微细电火花伺服扫描加工参数优选方法及系统

摘要

本发明公开了一种微细电火花伺服扫描加工参数优选方法及系统，其中，该方法包括：获取放电能量，根据最大放电间隙、最小放电间隙、工具电极进退系统响应延迟时间、工具电极轴向损耗速度的参数值获取伺服控制放电间隙的开路状态工具电极回退速度和短路状态工具电极进退速度的理论上限值；以工具电极端部侧向损耗最小及加工精度优化为优化目标，根据开路状态工具电极回退速度和上述参数获取出伺服扫描速度的理论下限值；或者以三维伺服扫描加工精度和效率综合优精化为优化目标，获取上述理论下限值。该方法可避免微细电火花伺服扫描加工中极间短路或电极碰撞的不利情况，有利于减少微细工具电极端部损耗，提高正常放电率、加工效率和加工精度。

权利要求

1.一种微细电火花伺服扫描加工参数优选方法，其特征在于，包括以下步骤：获取放电能量，并根据最大放电间隙、最小放电间隙、工具电极进退系统响应延迟时间、工具电极轴向损耗速度的参数值获取伺服控制放电间隙的开路状态工具电极进给速度和短路状态工具电极回退速度的理论上限值；

将工具电极端部侧向损耗最小及加工精度优化作为优化目标，根据所述开路状态工具电极进给速度、伺服扫描过程系数、所述最大放电间隙、所述工具电极进退系统响应延迟时间获取出伺服扫描速度的理论下限值；或者将三维伺服扫描加工精度和效率综合优化作为所述优化目标，根据所述最大放电间隙和所述伺服扫描过程系数获取伺服扫描速度的理论下限值。

2.根据权利要求1所述的微细电火花伺服扫描加工参数优选方法，其特征在于，应用优选值为所述理论上限值的0.80-0.99倍，所述应用优选值取为所述理论下限值的1.01-1.20倍。

3.根据权利要求1所述的微细电火花伺服扫描加工参数优选方法，其特征在于，所述伺服控制放电间隙的开路状态工具电极进给速度和短路状态工具电极回退速度的理论上限值为：其中，vf为开路状态工具电极进给速度，vb为短路状态工具电极回退速度，Δmax为最大放电间隙，Δmin为最小放电间隙，tw为工具电极进退系统的响应延迟时间，ve为工具电极在轴向的损耗速度。

4.根据权利要求3所述的微细电火花伺服扫描加工参数优选方法，其特征在于，以所述工具电极端部侧向损耗最小及加工精度优化为目标，所述伺服扫描速度的理论下限值为：其中，vs为伺服扫描速度，ks为伺服扫描过程系数，vf为开路状态工具电极进给速度；

伺服扫描过程系数ks为：

ks＝vs·hT

其中，hT为单层加工深度。

5.根据权利要求4所述的微细电火花伺服扫描加工参数优选方法，其特征在于，以三维伺服扫描加工精度和效率综合优化作为目标时，所述伺服扫描速度的理论下限值为：

6.一种微细电火花伺服扫描加工参数优选系统，其特征在于，包括：第一计算模块，用于获取放电能量，并根据最大放电间隙、最小放电间隙、工具电极进退系统响应延迟时间、工具电极轴向损耗速度的参数值获取伺服控制放电间隙的开路状态工具电极进给速度和短路状态工具电极回退速度的理论上限值；

第二计算模块，用于将工具电极端部侧向损耗最小及加工精度优化作为优化目标，根据所述开路状态工具电极进给速度、伺服扫描过程系数、所述最大放电间隙、所述工具电极进退系统响应延迟时间获取出伺服扫描速度的理论下限值；

第三计算模块，用于将三维伺服扫描加工精度和效率综合优化作为所述优化目标，根据所述最大放电间隙和所述伺服扫描过程系数获取伺服扫描速度的理论下限值。

7.根据权利要求6所述的微细电火花伺服扫描加工参数优选系统，其特征在于，应用优选值为所述理论上限值的0.80-0.99倍，所述应用优选值取为所述理论下限值的1.01-1.20倍。

8.根据权利要求6所述的微细电火花伺服扫描加工参数优选系统，其特征在于，所述伺服控制放电间隙的开路状态工具电极进给速度和短路状态工具电极回退速度的理论上限值为：其中，vf为开路状态工具电极进给速度，vb为短路状态工具电极回退速度，Δmax为最大放电间隙，Δmin为最小放电间隙，tw为工具电极进退系统的响应延迟时间，ve为工具电极在轴向的损耗速度。

9.根据权利要求8所述的微细电火花伺服扫描加工参数优选系统，其特征在于，以所述工具电极端部侧向损耗最小及加工精度优化为目标，所述伺服扫描速度的理论下限值为：其中，vs为伺服扫描速度，ks为伺服扫描过程系数，vf为开路状态工具电极进给速度；

伺服扫描过程系数ks为：

ks＝vs·hT

其中，hT为单层加工深度。

10.根据权利要求9所述的微细电火花伺服扫描加工参数优选系统，其特征在于，以三维伺服扫描加工精度和效率综合优化作为目标时，所述伺服扫描速度的理论下限值为：

说明书

微细电火花伺服扫描加工参数优选方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及微细特种加工技术领域，特别涉及一种微细电火花伺服扫描加工参数优选方法及系统。

背景技术

[0002] 三维微细电火花扫描(或铣削)加工工艺可实现微槽、微三维型腔加工。其采用简单棒状工具电极分层扫描、非接触式放电加工方式，可利用计算机辅助设计(Computer Aided Design,CAD)/计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing，CAM)先进技术进行复杂轨迹、自由曲面扫描加工，而且具有不受金属合金工件材料强度、硬度和刚度限制的优势。但微细电火花扫描加工具有工具电极轴向损耗严重问题，由于微细工具电极横截面积相对于工件材料被扫描去除面积较小，若要保证微细电火花扫描加工过程能够持续进行，则需要实时在线补偿工具电极的损耗。由于频繁放电过程中每次放电都会产生电极损耗，考虑到放电过程的复杂性和随机性，间歇式或经验模型式方法难以保证补偿实时性和损耗瞬变的适应性，特别是对于微细电火花加工放电间隙非常微小(～5μm量级)，瞬间微米级电极损耗若不能及时补偿即可造成放电间隙变为不理想，这将明显降低有效放电率。

[0003] 在相关技术中，微小放电间隙伺服控制效果直接影响放电率和电极损耗补偿的实时性，与工具电极相对于工件一维进给的穿孔成形加工间隙伺服控制相比，三维扫描加工是在工具电极相对于工件三维扫描运动中伺服控制加工间隙，虽然有利于加工液更新和排屑，但增加了扫描运动的影响因素，使得加工间隙伺服控制过程更为复杂。在相关技术中发现放电间隙伺服控制、扫描速度等多参数对加工过程的作用效果存在关联耦合关系。对于多参数选择依靠大量的试错实验和经验来确定，缺乏定量的评价标准和高效准确的选择方法，造成加工中常出现电极频繁短路回退、欠加工、工具电极与工件发生碰撞的破坏加工稳定性和加工精度现象，甚至工具电极被撞弯撞断。与穿孔成形加工中电极轴向一维进给的微细电极轴向刚度较大不同，微细电极与工件接触瞬间的扫描运动会在细长电极的底端产生扭矩，使得细长的微细工具电极更易弯曲或折断。因此，不理想参数将造成加工过程稳定性差，甚至加工失败的严重问题。

发明内容

[0004] 本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

[0005] 为此，本发明的一个目的在于提出一种微细电火花伺服扫描加工参数优选方法，该方法可避免微细电火花伺服扫描加工中极间短路或电极碰撞的不利情况，有利于减少微细工具电极端部损耗，提高正常放电率、加工效率和加工精度。

[0006] 本发明的另一个目的在于提出一种微细电火花伺服扫描加工参数优选系统。

[0007] 为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种微细电火花伺服扫描加工参数优选方法，该方法包括以下步骤：获取放电能量，并根据最大放电间隙、最小放电间隙、工具电极进退系统响应延迟时间、工具电极轴向损耗速度的参数值获取伺服控制放电间隙的开路状态工具电极进给速度和短路状态工具电极回退速度的理论上限值；将工具电极端部侧向损耗最小及加工精度优化作为优化目标，根据所述开路状态工具电极进给速度、伺服扫描过程系数、所述最大放电间隙、所述工具电极进退系统响应延迟时间获取出伺服扫描速度的理论下限值；或者将三维伺服扫描加工精度和效率综合优化作为所述优化目标，根据所述最大放电间隙和所述伺服扫描过程系数获取伺服扫描速度的理论下限值。

[0008] 本发明实施例的微细电火花伺服扫描加工参数优选方法，通过计算可以得到三维微细电火花伺服扫描加工工艺中开路状态工具电极进给速度vf、短路状态工具电极回退速度vb、伺服扫描速度vs的参数优选范围，能够提高参数优选效率，有利于优化三维微细电火花伺服扫描加工工艺过程。

[0009] 另外，根据本发明上述实施例的微细电火花伺服扫描加工参数优选方法还可以具有以下附加的技术特征：

[0010] 进一步地，在本发明的一个实施例中，应用优选值为所述理论上限值的0.80-0.99倍，所述应用优选值取为所述理论下限值的1.01-1.20倍。

[0011] 进一步地，在本发明的一个实施例中，所述伺服控制放电间隙的开路状态工具电极进给速度和短路状态工具电极回退速度的理论上限值为：

[0012]

[0013] 其中，vf为开路状态工具电极进给速度，vb为短路状态工具电极回退速度，Δmax为最大放电间隙，Δmin为最小放电间隙，tw为工具电极进退系统的响应延迟时间，ve为工具电极在轴向的损耗速度。

[0014] 进一步地，在本发明的一个实施例中，以所述工具电极端部侧向损耗最小及加工精度优化为目标，所述伺服扫描速度的理论下限值为：

[0015]

[0016] 其中，vs为伺服扫描速度，ks为伺服扫描过程系数，vf为开路状态工具电极进给速度；

[0017] 伺服扫描过程系数ks为：

[0018] ks＝vs·hT

[0019] 其中，hT为单层加工深度。

[0020] 进一步地，在本发明的一个实施例中，以三维伺服扫描加工精度和效率综合优化作为目标时，所述伺服扫描速度的理论下限值为：

[0021]

[0022] 为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种微细电火花伺服扫描加工参数优选系统，包括：第一计算模块，用于获取放电能量，并根据最大放电间隙、最小放电间隙、工具电极进退系统响应延迟时间、工具电极轴向损耗速度的参数值获取伺服控制放电间隙的开路状态工具电极进给速度和短路状态工具电极回退速度的理论上限值；第二计算模块，用于将工具电极端部侧向损耗最小及加工精度优化作为优化目标，根据所述开路状态工具电极进给速度、伺服扫描过程系数、所述最大放电间隙、所述工具电极进退系统响应延迟时间获取出伺服扫描速度的理论下限值；第三计算模块，用于将三维伺服扫描加工精度和效率综合优化作为所述优化目标，根据所述最大放电间隙和所述伺服扫描过程系数获取伺服扫描速度的理论下限值。

[0023] 本发明实施例的微细电火花伺服扫描加工参数优选系统，通过计算可以得到三维微细电火花伺服扫描加工工艺中开路状态工具电极进给速度vf、短路状态工具电极回退速度vb、伺服扫描速度vs的参数优选范围，能够提高参数优选效率，有利于优化三维微细电火花伺服扫描加工工艺过程。

[0024] 另外，根据本发明上述实施例的微细电火花伺服扫描加工参数优选系统还可以具有以下附加的技术特征：

[0025] 进一步地，在本发明的一个实施例中，应用优选值为所述理论上限值的0.80-0.99倍，所述应用优选值取为所述理论下限值的1.01-1.20倍。

[0026] 进一步地，在本发明的一个实施例中，所述伺服控制放电间隙的开路状态工具电极进给速度和短路状态工具电极回退速度的理论上限值为：

[0027]

[0028] 其中，vf为开路状态工具电极进给速度，vb为短路状态工具电极回退速度，Δmax为最大放电间隙，Δmin为最小放电间隙，tw为工具电极进退系统的响应延迟时间，ve为工具电极在轴向的损耗速度。

[0029] 进一步地，在本发明的一个实施例中，以所述工具电极端部侧向损耗最小及加工精度优化为目标，所述伺服扫描速度的理论下限值为：

[0030]

[0031] 其中，vs为伺服扫描速度，ks为伺服扫描过程系数，vf为开路状态工具电极进给速度；

[0032] 伺服扫描过程系数ks为：

[0033] ks＝vs·hT

[0034] 其中，hT为单层加工深度。

[0035] 进一步地，在本发明的一个实施例中，以三维伺服扫描加工精度和效率综合优化作为目标时，所述伺服扫描速度的理论下限值为：

[0036]

[0037] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

[0038] 本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

[0039] 图1为根据本发明一个实施例的微细电火花伺服扫描加工参数优选方法流程图；

[0040] 图2为根据本发明一个实施例的加工间隙的门槛阈值伺服控制方法流程图；

[0041] 图3为根据本发明一个实施例的系统响应延迟时间tw影响加工间隙伺服控制过程图；

[0042] 图4为根据本发明一个实施例的系统响应延迟时间tw影响伺服控制工具电极的运动轨迹情况图；

[0043] 图5为根据本发明一个实施例的加工间隙伺服控制参数与扫描速度参数匹配效果图；

[0044] 图6为根据本发明一个实施例采用优选参数进行微细电火花伺服扫描加工示例图；

[0045] 图7为根据本发明一个实施例的微细电火花伺服扫描加工参数优选系统结构示意图。

具体实施方式

[0046] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0047] 下面参照附图描述根据本发明实施例提出的微细电火花伺服扫描加工参数优选方法及系统，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的微细电火花伺服扫描加工参数优选方法。

[0048] 图1是本发明一个实施例的微细电火花伺服扫描加工参数优选方法流程图。

[0049] 如图1所示，该微细电火花伺服扫描加工参数优选方法包括以下步骤：

[0050] 在步骤S101中，获取放电能量，并根据最大放电间隙、最小放电间隙、工具电极进退系统响应延迟时间、工具电极轴向损耗速度的参数值获取伺服控制放电间隙的开路状态工具电极进给速度和短路状态工具电极回退速度的理论上限值，应用优选值为理论上限值的0.80-0.99倍。

[0051] 其中，伺服控制放电间隙的开路状态工具电极进给速度和短路状态工具电极回退速度的理论上限值为：

[0052]

[0053] 其中，vf为开路状态工具电极进给速度，vb为短路状态工具电极回退速度，Δmax为最大放电间隙，Δmin为最小放电间隙，tw为工具电极进退系统的响应延迟时间，ve为工具电极在轴向的损耗速度。

[0054] 具体地，根据式(1)算出的开路状态工具电极进给速度vf和短路状态工具电极回退速度vb的理论上限值，考虑到短路尽快回退和开路尽快进给的基本伺服控制策略，vf和vb在满足式(1)约束条件的前提下应尽可能取大的值，即加工工艺应用优选值，开路状态工具电极进给速度vf和短路状态工具电极回退速度vb取为理论上限值的0.80-0.99倍。

[0055] 在步骤S102中，将工具电极端部侧向损耗最小及加工精度优化作为优化目标，根据开路状态工具电极进给速度、伺服扫描过程系数、最大放电间隙、工具电极进退系统响应延迟时间获取出伺服扫描速度的理论下限值。

[0056] 具体地，以工具电极端部侧向损耗最小及加工精度优化为目标，伺服扫描速度的理论下限值为：

[0057]

[0058] 其中，vs为伺服扫描速度，ks为伺服扫描过程系数，vf为开路状态工具电极进给速度；

[0059] 伺服扫描过程系数ks为：

[0060] ks＝vs·hT

[0061] 其中，hT为单层加工深度。

[0062] 在步骤S103中，将三维伺服扫描加工精度和效率综合优化作为优化目标，根据最大放电间隙和伺服扫描过程系数获取伺服扫描速度的理论下限值。

[0063] 具体地，以三维伺服扫描加工精度和效率综合优化作为目标时，伺服扫描速度的理论下限值为：

[0064]

[0065] 进一步地，在本发明的实施例中，根据式(2)或者式(3)计算出伺服扫描速度vs的理论下限值，考虑扫描速度过高会产生欠加工状态，vs在满足约束条件的前提下应尽可能取小的值，即加工工艺应用优选值，伺服扫描速度vs取为理论下限值的1.01-1.20倍。

[0066] 微细电火花伺服扫描加工方法，有效地实现了微细工具电极轴向损耗实时在线补偿。基于加工间隙电信号反馈，微细工具电极进给轴实时伺服控制微小放电间隙，以实时补偿微细工具电极轴向损耗，工件水平方向的各轴联动以实现扫描出图形化的数控轨迹，加工中微细工具电极旋转来均化电极端部的侧向损耗。上述工艺优势在于：具有将电极轴向损耗与放电间隙伺服控制有机结合，从而实现电极轴向损耗实时在线补偿，且同时在伺服控制放电间隙情况下达到放电率最大化。

[0067] 本发明实施例中的微细电极损耗补偿方法结合一种加工深度约束算法，可实现加工出深度可控<2μm、尺寸精度可控<5μm的复杂三维微型腔结构，而且可在镂空工件上加工出设计的三维微型腔结构。根据上述微细电火花伺服扫描加工工艺原理可知，微小放电间隙伺服控制效果直接影响放电率和电极损耗补偿的实时性。

[0068] 进一步地，门槛阈值控制方法是电火花加工间隙伺服控制中常用的控制方法，相关研究主要集中在成形加工中伺服参数对加工效果影响研究，对于电火花扫描(或铣削)加工中阈值控制特性及优化研究较少。相关研究主要通过试探性实验研究放电间隙伺服控制参数的影响效果，缺乏放电间隙伺服控制参数与扫描速度参数综合优选的方法。

[0069] 本发明实施例的微细电火花伺服扫描加工参数优选方法解决了上述问题，综合考虑了放电间隙、工具电极进退响应、工具电极轴向损耗速度和单层加工深度(主要由放电能量、扫描速度因素影响)的作用效果，具有通用性，适用范围广。下面对本发明的微细电火花伺服扫描加工参数优选方法进行详细说明。

[0070] 如图2所示，基于门槛阈值伺服控制方法的微细电火花加工间隙伺服控制基本原理如下，根据工具电极与工件之间短路和开路的检测电压信号设定门槛电压阈值[Uref1,Uref2]，利用放电间隙检测电压信号反馈放电间隙的变化，将放电状态划分为三个区域进行控制电极的进退保持放电间隙。当检测间隙电压高于Uref2时判定为开路状态，控制工具电极向下进给；当检测间隙电压低于Uref1时判定为短路状态，控制工具电极向上回退；当检测电压在Uref1和Uref2之间时判定为正常放电状态，控制电极保持位置来保持放电状态。在电极材料、工件材料、工作液状态和阈值电压不变的情况下，最大放电间隙Δmax与最小放电间隙Δmin也保持不变。因此，门槛电压阈值控制方法在几何上可以理解为：当实际间隙大于最大放电间隙Δmax时，控制电极以速度vf向下进给补偿；实际间隙小于最小放电间隙Δmin时，控制电极以速度vb向上回退；实际间隙处于放电间隙范围内时，控制电极保持位置。向下进给速度vf和向上回退速度vb是保持加工间隙的重要伺服控制参数，理论上vf和vb的速度越快越能尽快地回到放电间隙区域。但对于一个实际的加工间隙伺服控制机械系统，伺服控制速度大小还主要受到工具电极进退控制的机电系统响应延迟时间tw限制。其物理含义为：当工具电极初始运动速度为v0，控制系统发出改变运动速度vg的指令，由于控制系统软硬响应延时的影响，工具电极延迟tw时间后才响应，指令开始改变速度。由于微细电火花加工间隙十分微小(～5-10μm量级)，响应延迟时间tw与电极开路进给速度vf、短路回退速度vb需要合理匹配。

[0071] 如图3所示，考虑在响应延迟时间tw影响下的放电间隙实际伺服控制过程，假设工具电极初始位置在放电间隙内(Proc-1)，工具电极保持位置(v＝0)加工一段时间后，由于电极损耗和工件被去除加工，加工间隙增大超出放电间隙(Proc-2)，控制系统发出“以速度vf向下运动”指令，但由于响应延迟时间tw，因此，这段时间内的Z轴速度仍为0。在响应延迟tw结束后，Z轴开始以速度vf向下运动(Proc-3)，当运动到最大放电间隙位置时，控制系统发出“停止运动”指令(Proc-4)，由于响应延迟时间tw，因此，这段时间内的Z轴速度仍为vf，会继续向下运动过冲长度vf*tw。其中，根据vf*tw的大小，可以分三种情况分析开路进给情况，具体情况如下：

[0072] (1)工具电极运动情况I：如图4(a)所示，情况I下工具电极运动位移轨迹和电极端部相对于已加工表面的位置变化情况。当进给过冲长度小于放电间隙时(vf*tw<Δmax-Δmin)，电极会停在放电间隙区域内(Proc-5)，回到Proc-1的情况，将依次循环Proc-1-2-3-4-5所示过程。在情况I下，电极端部大部分时间处于放电间隙区域内，极少的部分时间位于开路状态。

[0073] (2)当进给过冲长度大于放电间隙时(vf*tw>Δmax-Δmin)，电极会停在短路区域内或发生电极碰撞工件表面，控制系统发出“以速度vb向上回退”指令(Proc-6)，经历延迟tw后，电极开始以vb速度上升(Proc-7)。当上升到最小放电间隙处时，控制系统发出“停止运动”指令(Proc-8)。由于响应延迟时间tw，因此，工具电极会继续向上回退运动位移vb*tw。根据vb*tw的大小，可分为两种情况分析短路回退情况：

[0074] (2-a)工具电极运动情况II：如图4(b)所示，在情况II下工具电极运动位移轨迹和电极端部相对于已加工表面的位置变化情况。当回退过冲长度小于放电间隙时(vb*tw<Δmax-Δmin)，电极会停在放电间隙区域内(Proc-9)，回到Proc-1的情况，将依次循环Proc-1-2-3-4-6-7-8-9所示过程。在情况II下，电极端部会在短路区域滞留一段时间或发生电极碰撞情况。

[0075] (2-b)工具电极运动情况III：如图4(c)所示，情况III下工具电极运动位移轨迹和电极端部位置变化情况。当回退过冲长度大于放电间隙时(vb*tw>Δmax-Δmin)，电极会停在极间间隙过大的开路区域内(Proc-10)，此时回到Proc-2的情况，将依次循环Proc-2-3-4-6-7-8-10所示过程。在情况III下，电极端部会在放电间隙上下来回震荡，即短路(或电极碰撞)-正常加工-开路的状态循环。情况III位于放电间隙区域的时长比上述两种情况短，电火花放电加工效率最低。

[0076] 综合比较上述三种情况：情况I的加工间隙位于放电间隙区域的时间最长，并且可避免短路或电极碰撞的不利情况；情况II和情况III存在短路(或电极碰撞)、开路状态时间的增长，且伺服速度越大不在放电间隙区域的时间越长。因此，情况I为优选参数条件，其中，伺服参数和Z轴响应延迟时间需要满足的约束条件为：

[0077]

[0078] 式(4)给出了vf和vb上限的约束条件，但考虑到短路尽快回退和开路尽快进给的基本伺服控制策略，vf和vb在满足约束条件前提下应尽可能取大的值。

[0079] 上述分析没有考虑放电加工过程中电极损耗和工件去除材料的影响。对于扫描过程，每个扫描点工件待加工表面为新表面，可以忽略工件材料去除量对上述电极进给速度分析的影响。考虑工具电极在轴向的损耗速度ve对工具电极进给和回退速度的影响效果为：工具电极瞬间损耗将增大放电间隙，相当于开路进给速度降低了ve，短路回退的速度增加了ve。考虑工具电极损耗速度的影响，式(4)可以修正为：

[0080]

[0081] 根据式(5)，可得到本发明实施例的伺服控制放电间隙的开路状态工具电极进给速度vf和短路状态工具电极回退速度vb的理论上限值计算式(1)。

[0082] 在微细电火花伺服扫描加工中，工具电极轴向伺服运动和横向扫描运动的复合决定了加工间隙伺服控制效果，伺服参数和扫描参数需要合理匹配。当加工参数(电参数、伺服参数、扫描速度、加工液)一定的情况下，微细电火花伺服扫描加工单层加工深度hT满足一致性：

[0083]

[0084] 其中，ka为系数常数，WT为单位时间内的放电能量，在给定电参数时为常量，vs为扫描速度，ds为工具电极直径。

[0085] 如图4(a)所示，基于优选的工具电极运动情况I(进给过冲长度小于放电间隙时vf*tw<Δmax-Δmin)，分析扫描速度与加工间隙伺服控制的耦合作用效果。

[0086] 由式(6)可知，当扫描速度vs过小，单层加工深度hT将过大，如图5(a)所示，单层加工深度大于最大放电间隙时(hT>>Δmax)，电极端部将会在已知待加工表面以下位置进行加工，将造成工具电极侧向放电和侧向损耗严重。当侧向材料去除速度小于扫描速度vs时，工具电极会与工件侧壁短路，造成不必要的向上回退，来不及回退甚至发生电极侧向碰撞。

[0087] 当提高扫描速度vs，可减小单层加工深度hT。如图5(b)所示，单层加工深度小于最大放电间隙且大于最小放电间隙时(ΔminhT条件。因此，在电极运动情况I的放电间隙伺服控制参数条件下，伺服参数和扫描参数需满足的约束条件为：

[0088] Δmax-vf·tw＞hT   (7)

[0089] 根据式(6)取ks＝kaWT/ds，则hT＝ks/vs，根据应用优选值的开路状态工具电极进给速度vf，可得到本发明的伺服扫描速度vs的理论下限值计算如式(2)。

[0090] 进一步地，以三维伺服扫描加工精度和效率综合优化作为目标，扫描速度理论优选值取为图5(b)所示的情况，即扫描速度保证每层加工深度不大于最大放电间隙Δmax(hT≤Δmax)，根据式(6)取ks＝kaWT/ds，则hT＝ks/vs，可得到本发明的伺服扫描速度vs的理论下限值计算如式(3)。

[0091] 如图4(a)所示，扫描速度不宜过高，扫描速度过快将会产生～tw时间内多段距离为vs*tw欠加工的状态(开路状态)。vs在满足约束条件的前提下应尽可能取小的值，即加工工艺应用优选值，伺服扫描速度取为理论下限值的1.01-1.20倍。

[0092] 本发明实施例不需要通过大量的试探性实验，通过计算即可得到三维微细电火花伺服扫描加工工艺中开路状态工具电极进给速度vf、短路状态工具电极回退速度vb、伺服扫描速度vs的参数优选范围，能够提高参数优选效率，有利于优化三维微细电火花伺服扫描加工工艺过程。并且考虑到伺服控制放电间隙的工具电极进给速度和伺服扫描加工速度的耦合作用效果，为多工艺参数难于优化的问题，提供了有效的参数优选理论依据和解决途径。

[0093] 综上所述，通过一个具体实施例对本发明的微细电火花伺服扫描加工参数优选方法及系统进行详细说明。

[0094] 对于一个给定的三维微细电火花伺服扫描加工系统，工具电极伺服控制响应延迟时间为tw为22ms，给定参数(脉宽3μs，脉间5μs，开路电压110V，工具钨丝电极Φ160μm，工件材料为黄铜，工作液为去离子水)情况下，最小放电间隙Δmin为～1.2μm，最大放电间隙Δmax为～4.4μm。

[0095] 不考虑工具电极损耗影响时，根据式(4)，可得进给速度vf和回退速度vb的边界值为：

[0096]

[0097] 根据式(1)，考虑电极损耗速度来修正vf和vb，在给定参数情况下工具电极损耗速度为～0.0012mm/s，即工具电极损耗速度对电极伺服进退速度的影响<1％，因此，在本实例中忽略工具电极损耗速度对伺服进退速度优化的影响。

[0098] 考虑短路尽快回退和开路尽快进给的基本伺服控制策略，vf和vb在满足约束条件的前提下应尽可能取大的值，即加工工艺应用优选值取为开路状态工具电极进给速度vf和短路状态工具电极回退速度vb取为理论上限值的0.90倍，即vf＝vb＝0.131mm/s。

[0099] 进一步地，本实例中以三维伺服扫描加工精度和效率综合优化作为目标时，根据伺服扫描速度vs的理论下限值计算式(3)，已知理想最大间隙Δmax＝4.4μm，通过基础实验并根据式(4)得到ks＝4.07，可得伺服扫描速度vs下限边界值为：

[0100]

[0101] 考虑扫描速度过高会产生欠加工状态，vs在满足约束条件的前提下应尽可能取小的值，即加工工艺应用优选值，伺服扫描速度vs取为理论下限值的1.08倍，即vs＝1mm/s。

[0102] 如图6所示，本实例优选的加工间隙伺服控制的伺服进给速度、伺服回退速度和伺服扫描速度，得到的微细电火花伺服扫描加工一层的示例，其中，以扫描加工精度和电极端部损耗作为评价指标，优选工艺参数的加工效果较好。

[0103] 根据本发明实施例提出的微细电火花伺服扫描加工参数优选方法，通过计算可以得到三维微细电火花伺服扫描加工工艺中开路状态工具电极进给速度vf、短路状态工具电极回退速度vb、伺服扫描速度vs的参数优选范围，能够提高参数优选效率，有利于优化三维微细电火花伺服扫描加工工艺过程。

[0104] 其次参照附图描述根据本发明实施例提出的微细电火花伺服扫描加工参数优选系统。

[0105] 图7是本发明一个实施例的微细电火花伺服扫描加工参数优选系统结构示意图。

[0106] 如图7所示，该微细电火花伺服扫描加工参数优选系统10包括：第一计算模块100、第二计算模块200和第三计算模块300。

[0107] 其中，第一计算模块100用于获取放电能量，并根据最大放电间隙、最小放电间隙、工具电极进退系统响应延迟时间、工具电极轴向损耗速度的参数值获取伺服控制放电间隙的开路状态工具电极进给速度和短路状态工具电极回退速度的理论上限值。第二计算模块200用于将工具电极端部侧向损耗最小及加工精度优化作为优化目标，根据开路状态工具电极进给速度、伺服扫描过程系数、最大放电间隙、工具电极进退系统响应延迟时间获取出伺服扫描速度的理论下限值。第三计算模块300用于将三维伺服扫描加工精度和效率综合优化作为优化目标，根据最大放电间隙和伺服扫描过程系数获取伺服扫描速度的理论下限值。该系统10可避免微细电火花伺服扫描加工中极间短路或电极碰撞的不利情况，有利于减少微细工具电极端部损耗，提高正常放电率、加工效率和加工精度。

[0108] 进一步地，在本发明的一个实施例中，应用优选值为理论上限值的0.80-0.99倍，应用优选值取为理论下限值的1.01-1.20倍。

[0109] 进一步地，在本发明的一个实施例中，伺服控制放电间隙的开路状态工具电极进给速度和短路状态工具电极回退速度的理论上限值为：

[0110]

[0111] 其中，vf为开路状态工具电极进给速度，vb为短路状态工具电极回退速度，Δmax为最大放电间隙，Δmin为最小放电间隙，tw为工具电极进退系统的响应延迟时间，ve为工具电极在轴向的损耗速度。

[0112] 进一步地，在本发明的一个实施例中，以工具电极端部侧向损耗最小及加工精度优化为目标，伺服扫描速度的理论下限值为：

[0113]

[0114] 其中，vs为伺服扫描速度，ks为伺服扫描过程系数，vf为开路状态工具电极进给速度；

[0115] 伺服扫描过程系数ks为：

[0116] ks＝vs·hT

[0117] 其中，hT为单层加工深度。

[0118] 进一步地，在本发明的一个实施例中，以三维伺服扫描加工精度和效率综合优化作为目标时，伺服扫描速度的理论下限值为：

[0119]

[0120] 需要说明的是，前述对微细电火花伺服扫描加工参数优选方法实施例的解释说明也适用于该实施例的系统，此处不再赘述。

[0121] 根据本发明实施例提出的微细电火花伺服扫描加工参数优选系统，通过计算可以得到三维微细电火花伺服扫描加工工艺中开路状态工具电极进给速度vf、短路状态工具电极回退速度vb、伺服扫描速度vs的参数优选范围，能够提高参数优选效率，有利于优化三维微细电火花伺服扫描加工工艺过程。

[0122] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

[0123] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

[0124] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。