优选方案，以上所述的可调参数的电解加工振动进给装置，所述的振动装置包括振动电机定子组件、振动电机动子组件、壳体、套筒、防转销、振动轴、电机安装板、光栅尺、读数头、安装支架、连接杆；振动电机定子组件安装在壳体中，振动电机定子组件与电机安装板用螺钉连接，电机安装板与壳体连接，振动电机动子组件与振动轴用螺钉连接，振动轴安装在套筒中的滑动轴承中，套筒与壳体连接在一起，防转销通过套筒中定位孔安装在振动轴上的销孔里，从而防止与振动轴在运动中转动，振动轴用端盖封住；连接杆一端通过螺纹连接在振动轴上，另一端安装在导向套中，在连接杆的上端面安装有光栅尺安装底座，读数头安装在安装支架上,光栅尺和读数头构成光栅组件；振动电机定子组件和振动电机动子组件构成振动电机。

作为优选方案，以上所述的可调参数的电解加工振动进给装置，振动装置的壳体安装在拖板上，拖板由交流伺服电机驱动，交流伺服电机与减速器相连、减速器与滚珠丝杠相连，滚珠丝杠带动拖板沿导轨运动；由控制计算机中的数控程序控制交流伺服电动机的进给运动；振动装置在做进给运动的同时，由振动控制器中的振动程序控制振动电机运动，振动电机动子组件带动振动轴和阴极进行振动。

一种参数可调节的振动进给装置的控制方法，振动进给装置的工作过程由控制计算机进行控制，在控制计算机中安装数字控制软件；首先在控制计算机中调出电机的运动程序，执行根据加工要求编制的运动程序；振动电机的驱动器由驱动控制器、功率放大器、光栅接口和通讯接口组成，驱动控制器接受控制计算机通过通讯接口传过来的振动电机的控制程序，由驱动控制器负责解释并执行，驱动控制器对振动电机的工作电流与动子的位置进行控制；振动电机运动由专用程序控制，通过在程序中设置振动电机的运动距离与加速度调节振动频率和振动幅；在数控运动的指令系统中编写控制振动电机驱动器中程序的执行与停止专用指令，从而控制振动电机的运动与停止。

有益结果：本发明和现有技术相比具有以下优点：

本发明提供的电解加工的振动进给装置由计算机控制进给与振动。采用运动控制卡、交流伺服驱动以及滚珠丝杠螺母机构实现振动装置的低速进给运动。振动装置由音圈电机、电机驱动器、光栅等组成，具有高速与高加速度的驱动能力。振动与进给装置由同一台计算控制，控制的集成度与自动化程度高。

振动装置采用音圈式直线电机构成、光栅和机械结构组成。由高精度的光栅进行位置检测，高性能的驱动器实现对电机的位置环、电流环进行控制，力矩控制准确、运动定位精度高。振动的频率与振幅通过程序设定，可以实现不同的频率与振幅参数调节，能够满足电解加工中的工作参数变化要求。

附图说明

图1为本发明提供的可调参数的电解加工振动进给装置的结构示意图。

图2为本发明提供的可调参数的电解加工振动进给装置的俯视时的结构示意图。

图3为本发明提供的可调参数的电解加工振动进给装置中控制系统的框图。

图4为本发明提供的可调参数的电解加工振动进给装置中振动电机驱动器的系统框图。

具体实施方式

实施例1

一种电解加工振动进给装置由振动装置与进给装置复合而成的，它包括振动进给的控制器、振动装置及振动驱动系统、检测装置、进给装置及其驱动系统；控制器控制交流伺服系统通过滚珠丝杠机构带动振动进给装置作定位运动和低速电解加工进给运动，在预定的工作位置再控制振动系统进行阴极振动，由控制器中编写控制振动频率和幅值的控制程序，由振动驱动器控制振动电机的工作过程。振动装置采用音圈直线电机作为振源，产生足够的推力带动阴极做高速的往复运动，同时利用光栅对振动主轴的位置进行精确检测，控制振动轴的运动和定位。

如图1至图4所示。所述控制器包括控制计算机21、运动控制卡20、转接板28、交流伺服电机驱动器36、交流伺服电机26、振动电机驱动器25、主电源23、辅助电源24、振动电机的定子组件13和振动电机的动子组件14；所述的运动控制卡20安装在控制计算机21的PCI插槽中，运动控制卡20通过数据线与转接板35连接；控制计算机21与振动电机驱动器25之间用通讯线相连，振动电机驱动器25与主电源23和辅助电源24相连；光栅读数头11的数据线与振动电机驱动器25的光栅接口连接，交流伺服电机26与交流伺服电机驱动器36相连。

以上所述的可调参数的电解加工振动进给装置，所述的振动装置包括振动电机定子组件13、振动电机动子组件14、壳体6、套筒7、防转销8、振动轴15、电机安装板4、光栅尺10、读数头11、安装支架12、连接杆5；振动电机定子组件13安装在壳体6中，振动电机定子组件13与电机安装板4用螺钉连接，电机安装板4与壳体6连接，振动电机动子组件14与振动轴15用螺钉连接，振动轴15安装在套筒7中的滑动轴承16中，套筒7与壳体6连接在一起，防转销8通过套筒7中定位孔安装在振动轴15上的销孔里，从而防止与振动轴15在运动中转动，振动轴15用端盖18封住；连接杆5一端通过螺纹连接在振动轴15上，另一端安装在导向套3中，在连接杆5的上端面安装有光栅尺安装底座2，读数头11安装在安装支架12上,光栅尺10和读数头11构成光栅组件；振动电机定子组件13和振动电机动子组件14构成振动电机。

以上所述的可调参数的电解加工振动进给装置，振动装置的壳体6安装在拖板32上，拖板32由交流伺服电机26驱动，交流伺服电机26与减速器27相连、减速器27与滚珠丝杠28相连，滚珠丝杠28带动拖板32沿导轨29运动；由控制计算机21中的数控程序控制交流伺服电动机26的进给运动；振动装置31在做进给运动的同时，由振动控制器中的振动程序控制振动电机运动，振动电机动子组件14带动振动轴15和阴极33进行振动。

控制计算机21选用上海福研公司的15英寸工业触摸式电脑，运动控制卡20选用台湾泓格科技公司PISO－PS300运动控制卡。光栅选用雷尼绍公司的RGH24Y15A30A光栅，分辨率0.1微米，运动速度为6m/min。

实施例2

一种参数可调节的振动进给装置的控制方法，振动进给装置的工作过程由控制计算机进行控制，在控制计算机中安装数字控制软件；首先在控制器中调出电机的运动程序，执行根据加工要求编制的运动程序。振动电机驱动器25选用ELMO公司的Harmonica品牌的数字伺服驱动器，它由控制器、功率放大器、光栅接口、通讯接口等组成，驱动控制器接受控制计算机通过通讯接口传过来的振动电机的运动程序，由驱动控制器负责解释并执行，控制计算机21对振动电机的工作电流与动子的位置进行控制。振动电机运动由专用程序控制，在控制器中采用专用软件编写后下载到驱动器中的控制器中，振动电机的振动运动方式以三角形或梯形的方式工作，在程序中设置电机的运动距离与加速度等参数调节振动频率和振动幅。在数控系统的指令系统中编写了控制振动电机驱动器中程序的执行与停止专用指令，从而控制振动电机的运动与停止。

振动电机的速度以三角模式工作，则系统所承受的负载能力计算方法如下：

电机动子组件的加速度或减速度的计算公式为：

a_c＝a_d＝4·d/T² (1)

上式中：a_c—加速度，a_d—减速度，d—运动距离，T—运动时间。

设振动轴上负载的总质量为m，所需的最大推力＝加速度力＝减速度力＝负载*加速度，即

F _max＝ma_c＝ma_d (2)

所需的持继推力计算公式为：

$F_{RMS}=\sqrt{\frac{{F_a}^2\·T_a+{F_c}^2\·T_c+{F_d}^2\·T_d+{F_w}^2\·T_w}{T_a+T_c+T_d+T_w}}---\left(3\right)$

上式中：F_RMS—持续推力，Fa—加速度力，Fc—匀速段力，Fd—减速度力，Fw—停滞力，Ta—加速时间，Tc—匀速时间，Td—减速时间，Tw—停滞时间。

本振动装置所需的最大推力和平均推力应小于振动电机的持继推力和最大推力。即

F_RMS＜λ₁F_m和F_max＜λ₂F_p (4)

上式中：F_m—振动电机持续推力，F_p—振动电机最大推力，λ—安全系数。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。