【摘 要】
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随着科技的发展和社会的进步,微型产品和微小零件在越来越多的领域获得广泛应用,作为微细制造技术之一的微细电火花加工技术,由于具有能够加工任何硬度导电材料的优异性能,已经成为微细制造领域最重要的加工技术之一。但是,在微细电火花加工中由于传统伺服系统的响应速度慢,容易引起频繁的短路和开路甚至动作故障,影响了加工效率和加工质量。为了提高伺服系统的响应速度,改善加工表面质量,在分析了微细电火花加工伺服驱动技
【基金项目】
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国家自然科学基金资助项目—“长电极多自由度可控磁悬浮伺服驱动微细电火花加工技术”（No.51275110）； 哈尔滨市应用技术研究与开发资助项目—“微细电火花加工技术多自由度可控磁悬浮伺服驱动主轴装置研究”（No.2015RAXXJ026）；
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随着科技的发展和社会的进步,微型产品和微小零件在越来越多的领域获得广泛应用,作为微细制造技术之一的微细电火花加工技术,由于具有能够加工任何硬度导电材料的优异性能,已经成为微细制造领域最重要的加工技术之一。但是,在微细电火花加工中由于传统伺服系统的响应速度慢,容易引起频繁的短路和开路甚至动作故障,影响了加工效率和加工质量。为了提高伺服系统的响应速度,改善加工表面质量,在分析了微细电火花加工伺服驱动技术国内外研究现状的基础上,本文以具有快速响应性能的磁悬浮主轴作为伺服系统,对磁悬浮主轴的受力分析及其伺服控制系统的总体设计、伺服控制系统的硬件电路、RC脉冲电源放电时微细电火花加工的间隙放电状态检测方法、伺服控制系统算法、磁悬浮主轴伺服控制系统性能及应用磁悬浮主轴伺服系统进行微细电火花加工实验等内容进行了研究。论文从分析磁悬浮主轴及其电磁部件的结构、微细电火花加工中主轴的伺服功能入手,分析了径向和轴向电磁轴承的物理模型,建立了轴向电磁轴承的电磁力数学模型。针对磁悬浮主轴的电磁力计算问题,应用电磁场有限元分析软件Ansoft Max Well12对磁耦离合器、径向和轴向电磁轴承进行了电磁力仿真,并以仿真结果作为控制系统设计的理论依据。应用分析得到的径向和轴向电磁力数学模型对五自由度条件下的磁悬浮主轴进行了动力学分析,分析结果表明主轴在低转速时对磁悬浮主轴电磁力的陀螺耦合效应很小,因此采取了分散控制的方法对磁悬浮主轴的五个自由度实行单独控制。针对微细电火花加工过程中不同的间隙放电状态条件下需要调节主轴放电间隙和进给速度以及间隙放电能量需要均匀的要求,提出了间隙电流限幅和主轴位置变积分PID控制的伺服控制策略,建立了磁悬浮主轴伺服控制系统的总体模型。根据磁悬浮主轴控制系统的伺服控制策略和总体模型,研制了基于PC+DSP+FPGA结构的磁悬浮主轴控制系统的硬件电路。针对RC脉冲电源下间隙平均电压法不能直接反映间隙电流的变化状况和能量的分布的问题,提出了三电流阈值和状态时间统计法的间隙放电状态检测方法,研制了基于该检测方法的硬件电路,实现了磁悬浮主轴响应周期内间隙放电状态的快速判断。在控制策略和硬件研制的基础上,分别应用Csharp、C和Verilog HDL语言对上位机、控制器和间隙状态检测电路进行了控制方法研究和程序设计。针对间隙放电状态变化时需要调节放电间隙的问题,对主轴的轴向位置调节采用了变积分PID控制方法,通过改变积分系数和积分值实现了微细电火花加工间隙放电状态的快速调节。针对传统载波比较法产生三电平功率放大器开关信号时需要设计独立的三角载波、移相载波及死区模块以及PWM波的参数改变时需要重新设计载波和死区模块的问题,研究了PWM波的占空比和计数值分区间算法,该算法省略了载波和死区模块的设计,使程序更加简单,响应更加迅速。为了分析磁悬浮主轴系统的伺服响应性能及对微细电火花加工性能的影响,对磁悬浮主轴伺服控制系统的响应频率和电磁力等性能指标进行了测试,测试结果表明,磁悬浮主轴的径向和轴向响应频率分别为160Hz和150Hz,主轴电磁力的仿真值和实际测量值接近。应用磁悬浮主轴在不同的轴向响应频率条件下进行微细电火花加工对比实验,并与电机滚珠丝杠伺服系统的微细电火花加工实验进行对比。实验结果表明,随着磁悬浮主轴响应频率从25Hz提高到125Hz,DZ40M工件微小孔的加工效率提高2倍,电极的相对损耗降低了56%,SUS304工件微小孔的加工效率提高了3倍,电极相对损耗降低了27%。与伺服电机滚珠丝杠伺服系统相比,加工效率提高了28%,电极相对损耗降低了70%。直径方向的加工间隙减小,微小孔的表面形貌的凹坑和气孔尺寸变小。
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