基於電氣複合的宏微複合運動系統的製作方法

2023-10-21 01:43:17

專利名稱：基於電氣複合的宏微複合運動系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及機電伺服控制領域，具體涉及基於電氣複合的宏微複合運動系統。
背景技術：
機電一體化技術的發展，促進了機械裝備向微小型方向發展，微機械技術便應運而生。其中，微細電火花加工技術具有可控性好、加工單位小、可實施三維加工等特點，使其在微細軸、微小孔加工及微三維結構製作方面顯示出了非常大的潛力，已成為微細加工技術的一個重要分支。然而，微細電火花加工中由於放電面積和放電間隙很小，導致其排屑困難，極易造成短路，加工狀態不穩定等問題，是制約微細電火花加工發展的一大難題，成為微細電火花加工技術發展的瓶頸。為解決微細電火花小孔加工中排屑困難的問題，在電火花工具機上對工具電極或被加工零件施加振動，有利於排除電蝕產物，提高加工效率。研究表明根據被加工表面的形狀以及加工面積、深度和規範的不同，加工效率可提高2至4倍。在進行微細電火花小孔加工過程中，為了及時排出蝕除產物，一般選取粘度偏低的工作液，如純淨水，並採取強迫排屑的衝、吸供液措施來加強工作液的循環。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。現有研究中，微細電火花加工工具機中採用步進電機與壓電陶瓷的宏/微組合式驅動機構，壓電陶瓷作為換能元件，可以實現從電能到振動的轉換。但由於壓電陶瓷驅動電源的性能是決定壓電陶瓷驅動器性能的關鍵之一，不僅要求壓電陶瓷驅動電源輸出的精度與穩定性，同時需保證其動態響應特性，因此對壓電陶瓷驅動電源的設計增加了系統的複雜性，同時增加了成本，在工業應用上有一定的局限性。現有的對微細電火花加工中排屑困難問題的改進，都是從機構複合如通過電極搖擺達到輔助排屑的目的。但其附加了搖擺機構，使得系統結構變的複雜，控制精度也相對下降。

實用新型內容通過機構複合雖然能夠一定程度上解決微細電火花小孔加工中排屑困難的問題， 但同時也使得系統結構變的複雜，增加了系統的成本，並且提高了系統控制的難度。音圈電機是一種特殊形式的直接驅動電機。具有結構簡單、推力波動小、高速、高加速、響應快等特性。與旋轉電機相比無需中間轉換環節即可實現直線運動，精簡機構，提高了定位精度。因此音圈機電被廣泛運動在精確定位伺服系統中。本實用新型正是基於音圈電機以上特點，提出一種基於音圈電機的新型電氣複合型宏微複合運動模式，取代現有步進電機與壓電陶瓷的宏微機械複合式的運動機構，通過高精度低噪聲的信號處理器，對運動控制器提供的宏動指令信號和信號發生器提供的微小振動信號進行信號疊加，疊加後的信號通過驅動器驅動音圈電機實現大行程進給加工與高頻微振動的一體化。本系統設計不僅精簡了現有電火花加工工具機的機構，優化系統，節約成本，並對拓寬音圈電機的應用領域，研究複合運動的新形式等具有重要的意義和現實價值。[0006](一)要解決的技術問題本實用新型的主要目的在於提出一種基於電氣複合的宏微複合運動系統及控制方法，運用電氣複合代替傳統的機構複合模式，以克服常規微細電火花小孔加工中排屑困難機構複雜等不足。實現大行程伺服進給加工與高頻微振動的一體化，完成自動排屑，進而有效的提高微細電火花小孔加工的效率。( 二 )技術方案為達到上述目的，本實用新型提出一種基於電氣複合的宏微複合運動系統及控制方法。該系統包括運動控制器(1)，信號發生器O)，信號處理器(3)，驅動器(4)和音圈電機⑶；運動控制器(1)產生宏動指令信號，並發送至信號處理器(3)。運動控制器(1)與信號處理器C3)連接，運動控制器(1)產生宏動指令信號，並發送至信號處理器(3)。宏動指令信號為運動控制器(1)提供的大行程伺服進給加工指令信號，該信號作為電氣複合的主信號，信號發生器( 產生微小振動信號，並發送至信號處理器(3)。信號發生器O)與信號處理器(3)連接。信號發生器(2)產生微小振動信號，並發送至信號處理器(3)。微小振動信號為信號發生器提供的輔助高頻微振動信號，用於實現大行程伺服進給加工中的輔助振動，該信號作為電氣複合的次信號。信號處理器(3)與驅動器(4)連接，將疊加信號發送至驅動器(4)。疊加信號為通過信號處理器( 對運動控制器(1)提供的宏動指令信號與信號發生器( 提供的微小振動信號進行信號疊加，使得疊加信號保持運動控制器(1)提供的宏動指令信號特性的同時輔助高頻微振動，實現電氣複合，驅動器⑷與音圈電機(5)連接，驅動音圈電機(5)運動。上述方案中，運動控制器提供宏動指令信號，信號發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行疊加產生疊加信號，疊加信號通過驅動器驅動音圈電機進行宏微複合運動。(三)有益效果本實用新型具有以下有益效果(1)本實用新型提供的這種基於電氣複合的宏微複合運動系統及控制方法，能夠克服現有常規系統中機構複雜排屑困難等不足，即以電氣複合代替傳統的機構複合，實現微細電火花小孔加工中的自動排屑。該實用新型能夠精簡機構，優化系統，節約成本，在工業應用上特別是微細電火花小孔加工中具有重要現實意義。(2)本實用新型利用音圈電機高精度高響應速度的特性取代以往微細電火花小孔加工中步進電機與壓電陶瓷的宏微組合式驅動方式，與旋轉電機相比無需中間轉換環節即可實現直線運動，精簡機構，提高了定位精度。在實現自動排屑的同時，拓寬了音圈電機的應用領域。

圖1為本實用新型提出的電氣複合技術原理圖圖2為本實用新型的機構簡圖與傳統系統的機構簡圖對比[0025]圖3為具體實施例中所選用的信號處理器的原理圖圖4為具體實施例中所選用的另一種信號處理器的原理圖
具體實施方式
以下結合具體實施例，並參照附圖，對本實用新型進行進一步的詳細說明。本實用新型的核心內容是通過高精度低噪聲的信號處理器對運動控制器提供的宏動指令信號及信號發生器提供的微小振動信號進行信號疊加，使疊加後信號能夠通過驅動器驅動音圈電機實現基於電氣複合的宏微複合運動。實現電氣複合取代傳統的機構複合，達到精簡機構，優化系統，提高加工效率的目的。如圖1所示，圖1為本實用新型所提出的電氣複合原理圖。圖1中運動控制器採用美國Delta Tau Date System公司生產的可編程多軸運動控制卡II型(PMAU)，圖中a為PMAC2卡提供的宏動指令信號。通過PeWin32RP02軟體可以對PMAC2卡進行的在線命令控制，運動程序控制等。其中在線命令控制中運動控制命令分為開環0指令和閉環J指令，該具體實施例中涉及到如下指令J+指令即正方向常速運動J-指令即負方向常速運動，J/指令即停止運動或閉環，J =指令即運動到上次編程位置，J= {constant}指令即運動到指定的絕對位置等。運動程序控制中，PMAC2卡運動程序語言擁有與BASIC或者PASCAL的簡明語法，該具體實施例中電機的位置、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。在該具體實施例中使用的宏動指令為使電機運行到10000計數點等待2秒後返回0計數點。該指令完成音圈電機從參考點位置運行至10000計數點位置處停止2秒後返回至參考點的直線運動。此外，還可以根據用戶需求編寫合適的運動指令來完成相應運動。PMAC2卡提供的宏動指令信號a 為大行程伺服進給加工指令信號，該信號作為電氣複合的主信號。圖1中信號發生器採用正弦波信號發生器，圖中b為正弦波發生器的微小振動信號，其中信號頻率範圍為20hz ΙΟΙΛζ，幅值範圍為0 5V。正弦波發生器提供的微小振動信號為輔助高頻微振動信號，用於實現大行程伺服進給加工中的輔助振動，該信號作為電氣複合的次信號。圖1中c為信號處理器。該具體實施例中信號處理器選用反相加法器加反相器的設計。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進行信號疊加，使經疊加後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，疊加後信號輸入到驅動器中，由驅動器驅動音圈電機實現宏微運動複合，達到大行程進給加工與輔助排屑的一體化的目的。如圖3所示，圖3為本具體實施例中所選用信號處理器的原理圖。該實施例中信號處理器選用反相加法器加反相器的設計，其特徵包括電阻器R1，電阻器R2，電阻器R3，電阻器R4，運算放大器，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，運算放大器選用TI公司的TI的低噪精密運算放大器0ΡΑ227，反相器選用74HC04晶片，如圖3所示，運動控制器提供的電氣複合主信號與信號發生器提供的電氣複合次信號通過反相加法器電路產生反相疊加信號，反相疊加信號通過反相器產生疊加信號，使得經疊加後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，疊加信號輸入到驅動器中，驅動音圈電機實現宏微運動複合。此外，信號處理器可以選用同相加法器的設計，如圖4所示。圖4為本具體實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計，其特徵包括電阻器R5，電阻器R6，電阻器R7，電阻器R8，電阻器R9，運算放大器，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，運算放大器選用TI公司的TI的低噪精密運算放大器 0ΡΑ227。如圖2所示，圖2為本實用新型的機構簡圖與傳統系統的機構簡圖對比。其中箭頭d代表傳統系統中步進電機的大行程伺服進給加工運動，箭頭e代表傳統系統中由壓電陶瓷作換能元件，進行輔助高頻微振動運動，箭頭f代表經改進後的系統，電氣複合代替傳統的機構複合，實現大行程伺服進給加工與輔助振動排屑一體化。傳統的系統採用步進電機與壓電陶瓷的宏微組合式驅動機構。壓電陶瓷作為換能元件，可以實現從電能到振動的轉換。但由於壓電陶瓷驅動電源的性能是決定壓電陶瓷驅動器性能的關鍵之一，不僅要求壓電陶瓷驅動電源輸出的精度與穩定性，同時需保證其動態響應特性，因此對壓電陶瓷驅動電源的設計增加了系統的複雜性，同時增加了成本，在工業應用上有一定的局限性。而本實用新型通過電氣複合克服了這一缺點，精簡了機構，降低成本的同時拓寬了音圈電機的應用領域，在工業應用上具有重要的意義。由上述可見，採用基於電氣複合的宏微複合運動系統及控制方法，不僅能在微細電火花小孔加工中實現自動排屑，有效提高加工效率，而且精簡機構，優化系統，節約成本的同時拓寬了音圈電機的應用領域。本方法在工業應用上特別是微細電火花小孔加工中具有重要的現實意義。
權利要求1.基於電氣複合的宏微複合運動系統，其特徵在於包括運動控制器(1)，信號發生器 O)，信號處理器(3)，驅動器⑷和音圈電機(5)；運動控制器(1)將宏動指令信號發送至信號處理器(3)， 信號發生器( 將微小振動信號發送至信號處理器(3)， 信號處理器(3)與驅動器(4)連接，將疊加信號發送至驅動器G)， 驅動器⑷與音圈電機(5)連接，驅動音圈電機(5)運動。
專利摘要基於電氣複合的宏微複合運動系統，本實用新型涉及機電伺服控制領域。它解決了現有工業加工中，特別是微細電火花小孔加工中排屑困難的問題，同時優化了系統，精簡了機構，節約了成本。本實用新型採用電氣複合代替傳統的機構複合，運動控制器提供的宏動指令信號作為電氣複合的主信號，信號發生器提供的微小振動信號作為電氣複合的次信號，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行信號疊加。利用音圈電機響應快，高精度，推力波動小等特性，使得疊加信號通過驅動器驅動音圈電機達到大行程伺服進給加工與輔助高頻微振動一體化的目的，實現輔助排屑。本實用新型在工業應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 優先權日2011年8月24日
發明者崔晶, 楊曉文, 王然 申請人:北京工業大學