CN102601473B - 基于磁悬浮伺服驱动的微小孔电火花加工的主轴装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于磁悬浮伺服驱动的微小孔电火花加工的主轴装置，所述中空心轴的上部固定连接有磁耦合内转子，磁耦合内转子上部的中空心轴设置有转子端盖，柔性导线穿过转子端盖进入中空心轴空腔内，磁耦合内转子设置有内转子永磁体，径向电涡流位移传感器固定在上壳体内，绝缘转盘的下端设置在角接触球轴承内侧的上壳体上，磁耦合外转子固定在绝缘转盘的上部，磁耦合外转子上固定有外转子永磁体，本发明有利于电蚀产物的及时排出，改善放电间隙的放电条件，有利于提高电火花微小孔加工的加工质量与加工效率。可以根据不同的加工需要，可以实现直径为φ100μm～φ300μm的系列孔径的微小直孔、锥孔、阶梯孔加工。

Description

基于磁悬浮伺服驱动的微小孔电火花加工的主轴装置

技术领域

本发明涉及微小孔（微细）电火花加工技术领域，具体涉及一种基于磁悬浮伺服驱动的多自由度可控的微小孔电火花加工的主轴装置。

背景技术

微细加工技术是现代制造技术的一个重要发展方向，而微细电火花加工技术是实现微细加工技术的有效手段之一。目前，微细电火花加工技术在航空航天、医疗、模具、微电子器件、生物技术、微型传感器和微型电器制造等领域具有很好的应用前景，被应用于信息装置的连接件、光纤接头等微细注塑模具、印刷线路板通孔冲裁凸凹模、燃料喷嘴、水射流喷嘴、喷墨打印头等微结构零件的加工中。由于燃料喷嘴孔直径一般在φ0.1 ~φ0.2mm 之间，且工作时处于高温、高压的环境下，其材料必须具有硬度高、寿命长等特点，微小孔电火花加工由于非接触式加工与材料硬度无关等特点，越来越多地应用到燃料喷嘴孔的加工中。

微小孔电火花加工过程存在放电间隙小、排屑困难等特殊性，使得放电间隙状态复杂多变，短路、拉弧、空载等不利因素时有发生，致使正常放电率低下，间隙状态的稳定直接影响到加工质量和加工效率，因此提高微小孔电火花加工装置主轴的伺服跟踪能力实现放电间隙状态的快速调节，是实现高效、高精度微小孔电火花加工的关键。目前用电机带动滚珠丝杠来实现主轴上下运动的驱动技术成熟，被广泛地应用于电火花加工机床，但由于这种驱动方式下运动部件惯性比较大，伺服响应频率很低，响应速度较慢，跟踪性差，且反向间隙不易补偿，难以满足微小孔电火花加工中快速调节放电间隙状态的要求。直线电机具有响应迅速、结构简单、传动刚性高、精度和重复定位精度高、速度快、加速度大、行程不受限制等优点，但由于其本身存在齿槽效应和边缘效应等问题，会造成力矩纹波，使控制系统相对复杂，且三维工件加工时须依靠三轴的联动来实现，增大了驱动系统的惯性，降低了伺服响应频率。压电陶瓷驱动器响应速度快，易于实现一维小行程（数微米至数十微米）的快速定位，亦可采用宏微复合控制技术进行一个自由度（方向）的伺服进给，三维加工时，由于各轴间需采用叠层结构，且压电陶瓷横向负载能力差，因此受到行程和带负载能力小的限制多应用于小行程的驱动装置或精密定位中。市售的普通电火花加工机床伺服响应频率在几十赫兹左右，难以满足微小孔（微细）电火花加工中间隙放电状态的快速调节。如何提高微小孔电火花加工中主轴的伺服响应频率，使加工达到稳定的放电间隙状态，成为研究的重点和难点。

微小孔电极的在线制作是实现微小孔电火花加工的关键。目前，微小孔电极的加工主要有反拷块法、线电极电火花磨削法（WEDG 法）等。反拷块法、线电极电火花磨削法，加工精度高，但制作微细电极所需时间长，效率低。由于微小孔电火花加工中电极损耗大，加工中需要不断地进行补偿，而电极的直径小、刚度低、长度短，且加工的孔与在线制作的微细电极是对应的，加工不同直径的孔要在线制作不同直径的电极，因此微小孔电极需要经常地修整或者重新制作及更换，这就增加了加工辅助时间，降低了生产效率。因此，如何缩短电极制作准备时间，避免多次更换安装电极，成为研究的热点和难点。

发明内容

本发明是为了解决现有微小孔电火花加工过程中主轴伺服响应频率低、响应速度慢、实时跟踪性差，放电间隙频繁空载短路，有效放电率低，电极长度短、损耗快、需频繁更换，加工效率低的问题，以及现有微小孔电火花加工方式在加工复杂形状孔与微结构方面的问题，进而提供一种基于磁悬浮伺服驱动的微小孔电火花加工的主轴装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于磁悬浮伺服驱动的微小孔电火花加工的主轴装置，包括径向磁轴承定子铁芯、径向磁轴承定子线圈、轴向磁轴承线圈、带编码器的直流电机、主动齿轮、从动齿轮、电刷、集电环、绝缘转盘、外转子永磁体、内转子永磁体、柔性导线、磁耦合内转子、轴向电涡流位移传感器、转子端盖、磁耦合外转子、保持轴承、角接触球轴承、径向电涡流位移传感器、探测环、第一隔磁环、径向磁轴承转子铁芯、第二隔磁环、永磁环、聚磁铁环、中空心轴、下壳体、中间壳体、弹性挡圈、联轴器、有机玻璃挡板、连接板、上盖、电刷架、调节螺钉、上壳体、压环和线圈骨架，所述中间壳体与上壳体、下壳体之间通过压环导向定位安装，带编码器的直流电机通过L形电机座固定在上壳体上，带编码器的直流电机的输出轴通过联轴器与主动齿轮相连接，中空心轴设置在上壳体、中间壳体和下壳体形成的空间内的中心处，探测环、第一隔磁环、径向磁轴承转子铁芯、第二隔磁环、永磁环和聚磁铁环自上而下一次设置在中空心轴上，探测环上部的中空心轴上设有弹性挡圈，有机玻璃挡板设置在上壳体的上部，有机玻璃挡板的上部设置有上盖，上盖的中心处设置有轴向电涡流位移传感器，有机玻璃挡板和上盖通过连接板用螺钉固定在一起，下壳体的空间内设置有径向磁轴承定子铁芯，径向磁轴承定子铁芯上设置有径向磁轴承定子线圈，中间壳体的空间内设置有轴向磁轴承线圈，轴向磁轴承线圈的外部设置有线圈骨架，中空心轴的上部固定连接有磁耦合内转子，磁耦合内转子上部的中空心轴设置有转子端盖，柔性导线穿过转子端盖进入中空心轴空腔内，磁耦合内转子设置有内转子永磁体，保持轴承设置在上壳体上端中空心轴的外侧，角接触球轴承设置在上壳体上端绝缘转盘的外侧，径向电涡流位移传感器固定在上壳体和下壳体内，绝缘转盘的下端设置在角接触球轴承内侧的上壳体上，磁耦合外转子固定在绝缘转盘的上部，磁耦合外转子上固定有外转子永磁体，从动齿轮固定在绝缘转盘的中部，从动齿轮与主动齿轮啮合，集电环固定在绝缘转盘上部的外侧，电刷架固定在有机玻璃挡板上，电刷架上固定有电刷，电刷外侧的有机玻璃挡板上设置有调节螺钉。

本发明具有如下优点：

1）利用磁悬浮驱动技术可实现快速响应的特性，通过对磁悬浮主轴的伺服控制，实现多自由度的运动，提高主轴的伺服跟踪速度，达到放电间隙状态的快速调节。

2）通过在X、Y平面内电磁驱动的精确、快速控制，实现主轴的摇动、平动、绕X、Y轴的倾斜旋转运动，以及复杂曲线轨迹的运动，从而实现微小直孔、锥孔、阶梯孔及微结构的电火花高速、高精度加工。

3）主轴采用中空形式，可以容纳一定长度的电极丝，并且利用细长电极丝作为微细电极，采用将细长电极夹紧及定长损耗补偿递进机构安装在中空的磁悬浮主轴下端部的结构形式，实现电极的夹紧与进给，便于电极丝在损耗后的补偿。减少了电极多次装夹带来的误差，同时也减少了加工辅助时间。

4）每次只需要更换相应尺寸的四爪夹头与导向器，即可实现不同直径细长电极的夹持，使得该夹持机构具有很大的柔性，可以根据不同的加工需要，可以实现直径为φ100μm ～φ300μm的系列孔径的微小直孔、锥孔、阶梯孔加工。

附图说明

图1是基于磁悬浮伺服驱动的微小孔电火花加工的主轴装置的原理图；

图2是基于磁悬浮伺服驱动的微小孔电火花加工的主轴装置的整体结构示意图；

图3是基于磁悬浮伺服驱动的微小孔电火花加工的主轴装置的磁耦合旋转单元结构示意图；

图4是基于磁悬浮伺服驱动的微小孔电火花加工的主轴装置的径向磁轴承结构示意图；

图5是基于磁悬浮伺服驱动的微小孔电火花加工的主轴装置的轴向磁轴承结构示意图。

图中附图标记1是电极丝。

具体实施方式

    下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。 

    如图1~图5所示，本实施例所涉及的一种基于磁悬浮伺服驱动的微小孔电火花加工的主轴装置，包括径向磁轴承定子铁芯3、径向磁轴承定子线圈4、轴向磁轴承线圈5、带编码器的直流电机6、主动齿轮7、从动齿轮8、电刷9、集电环10、绝缘转盘11、外转子永磁体12、内转子永磁体13、柔性导线14、磁耦合内转子15、轴向电涡流位移传感器16、转子端盖17、磁耦合外转子18、保持轴承19、角接触球轴承20、径向电涡流位移传感器21、探测环22、第一隔磁环23、径向磁轴承转子铁芯24、第二隔磁环25、永磁环26、聚磁铁环27、中空心轴28、下壳体29、中间壳体30、弹性挡圈31、联轴器32、有机玻璃挡板33、连接板34、上盖35、电刷架36、调节螺钉37、上壳体38、压环39和线圈骨架40，所述中间壳体30与上壳体38、下壳体29之间通过压环39导向定位安装，带编码器的直流电机6通过L形电机座固定在上壳体38上，带编码器的直流电机6的输出轴通过联轴器32与主动齿轮7相连接，中空心轴28设置在上壳体38、中间壳体30和下壳体29形成的空间内的中心处，探测环22、第一隔磁环23、径向磁轴承转子铁芯24、第二隔磁环25、永磁环26和聚磁铁环27自上而下一次设置在中空心轴28上，探测环22上部的中空心轴28上设有弹性挡圈31，有机玻璃挡板33设置在上壳体38的上部，有机玻璃挡板33的上部设置有上盖35，上盖35的中心处设置有轴向电涡流位移传感器16，有机玻璃挡板33和上盖35通过连接板34用螺钉固定在一起，下壳体29的空间内设置有径向磁轴承定子铁芯3，径向磁轴承定子铁芯3上设置有径向磁轴承定子线圈4，中间壳体30的空间内设置有轴向磁轴承线圈5，轴向磁轴承线圈5的外部设置有线圈骨架40，中空心轴28的上部固定连接有磁耦合内转子15，磁耦合内转子15上部的中空心轴28设置有转子端盖17，柔性导线14穿过转子端盖17进入中空心轴28空腔内，磁耦合内转子15设置有内转子永磁体13，保持轴承19设置在上壳体38上端中空心轴28的外侧，角接触球轴承20设置在上壳体38上端绝缘转盘的外侧，径向电涡流位移传感器21固定在上壳体38和下壳体29内，绝缘转盘11的下端设置在角接触球轴承20内侧的上壳体38上，磁耦合外转子18固定在绝缘转盘11的上部，磁耦合外转子18上固定有外转子永磁体12，从动齿轮8固定在绝缘转盘11的中部，从动齿轮8与主动齿轮7啮合，集电环10固定在绝缘转盘11上部的外侧，电刷架36固定在有机玻璃挡板33上，电刷架36上固定有电刷9，电刷9外侧的有机玻璃挡板33上设置有调节螺钉37。

工作原理：如图1所示，带编码器的直流电机6通过主动齿轮7和从动齿轮8的啮合，减速带动磁耦合环节的磁耦合外转子18转动，磁耦合外转子18同时又通过外转子永磁体12和内转子永磁体13之间的相互作用力，带动同轴的磁耦合内转子15，在错开一个微小的角度后，非接触地同步旋转。同时，由于磁耦合环节的内外转子之间是同步旋转，可以通过电刷9给集电环10供电，再通过细长的柔性导线14将脉冲电源的电引导到电极丝夹紧定长损耗补偿机构2的夹持部位，从而实现电极供电。主轴的旋转速度，是通过带编码器的直流电机6自身后端部带的光电编码器输出的脉冲信号，形成反馈环节，从而实现转速的闭环精确控制。同时，主轴由于自身的重量，会相对于磁耦合外转子18下沉一定距离，磁耦合环节就会对磁耦合内转子15产生一个向上的回复力，用以平衡转子的重力。 

利用磁悬浮驱动的快速响应特性，沿X、Y方向的平动，以及绕X、Y轴方向的转动的四个自由度，是通过上下两个径向磁轴承（径向磁轴承定子铁芯3、径向磁轴承定子线圈4和径向磁轴承转子铁芯24构成）共同作用来实现的。通过在X、Y平面内电磁驱动的精确、快速控制，实现主轴的摇动、平动、绕X、Y轴的倾斜旋转运动，以及复杂曲线轨迹的运动，从而实现不同孔径系列微小直孔、锥孔、阶梯孔及微结构的电火花高速、高精度加工。

Z向主轴在一定行程内的进给与快速回退，是通过轴向磁轴承的线圈5与永磁环26之间的洛伦兹力来实现的，并且采用两个永磁环26对称布置，中间夹着一个聚磁铁环27的结构，可以实现在Z向行程±1mm范围内的进给与快速回退，响应频率可以达到150Hz以上。从而实现了主轴的微量进给与快速伺服回退，可以改善加工状态，有效提高放电率，从而在一定程度上提高加工效率。

如图2所示，带编码器的直流电机6通过L形电机座固定在外壳体上，同时电机端部输出轴通过联轴器32与主动齿轮7相连接，啮合从动齿轮8旋转。从动齿轮8又通过螺钉固定在绝缘转盘11的法兰上，同时集电环10也通过螺钉固定在绝缘转盘11的法兰上，磁耦合外转子18过盈配合安装到绝缘转盘11的凹槽中，并通过胶接与绝缘转盘11固定，这样从动齿轮8、集电环10、绝缘转盘11与磁耦合外转子18相互之间固定，形成一个整体旋转，旋转时绝缘转盘由角接触球轴承20支撑。同时，电刷9给旋转的集电环10接触供电，电刷9安装在电刷架36中，电刷架36又通过螺钉固定在绝缘的有机玻璃挡板33上，这样就使得电刷9的电不致引导到整个金属壳体上，并且绝缘转盘11也将集电环10与整个壳体绝缘隔离开来，这样就实现了壳体的电气隔离，不至于对后续的电磁控制产生耦合影响作用。同时，由于电刷9存在摩擦损耗问题，随着使用过程的进行，电刷长度会逐渐缩小，压缩弹簧的压力也会逐渐降低，会造成接触效果变差，影响供电性能。为此，在电刷弹簧后部安装了一个调整螺钉37，通过调整螺钉37在固定螺母内的旋合可以随时改变弹簧的压力，从而保证电刷的充分接触；又不致压得太紧，造成电刷损耗过快，影响使用寿命。

磁耦合环节的结构如图3所示，所述外转子永磁体12和内转子永磁体13均为八个，八个外转子永磁体12镶装在磁耦合外转子18的槽中，八个内转子永磁体13镶装在磁耦合内转子15的槽中，并通过强力磁性胶固定。内外转子的八个磁体分别按照NS交叉方式圆周排列，将内外转子的磁体工作面对齐，即自动耦合，并且内外转子之间有一定的气隙。

旋转主轴主要由中空心轴28、探测环22、第一隔磁环23、径向磁轴承转子铁芯24、第二隔磁环25、永磁环26、聚磁铁环27以及弹性挡圈31组成。其中，探测环22、第一隔磁环23、径向磁轴承转子铁芯24、第二隔磁环25、永磁环26、聚磁铁环27在中空心轴28上采用完全对称设置，分别对应上下两个径向磁轴承和中间的轴向磁轴承。零件在中空心轴28上采用轴肩定位，并用弹性挡圈31加以轴向固定。由于在加工过程中，为了改善加工状态，便于排屑，主轴要实现一定速度的回转，因此，主轴的回转精度是一个很重要的指标。鉴于此，旋转主轴与磁耦合内转子15之间通过内外圆锥配合，并用带内螺纹的转子端盖17旋压紧固，同时转子端盖17侧面开有横向的方形通孔，便于柔性导线14穿过转子端盖17进入中空心轴28空腔，同时又不影响轴向电涡流位移传感器16对轴向位置的检测；中空心轴28与电极丝夹持进给补偿机构2之间的机械连接也采用圆锥配合，并通过旋紧螺母进行紧固。这样通过内外圆锥面之间的摩擦力来传递转矩。并且圆锥配合具有自定心作用，可以保证很高的同轴精度，并且间隙或过盈量可以调整。

主轴装置两端处各有一个保持轴承19，在轴承正常工作期间，保持轴承19不与中空心轴28接触，当突然断电或磁轴承系统失控时，保持轴承19起临时支承高速旋转的中空心轴28的作用，防止中空心轴28与径向磁轴承定子铁芯3相碰撞而损坏整个轴承系统。而且保持轴承19无论在径向还是在轴向都对转轴28起到保护作用。

径向磁轴承结构如图4所示，径向磁轴承定子铁芯3的周向开有一个方形槽3a，与上壳体38和下壳体29内孔周向的方槽通过平键连接，保证径向磁轴承定子铁芯3的周向定位。

轴向磁轴承结构如图5所示，轴向磁轴承线圈5紧密缠绕在线圈骨架40上，两个对称布置的轴向充磁的永磁环26夹着一个聚磁铁环27。当轴向磁轴承线圈5中通以如图所示方向的电流时，根据洛伦兹力原理，转子将产生一个向上的驱动力，使得主轴实现回退，当需要主轴向下进给时，只要通以反向的电流即可。

中间壳体30与上壳体38、下壳体29之间通过压环39导向定位安装，同时压环39也起着固定上下径向磁轴承定子铁芯3与线圈骨架40的作用，壳体再与有机玻璃挡板33和上盖35通过连接板34用螺钉固定在一起。

对于五自由度的磁悬浮驱动系统，需要在上下径向磁轴承的X、Y轴各安装一个径向电涡流位置传感器21，用以测定转子沿X、Y轴与绕X、Y轴四个自由度的位移；同时还需要在Z轴安装一个轴向电涡流位置传感器16，用以测定转子的轴向位移。根据电涡流位移传感器的测量量程，调整安装好其位置后，用双螺母加以固定。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于磁悬浮伺服驱动的微小孔电火花加工的主轴装置，包括径向磁轴承定子铁芯、径向磁轴承定子线圈、轴向磁轴承线圈、带编码器的直流电机、主动齿轮、从动齿轮、电刷、集电环、绝缘转盘、外转子永磁体、内转子永磁体、柔性导线、磁耦合内转子、轴向电涡流位移传感器、转子端盖、磁耦合外转子、保持轴承、角接触球轴承、径向电涡流位移传感器、探测环、第一隔磁环、径向磁轴承转子铁芯、第二隔磁环、永磁环、聚磁铁环、中空心轴、下壳体、中间壳体、弹性挡圈、联轴器、有机玻璃挡板、连接板、上盖、电刷架、调节螺钉、上壳体、压环和线圈骨架，其特征在于，所述中间壳体与上壳体、下壳体之间通过压环导向定位安装，带编码器的直流电机通过L形电机座固定在上壳体上，带编码器的直流电机的输出轴通过联轴器与主动齿轮相连接，中空心轴设置在上壳体、中间壳体和下壳体形成的空间内的中心处，探测环、第一隔磁环、径向磁轴承转子铁芯、第二隔磁环、永磁环和聚磁铁环自上而下一次设置在中空心轴上，探测环上部的中空心轴上设有弹性挡圈，有机玻璃挡板设置在上壳体的上部，有机玻璃挡板的上部设置有上盖，上盖的中心处设置有轴向电涡流位移传感器，有机玻璃挡板和上盖通过连接板用螺钉固定在一起，下壳体的空间内设置有径向磁轴承定子铁芯，径向磁轴承定子铁芯上设置有径向磁轴承定子线圈，中间壳体的空间内设置有轴向磁轴承线圈，轴向磁轴承线圈的外部设置有线圈骨架，中空心轴的上部固定连接有磁耦合内转子，磁耦合内转子上部的中空心轴设置有转子端盖，柔性导线穿过转子端盖进入中空心轴空腔内，磁耦合内转子设置有内转子永磁体，保持轴承设置在上壳体上端中空心轴的外侧，角接触球轴承设置在上壳体上端绝缘转盘的外侧，径向电涡流位移传感器固定在上壳体和下壳体内，绝缘转盘的下端设置在角接触球轴承内侧的上壳体上，磁耦合外转子固定在绝缘转盘的上部，磁耦合外转子上固定有外转子永磁体，从动齿轮固定在绝缘转盘的中部，从动齿轮与主动齿轮啮合，集电环固定在绝缘转盘上部的外侧，电刷架固定在有机玻璃挡板上，电刷架上固定有电刷，电刷外侧的有机玻璃挡板上设置有调节螺钉。

2.根据权利要求1所述的基于磁悬浮伺服驱动的微小孔电火花加工的主轴装置，其特征在于，探测环、第一隔磁环、径向磁轴承转子铁芯、第二隔磁环、永磁环和聚磁铁环在中空心轴上采用完全对称设置。

3.根据权利要求1所述的基于磁悬浮伺服驱动的微小孔电火花加工的主轴装置，其特征在于，所述外转子永磁体和内转子永磁体均为八个。

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