Моделирование релевантных регулируемых переменных для электромеханического травления

R. Neugebauer, H. KnAupfer, K. Wolf, and H.-J. Roscher

Перевод с английского: Колесников Р.В.

ВВЕДЕНИЕ

Электромеханическое травление, вид электрохимических станков (ЭХС) – это технический станок, который удаляет метал, что достигается посредством управления процессом растворения. Это выполняется благодаря раствору соли и источника тока. Подсоединяют предмет с положительным полюсом и электрод к проводящему отрицательному полюсу. См. рис. 1. Когда электроны текут от минуса через соль посредством ионов к плюсу, метал (рабочая зона) разъедается.

Современный уровень для регулировки размера зазора используется механизированный привод. Привод двигателя в виде кулачкового вала обеспечивает синусоидальную кривую ширины зазора в течении длительного времени. Зазор прямоугольной формы в течении коротких периодов должен быть оптимальным. Кроме того, привод двигателя приближает большие требования к мощности электрического двигателя и высоких усилий для точности позиционирования маленького растягивания пружины. Для решения этих проблем высокая динамика актуаторов, например пъезо – блоки, может быть использована потому что они могут действовать с относительно высокой частотой и высокой точностью пока обеспечивается высокая реакция сил и необходимый удар.

Для проверки практичности различных актуаторов были выполнены моделирования, которые представлены в первой части. Эта часть также представляет физическую модель системы, от которой выведены дифференциальные уравнения и Simulink – модель. Характеристика системы и выводы относительно размеров некоторых входных параметров рассмотрены в следующей секции. И на конец, последняя часть представляет выводы и обзор.

2. Колеблющийся привод – модель и решение

2.1. Модель пъезо – основы колеблющегося привода

Пъезо – основы колеблющегося привода состоят из линейного привода с большой массой, пъезо актуатора с жесткостью с и электрод с добавочной массой m (см. рис. 3). Пъезо – блок совершает синусоидальные колебания, которые совмещаются с перемещением линейного привода z0, в результате дают полное возбуждение

Далее масса линейного привода большая по сравнению с оставшейся системой, z0 может быть предположен постоянным.

Инертные силы массы m и сил сжатия Fsqueezing жидкости в рабочем пространстве сжимающих или растягивающих пружину с в системе пружина – масса разностью возбужденного движения z и движением х массы m, к которой прочно присоединена:

Сила сжатия действует как сильный нелинейный демпфер и может быть аппроксимирован на составляющие

где А описывает площадь поверхности электрода и n динамику вязкости жидкости (смотри [1]). Площадь поверхности, которая зависит от ширины зазора, но рассмотрена как постоянная, отмеченная как добавочный поток сопротивления.

Последующее дифференциальное уравнение может быть выведено из равнений (2) и (3):

Основанная на уравнении (4) была построена Simulink модель, которую можно увидеть на рисунке 4.

2.2 Результаты

Для первого моделирования установлены следующие параметры.

• Амплитуда синусоидального возбуждения zp=100 mum
• Частота возбуждения f=50 Hz
• Начальное положение z0=110 mum
• Площадь поверхности корпуса равный площади поверхности электрода А = 141,4 mm * 141,4 mm = 20000 mm^2
• Динамика вязкости жидкости n = 0.001 Pa*s (вода)
• Масса m = 50 kg
• Жесткость пружины пьезо – актуатора c = 300 N*mum^-1

Результаты моделирования можно увидеть на рисунке 5.

Смотря на график ширины зазора прямоугольный вид возможен. Минимальный рабочий зазор около 40 микрометров и нуждается в уменьшении. Система сил, т.е. сила пружины, ведомая силой инерции и сжимающей силой, также изображена на рисунке 5.

Потому что маленькая масса, сила инерции относительно мала и сила пружины, быстро колеблющейся.

Для улучшения свойств системы был изменен параметр. Изменение жесткости пружины имеет значительное влияние на ширину зазора. Увеличения жесткости пружины приводит к уменьшению ширины зазора и уменьшению колебаний в течении открытой фазы. Изменение частоты возбуждения не приводит к значительному уменьшению зазора, но уменьшает площадь поверхности. Увеличение массы приводит к увеличению кинематической энергии. Большая сила инерции приводит к уменьшению вибраций силы пружины. Влияние массы намного более сильнее в открытой фазе, потому что с силой инерции также сила сжатия увеличивается когда сходятся электроды.

Площадь поверхности 1600 mm^2 и трапецеидальное возбуждение с периодом времени 30 ms результируются в ширине зазора, которая задерживается на 17 миллисекунд на 10 микрометрах и открывается в среднем 150 микрометров (см. рис. 6).

Выводы и обзор

Как видно из моделирования, реализация пьезо – основы колеблющегося привода является очень перспективной. Далее предполагаемая жесткость пружины пьезо – актуатора на столько хороша на сколько масса электрода имеет реалистичные значения, они сохраняются. Рабочий зазор может быть принужден к относительным постоянным, вызванным нелинейностью системы и применении частоты привода, которая имеет преимущество над резонансной частотой. К тому же, трапецеидальное возбуждение выполненное пьезоактюатором разумно для желаемой ширины зазора. Большие силы реакции ограничивают минимальный рабочий зазор приблизительно на 10 мкм при относительно ен большой площади поверхности электрода. В результате открытый зазор должен быть достаточно большим для промывки.

Следующим шагом является проверка результатов моделирования, делая измерения системы. На основе результатов модель может быть улучшена путем рассмотрения массы пьезо – стека и линейного привода, а также его жесткости. Кроме того, площадь поверхности может быть рассчитана в зависимости от ширины зазора и должна быть использована реальная динамическая вязкость жидкости.

Ссылки

1. Kurth, S., "Theoretische und experimentelle Verhaltensbeschreibung kinetischer mikromechanischer Komponenten mit elektrostatischer Feldkopplung", Dissertation TU Chemnitz, D,1995.
2. Griffin, W. S., H. H. Richardson, and S. Yamanami, "A study of fluid squeeze-film damping", ASME J. Basic Eng., 451-456, 1966.
3. Mc Geough, J., Principles of Electrochemical Machining, Chapman & Hall, London, UK, 1974.
4. www.pemtec.de.