导　　师： 赵万生;王振龙

学科专业： H0201

授予学位： 博士

作　　者： ;

机构地区： 哈尔滨工业大学

摘　　要： 由于具有无宏观作用力、加工单位小、可控性好等优点，电火花加工在微细加工中显示出了非常巨大的潜力。作为微细电火花加工技术研究的一个重要分支，电火花加工装置的微小型化由于其减少了传动环节，具有响应速度快、体积小、重量轻、适于小面积上多孔同时加工、狭小空间内作业及移动作业等特点，而受到了广泛的关注。微小型电火花加工装置的研究既丰富了电火花成型加工的研究范围，又解决了实际生产中遇到的困难，具有良好的理论研究价值和应用前景。<br>　　本文在查阅大量相关文献的基础上，系统地综述了当前的系统、超声马达及传统切削装置微小型化的发展状况，详细阐述了微细电火花加工、电火花加工装置微小型化的新技术、新发展。在此基础上对超声马达式微小型电火花加工系统进行了深入、系统地研究。<br>　　本文设计并制作了一台基于超声马达的微小型电火花加工系统的原理样机。整个系统主要由两大部分组成：机械部分和控制系统部分。机械部分采用的是基于超声马达的微小型电火花装置，由于采用电极直接驱动方式，减少了传动环节，因而装置体积微小。同时由于直接驱动电极丝而不需要电极夹具，使得马达的移动体质量轻、惯性小，因此允许该装置倾斜一定角度而加工相应倾斜角度的斜孔。并且实现了连续自动送丝功能，解决了微小型电火花加工装置装卸电极困难，辅助加工时间长等问题，显著地提高了加工效率。控制系统包括微能脉冲电源、放电状态检测电路、马达驱动电路及进给方式控制电路等几个部分。<br>　　对该系统采用的超声马达定子的驱动原理进行了深入分析，并系统地进行了有限元仿真。经过一系列的解算，利用ANSYS的后处理模块进行了压电振子的模态分析和谐响应分析。在模态分析的过程中通过对超声振子的振型进行动画模拟，发现了驱动齿之间的干涉现象，利用有限元分析和优化设计相结合的思想求解出了驱动齿的优化设计尺寸。通过谐响应分析得到了马达定子的振幅与驱动信号之间准确的数学关系，指导了控制系统的设计。<br>　　在完整推导出超声振子等效电路模型的基础上，进行了压电振子驱动电源的设计，设计了新型的半桥式DC-AC逆变电源，并进行了匹配电感的设计，得到了标准的正弦驱动信号，提高了压电陶瓷驱动器电能转化机械能的效率。<br>　　提出了宏微结合的差动驱动电极的控制方式，该驱动方式进给分辨率高，步距变化范围大，进而较好地解决了微小型电火花加工装置由于其机构限制而不容易实现主轴旋转而带来的诸如排屑困难等问题，使得电火花加工放电状态稳定，加工效率提高。<br>　　针对超声马达工作过程中由于环境温度、电源参数、电磁干扰、马达本身的磨损等因素而使得其谐振频率发生漂移的现象，进行了超声马达的频率自动跟踪设计。本文的设计使得超声马达始终工作在谐振状态或准谐振状态，改善了马达的驱动效果，提高了电火花加工的质量。<br>　　构建了电极驱动特性的测试系统，并对电极运动进行了系统的测试，得出该加工系统的电极在步进驱动方式下的步距变化范围为：0.5μm～10μm，在差动驱动方式下的步距变化范围为：40nm～8μm，并且电极的进给频率最高达到200Hz。该系统的进给分辨率高，且步距变化范围大，有利于在不同加工要求下选用不同的进给步距，取得了良好的加工效果。<br>　　对本文研制的超声马达式微小型电火花加工系统进行了加工实验的验证，利用Φ85μm的微细电极加工出Φ90μm的微细斜孔，同时加工出了Y异形等孔。<br>　　综上所述，超声马达式微小型电火花加工装置具有理论新颖、结构简单、响应速度快、成本低等优点。通过进一步开发，该装置即可作为独立的加工装置，又可作为电火花加工机床的附件，并可以安装在机器人手臂上，构成电加工机器人。因此，该微小型电火花加工装置既具有理论研究价值，又具有良好的应用前景。

关 键 词： 电火花加工 超声马达驱动 微细加工 微能脉冲电源 控制系统

分 类 号： [TG661 TM301.2]

领　　域： [金属学及工艺] [电气工程]