專利名稱：基于電氣復(fù)合的宏微復(fù)合運(yùn)動系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及機(jī)電伺服控制領(lǐng)域，具體涉及基于電氣復(fù)合的宏微復(fù)合運(yùn)動系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了機(jī)械裝備向微小型方向發(fā)展，微機(jī)械技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。其中，微細(xì)電火花加工技術(shù)具有可控性好、加工單位小、可實(shí)施三維加工等特點(diǎn)，使其在微細(xì)軸、微小孔加工及微三維結(jié)構(gòu)制作方面顯示出了非常大的潛力，已成為微細(xì)加工技術(shù)的一個重要分支。然而，微細(xì)電火花加工中由于放電面積和放電間隙很小，導(dǎo)致其排屑困難，極易造成短路，加工狀態(tài)不穩(wěn)定等問題，是制約微細(xì)電火花加工發(fā)展的一大難題，成為微細(xì)電火花加工技術(shù)發(fā)展的瓶頸。為解決微細(xì)電火花小孔加工中排屑困難的問題，在電火花機(jī)床上對工具電極或被加工零件施加振動，有利于排除電蝕產(chǎn)物，提高加工效率。研究表明根據(jù)被加工表面的形狀以及加工面積、深度和規(guī)范的不同，加工效率可提高2至4倍。在進(jìn)行微細(xì)電火花小孔加工過程中，為了及時排出蝕除產(chǎn)物，一般選取粘度偏低的工作液，如純凈水，并采取強(qiáng)迫排屑的沖、吸供液措施來加強(qiáng)工作液的循環(huán)。此方法一定程度上解決了排屑難問題，但效率不高，特別針對小孔加工時效果也不佳?，F(xiàn)有研究中，微細(xì)電火花加工機(jī)床中采用步進(jìn)電機(jī)與壓電陶瓷的宏/微組合式驅(qū)動機(jī)構(gòu)，壓電陶瓷作為換能元件，可以實(shí)現(xiàn)從電能到振動的轉(zhuǎn)換。但由于壓電陶瓷驅(qū)動電源的性能是決定壓電陶瓷驅(qū)動器性能的關(guān)鍵之一，不僅要求壓電陶瓷驅(qū)動電源輸出的精度與穩(wěn)定性，同時需保證其動態(tài)響應(yīng)特性，因此對壓電陶瓷驅(qū)動電源的設(shè)計增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時增加了成本，在工業(yè)應(yīng)用上有一定的局限性。現(xiàn)有的對微細(xì)電火花加工中排屑困難問題的改進(jìn)，都是從機(jī)構(gòu)復(fù)合如通過電極搖擺達(dá)到輔助排屑的目的。但其附加了搖擺機(jī)構(gòu)，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變的復(fù)雜，控制精度也相對下降。

實(shí)用新型內(nèi)容通過機(jī)構(gòu)復(fù)合雖然能夠一定程度上解決微細(xì)電火花小孔加工中排屑困難的問題， 但同時也使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變的復(fù)雜，增加了系統(tǒng)的成本，并且提高了系統(tǒng)控制的難度。音圈電機(jī)是一種特殊形式的直接驅(qū)動電機(jī)。具有結(jié)構(gòu)簡單、推力波動小、高速、高加速、響應(yīng)快等特性。與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比無需中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)即可實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動，精簡機(jī)構(gòu)，提高了定位精度。因此音圈機(jī)電被廣泛運(yùn)動在精確定位伺服系統(tǒng)中。本實(shí)用新型正是基于音圈電機(jī)以上特點(diǎn)，提出一種基于音圈電機(jī)的新型電氣復(fù)合型宏微復(fù)合運(yùn)動模式，取代現(xiàn)有步進(jìn)電機(jī)與壓電陶瓷的宏微機(jī)械復(fù)合式的運(yùn)動機(jī)構(gòu)，通過高精度低噪聲的信號處理器，對運(yùn)動控制器提供的宏動指令信號和信號發(fā)生器提供的微小振動信號進(jìn)行信號疊加，疊加后的信號通過驅(qū)動器驅(qū)動音圈電機(jī)實(shí)現(xiàn)大行程進(jìn)給加工與高頻微振動的一體化。本系統(tǒng)設(shè)計不僅精簡了現(xiàn)有電火花加工機(jī)床的機(jī)構(gòu)，優(yōu)化系統(tǒng)，節(jié)約成本，并對拓寬音圈電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，研究復(fù)合運(yùn)動的新形式等具有重要的意義和現(xiàn)實(shí)價值。[0006](一)要解決的技術(shù)問題本實(shí)用新型的主要目的在于提出一種基于電氣復(fù)合的宏微復(fù)合運(yùn)動系統(tǒng)及控制方法，運(yùn)用電氣復(fù)合代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)構(gòu)復(fù)合模式，以克服常規(guī)微細(xì)電火花小孔加工中排屑困難機(jī)構(gòu)復(fù)雜等不足。實(shí)現(xiàn)大行程伺服進(jìn)給加工與高頻微振動的一體化，完成自動排屑，進(jìn)而有效的提高微細(xì)電火花小孔加工的效率。( 二 )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型提出一種基于電氣復(fù)合的宏微復(fù)合運(yùn)動系統(tǒng)及控制方法。該系統(tǒng)包括運(yùn)動控制器(1)，信號發(fā)生器O)，信號處理器(3)，驅(qū)動器(4)和音圈電機(jī)⑶；運(yùn)動控制器(1)產(chǎn)生宏動指令信號，并發(fā)送至信號處理器(3)。運(yùn)動控制器(1)與信號處理器C3)連接，運(yùn)動控制器(1)產(chǎn)生宏動指令信號，并發(fā)送至信號處理器(3)。宏動指令信號為運(yùn)動控制器(1)提供的大行程伺服進(jìn)給加工指令信號，該信號作為電氣復(fù)合的主信號，信號發(fā)生器( 產(chǎn)生微小振動信號，并發(fā)送至信號處理器(3)。信號發(fā)生器O)與信號處理器(3)連接。信號發(fā)生器(2)產(chǎn)生微小振動信號，并發(fā)送至信號處理器(3)。微小振動信號為信號發(fā)生器提供的輔助高頻微振動信號，用于實(shí)現(xiàn)大行程伺服進(jìn)給加工中的輔助振動，該信號作為電氣復(fù)合的次信號。信號處理器(3)與驅(qū)動器(4)連接，將疊加信號發(fā)送至驅(qū)動器(4)。疊加信號為通過信號處理器( 對運(yùn)動控制器(1)提供的宏動指令信號與信號發(fā)生器( 提供的微小振動信號進(jìn)行信號疊加，使得疊加信號保持運(yùn)動控制器(1)提供的宏動指令信號特性的同時輔助高頻微振動，實(shí)現(xiàn)電氣復(fù)合，驅(qū)動器⑷與音圈電機(jī)(5)連接，驅(qū)動音圈電機(jī)(5)運(yùn)動。上述方案中，運(yùn)動控制器提供宏動指令信號，信號發(fā)生器提供微小振動信號，信號處理器對宏動指令信號與微小振動信號進(jìn)行疊加產(chǎn)生疊加信號，疊加信號通過驅(qū)動器驅(qū)動音圈電機(jī)進(jìn)行宏微復(fù)合運(yùn)動。(三)有益效果本實(shí)用新型具有以下有益效果(1)本實(shí)用新型提供的這種基于電氣復(fù)合的宏微復(fù)合運(yùn)動系統(tǒng)及控制方法，能夠克服現(xiàn)有常規(guī)系統(tǒng)中機(jī)構(gòu)復(fù)雜排屑困難等不足，即以電氣復(fù)合代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)構(gòu)復(fù)合，實(shí)現(xiàn)微細(xì)電火花小孔加工中的自動排屑。該實(shí)用新型能夠精簡機(jī)構(gòu)，優(yōu)化系統(tǒng)，節(jié)約成本，在工業(yè)應(yīng)用上特別是微細(xì)電火花小孔加工中具有重要現(xiàn)實(shí)意義。(2)本實(shí)用新型利用音圈電機(jī)高精度高響應(yīng)速度的特性取代以往微細(xì)電火花小孔加工中步進(jìn)電機(jī)與壓電陶瓷的宏微組合式驅(qū)動方式，與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比無需中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)即可實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動，精簡機(jī)構(gòu)，提高了定位精度。在實(shí)現(xiàn)自動排屑的同時，拓寬了音圈電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。

圖1為本實(shí)用新型提出的電氣復(fù)合技術(shù)原理圖圖2為本實(shí)用新型的機(jī)構(gòu)簡圖與傳統(tǒng)系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)簡圖對比[0025]圖3為具體實(shí)施例中所選用的信號處理器的原理圖圖4為具體實(shí)施例中所選用的另一種信號處理器的原理圖
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本實(shí)用新型的核心內(nèi)容是通過高精度低噪聲的信號處理器對運(yùn)動控制器提供的宏動指令信號及信號發(fā)生器提供的微小振動信號進(jìn)行信號疊加，使疊加后信號能夠通過驅(qū)動器驅(qū)動音圈電機(jī)實(shí)現(xiàn)基于電氣復(fù)合的宏微復(fù)合運(yùn)動。實(shí)現(xiàn)電氣復(fù)合取代傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)復(fù)合，達(dá)到精簡機(jī)構(gòu)，優(yōu)化系統(tǒng)，提高加工效率的目的。如圖1所示，圖1為本實(shí)用新型所提出的電氣復(fù)合原理圖。圖1中運(yùn)動控制器采用美國Delta Tau Date System公司生產(chǎn)的可編程多軸運(yùn)動控制卡II型(PMAU)，圖中a為PMAC2卡提供的宏動指令信號。通過PeWin32RP02軟件可以對PMAC2卡進(jìn)行的在線命令控制，運(yùn)動程序控制等。其中在線命令控制中運(yùn)動控制命令分為開環(huán)0指令和閉環(huán)J指令，該具體實(shí)施例中涉及到如下指令J+指令即正方向常速運(yùn)動J-指令即負(fù)方向常速運(yùn)動，J/指令即停止運(yùn)動或閉環(huán)，J =指令即運(yùn)動到上次編程位置，J= {constant}指令即運(yùn)動到指定的絕對位置等。運(yùn)動程序控制中，PMAC2卡運(yùn)動程序語言擁有與BASIC或者PASCAL的簡明語法，該具體實(shí)施例中電機(jī)的位置、速度和加速度均由PMAC2卡控制，其中最大加速度為5個g，最大速度為0. 8m/s。在該具體實(shí)施例中使用的宏動指令為使電機(jī)運(yùn)行到10000計數(shù)點(diǎn)等待2秒后返回0計數(shù)點(diǎn)。該指令完成音圈電機(jī)從參考點(diǎn)位置運(yùn)行至10000計數(shù)點(diǎn)位置處停止2秒后返回至參考點(diǎn)的直線運(yùn)動。此外，還可以根據(jù)用戶需求編寫合適的運(yùn)動指令來完成相應(yīng)運(yùn)動。PMAC2卡提供的宏動指令信號a 為大行程伺服進(jìn)給加工指令信號，該信號作為電氣復(fù)合的主信號。圖1中信號發(fā)生器采用正弦波信號發(fā)生器，圖中b為正弦波發(fā)生器的微小振動信號，其中信號頻率范圍為20hz ΙΟΙΛζ，幅值范圍為0 5V。正弦波發(fā)生器提供的微小振動信號為輔助高頻微振動信號，用于實(shí)現(xiàn)大行程伺服進(jìn)給加工中的輔助振動，該信號作為電氣復(fù)合的次信號。圖1中c為信號處理器。該具體實(shí)施例中信號處理器選用反相加法器加反相器的設(shè)計。通過該信號處理器對圖1中宏動指令信號a與微小振動信號b進(jìn)行信號疊加，使經(jīng)疊加后的信號能夠分辨出宏動指令信號中的微小振動信號，同時又保持了宏動指令信號的特性，疊加后信號輸入到驅(qū)動器中，由驅(qū)動器驅(qū)動音圈電機(jī)實(shí)現(xiàn)宏微運(yùn)動復(fù)合，達(dá)到大行程進(jìn)給加工與輔助排屑的一體化的目的。如圖3所示，圖3為本具體實(shí)施例中所選用信號處理器的原理圖。該實(shí)施例中信號處理器選用反相加法器加反相器的設(shè)計，其特征包括電阻器R1，電阻器R2，電阻器R3，電阻器R4，運(yùn)算放大器，反相器，其中電阻器Rl的阻值為IOOk Ω，電阻器R2的阻值為IOOk Ω， 電阻器R3的阻值為33k Ω，電阻器R4的阻值為IOOkQ，運(yùn)算放大器選用TI公司的TI的低噪精密運(yùn)算放大器0ΡΑ227，反相器選用74HC04芯片，如圖3所示，運(yùn)動控制器提供的電氣復(fù)合主信號與信號發(fā)生器提供的電氣復(fù)合次信號通過反相加法器電路產(chǎn)生反相疊加信號，反相疊加信號通過反相器產(chǎn)生疊加信號，使得經(jīng)疊加后的信號中能夠分辨出宏動指令信號中的微小振動信號，同時保持宏動指令信號
5的特性，疊加信號輸入到驅(qū)動器中，驅(qū)動音圈電機(jī)實(shí)現(xiàn)宏微運(yùn)動復(fù)合。此外，信號處理器可以選用同相加法器的設(shè)計，如圖4所示。圖4為本具體實(shí)施例中所選用的另一種信號處理器的原理圖。該信號處理器選用同相加法器的設(shè)計，其特征包括電阻器R5，電阻器R6，電阻器R7，電阻器R8，電阻器R9，運(yùn)算放大器，其中電阻器R5的阻值為IOOkQ，電阻器R6的阻值為IOOkQ，電阻器R7的阻值為IOOkQ，電阻器R8的阻值為 IOOkQ,電阻器R9的阻值為33k Ω，運(yùn)算放大器選用TI公司的TI的低噪精密運(yùn)算放大器 0ΡΑ227。如圖2所示，圖2為本實(shí)用新型的機(jī)構(gòu)簡圖與傳統(tǒng)系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)簡圖對比。其中箭頭d代表傳統(tǒng)系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)的大行程伺服進(jìn)給加工運(yùn)動，箭頭e代表傳統(tǒng)系統(tǒng)中由壓電陶瓷作換能元件，進(jìn)行輔助高頻微振動運(yùn)動，箭頭f代表經(jīng)改進(jìn)后的系統(tǒng)，電氣復(fù)合代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)構(gòu)復(fù)合，實(shí)現(xiàn)大行程伺服進(jìn)給加工與輔助振動排屑一體化。傳統(tǒng)的系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)與壓電陶瓷的宏微組合式驅(qū)動機(jī)構(gòu)。壓電陶瓷作為換能元件，可以實(shí)現(xiàn)從電能到振動的轉(zhuǎn)換。但由于壓電陶瓷驅(qū)動電源的性能是決定壓電陶瓷驅(qū)動器性能的關(guān)鍵之一，不僅要求壓電陶瓷驅(qū)動電源輸出的精度與穩(wěn)定性，同時需保證其動態(tài)響應(yīng)特性，因此對壓電陶瓷驅(qū)動電源的設(shè)計增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時增加了成本，在工業(yè)應(yīng)用上有一定的局限性。而本實(shí)用新型通過電氣復(fù)合克服了這一缺點(diǎn)，精簡了機(jī)構(gòu)，降低成本的同時拓寬了音圈電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，在工業(yè)應(yīng)用上具有重要的意義。由上述可見，采用基于電氣復(fù)合的宏微復(fù)合運(yùn)動系統(tǒng)及控制方法，不僅能在微細(xì)電火花小孔加工中實(shí)現(xiàn)自動排屑，有效提高加工效率，而且精簡機(jī)構(gòu)，優(yōu)化系統(tǒng)，節(jié)約成本的同時拓寬了音圈電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。本方法在工業(yè)應(yīng)用上特別是微細(xì)電火花小孔加工中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
權(quán)利要求1.基于電氣復(fù)合的宏微復(fù)合運(yùn)動系統(tǒng)，其特征在于包括運(yùn)動控制器(1)，信號發(fā)生器 O)，信號處理器(3)，驅(qū)動器⑷和音圈電機(jī)(5)；運(yùn)動控制器(1)將宏動指令信號發(fā)送至信號處理器(3)， 信號發(fā)生器( 將微小振動信號發(fā)送至信號處理器(3)， 信號處理器(3)與驅(qū)動器(4)連接，將疊加信號發(fā)送至驅(qū)動器G)， 驅(qū)動器⑷與音圈電機(jī)(5)連接，驅(qū)動音圈電機(jī)(5)運(yùn)動。
專利摘要基于電氣復(fù)合的宏微復(fù)合運(yùn)動系統(tǒng)，本實(shí)用新型涉及機(jī)電伺服控制領(lǐng)域。它解決了現(xiàn)有工業(yè)加工中，特別是微細(xì)電火花小孔加工中排屑困難的問題，同時優(yōu)化了系統(tǒng)，精簡了機(jī)構(gòu)，節(jié)約了成本。本實(shí)用新型采用電氣復(fù)合代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)構(gòu)復(fù)合，運(yùn)動控制器提供的宏動指令信號作為電氣復(fù)合的主信號，信號發(fā)生器提供的微小振動信號作為電氣復(fù)合的次信號，通過高精度低噪聲的信號處理器對宏動指令信號與微小振動信號進(jìn)行信號疊加。利用音圈電機(jī)響應(yīng)快，高精度，推力波動小等特性，使得疊加信號通過驅(qū)動器驅(qū)動音圈電機(jī)達(dá)到大行程伺服進(jìn)給加工與輔助高頻微振動一體化的目的，實(shí)現(xiàn)輔助排屑。本實(shí)用新型在工業(yè)應(yīng)用上具有一定的普遍性。
文檔編號G05B19/414GK202230357SQ201120309988
公開日2012年5月23日 申請日期2011年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月24日
發(fā)明者崔晶, 楊曉文, 王然 申請人:北京工業(yè)大學(xué)