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工学博士学位论文
微细电火花加工主轴伺服控制系统
及三维加工技术的研究
博士研究生:佟浩
导师:王扬教授
申请学位:工学博士
学科、专业:机械制造及其自动化
所在单位:机电工程学院
答辩日期:2008 年 3 月
授予学位单位:哈尔滨工业大学
Classified Index: TG661
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Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering
RESEARCH ON SPINDLE SERVO
CONTROL SYSTEM AND 3D
MACHINING TECHNOLOGIES
IN MICRO EDM
Candidate: Tong Hao
Supervisor: Prof. Wang Yang
Academic Degree Applied for: Doctor of Engineering
Speciality: Mechanical Manufacturing and
Automation
Affiliation: School of Electro-Mechanical
Engineering
Date of Defence: March, 2008
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘要
摘要
微细电火花加工作为较低成本、非接触式的特种微细加工技术,在金属
材料、半导体材料、甚至陶瓷材料的微孔、微槽、三维微结构的加工上具有
独特优势,已成为微细加工的有效手段之一,使其在许多领域中具有应用前
景,受到国内外学者的广泛关注。
然而,微细电火花加工还具有加工间隙小、电蚀产物排出困难、工具电
极损耗严重、电源脉冲利用率低等特点,使其对微结构加工工艺和主轴伺服
控制系统的性能提出了更高要求。特别是加工高深宽比、复杂形状、特殊材
料的三维微结构,还需要进一步探索和研究。
本文根据微细电火花加工工艺和主轴控制系统现状的总结和分析,从具
有应用价值的加工效率、尺寸形状精度、重复性精度的实际加工需求考虑,
开展微细电火花加工主轴伺服控制系统及三维加工技术的基础理论研究和应
用实验研究,解决影响微结构加工精度和效率的关键性问题。
首先,实验研究了微细电火花加工的狭小间隙放电特性,确定了适合主
轴系统伺服控制放电间隙的优化方案。为验证高频响主轴机构的优越性,采
用阈值控制的直线电机主轴进行了加工实验研究;为验证优化方案中伺服控
制策略,分析了放电间隙伺服控制方法存在控制目标中心难于确定的问题,
设计了具有通用性的自适应模糊伺服控制放电间隙的方法。
为使自适应模糊伺服控制方法具有快速收敛的自优化性能,采用了全论
域范围内带有自调整因子的解析式控制规则模糊控制器。研究了自适应快速
收敛算法,使控制目标中心和速度比例因子趋向最优,因而提高了间隙伺服
控制的精度和效率,使加工过程中放电率始终趋向最高。与优化后的阈值控
制方法相比,自适应模糊伺服控制方法的微孔加工效率提高20%,也显著提
高了伺服控制参数的优化效率。
然后,提出了基于放电间隙伺服控制进行电极损耗实时补偿的三维微细
电火花伺服扫描加工方法,为解决限制三维扫描加工技术实际应用的微细工
具电极损耗补偿问题开辟了一可行途径。分析了三维伺服扫描加工的技术方
案和实现策略,并研究了其加工过程控制方法。基于三维伺服扫描加工的特
殊性分析,设计了 CAD/CAM 系统实现的技术方案,研究了 CAD/CAM 系
统实现的关键技术,实现了短直线插补的通用型点位坐标代码和集成度高的
G 代码的两种加工文件。
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哈尔滨工业大学工学博士学位论文
为验证三维微细电火花伺服扫描加工方法的有效性,进行了基础工艺实
验研究和典型的三维微结构加工实验,归纳了提高伺服扫描加工精度和效率
的一般性规律。实验研究表明:伺服扫描加工方法实现了电极轴向损耗的实
时补偿,加工形状尺寸精度较高。
进而,针对这种工具电极无旋转运动的三维伺服扫描加工和穿孔成型加
工效率低、以及加工状态不稳定的问题,采用辅助工件高频振动工艺改善其
加工过程。工艺实验研究了辅助振动频率和幅值对微细电火花加工的影响规
律,并在金属材料