摘 要
电解加工也被叫做电化学加工，是刀具做阴极，金属工件做阳极，浸没在电解加工液中，阳极溶解，从而将金属工件加工成一定的形状和尺寸的加工方法。电解加工，是应用化学反应，将加工的工件变成离子形式，因此加工完成后工件无残余应力和变形等优点。因为去除的材料是离子，所以精度很高。微细电解加工还有其自身的优点，比如加工的工件精度更高、尺寸更小等。
本文主要讲述微细电解加工桌面机床设计过程。微细电解加工桌面机床设备是一个完整的配套系统，由机床本体、控制系统以及检测系统三大部分组成，将加工工件定位到机床本体上，并且在此进行加工，因此机床本体是机床非常重要的部分。本次毕业设计包括：微细电解加工桌面机床的机械本体、检测系统、控制系统的设计、运动仿真和整体调试。
该机床采用双立柱-C型结构，这样可以使得机床总面积较小，加工区面积变大，而且能够得到较高的系统刚性，提高加工过程的稳定性和精确性，避免切削液飞溅腐蚀机床机械部件。该装备工件固定不动，刀具运动，实现插补运算和进给。具有三个方向的运动机构，三个方向运动机构可以单独运动，也可联动，可实现工件的三维加工和显示，运动范围为20×20×30mm，精度为1 μm。通过计算机控制刀具电极的运动，让两者按照设定轨迹运动；加工过程中，通过数据采集卡检测刀具电极和加工工件间的加工电压变化情况或者回路中的电流变化情况，从而控制阴阳极间的间隙，进而加工出所需要的零件形状和尺寸。
关 键 词
微细电解加工，双立柱，机床
ABSTRACT
Electrolytic machining, also known as electrochemical machining is a processing method, which means metallic works dissolve in electrolyte with the help of fashioned cathode-anode and the work pieces are formed according to a certain shape and size. It has many advantages, such as loss less tools, good surface quality, unrelated to the hardness of parts and materials, none stress and deformation of the work piece, etc. The processing material is removed as dissolved ions in the processing. Compared with electrochemical machining,electrochemical micro machining has its
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own characteristics in addition to above characteristics, such as low solution concentration of electrolytic micro machining, low machining voltage, small inter-electrode gap between the anode and cathode, small size of machined parts, precision requirements, etc.
This article focuses on the design process of desktop machine in electrochemical micro machining. The electrochemical micro machining desktop machine is a complete support system, which has three major components: machine body, detection system and control system. Machine body is the main part of the equipment and the place of electrochemical micro machining. Its main functions are processing current and electrochemical micro machining working fluid to the processing zone, in addition to installation, positioning the work piece and sending work pieces outside of the tool electrode. The main contents of this design are the completion of basic machine of this machine body, detection system, control system design and overall debugging.
The machine body uses a double-column-C type structure, so as to reduce the machine footprint, to ensure the machining accuracy, improve the reliability of the process, improve the rigidity of the system, to avoid corrosion of mechanical components when the electrochemical micro machining liquid splashes on the machine body. The equipment is fixed and tools move in order to realize Interpolation arithmetic and feed. It has the three-directional movement mechanism. The three-directional movement mechanism may be used alone or in linkage. 2.5 d processing and display can be realized on it. The movement range is 20×20×30 mm and the accuracy is 1 micron. The movement of the tools and electrode is controlled by a computer, so that both move in accordance with the set trajectory. In processing, with the help of Data Acquisition Card which is used to detect the machining voltage change between electrode and work piece, or the change of current in the return circuit, the end clearance between the electrode is thereby controlled and then the parts with required size is processed.
Key Words
electrochemical micro machining，double-column，machine tool
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一、绪论
（一）微细电解加工技术的研究现状
微细电解加工技术是应用电解加工技术在1μm～1mm的范围内加工,进而得到精度非常高、零件尺寸非常微小的加工方法[1]。在微细电解加工中，去除的材料形成离子，而离子非常小，因而可以达到很高的加工精度；微细电解加工不仅包括电解加工的优点，还包括阴阳极间的电压低、精度高等优点[2]。虽然微细电解加工技术在光学、化学等领域得到广泛应用,但微细电解加工技术的发展还有很长的路要走[3]。
随着社会的进步科学技术的发展，很多微细结构的出现，使得微细电解加工技术的研究受到越来越多人的重视。伴随着人们研究的深入，使得微细电解加工技术得到突破，令微细电解加工技术越来越成熟[4]。
微细电解加工的特点[5]：
1、通过化学反应能够加工高硬度的金属材料，与传统车铣削不同，而避免刀具磨损。
2、刀具电极发生化学反应，仅有H2产生，刀具无损耗。
3、可以与其他机械加工组合，形成特种加工，能够克服现有技术的弊端。 4、加工比较精良、行程比较小、但加工出来的精度非常高、电解液的浓度低、加工电压低、阴阳极间的间隙小、加工零件尺寸小等特点。
在微细电解加工领域，主要有两个研究方向，即加工更小的尺寸的零件和对已有零件进行微细电解加工[6]。
（二）设计微细电解加工桌面机床的意义
在科学技术飞速发展的今天，越来越多的高精度的工件的出现，使得人们对设备精度要求越来越高，人们希望找到更好的技术解决传统加工的缺点，这使得
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微细电解加工技术逐渐走进人们的视野，受到越来越多的关注。微细电解加工是一种阳极溶解，阴极只参与化学反应，而不缺失的一种加工技术。因为去除的材料成为离子，而离子非常微小，因而让微细电解加工技术在未来的发展中更显重要，并且因此显现出其很大的发展空间和潜力；此外，与老式机械加工相比，微细电解加工不会让加工完成的工件产生残余应力和变形，而使得工件报废，而且他不需要时效处理；在微细电解加工中，阴极和阳极之间存在流动的电解液，挨不到；因为上述这些特点，微细电解加工技术渐渐走进人们的视野成为国内外研究热点，并在精度和加工工件大小上有所突破[8]。但是目前仍有很多不足之处，如耗费时间过长加工效率低、技术不是很成熟等缺点。
目前，国内外对微细电解加工桌面机床的设计还基本处在起步阶段。印度加工出来了10μm间隙的系统，韩国加工出10μm直径的刀具，日本则把加工间隙控制在10μm以下。而国内的清华大学则把加工间隙控制在20μm左右。
在微细电解加工领域主要有两个研究方向：一个是追求加工尺寸的微细化，如何应用微细电解加工技术加工出精度更高要求的工件，寻求微纳米尺度加工；另一个是如何利用微细电解加工技术更加经济、高效、方便的加工出现在已经应用的更小的机构，进而更好的为人们解决技术问题[9]。
由于西方对我国技术的封锁，我国高科技技术起步晚等原因，使得到目前为
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止微细电解加工桌面机床的研究在国内还没有较大的进展，国内还没有成熟的技术化、规模化的微细电解加工桌面机床设备，大多数都是高校或科研机构自主研发的设备。因而本次毕业设计——微细电解加工桌面机床的设计，为以后本学校进行特种加工的实践提供支持，具有非常深远的实际意义。 （三）课题研究的主要内容
本课题详细介绍了作者进行微细电解加工桌面机床设计的过程。微细电解加工设备是一个完整的配套系统，由机床机械本体、控制系统以及检测系统三大部分组成;本次毕业设计的内容是完成该机床的硬件主体、测控系统的设计、软件绘图和运动仿真，其中硬件主体包括机床底座、立柱、横梁、连接板等机械部件的设计仿真；基于Lab Windows的控制系统的设计和显示；检测电流电压的检测
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系统的设计和焊接。机床的机械本体是设备的主体，是进行各项操作的基础，他承载着工件，对各项命令进行执行，是直接表现机床性能的场所。完成机床本体、控制系统、检测系统的设计以及机床的运动仿真是本次毕业设计的主要内容。
该机床总体布局采用双立柱－Ｃ型结构，这样可以使得机床总面积较小，加工区面积变大，而且能够得到较高的系统刚性，提高加工过程的可靠性，更容易保证加工的精度，避免切削液飞溅腐蚀机床机械部件。装备工件固定在电解槽中不动，刀具运动，实现刀具插补运算和进给运动。具有三个方向的进给机构，运动范围为20×20×30mm，精度为1 μm。通过计算机控制工具电极的运动，让两者按照设定轨迹移动；根据检测系统检测的电流或电压变化情况，对加工进行监控，实现反馈，进而精确控制阴阳电极之间的间隙，以加工出所需要的零件和尺寸。机床局部布局如图1.1所示
图1.1机床局部布局
二、机械本体设计
（一）机床布局
在进行微细电解加工桌面机床设计时，机床布局的选择是个非常重要的步骤，牵涉到机床将来的刚度、精度，关系到机床将来的操作维护是否方便，而且还影响到以后的部件设计方案[11]。
微细电解加工与以往人们认知的加工相比因为电主轴高速旋转带动微细电
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解加工电解液的飞溅，需要特别防护立柱、横梁等金属部件的腐蚀；由于加工零件刀具运动范围小，需要工件定位时比较靠近刀具；由于加工零件精度要求高，需要机械本体的柔性和刚性特别好。
C型卧式机床具有技术成熟、操作简单、掌握技术人员多等特点。而双立柱机床则具有工件平放在工作台上，加工空间大，技术人员有很大的活动空间等特点。
由于以上特点，作者对比C型、双立柱机床的特点，最终确定机床总体布局采用双立柱-C型结构，并且工作台固定在快速升降台。工作台由快速升降台支撑，刚性好，切削平稳。 保证导向精度，电解稳定可靠，操作平稳，精度高，采用手动旋转手轮的方式调节升降台高度，继而调节工件和刀具的距离。 1.机床电动滑台的选型
微细电解加工桌面机床电动滑台是通过丝杠转动，将旋转运动转化成直线运动，之后连接着联轴器和变速器，从而让滑台得到不同的移动速度。对比国内国外的电动滑台的精度、价格、可靠性、使用寿命等条件，在满足精度的前提下，选择性价比相对较高的。台湾GMT生产的电动滑台CYS-6020和CXS-6030，采用步进电机和滚珠螺杆。
步进电机具有：步距角不因为外界事物的变化而改变。比如步进电机工作的波形长短、电流大小、电压大小、周围温度的高低等；不会长期累积误差，虽然误差时刻伴随着步进电机，但当他旋转一周后，所有误差的和等于0，不累积；控制起来更加的方便灵活，只要频率、波长合适，很少产生失步现象；可以进行开环控制，不需要反馈信号，只要根据驱动器输入的脉冲的波形和频率，就可实现控制；配合环形驱动器使用，可以实现细分驱动功能，进而得到更小的步距角，控制的精度能够达到很高的技术要求等优点。
滚珠螺杆具有：由于滚动摩擦比滑动摩擦小的多，因此滚动螺杆运动起来更加的省力，由于阻力小所消耗的功少，更加大省电；精度更高，有良好的密封和润滑性，能够更好的保证精度要求；微进给性能好，由于阻力小，不易产生爬行现象，可以更精确的实现微进给；无侧隙，旋转起来可以使螺杆产生过盈配合，从而提高螺杆刚性等优点。
除了以上优点外，CYS-6020和CXS-6030电动滑台还具有：技术成熟，结构紧，制作精良，散热性能好等优点。所以我们选择台湾GMT生产的CYS-6020和CXS-6030电动滑台。
CYS-6020参数如表2.1.1和表2.1.2所示 表2.1.1 CYS-6020机械规格说明 台面移动荷重本体传动轨道 材质 表面运动单向往复kg 尺寸 量 重量方式 处理 真直定位定位kg 度 精度 精度 60×620 4 1.56 滚珠线性不锈化学3 μm 5 μm ±0.5 0 mm μm 螺杆滚珠钢 镀镍 mm ?6,导引导程式 1mm 表2.1.2 CYS-6020精密度规格说明 MAX 二相解析度(脉冲) 空转 平行度 运动平
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