CN114012188B - 磁悬浮伺服驱动主轴宏微复合微细电火花加工方法及装置 - Google Patents
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Abstract
磁悬浮伺服驱动主轴宏微复合微细电火花加工方法及装置，属于电火花加工技术领域。为了解决磁悬浮伺服驱动主轴系统主轴平动行程小、难以实现较大尺寸结构的微细电火花加工的问题，将把微观尺度加工与宏观形位尺寸结合起来，进行大尺寸工件微结构加工。该加工方法，包括以下步骤：S1.驱动电火花加工机床工作台，实现工作位置定位；S2.进行磁悬浮伺服驱动主轴转子的悬浮控制参数计算；S3.驱动磁悬浮伺服驱动主轴系统，进行微细电火花加工；S4.向电火花加工机床进给机构发送位移进给信号，由电火花加工机床实现大尺寸位移定位；本发明充分利用磁悬浮伺服驱动主轴的快速响应特性和电火花加工机床的大行程进给，提高大尺寸工件微结构加工效率。
Description
技术领域
本发明属于电火花加工技术领域，具体涉及一种磁悬浮伺服驱动主轴宏微复合微细电火花加工方法及装置。
背景技术
微细电火花加工技术是利用导电工件与工具电极之间的脉冲性火花放电产生的瞬时高温蚀除材料，是一种非接触式的、宏观加工力很小的加工过程，对于采用微细工具的微细加工而言无疑是极具优势的。传统滚珠丝杠伺服机构微细电火花加工中存在着放电间隙小、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，电极(主轴)主轴伺服响应频率低、响应速度慢，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，磁悬浮伺服驱动主轴系统具有较强的伺服跟踪能力，可以实现放电间隙状态的快速调节，然而其磁极气隙小，主轴平动行程小，难以实现较大尺寸结构的微细电火花加工。
发明内容
本发明为了解决磁悬浮伺服驱动主轴系统主轴平动行程小、难以实现较大尺寸结构的微细电火花加工的问题，进而提供一种普通电火花加工机床与磁悬浮伺服驱动主轴结合的宏微驱动微细电火花加工方法，将把微观尺度加工与宏观形位尺寸结合起来，进行大尺寸工件微结构加工。
本发明所采取的技术方案是：
磁悬浮伺服驱动主轴宏微复合微细电火花加工方法，包括以下步骤：
S1.驱动X、Y、Z方向大行程的电火花加工机床工作台，实现工作位置定位；
S2.驱动X、Y、Z方向微动快速响应的磁悬浮伺服驱动主轴系统，进行微细电火花加工；
S3.微细电火花加工极间放电状态和磁悬浮主轴转子位移、线圈驱动电流一起输入磁悬浮伺服驱动主轴系统主控模块，进行磁悬浮伺服驱动主轴转子的悬浮控制参数计算；
S4.微结构加工完成后，向电火花加工机床进给机构发送位移进给信号，由电火花加工机床实现大尺寸位移定位；
S5.根据电火花加工机床多次定位，由磁悬浮伺服驱动主轴系统在同一工件上加工多个相同或不同的微结构。
磁悬浮伺服驱动主轴宏微复合微细电火花加工装置，包括电火花加工机床、磁悬浮伺服驱动主轴、微细电极、工件及工作液；所述磁悬浮伺服驱动主轴安装在电火花加工机床的输出轴上，磁悬浮伺服驱动主轴带动微细电极对工作液内的工件进行加工。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1.本发明充分利用磁悬浮伺服驱动主轴的快速响应特性和电火花加工机床的大行程进给，提高大尺寸工件微结构加工效率。
2.本发明充分利用磁悬浮伺服驱动主轴的快速响应特性和电火花加工机床的大行程进给，提高阵列微结构加工效率。
附图说明
图1是磁悬浮伺服驱动主轴宏微复合微细电火花加工装置总体结构示意图；
图2是磁悬浮伺服驱动主轴结构图；
图3是磁悬浮伺服驱动主轴控制系统总体功能模块图；
图4是磁悬浮伺服驱动主轴控制系统硬件架构图；
图5是磁悬浮伺服驱动主轴宏微复合微细电火花加工硬件总体结构图；
图6是磁悬浮伺服驱动主轴宏微复合微细电火花加工宏微驱动切换流程图；
其中：1、径向磁轴承；2、旋转驱动电机；3、齿轮传动副；4、磁耦合传动机构；5、主轴转子；6、位移传感器；7、电刷；8、轴向磁轴承；9、电极夹具；10、微细电极；20、磁悬浮伺服驱动主轴；30、微细电极；40、工件；50、工作液；60、电火花加工机床。
具体实施方式
如图1所示，磁悬浮伺服驱动主轴宏微复合微细电火花加工装置，电火花加工机床60、磁悬浮伺服驱动主轴20、微细电极30、工件40及工作液50，电火花加工机床60具有X、Y和Z三个方向的大位移行程。
所述磁悬浮伺服驱动主轴20安装在电火花加工机床60的输出轴上，磁悬浮伺服驱动主轴20带动微细电极30对工作液50内的工件40进行加工。
如图2所示，磁悬浮伺服驱动主轴20包括：径向磁轴承1、旋转驱动电机2、齿轮传动副3、磁耦合传动机构4、主轴转子5、位移传感器6、电刷7、轴向磁轴承8、电极夹具9及微细电极10；
上部、下部径向磁轴承1各自独立控制，联动实现主轴转子5在径向平面内的悬浮、直线及圆弧运动；旋转驱动电机2、齿轮传动副3和磁耦合传动机构4驱动主轴转子5无接触同频旋转，磁耦合传动机构4还能够提供平衡主轴转子5自身重量的回复力，同时磁耦合传动机构4的同频旋转还可以实现微细电火花加工脉冲电源的柔性加载，以避免因刚性接触造成的主轴响应频率的降低；主轴转子5和电极夹具9带动微细电极10进行加工。位移传感器6检测主轴转子5在X、Y和Z方向的位移，输入给磁悬浮伺服驱动主轴20控制系统作为悬浮运动控制的依据，其中上下两端径向垂直布置的4个位移传感器6检测主轴转子5在径向平面内的位移，轴向布置的1个位移传感器6用于检测主轴转子5在轴向的位移。电刷7连接电火花加工电源和主轴转子5，提供微细电火花加工必要的能量。轴向磁轴承8实现主轴转子5的轴向悬浮、进给与回退。磁悬浮转子的微驱动加工是通过径向磁轴承1和轴向磁轴承8对转子在X、Y和Z方向的驱动来完成的。
如图3所示，磁悬浮伺服驱动主轴20的总体功能模块包括人机交互模块、位置检测模块、主轴转子悬浮进给控制模块、控制信号发生模块、功率放大模块与放电状态检测模块，以实现主轴转子5稳定悬浮进给，同时还要能够检测微细电火花加工时的间隙放电状态，并根据放电状态进行主轴转子5的伺服进给。
人机交互模块与主轴转子悬浮进给控制模块连接，用于设定加工控制的初始参数，
位置检测模块与主轴转子悬浮进给控制模块连接，用于实时检测主轴转子5位移，并给主轴转子悬浮进给控制模块传递信号；
放电状态检测模块检测微细电火花加工过程中极间放电状态，并给主轴转子悬浮进给控制模块传递信号；
主轴转子悬浮进给控制模块、控制信号发生模块、功率放大模块、磁悬浮伺服驱动主轴20的径向磁轴承1依次连接，
主轴转子悬浮进给控制模块根据主轴转子5位移和极间放电状态计算控制主轴转子5的进给控制参数，
控制信号发生模块根据主轴转子悬浮进给控制参数产生相应控制信号，经功率放大模块后产生驱动转子进给运动的线圈励磁电流，快速调整极间间隙，实现微细电火花持续稳定加工。
如图4所示，根据磁悬浮伺服驱动主轴总体功能模块要求，采用上位机PC+主控制器DSP+辅助控制器FPGA的硬件架构实现微细电火花加工小型化磁悬浮主轴控制系统。
所述上位工业计算机与主控制器DSP连接，主要用于运行上位机数控系统界面，设定微细电火花加工参数、设定和显示转子的位置、调试PWM波形参数以及控制参数的初始设定等，把设定好的数据传输给主控制器DSP，
所述放电状态检测电路通过放电状态统计FPGA与主控制器DSP连接，微细电火花加工极间放电状态经放电状态检测电路检测后输入放电状态统计FPGA，经过统计计算后的放电状态输入主控制器DSP，
位移传感器6通过信号处理模块与主控制器DSP连接，主轴位置的实时监测是通过AEC55系列电涡流位移传感器来实现，检测的位移电压信号经过电平变换，再通过DSP芯片的A/D转换接口转换为离散的数字信号，然后对数字信号进行处理，得到主轴的实际位置坐标；
主控制器DSP功能主要包括传感器模数转换模块、主轴转子悬浮进给运算模块、辅助控制器参数传输和上位机通讯模块等。主控制器DSP根据读取的微细电火花加工放电状态、主轴实际位置坐标与设定目标位置的差值，进行主轴转子悬浮进给运算，输出辅助控制器FPGA需要的控制参数。
主控制器DSP的DSP主控芯片与上位工控机的通讯是通过SCI串口通讯协议实现的，上位工控机向DSP主控芯片传输目标位置信号及主轴伺服驱动参数等信息，DSP主控芯片接收数据并进行数据识别后进行后续处理；同时DSP主控芯片向上位工控机传输主轴实际位置信息及控制电流信息等。
辅助控制器输出径向磁轴承、轴向磁轴承和旋转驱动电机的控制PWM波。主控制器DSP将辅助控制器FPGA设为外设，直接通过地址引用将数据写入辅助控制器FPGA相应存储空间。
主控制器DSP依次与辅助控制器FPGA、功率放大电路、磁悬浮主轴连接，辅助控制器FPGA接收到主控制器DSP发送的各路线圈电流控制信号后，进行运算，输出相应的PWM控制波到功率放大电路，功率放大电路对磁悬浮主轴的悬浮进给进行控制，进行微细电火花加工。
如图5所示，电火花加工机床60定位初始微结构加工位置后，通过串口发送定位完成信号给磁悬浮伺服驱动主轴20的控制系统主控模块，主轴控制系统主控模块接收电涡流位移传感器采集到的主轴转子5位置信号、电流检测电路检测到的线圈电流信号、间隙放电状态检测电路检测到的当前极间放电状态和由上位工控机数控系统发送的控制参数以及运动轨迹参数，并进行转子悬浮控制参数计算，将计算结果调制成PWM波发送给功率放大器，功率放大器提供径向磁轴承和轴向磁轴承驱动悬浮转子的控制电流，驱动微细电极按设定的微结构运动轨迹加工。
如图6所示，当加工开始后，电火花加工机床60的控制系统根据加工程序驱动工作台定位到初始加工位置，磁悬浮伺服驱动主轴20的控制系统驱动主轴转子5进行微细电火花加工，加工结束后，磁悬浮伺服驱动主轴20的控制系统主控模块发送加工结束信号给电火花加工机床60运动控制系统，机床运动控制系统驱动工作台定位到下一个加工位置，再由磁悬浮伺服驱动主轴系统进行微结构加工，直至所有加工位置的微结构加工完毕。
磁悬浮伺服驱动主轴宏微复合微细电火花加工方法，包括以下步骤：
S1.驱动X、Y、Z方向大行程的电火花加工机床工作台，实现工作位置定位；
S2.微细电火花加工极间放电状态和磁悬浮主轴转子位移、线圈驱动电流一起输入磁悬浮伺服驱动主轴系统主控模块，进行磁悬浮伺服驱动主轴转子的悬浮控制参数计算；
S3.驱动X、Y、Z方向微动快速响应的磁悬浮伺服驱动主轴系统，进行微细电火花加工；
S4.微结构加工完成后，向电火花加工机床进给机构发送位移进给信号，由电火花加工机床实现大尺寸位移定位；
S5.根据电火花加工机床多次定位，由磁悬浮伺服驱动主轴系统在同一工件上加工多个相同或不同的微结构。
所述S2包括以下步骤：
S21.上位工控机主要用于运行上位机数控系统界面，设定微细电火花加工参数、设定和显示转子的位置、调试PWM波形参数以及控制参数的初始设定等，把设定好的数据传输给主控制器DSP；
S22.微细电火花加工极间放电状态经放电状态检测电路检测后输入放电状态统计FPGA，经过统计计算后的放电状态输入主控制器DSP；
S23.主轴位置的实时监测是通过AEC55系列电涡流位移传感器来实现，检测的位移电压信号经过电平变换，再通过DSP芯片的A/D转换接口转换为离散的数字信号，然后对数字信号进行处理，得到主轴的实际位置坐标；
S24.主控制器DSP根据读取的微细电火花加工放电状态、主轴实际位置坐标与设定目标位置的差值，进行主轴转子悬浮进给运算，输出辅助控制器FPGA需要的控制参数；
S25.辅助控制器FPGA接收到主控制器DSP发送的各路线圈电流控制信号后，进行运算，输出相应的PWM控制波到功率放大电路。
S26.功率放大电路根据辅助控制器FPGA输出的PWM控制波控制线圈中的电流，对磁悬浮主轴的悬浮进给进行控制，进行微细电火花加工。
所述S4包括以下步骤：
S41.加工结束后，磁悬浮伺服驱动主轴控制系统主控模块发送加工结束信号给电火花加工机床运动控制系统；
S42.机床运动控制系统驱动工作台定位到下一个加工位置；
S43.磁悬浮伺服驱动主轴系统进行微结构加工，直至所有加工位置的微结构加工完毕。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (5)
1.一种磁悬浮伺服驱动主轴宏微复合微细电火花加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.驱动X、Y、Z方向大行程的电火花加工机床工作台，实现工作位置定位；
S2.微细电火花加工极间放电状态和磁悬浮主轴转子位移、线圈驱动电流一起输入磁悬浮伺服驱动主轴系统主控模块，进行磁悬浮伺服驱动主轴转子的悬浮控制参数计算；
S3.驱动X、Y、Z方向微动快速响应的磁悬浮伺服驱动主轴系统，进行微细电火花加工；
S4.微结构加工完成后，向电火花加工机床进给机构发送位移进给信号，由电火花加工机床实现大尺寸位移定位；
S5.根据电火花加工机床多次定位，由磁悬浮伺服驱动主轴系统在同一工件上加工多个相同或不同的微结构，
所述S2包括以下步骤：
S21.上位工控机设定微细电火花加工参数、设定和显示转子的位置、调试PWM波形参数以及控制参数的初始设定，把设定好的数据传输给主控制器DSP；
S22.微细电火花加工极间放电状态经放电状态检测电路检测后输入放电状态统计FPGA，经过统计计算后的放电状态输入主控制器DSP；
S23.主轴位置的实时监测是通过位移传感器来实现，检测的位移电压信号依次通过信息处理模块和主控制器DSP对信号进行处理，得到主轴的实际位置坐标；
S24.主控制器DSP根据读取的微细电火花加工放电状态、主轴实际位置坐标与设定目标位置的差值，进行主轴转子悬浮进给运算，输出辅助控制器FPGA需要的控制参数；
S25.辅助控制器FPGA接收到主控制器DSP发送的各路线圈电流控制信号后，进行运算，输出相应的PWM控制波到功率放大电路；
S26.功率放大电路根据辅助控制器FPGA输出的PWM控制波控制线圈中的电流，对磁悬浮主轴的悬浮进给进行控制，进行微细电火花加工。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮伺服驱动主轴宏微复合微细电火花加工方法，其特征在于：所述S4包括以下步骤：
S41.加工结束后，磁悬浮伺服驱动主轴控制系统主控模块发送加工结束信号给电火花加工机床运动控制系统；
S42.机床运动控制系统驱动工作台定位到下一个加工位置；
S43.磁悬浮伺服驱动主轴系统进行微结构加工，直至所有加工位置的微结构加工完毕。
3.一种磁悬浮伺服驱动主轴宏微复合微细电火花加工装置，其特征在于：包括电火花加工机床(60)、磁悬浮伺服驱动主轴(20)、微细电极(30)、工件(40)及工作液(50)；所述磁悬浮伺服驱动主轴(20)安装在电火花加工机床(60)的加工轴上，磁悬浮伺服驱动主轴(20)带动微细电极(30)对工作液(50)内的工件(40)进行加工，
所述磁悬浮伺服驱动主轴(20)的控制系统总体功能模块包括人机交互模块、位置检测模块、主轴转子悬浮进给控制模块、控制信号发生模块、功率放大模块与放电状态检测模块；
所述人机交互模块与主轴转子悬浮进给控制模块连接，用于设定加工控制的初始参数，以及给主轴转子悬浮进给控制模块传递信号；
所述位置检测模块与主轴转子悬浮进给控制模块连接，用于实时检测主轴转子(5)位移，并给主轴转子悬浮进给控制模块传递信号；
所述放电状态检测模块检测微细电火花加工过程中极间放电状态，并给主轴转子悬浮进给控制模块传递信号；
所述主轴转子悬浮进给控制模块、控制信号发生模块、功率放大模块、磁悬浮伺服驱动主轴(20)的依次连接，主轴转子悬浮进给控制模块根据主轴转子(5)位移和极间放电状态计算控制主轴转子(5)的进给控制参数，
控制信号发生模块根据主轴转子悬浮进给控制参数产生相应控制信号，经功率放大模块后产生驱动转子进给运动的线圈励磁电流，快速调整极间间隙，实现微细电火花持续稳定加工。
4.根据权利要求3所述的磁悬浮伺服驱动主轴宏微复合微细电火花加工装置，其特征在于：所述磁悬浮伺服驱动主轴(20)的控制系统硬件包括上位工业计算机、主控制器DSP、放电状态检测电路、放电状态统计FPGA、辅助控制器FPGA及功率放大电路；
所述上位工业计算机与主控制器DSP连接，把设定好的数据传输给主控制器DSP；
所述放电状态检测电路通过放电状态统计FPGA与主控制器DSP连接，微细电火花加工极间放电状态经放电状态检测电路检测后输入放电状态统计FPGA，经过统计计算后的放电状态输入主控制器DSP；
位移传感器(6)通过信号处理模块与主控制器DSP连接，主轴位置的实时监测是通过位移传感器(6)来实现，检测的位移电压信号经过信号处理模块和主控制器DSP处理，得到主轴的实际位置坐标；
主控制器DSP依次与辅助控制器FPGA、功率放大电路、磁悬浮主轴连接，辅助控制器FPGA接收到主控制器DSP发送的各路线圈电流控制信号后，进行运算，输出相应的PWM控制波到功率放大电路，功率放大电路对磁悬浮主轴的悬浮进给进行控制，进行微细电火花加工。
5.根据权利要求4所述的磁悬浮伺服驱动主轴宏微复合微细电火花加工装置，其特征在于：所述主控制器DSP的DSP主控芯片与上位工控机的通讯通过SCI串口通讯协议实现。
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