本發(fā)明涉及超聲電火花復合加工技術，具體是一種超聲電火花復合加工主軸裝置及其控制方法。

背景技術：

隨著汽車、航空航天等行業(yè)的發(fā)展，對難加工材料復雜曲面薄壁零件的需求越來越多，而非接觸式的五軸聯動數控電火花加工是此類零件的最佳加工方案之一。但五軸聯動電火花加工機床的研制過程涉及數控、電子、精密測量與機械制造裝配等多種技術，其設計復雜、制造難度大、造價高昂，目前國際上只有少數幾家公司擁有五軸聯動電火花加工機床的研制能力。

超聲電火花復合加工技術可顯著提高工件的加工精度和加工效率、降低電極損耗，但五軸聯動電火花加工機床主軸和超聲振動裝置均結構復雜、設計制造難度大，因此將二者集成十分困難。目前，超聲電火花復合加工技術多采用在工件上附加超聲的方式，然而此種方式由于自身原理所限，一方面難以實現工件的五面加工，另一方面難以加工較大尺寸的工件。為此有必要發(fā)明一種全新的超聲電火花復合加工技術，以解決現有超聲電火花復合加工技術存在的上述問題。

技術實現要素：

本發(fā)明為了解決現有超聲電火花復合加工技術難以實現工件的五面加工、難以加工較大尺寸工件的問題，提供了一種超聲電火花復合加工主軸裝置及其控制方法。

本發(fā)明是采用如下技術方案實現：

一種超聲電火花復合加工主軸裝置，包括z向運動機構、動平臺、調姿支鏈、傳動機構、超聲振動裝置、電極部分；

所述z向運動機構包括左立柱、右立柱、上橫梁、下橫梁、左主動同步帶輪、左從動同步帶輪、右主動同步帶輪、右從動同步帶輪、左一豎向導軌、左二豎向導軌、右一豎向導軌、右二豎向導軌、左一滑塊、左二滑塊、右一滑塊、右二滑塊、左一同步帶、左二同步帶、右一同步帶、右二同步帶、左配重、右配重、左耳片、右耳片；

左立柱的上端開設有左一橫向豁口，且左一橫向豁口的兩側面貫通開設有裝配孔；左立柱的下端開設有左二橫向豁口，且左二橫向豁口的兩側面貫通開設有裝配孔；右立柱的上端開設有右一橫向豁口，且右一橫向豁口的兩側面貫通開設有裝配孔；右立柱的下端開設有右二橫向豁口，且右二橫向豁口的兩側面貫通開設有裝配孔；上橫梁的左端開設有左一豎向豁口，且左一豎向豁口的兩側面貫通開設有裝配孔；上橫梁的右端開設有右一豎向豁口，且右一豎向豁口的兩側面貫通開設有裝配孔；下橫梁的左端開設有左二豎向豁口，且左二豎向豁口的兩側面貫通開設有裝配孔；下橫梁的右端開設有右二豎向豁口，且右二豎向豁口的兩側面貫通開設有裝配孔；上橫梁的左端位于左一橫向豁口內；上橫梁的右端位于右一橫向豁口內；下橫梁的左端位于左二橫向豁口內；下橫梁的右端位于右二橫向豁口內；左主動同步帶輪位于左一豎向豁口內，且左主動同步帶輪的輪軸可轉動地穿設于左一豎向豁口的裝配孔和左一橫向豁口的裝配孔內；左從動同步帶輪位于左二豎向豁口內，且左從動同步帶輪的輪軸可轉動地穿設于左二豎向豁口的裝配孔和左二橫向豁口的裝配孔內；右主動同步帶輪位于右一豎向豁口內，且右主動同步帶輪的輪軸可轉動地穿設于右一豎向豁口的裝配孔和右一橫向豁口的裝配孔內；右從動同步帶輪位于右二豎向豁口內，且右從動同步帶輪的輪軸可轉動地穿設于右二豎向豁口的裝配孔和右二橫向豁口的裝配孔內；左一豎向導軌固定于左立柱的右表面；左二豎向導軌固定于左立柱的左表面；右一豎向導軌固定于右立柱的左表面；右二豎向導軌固定于右立柱的右表面；左一滑塊滑動裝配于左一豎向導軌上；左二滑塊滑動裝配于左二豎向導軌上；右一滑塊滑動裝配于右一豎向導軌上；右二滑塊滑動裝配于右二豎向導軌上；左一同步帶裝配于左主動同步帶輪上，且左一同步帶的兩端分別與左一滑塊的上表面和左二滑塊的上表面固定；左二同步帶裝配于左從動同步帶輪上，且左二同步帶的兩端分別與左一滑塊的下表面和左二滑塊的下表面固定；右一同步帶裝配于右主動同步帶輪上，且右一同步帶的兩端分別與右一滑塊的上表面和右二滑塊的上表面固定；右二同步帶裝配于右從動同步帶輪上，且右二同步帶的兩端分別與右一滑塊的下表面和右二滑塊的下表面固定；左配重固定于左二滑塊上；右配重固定于右二滑塊上；左耳片垂直固定于上橫梁的前表面左部；右耳片垂直固定于上橫梁的前表面右部；左耳片和右耳片上各貫通開設有一個裝配孔，且兩個裝配孔相互正對；

所述動平臺包括矩形平臺、倒u形支架、l形左托架、l形右托架、左一軸承、左二軸承、右一軸承、右二軸承；

矩形平臺的表面中部貫通開設有裝配孔；倒u形支架的兩個豎直段分別垂直固定于矩形平臺的上表面左部和上表面右部；l形左托架的豎直段垂直固定于矩形平臺的下表面左部；l形右托架的豎直段垂直固定于矩形平臺的下表面右部；左一軸承的外圈與矩形平臺的上表面左部固定；左一軸承的內圈固定穿設有橫向支撐軸，且橫向支撐軸的左端與左一滑塊固定；左二軸承的外圈與倒u形支架的水平段的上表面左部固定；右一軸承的外圈與矩形平臺的上表面右部固定；右一軸承的內圈固定穿設有橫向支撐軸，且橫向支撐軸的右端與右一滑塊固定；右二軸承的外圈與倒u形支架的水平段的上表面右部固定；

所述調姿支鏈包括兩段式伸縮桿；

兩段式伸縮桿的上段的左表面上部和右表面上部各垂直固定有一個橫向支撐軸，且兩個橫向支撐軸分別可轉動地穿設于左耳片的裝配孔和右耳片的裝配孔內；兩段式伸縮桿的下段的左表面下部和右表面下部各垂直固定有一個橫向支撐軸，且兩個橫向支撐軸分別固定穿設于左二軸承的內圈和右二軸承的內圈；

所述傳動機構包括蝸輪、蝸桿；

蝸輪的輪軸垂直固定于下橫梁的下表面中部；蝸桿與蝸輪嚙合；

所述超聲振動裝置包括超聲換能器、變幅桿；

超聲換能器位于倒u形支架的水平段的下方；變幅桿的上端穿過矩形平臺的裝配孔與超聲換能器的下端固定；變幅桿的節(jié)圓處設有法蘭，且法蘭與矩形平臺的裝配孔的下端孔口邊緣固定；

所述電極部分包括半圓弧形左電刷、半圓弧形右電刷、工具電極卡套、工具電極；

半圓弧形左電刷固定于l形左托架的水平段的端部；半圓弧形右電刷固定于l形右托架的水平段的端部；半圓弧形左電刷和半圓弧形右電刷共同圍合形成圓環(huán)形電刷；工具電極的上端通過工具電極卡套與變幅桿的下端固定，且工具電極可滑動地穿設于圓環(huán)形電刷內。

一種超聲電火花復合加工主軸裝置的控制方法（該方法用于控制本發(fā)明所述的一種超聲電火花復合加工主軸裝置），該方法是采用如下步驟實現的：

a.選取四個伺服電機，將第一個伺服電機與左主動同步帶輪連接，將第二個伺服電機與右主動同步帶輪連接，將第三個伺服電機與兩段式伸縮桿連接，將第四個伺服電機與蝸桿連接；

b.工具電極的z向平動量控制：在第一個伺服電機和第二個伺服電機的驅動下，左主動同步帶輪和右主動同步帶輪進行同步轉動，且二者的轉動方向相反；此時，左主動同步帶輪一方面通過左一同步帶帶動左一滑塊沿左一豎向導軌進行平動，另一方面依次通過左一同步帶、左配重帶動左二滑塊沿左二豎向導軌進行平動，左一滑塊和左配重共同通過左二同步帶帶動左從動同步帶輪進行轉動；同時，右主動同步帶輪一方面通過右一同步帶帶動右一滑塊沿右一豎向導軌進行平動，另一方面依次通過右一同步帶、右配重帶動右二滑塊沿右二豎向導軌進行平動，右一滑塊和右配重共同通過右二同步帶帶動右從動同步帶輪進行轉動；在左一滑塊和右一滑塊的共同帶動下，矩形平臺進行z向平動，工具電極隨矩形平臺進行z向平動；在此過程中，通過控制第一個伺服電機和第二個伺服電機的轉動參數，即可控制工具電極的z向平動量；

c.工具電極的偏轉角控制：在第三個伺服電機的驅動下，兩段式伸縮桿進行伸縮；此時，兩段式伸縮桿通過倒u形支架帶動矩形平臺繞x軸進行轉動，工具電極隨矩形平臺繞x軸進行轉動；在此過程中，通過控制第三個伺服電機的轉動參數，即可控制工具電極繞x軸的轉動量，即工具電極的偏轉角；

d.工具電極的回轉角控制：在第四個伺服電機的驅動下，蝸桿進行轉動；此時，蝸桿帶動蝸輪繞z軸進行轉動；在蝸輪的帶動下，z向運動機構、動平臺、調姿支鏈、超聲振動裝置、電極部分一起繞z軸進行轉動，矩形平臺繞z軸進行轉動，工具電極隨矩形平臺繞z軸進行轉動；在此過程中，通過控制第四個伺服電機的轉動參數，即可控制工具電極繞z軸的轉動量，即工具電極的回轉角；

e.通過控制工具電極的z向平動量、偏轉角、回轉角，使得工具電極運動到指定的位姿；待工具電極運動到指定的位姿后，開始進行對刀，并確保工具電極與待加工件之間有合理的放電間隙；然后，先開啟電火花加工脈沖電源，再開啟超聲振動裝置，由此開始進行超聲電火花復合加工。

與現有超聲電火花復合加工技術（即在工件上附加超聲的方式）相比，本發(fā)明所述的一種超聲電火花復合加工主軸裝置及其控制方法基于全新的原理，具備了如下優(yōu)點：其一，本發(fā)明通過采用全新的結構，使得工具電極實現了三自由度運動（z向平動、繞x軸進行轉動、繞z軸進行轉動），因此本發(fā)明只需與一個二自由度運動平臺配合，即可實現工件的五面加工。其二，本發(fā)明通過將超聲振動裝置與工具電極集成在一起，使得整體結構緊湊，由此便于降低超聲振動裝置的功率，因此本發(fā)明易于加工較大尺寸的工件。其三，本發(fā)明的整體結構采用對稱式結構，因此其受力均衡、便于制造。其四，本發(fā)明中的左配重和右配重可以根據動平臺的重量進行調整，由此可減輕折算到第一個伺服電機和第二個伺服電機輸出軸上的負載，從而減小其輸出功率與幾何尺寸，進而便于整體結構緊湊化。其五，本發(fā)明運動速度快、控制精度高、承載力大，便于在重載的工況下實時監(jiān)測和控制工具電極與待加工件之間的放電間隙。其六，本發(fā)明中的全部構件均可采用普通標準件來實現，因此其制造成本低廉。

本發(fā)明有效解決了現有超聲電火花復合加工技術難以實現工件的五面加工、難以加工較大尺寸工件的問題，適用于各種零件的加工。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結構示意圖。

圖中：101-左立柱，102-右立柱，103-上橫梁，104-下橫梁，105-左主動同步帶輪，106-左從動同步帶輪，107-右主動同步帶輪，108-右從動同步帶輪，109-左一豎向導軌，110-左二豎向導軌，111-右一豎向導軌，112-右二豎向導軌，113-左一滑塊，114-左二滑塊，115-右一滑塊，116-右二滑塊，117-左一同步帶，118-左二同步帶，119-右一同步帶，120-右二同步帶，121-左配重，122-右配重，123-左耳片，124-右耳片，201-矩形平臺，202-倒u形支架，203-l形左托架，204-l形右托架，205-左一軸承，206-左二軸承，207-右一軸承，208-右二軸承，301-兩段式伸縮桿，401-蝸輪，402-蝸桿，501-超聲換能器，502-變幅桿，601-半圓弧形左電刷，602-半圓弧形右電刷，603-工具電極卡套，604-工具電極。

具體實施方式

一種超聲電火花復合加工主軸裝置，包括z向運動機構、動平臺、調姿支鏈、傳動機構、超聲振動裝置、電極部分；

所述z向運動機構包括左立柱101、右立柱102、上橫梁103、下橫梁104、左主動同步帶輪105、左從動同步帶輪106、右主動同步帶輪107、右從動同步帶輪108、左一豎向導軌109、左二豎向導軌110、右一豎向導軌111、右二豎向導軌112、左一滑塊113、左二滑塊114、右一滑塊115、右二滑塊116、左一同步帶117、左二同步帶118、右一同步帶119、右二同步帶120、左配重121、右配重122、左耳片123、右耳片124；

左立柱101的上端開設有左一橫向豁口，且左一橫向豁口的兩側面貫通開設有裝配孔；左立柱101的下端開設有左二橫向豁口，且左二橫向豁口的兩側面貫通開設有裝配孔；右立柱102的上端開設有右一橫向豁口，且右一橫向豁口的兩側面貫通開設有裝配孔；右立柱102的下端開設有右二橫向豁口，且右二橫向豁口的兩側面貫通開設有裝配孔；上橫梁103的左端開設有左一豎向豁口，且左一豎向豁口的兩側面貫通開設有裝配孔；上橫梁103的右端開設有右一豎向豁口，且右一豎向豁口的兩側面貫通開設有裝配孔；下橫梁104的左端開設有左二豎向豁口，且左二豎向豁口的兩側面貫通開設有裝配孔；下橫梁104的右端開設有右二豎向豁口，且右二豎向豁口的兩側面貫通開設有裝配孔；上橫梁103的左端位于左一橫向豁口內；上橫梁103的右端位于右一橫向豁口內；下橫梁104的左端位于左二橫向豁口內；下橫梁104的右端位于右二橫向豁口內；左主動同步帶輪105位于左一豎向豁口內，且左主動同步帶輪105的輪軸可轉動地穿設于左一豎向豁口的裝配孔和左一橫向豁口的裝配孔內；左從動同步帶輪106位于左二豎向豁口內，且左從動同步帶輪106的輪軸可轉動地穿設于左二豎向豁口的裝配孔和左二橫向豁口的裝配孔內；右主動同步帶輪107位于右一豎向豁口內，且右主動同步帶輪107的輪軸可轉動地穿設于右一豎向豁口的裝配孔和右一橫向豁口的裝配孔內；右從動同步帶輪108位于右二豎向豁口內，且右從動同步帶輪108的輪軸可轉動地穿設于右二豎向豁口的裝配孔和右二橫向豁口的裝配孔內；左一豎向導軌109固定于左立柱101的右表面；左二豎向導軌110固定于左立柱101的左表面；右一豎向導軌111固定于右立柱102的左表面；右二豎向導軌112固定于右立柱102的右表面；左一滑塊113滑動裝配于左一豎向導軌109上；左二滑塊114滑動裝配于左二豎向導軌110上；右一滑塊115滑動裝配于右一豎向導軌111上；右二滑塊116滑動裝配于右二豎向導軌112上；左一同步帶117裝配于左主動同步帶輪105上，且左一同步帶117的兩端分別與左一滑塊113的上表面和左二滑塊114的上表面固定；左二同步帶118裝配于左從動同步帶輪106上，且左二同步帶118的兩端分別與左一滑塊113的下表面和左二滑塊114的下表面固定；右一同步帶119裝配于右主動同步帶輪107上，且右一同步帶119的兩端分別與右一滑塊115的上表面和右二滑塊116的上表面固定；右二同步帶120裝配于右從動同步帶輪108上，且右二同步帶120的兩端分別與右一滑塊115的下表面和右二滑塊116的下表面固定；左配重121固定于左二滑塊114上；右配重122固定于右二滑塊116上；左耳片123垂直固定于上橫梁103的前表面左部；右耳片124垂直固定于上橫梁103的前表面右部；左耳片123和右耳片124上各貫通開設有一個裝配孔，且兩個裝配孔相互正對；

所述動平臺包括矩形平臺201、倒u形支架202、l形左托架203、l形右托架204、左一軸承205、左二軸承206、右一軸承207、右二軸承208；

矩形平臺201的表面中部貫通開設有裝配孔；倒u形支架202的兩個豎直段分別垂直固定于矩形平臺201的上表面左部和上表面右部；l形左托架203的豎直段垂直固定于矩形平臺201的下表面左部；l形右托架204的豎直段垂直固定于矩形平臺201的下表面右部；左一軸承205的外圈與矩形平臺201的上表面左部固定；左一軸承205的內圈固定穿設有橫向支撐軸，且橫向支撐軸的左端與左一滑塊113固定；左二軸承206的外圈與倒u形支架202的水平段的上表面左部固定；右一軸承207的外圈與矩形平臺201的上表面右部固定；右一軸承207的內圈固定穿設有橫向支撐軸，且橫向支撐軸的右端與右一滑塊115固定；右二軸承208的外圈與倒u形支架202的水平段的上表面右部固定；

所述調姿支鏈包括兩段式伸縮桿301；

兩段式伸縮桿301的上段的左表面上部和右表面上部各垂直固定有一個橫向支撐軸，且兩個橫向支撐軸分別可轉動地穿設于左耳片123的裝配孔和右耳片124的裝配孔內；兩段式伸縮桿301的下段的左表面下部和右表面下部各垂直固定有一個橫向支撐軸，且兩個橫向支撐軸分別固定穿設于左二軸承206的內圈和右二軸承208的內圈；

所述傳動機構包括蝸輪401、蝸桿402；

蝸輪401的輪軸垂直固定于下橫梁104的下表面中部；蝸桿402與蝸輪401嚙合；

所述超聲振動裝置包括超聲換能器501、變幅桿502；

超聲換能器501位于倒u形支架202的水平段的下方；變幅桿502的上端穿過矩形平臺201的裝配孔與超聲換能器501的下端固定；變幅桿502的節(jié)圓處設有法蘭，且法蘭與矩形平臺201的裝配孔的下端孔口邊緣固定；

所述電極部分包括半圓弧形左電刷601、半圓弧形右電刷602、工具電極卡套603、工具電極604；

半圓弧形左電刷601固定于l形左托架203的水平段的端部；半圓弧形右電刷602固定于l形右托架204的水平段的端部；半圓弧形左電刷601和半圓弧形右電刷602共同圍合形成圓環(huán)形電刷；工具電極604的上端通過工具電極卡套603與變幅桿502的下端固定，且工具電極604可滑動地穿設于圓環(huán)形電刷內。

一種超聲電火花復合加工主軸裝置的控制方法（該方法用于控制本發(fā)明所述的一種超聲電火花復合加工主軸裝置），該方法是采用如下步驟實現的：

a.選取四個伺服電機，將第一個伺服電機與左主動同步帶輪105連接，將第二個伺服電機與右主動同步帶輪107連接，將第三個伺服電機與兩段式伸縮桿301連接，將第四個伺服電機與蝸桿402連接；

b.工具電極604的z向平動量控制：在第一個伺服電機和第二個伺服電機的驅動下，左主動同步帶輪105和右主動同步帶輪107進行同步轉動，且二者的轉動方向相反；此時，左主動同步帶輪105一方面通過左一同步帶117帶動左一滑塊113沿左一豎向導軌109進行平動，另一方面依次通過左一同步帶117、左配重121帶動左二滑塊114沿左二豎向導軌110進行平動，左一滑塊113和左配重121共同通過左二同步帶118帶動左從動同步帶輪106進行轉動；同時，右主動同步帶輪107一方面通過右一同步帶119帶動右一滑塊115沿右一豎向導軌111進行平動，另一方面依次通過右一同步帶119、右配重122帶動右二滑塊116沿右二豎向導軌112進行平動，右一滑塊115和右配重122共同通過右二同步帶120帶動右從動同步帶輪108進行轉動；在左一滑塊113和右一滑塊115的共同帶動下，矩形平臺201進行z向平動，工具電極604隨矩形平臺201進行z向平動；在此過程中，通過控制第一個伺服電機和第二個伺服電機的轉動參數，即可控制工具電極604的z向平動量；

c.工具電極604的偏轉角控制：在第三個伺服電機的驅動下，兩段式伸縮桿301進行伸縮；此時，兩段式伸縮桿301通過倒u形支架202帶動矩形平臺201繞x軸進行轉動，工具電極604隨矩形平臺201繞x軸進行轉動；在此過程中，通過控制第三個伺服電機的轉動參數，即可控制工具電極604繞x軸的轉動量，即工具電極604的偏轉角；

d.工具電極604的回轉角控制：在第四個伺服電機的驅動下，蝸桿402進行轉動；此時，蝸桿402帶動蝸輪401繞z軸進行轉動；在蝸輪401的帶動下，z向運動機構、動平臺、調姿支鏈、超聲振動裝置、電極部分一起繞z軸進行轉動，矩形平臺201繞z軸進行轉動，工具電極604隨矩形平臺201繞z軸進行轉動；在此過程中，通過控制第四個伺服電機的轉動參數，即可控制工具電極604繞z軸的轉動量，即工具電極604的回轉角；

e.通過控制工具電極604的z向平動量、偏轉角、回轉角，使得工具電極604運動到指定的位姿；待工具電極604運動到指定的位姿后，開始進行對刀，并確保工具電極604與待加工件之間有合理的放電間隙；然后，先開啟電火花加工脈沖電源，再開啟超聲振動裝置，由此開始進行超聲電火花復合加工。