微细电火花加工脉冲电源及伺服控制系统设计

摘要

微细电火花加工技术是电火花加工领域的一个重要分支，由于它具有非接触式加工、放电能量精确可控、加工精度高等优点，使得微细电火花加工技术在窄槽、深孔、微小孔等特殊加工领域有着不可替代的地位，在航空航天、电子、精密机械等行业有着广泛应用。
　　本课题的目的是为微细电火花加工机床设计一套微能脉冲电源和伺服控制系统。首先综述了微细电火花加工产生、发展历程和当前国内外的发展状况，在介绍了微细电火花加工与普通电火花加工相比的特殊性之后，从宏观和微观两个角度分析了电火花加工的放电原理及其工艺过程，并对高频微能脉冲电源、放电状态检测和伺服进给系统等关键技术进行了研究，分析了针对这些关键技术提出的解决方案和研究成果，为以后的脉冲电源和加工过程伺服控制系统的设计提供了理论依据和设计参考。
　　为满足微细电火花加工高频微能的脉冲放电要求，设计了一款以32位高速单片机STM32为控制核心，以功率MOSFET构成可控式RC放电结构的微能脉冲电源，具有放电频率高，脉冲能量可控的优点。该电源具有串口通信功能，可以通过上位机对电源的加工参数进行调节。另外，该电源通过平均电压检测法对放电状态进行检测并将检测信号调理转换后上传给控制系统，作为伺服控制的依据。
　　针对微细电火花加工伺服控制精度高、响应速度快的控制要求，设计了交流伺服电机+压电陶瓷致动器的宏微复合进给结构。交流伺服实现大步距的进给或回退运动，压电陶瓷致动器搭载在宏进给结构上构成微进给级，实现对微位移的控制和响应调节。在分析两者不同的组合控制方案后，选用了全闭环交流伺服+开环压电致动器的控制方式。交流伺服系统实现位置定位，微进给系统负责微小位移进给和快速响应。
　　在Real view MDK平台下开发了单片机控制软件，并重点介绍了上位机与单片机的通信协议和协议解析过程。在VC++平台下开发了上位机监控界面，调用运动控制卡配套动态链接函数库开发了伺服控制软件。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 微细电火花加工的产生和发展

1．3 微细电火花加工的特点

1．4 课题研究目的和意义

1．5 论文主要研究内容

第2章 微细电火花加工技术基础

2．1 电火花加工原理概述

2．1．1 电火花放电加工的工艺过程

2．1．2 电火花放电加工的特性效应

2．2 微细电火花加工过程关键技术研究

2．2．1 脉冲电源放电实现和能量控制

2．2．2 放电状态的检测与识别

2．2．3 伺服进给系统

2．3 微细电火花加工系统总体结构介绍

2．4 本章小结

第3章 脉冲电源设计与实现

3．1 脉冲电源整体方案

3．1．1 脉冲电源设计要求

3．1．2 脉冲电源总体结构

3．2 功率模块设计

3．2．1 主放电回路单元

3．2．2 功率MOSFET驱动单元

3．2．3 继电器驱动单元

3．3 控制模块设计

3．3．1 脉冲发生单元

3．3．2 串口通信单元

3．3．3 A／D转换单元

3．4 检测模块设计

3．5 可调直流稳压电源模块设计

3．6 本章小结

第4章 伺服控制系统设计

4．1 伺服进给结构设计

4．1．1 伺服控制系统的控制要求

4．1．2 基于交流伺服和压电陶瓷的宏微复合进给装置

4．2 伺服系统的控制方案设计

4．2．1 交流伺服的控制方式分析

4．2．2 压电陶瓷致动器的控制方式分析

4．2．3 宏微复合进给伺服系统的控制方案

4．3 伺服控制系统硬件结构组成

4．4 交流伺服控制系统的控制算法

4．4．1 交流伺服控制系统的闭环控制

4．4．2 数字PID控制算法

4．4．3 反馈加前馈的复合控制算法

4．4．4 参数整定

4．5 伺服控制策略

4．6 本章小结

第5章 电火花加工系统软件设计

5．1 脉冲电源控制软件设计

5．1．1 Realview MDK开发平台及STM32库函数介绍

5．1．2 脉冲电源程序架构

5．1．3 单片机与上位机之间的通信协议

5．1．4 初始化程序

5．1．5 中断服务程序

5．1．6 主程序

5．2 上位机监控软件设计

5．2．1 脉冲电源控制

5．2．2 伺服系统的监控

5．3 本章小结

结论

参考文献

附录

致谢

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