机械科学与技术微细电解线切割加工te制系统王昆，朱荻，张朝阳（南京航空航天大学机电学院，南京21⑴16）割加工控制系统的要求，利用虚拟仪器设备搭建了加工控制系统，并在Labwhdows/CVI软件平台上设计了控制系统软件。本系统通过控制线电极按照DXF图形文件中的轨迹伺服进给，电解腐蚀工件材料达到制造微小零件的目的。试验表明本系统具有稳定可靠、硬件简单、灵活性好等特点。
微细电解加工是基于电化学离子去除原理来微量溶解工件的技术，它具有表面质量好、与零件材料硬度无关、加工后工件无应力和变形、无工具损耗等优点，可以实现微米级精度的加工。微细电解线切割加工技术是微细电解加工技术和线切割加工思想的**结合，是*近出现的一种微细加工新方法，因其低成本高效率的特点倍受同行关注。
微细电解线切割加工控制系统要求实时控制性好，对加工电流突变能快速响应，控制执行机构相应动作，且稳定性好、抗干扰能力强。此外，加工控制系统还必须带有强大的图形交互能力和快速的轨迹插补计算功能。传统的电解加工系统通常采用普通模拟数字混合电路控制，开关按钮多，可靠性难以保证，且很难在加工过程中和用户进行实时交互操作，根本无法满足微细电解线切割加工控制系统的要求。
虚拟仪器技术是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测量和自动化的应用，拥有性能高、扩展性强、开发周期短、成本低等优点。Labwhdows/CVI是基于C语言的虚拟仪器软件开发平台。用Labwindows/CVI开发的应用系统不但拥有虚拟仪器技术所带来的全部优点，而且因其开发语言是标准C；使应用系统的计算能力和运行速度大大强，非常适合仪器控制与计算能力并重的应用场合。
本文基于Labwhdows/CVI软件开发平台，配合精密运动平台、伺服电机、电流传感器和运动控制卡、数据采集卡等虚拟仪器设备建立了微细电解线切割加工控制系统。试验表明该控制系统具有稳定可靠、硬件简单、灵活性好等特点。
基金项目：国家自然科学基金项目（50575105）资助1加工原理通过对微细电解线切割加工中金属工件蚀除方式的分析，本文建立了微细电解线切割加工试验系统，其示意图如所示。加工系统中采用一种特殊的线电极夹具固定微米尺度线电极，线夹具示意图如所示，线电极夹具整体固定到加工系统的主轴上。
微细电解线切割加工是利用金属在电解液中发生电解阳极溶解的原理，通过线电极的数控运动将工件切割加工成型，其加工原理如所示。
本文选用超细钨丝作为线电极，金属片作为工件。加工过程中，在线电极（阴极）和工件（阳极）之间加上一定电压，两极间保持微米尺度的小间隙，在间隙内充满酸性电解液，两电极上发生如下电解反应线电极（阴极）：2H++2个工件（阳极）：M*M+ +e金属电极在电极反应过程中会发生电解极化和浓差极化，它们都是影响加工间隙大小的重要因素。
当采用纳秒脉宽的脉冲电源进行电解线切割加工时，由于电极极化时间非常短，扩散层有效厚度变得很薄，从而大大减小了浓差极化的影响，使电解极化成为决定因素。当脉冲电源的频率提高到兆赫，脉冲宽度减小到纳秒时，可以显著地减小电解加工的杂散腐蚀，提高定域蚀除金属材料能力。因此，将纳秒脉冲电流和酸性电解液相结合，可以将微细电解线切割加工精度提高到微米级。
加工过程中，为了配合微米级小间隙中发生不间断的金属工件电解阳极溶解，线电极的进给运动采用恒速间歇性进给方式，即在单位时间At内恒速进给确定的位移。为了保持微米尺度的加工间隙，通过初步的基础试验得知，线电极的进给速度应该控制在0.1Lm/s左右。为了保证微细电解线切割加工的顺利进行，其加工控制系统应具有较高地超低速运行性能，不能出现低速爬行现象。
在微细电解线切割加工中，为了实现各种复杂轮廓的切割加工，本文建立了一套基于DXF图形文件的轨迹进给控制子系统，可以直接读取此图形文件中的二维实体模型数据，控制线电极按照文件中所描述的轨迹伺服进给。此外，考虑到加工中可能会出现短路现象，在加工控制系统中添加了实时的加工状态监测和短路保护功能。
加H控制系统软件以式（3）计算出来的加工电流I，作为阈值，通过实时监视加工过程电流值I大小，与I，比较判断加工是否进入危险状态。若I\I，则停止进给，让电极静止加工数秒，直到I2加工控制子系统加工控制子系统包括对刀模块和轨迹伺服控制模块，其中轨迹伺服控制模块所需的轨迹图形数据及加工参数来自于人机交互子系统。
对刀的基本过程是：脉冲电源设置为对刀参数，与线电极接通；线电极通过夹具固定在主轴上，工件作XY两维运动，当它的边缘和线电极接触时发生短路，电流会产生突变。利用短路对刀的方法确定线电极和工件的相对位置后，工件回退5Lm左右作为加工间隙。
设置为加工参数并设置加工系统的进给速度。然后，启动电解液泵、接通脉冲电源。然后从所要切割的图形文件中读入工件所要走的轨迹数据，然后插补出工件进给所必须经过的数据点坐标，接着工件只要从某一个坐标位置顺序移向下一个目加工控制系统软件模块图标位置就可实现微细电解线切割加工。因为微细加工系统的买物图如所示。系统由4个部分硬件组成：（1）电极系统；（2）电解液；（3）加工状态检测硬件；（4）伺服运动平台。
电极系统由工具线电极、工件阳极和纳秒脉冲电源组成。采用十微米的钨丝作为线电极，由于电解加工没有电极损耗，所以先将钨丝直接固定在电极夹具上，然后把线电极夹具装夹在自行研制的微细电解线切割加工机床主轴Z上，工件固定于电解液槽内，而电解液槽则安装在X-Y二维工作台上作平面运动，当XY工作台运动时，线电极就相对于工件做二维的切割运动。试验中采用的纳脉冲脉冲电源的正负极分别接工件和工具线电极，它可以输出*高频率达100MHz的脉冲信号，电压幅值为*5V，*小脉宽为5ns电解液采用酸性溶液（如：HClH2S4等），工件阳极在电解加工过程中的产物可以溶解在电解液中，不会由于生成的沉淀物堵塞加工间隙，而阻碍电解反应的继续进行。
加工过程中电流的变化直接反映着加工所处的状态，加工电流的检测和由此作出的控制策略是保证电解加工精度的必要环节。本文采用0~ 20mA测量范围的电流传感器检测加工中的电流。电流传感器将毫安级的加工电流隔离放大转换成0~5V电压信号，可以使加工回路和检测回路相隔离，放大后的电压信号经过数据采集卡实时输入到工业控制计算机中，实现加工状态的实时检测。
本文采用德国PI公司的C843运动控制卡作为运动控制系统的核心，控制M126高精度三轴运动平台实现X-Y-Z这3个方向加工的伺服进给，可以保证加工时0.1Lm/step的进给分辨率和1Lm的重复定位精度。
3加工控制系统的软件设计采用了模块化结构编制了加工控制系统软件，它由数据采集子系统，加工控制子系统和人机交互子系统组成，如所示。
3.1数据米集子系统本文采用NI公司的6052E数据采集卡加工系统数据采集与分析的核心，选用两个模拟量输入分别采集对刀电流和加工电流，系统的A/D转换时间仅为6Ls采集频率为333KS/s实时性很强。本文采用NI公司的Labwhdows/CVI作为软件开发平台，可以方便地调用N-DAQmx数据采集库函数，能*大限度地发挥N-6052E的采集性能。
本文在微细电解线切割加工中通过实时检测加工电流和计算加工电流的变化量来监控加工过程中的间隙变化并防止短路现象的发生，把平衡间隙处电流的理论计算值作为加工电流阈值。
推算出到达平衡间隙，时的加工电流3.3人机交互子系统微细电解线切割加工中线电极相对工件运动的轨迹来自于DXF文件。人机交互子系统通过读取DXF文件中的图形数据生成加工数据链表，输出给轨迹伺服控制模块。DXF文件的实体段包含了实体信息，读取它的程序流程图如所示。
由于线切割无法做跳跃加工，所以在处理完DXF文件后，必须对所得的实体数据重新排序，使实体在加工方向上首尾相连。人机交互子系统还包括加工参数的输入和对加工位置、间隙状态的实时显示功能，加工控制系统的主界面如所示。
加工控制系统主界面4试验本文进行了微细电解线切割加工试验。采用直径为10Lm的钨丝作为线电极，接纳秒脉冲电源负极，100Lm厚的纳米晶电沉积镍片接电源正极；电源的脉冲宽度为40ns周期为1L，电压为3.8V；电解液为0.1Mol/L的盐酸溶液，加工系统伺服控制微细线电极按照一定的轨迹图形进给，所得的微结构切缝宽度控制在20Lm左右，如所示。
5结论本文基于电化学原理，分析了微细电解线切割加工控制系统的要求，利用虚拟仪器设备搭建了加工控制系统硬件，并在Labwhdows/CVI软件平台上设计了控制系统软件。本系统通过控制线电极按照DXF图形文件中的轨迹伺服进给，电解腐蚀工件材料达到制造微小零件的目的。试验表明本系统具有稳定可靠、硬件简单、灵活性好等特点。
