秦少明,马春狮,王 聪,余祖元,李剑中

(大连理工大学机械工程学院,辽宁 大连 116024)

晶体硅、工程陶瓷、光学玻璃等硬脆性材料在微机械领域有着广泛的应用,目前适用于硬脆性材料的高精度微细加工方法主要有光刻加工、电火花加工、电解加工、激光加工、超声加工等特种加工方法。其中超声加工既不依赖于加工材料的导电性,也不产生热物理作用,还能加工出大深宽比的微细结构,因此在硬脆材料微细加工方面有较大优势[1-3]。然而,微细超声波加工中的加工力很小,其恒定控制非常困难,导致加工过程极不稳定,加工性能、重复性较差,严重影响了加工效率和加工质量,制约了微细超声加工技术的广泛应用[4-5]。

为了提高微细超声波加工系统的稳定性,获得较好的加工性能,本文在加工力简单两位控制方法的基础上[6],采用积分分离PID算法,设计了一种新的微细超声加工力恒定控制系统,并通过实际加工验证其有效性,获得了满意的效果。

1 微细超声加工的实验装置

实验装置由微细超声加工系统、精密伺服进给系统、微细工具电火花制备系统及实时观测系统等组成,图1是该实验装置的结构示意图。

微细超声加工系统主要由超声波发生器、超声波换能器、加工力状态检测系统及磨粒悬浮液组成。超声波发生器的振动频率约为35 kHz,振幅可调节范围为0.3～3μm;加工力状态检测系统采用日本某公司生产的具有较快响应速度和较高测量精度、称重范围1100 g、感量0.001 g的GF-1000型精密电子天平对加工力进行测量;磨粒悬浮液采用金刚石粉末与纯水按一定质量比配制而成。……