本发明涉及超声电火花复合加工技术，具体是一种超声电火花复合加工主轴装置及其控制方法。
背景技术：
随着汽车、航空航天等行业的发展，对难加工材料复杂曲面薄壁零件的需求越来越多，而非接触式的五轴联动数控电火花加工是此类零件的最佳加工方案之一。但五轴联动电火花加工机床的研制过程涉及数控、电子、精密测量与机械制造装配等多种技术，其设计复杂、制造难度大、造价高昂，目前国际上只有少数几家公司拥有五轴联动电火花加工机床的研制能力。
超声电火花复合加工技术可显著提高工件的加工精度和加工效率、降低电极损耗，但五轴联动电火花加工机床主轴和超声振动装置均结构复杂、设计制造难度大，因此将二者集成十分困难。目前，超声电火花复合加工技术多采用在工件上附加超声的方式，然而此种方式由于自身原理所限，一方面难以实现工件的五面加工，另一方面难以加工较大尺寸的工件。为此有必要发明一种全新的超声电火花复合加工技术，以解决现有超声电火花复合加工技术存在的上述问题。
技术实现要素：
本发明为了解决现有超声电火花复合加工技术难以实现工件的五面加工、难以加工较大尺寸工件的问题，提供了一种超声电火花复合加工主轴装置及其控制方法。
本发明是采用如下技术方案实现：
一种超声电火花复合加工主轴装置，包括z向运动机构、动平台、调姿支链、传动机构、超声振动装置、电极部分；
所述z向运动机构包括左立柱、右立柱、上横梁、下横梁、左主动同步带轮、左从动同步带轮、右主动同步带轮、右从动同步带轮、左一竖向导轨、左二竖向导轨、右一竖向导轨、右二竖向导轨、左一滑块、左二滑块、右一滑块、右二滑块、左一同步带、左二同步带、右一同步带、右二同步带、左配重、右配重、左耳片、右耳片；
左立柱的上端开设有左一横向豁口，且左一横向豁口的两侧面贯通开设有装配孔；左立柱的下端开设有左二横向豁口，且左二横向豁口的两侧面贯通开设有装配孔；右立柱的上端开设有右一横向豁口，且右一横向豁口的两侧面贯通开设有装配孔；右立柱的下端开设有右二横向豁口，且右二横向豁口的两侧面贯通开设有装配孔；上横梁的左端开设有左一竖向豁口，且左一竖向豁口的两侧面贯通开设有装配孔；上横梁的右端开设有右一竖向豁口，且右一竖向豁口的两侧面贯通开设有装配孔；下横梁的左端开设有左二竖向豁口，且左二竖向豁口的两侧面贯通开设有装配孔；下横梁的右端开设有右二竖向豁口，且右二竖向豁口的两侧面贯通开设有装配孔；上横梁的左端位于左一横向豁口内；上横梁的右端位于右一横向豁口内；下横梁的左端位于左二横向豁口内；下横梁的右端位于右二横向豁口内；左主动同步带轮位于左一竖向豁口内，且左主动同步带轮的轮轴可转动地穿设于左一竖向豁口的装配孔和左一横向豁口的装配孔内；左从动同步带轮位于左二竖向豁口内，且左从动同步带轮的轮轴可转动地穿设于左二竖向豁口的装配孔和左二横向豁口的装配孔内；右主动同步带轮位于右一竖向豁口内，且右主动同步带轮的轮轴可转动地穿设于右一竖向豁口的装配孔和右一横向豁口的装配孔内；右从动同步带轮位于右二竖向豁口内，且右从动同步带轮的轮轴可转动地穿设于右二竖向豁口的装配孔和右二横向豁口的装配孔内；左一竖向导轨固定于左立柱的右表面；左二竖向导轨固定于左立柱的左表面；右一竖向导轨固定于右立柱的左表面；右二竖向导轨固定于右立柱的右表面；左一滑块滑动装配于左一竖向导轨上；左二滑块滑动装配于左二竖向导轨上；右一滑块滑动装配于右一竖向导轨上；右二滑块滑动装配于右二竖向导轨上；左一同步带装配于左主动同步带轮上，且左一同步带的两端分别与左一滑块的上表面和左二滑块的上表面固定；左二同步带装配于左从动同步带轮上，且左二同步带的两端分别与左一滑块的下表面和左二滑块的下表面固定；右一同步带装配于右主动同步带轮上，且右一同步带的两端分别与右一滑块的上表面和右二滑块的上表面固定；右二同步带装配于右从动同步带轮上，且右二同步带的两端分别与右一滑块的下表面和右二滑块的下表面固定；左配重固定于左二滑块上；右配重固定于右二滑块上；左耳片垂直固定于上横梁的前表面左部；右耳片垂直固定于上横梁的前表面右部；左耳片和右耳片上各贯通开设有一个装配孔，且两个装配孔相互正对；
所述动平台包括矩形平台、倒u形支架、l形左托架、l形右托架、左一轴承、左二轴承、右一轴承、右二轴承；
矩形平台的表面中部贯通开设有装配孔；倒u形支架的两个竖直段分别垂直固定于矩形平台的上表面左部和上表面右部；l形左托架的竖直段垂直固定于矩形平台的下表面左部；l形右托架的竖直段垂直固定于矩形平台的下表面右部；左一轴承的外圈与矩形平台的上表面左部固定；左一轴承的内圈固定穿设有横向支撑轴，且横向支撑轴的左端与左一滑块固定；左二轴承的外圈与倒u形支架的水平段的上表面左部固定；右一轴承的外圈与矩形平台的上表面右部固定；右一轴承的内圈固定穿设有横向支撑轴，且横向支撑轴的右端与右一滑块固定；右二轴承的外圈与倒u形支架的水平段的上表面右部固定；
所述调姿支链包括两段式伸缩杆；
两段式伸缩杆的上段的左表面上部和右表面上部各垂直固定有一个横向支撑轴，且两个横向支撑轴分别可转动地穿设于左耳片的装配孔和右耳片的装配孔内；两段式伸缩杆的下段的左表面下部和右表面下部各垂直固定有一个横向支撑轴，且两个横向支撑轴分别固定穿设于左二轴承的内圈和右二轴承的内圈；
所述传动机构包括蜗轮、蜗杆；
蜗轮的轮轴垂直固定于下横梁的下表面中部；蜗杆与蜗轮啮合；
所述超声振动装置包括超声换能器、变幅杆；
超声换能器位于倒u形支架的水平段的下方；变幅杆的上端穿过矩形平台的装配孔与超声换能器的下端固定；变幅杆的节圆处设有法兰，且法兰与矩形平台的装配孔的下端孔口边缘固定；
所述电极部分包括半圆弧形左电刷、半圆弧形右电刷、工具电极卡套、工具电极；
半圆弧形左电刷固定于l形左托架的水平段的端部；半圆弧形右电刷固定于l形右托架的水平段的端部；半圆弧形左电刷和半圆弧形右电刷共同围合形成圆环形电刷；工具电极的上端通过工具电极卡套与变幅杆的下端固定，且工具电极可滑动地穿设于圆环形电刷内。
一种超声电火花复合加工主轴装置的控制方法（该方法用于控制本发明所述的一种超声电火花复合加工主轴装置），该方法是采用如下步骤实现的：
a.选取四个伺服电机，将第一个伺服电机与左主动同步带轮连接，将第二个伺服电机与右主动同步带轮连接，将第三个伺服电机与两段式伸缩杆连接，将第四个伺服电机与蜗杆连接；
b.工具电极的z向平动量控制：在第一个伺服电机和第二个伺服电机的驱动下，左主动同步带轮和右主动同步带轮进行同步转动，且二者的转动方向相反；此时，左主动同步带轮一方面通过左一同步带带动左一滑块沿左一竖向导轨进行平动，另一方面依次通过左一同步带、左配重带动左二滑块沿左二竖向导轨进行平动，左一滑块和左配重共同通过左二同步带带动左从动同步带轮进行转动；同时，右主动同步带轮一方面通过右一同步带带动右一滑块沿右一竖向导轨进行平动，另一方面依次通过右一同步带、右配重带动右二滑块沿右二竖向导轨进行平动，右一滑块和右配重共同通过右二同步带带动右从动同步带轮进行转动；在左一滑块和右一滑块的共同带动下，矩形平台进行z向平动，工具电极随矩形平台进行z向平动；在此过程中，通过控制第一个伺服电机和第二个伺服电机的转动参数，即可控制工具电极的z向平动量；
c.工具电极的偏转角控制：在第三个伺服电机的驱动下，两段式伸缩杆进行伸缩；此时，两段式伸缩杆通过倒u形支架带动矩形平台绕x轴进行转动，工具电极随矩形平台绕x轴进行转动；在此过程中，通过控制第三个伺服电机的转动参数，即可控制工具电极绕x轴的转动量，即工具电极的偏转角；
d.工具电极的回转角控制：在第四个伺服电机的驱动下，蜗杆进行转动；此时，蜗杆带动蜗轮绕z轴进行转动；在蜗轮的带动下，z向运动机构、动平台、调姿支链、超声振动装置、电极部分一起绕z轴进行转动，矩形平台绕z轴进行转动，工具电极随矩形平台绕z轴进行转动；在此过程中，通过控制第四个伺服电机的转动参数，即可控制工具电极绕z轴的转动量，即工具电极的回转角；
e.通过控制工具电极的z向平动量、偏转角、回转角，使得工具电极运动到指定的位姿；待工具电极运动到指定的位姿后，开始进行对刀，并确保工具电极与待加工件之间有合理的放电间隙；然后，先开启电火花加工脉冲电源，再开启超声振动装置，由此开始进行超声电火花复合加工。
与现有超声电火花复合加工技术（即在工件上附加超声的方式）相比，本发明所述的一种超声电火花复合加工主轴装置及其控制方法基于全新的原理，具备了如下优点：其一，本发明通过采用全新的结构，使得工具电极实现了三自由度运动（z向平动、绕x轴进行转动、绕z轴进行转动），因此本发明只需与一个二自由度运动平台配合，即可实现工件的五面加工。其二，本发明通过将超声振动装置与工具电极集成在一起，使得整体结构紧凑，由此便于降低超声振动装置的功率，因此本发明易于加工较大尺寸的工件。其三，本发明的整体结构采用对称式结构，因此其受力均衡、便于制造。其四，本发明中的左配重和右配重可以根据动平台的重量进行调整，由此可减轻折算到第一个伺服电机和第二个伺服电机输出轴上的负载，从而减小其输出功率与几何尺寸，进而便于整体结构紧凑化。其五，本发明运动速度快、控制精度高、承载力大，便于在重载的工况下实时监测和控制工具电极与待加工件之间的放电间隙。其六，本发明中的全部构件均可采用普通标准件来实现，因此其制造成本低廉。
本发明有效解决了现有超声电火花复合加工技术难以实现工件的五面加工、难以加工较大尺寸工件的问题，适用于各种零件的加工。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中：101-左立柱，102-右立柱，103-上横梁，104-下横梁，105-左主动同步带轮，106-左从动同步带轮，107-右主动同步带轮，108-右从动同步带轮，109-左一竖向导轨，110-左二竖向导轨，111-右一竖向导轨，112-右二竖向导轨，113-左一滑块，114-左二滑块，115-右一滑块，116-右二滑块，117-左一同步带，118-左二同步带，119-右一同步带，120-右二同步带，121-左配重，122-右配重，123-左耳片，124-右耳片，201-矩形平台，202-倒u形支架，203-l形左托架，204-l形右托架，205-左一轴承，206-左二轴承，207-右一轴承，208-右二轴承，301-两段式伸缩杆，401-蜗轮，402-蜗杆，501-超声换能器，502-变幅杆，601-半圆弧形左电刷，602-半圆弧形右电刷，603-工具电极卡套，604-工具电极。
具体实施方式
一种超声电火花复合加工主轴装置，包括z向运动机构、动平台、调姿支链、传动机构、超声振动装置、电极部分；
所述z向运动机构包括左立柱101、右立柱102、上横梁103、下横梁104、左主动同步带轮105、左从动同步带轮106、右主动同步带轮107、右从动同步带轮108、左一竖向导轨109、左二竖向导轨110、右一竖向导轨111、右二竖向导轨112、左一滑块113、左二滑块114、右一滑块115、右二滑块116、左一同步带117、左二同步带118、右一同步带119、右二同步带120、左配重121、右配重122、左耳片123、右耳片124；
左立柱101的上端开设有左一横向豁口，且左一横向豁口的两侧面贯通开设有装配孔；左立柱101的下端开设有左二横向豁口，且左二横向豁口的两侧面贯通开设有装配孔；右立柱102的上端开设有右一横向豁口，且右一横向豁口的两侧面贯通开设有装配孔；右立柱102的下端开设有右二横向豁口，且右二横向豁口的两侧面贯通开设有装配孔；上横梁103的左端开设有左一竖向豁口，且左一竖向豁口的两侧面贯通开设有装配孔；上横梁103的右端开设有右一竖向豁口，且右一竖向豁口的两侧面贯通开设有装配孔；下横梁104的左端开设有左二竖向豁口，且左二竖向豁口的两侧面贯通开设有装配孔；下横梁104的右端开设有右二竖向豁口，且右二竖向豁口的两侧面贯通开设有装配孔；上横梁103的左端位于左一横向豁口内；上横梁103的右端位于右一横向豁口内；下横梁104的左端位于左二横向豁口内；下横梁104的右端位于右二横向豁口内；左主动同步带轮105位于左一竖向豁口内，且左主动同步带轮105的轮轴可转动地穿设于左一竖向豁口的装配孔和左一横向豁口的装配孔内；左从动同步带轮106位于左二竖向豁口内，且左从动同步带轮106的轮轴可转动地穿设于左二竖向豁口的装配孔和左二横向豁口的装配孔内；右主动同步带轮107位于右一竖向豁口内，且右主动同步带轮107的轮轴可转动地穿设于右一竖向豁口的装配孔和右一横向豁口的装配孔内；右从动同步带轮108位于右二竖向豁口内，且右从动同步带轮108的轮轴可转动地穿设于右二竖向豁口的装配孔和右二横向豁口的装配孔内；左一竖向导轨109固定于左立柱101的右表面；左二竖向导轨110固定于左立柱101的左表面；右一竖向导轨111固定于右立柱102的左表面；右二竖向导轨112固定于右立柱102的右表面；左一滑块113滑动装配于左一竖向导轨109上；左二滑块114滑动装配于左二竖向导轨110上；右一滑块115滑动装配于右一竖向导轨111上；右二滑块116滑动装配于右二竖向导轨112上；左一同步带117装配于左主动同步带轮105上，且左一同步带117的两端分别与左一滑块113的上表面和左二滑块114的上表面固定；左二同步带118装配于左从动同步带轮106上，且左二同步带118的两端分别与左一滑块113的下表面和左二滑块114的下表面固定；右一同步带119装配于右主动同步带轮107上，且右一同步带119的两端分别与右一滑块115的上表面和右二滑块116的上表面固定；右二同步带120装配于右从动同步带轮108上，且右二同步带120的两端分别与右一滑块115的下表面和右二滑块116的下表面固定；左配重121固定于左二滑块114上；右配重122固定于右二滑块116上；左耳片123垂直固定于上横梁103的前表面左部；右耳片124垂直固定于上横梁103的前表面右部；左耳片123和右耳片124上各贯通开设有一个装配孔，且两个装配孔相互正对；
所述动平台包括矩形平台201、倒u形支架202、l形左托架203、l形右托架204、左一轴承205、左二轴承206、右一轴承207、右二轴承208；
矩形平台201的表面中部贯通开设有装配孔；倒u形支架202的两个竖直段分别垂直固定于矩形平台201的上表面左部和上表面右部；l形左托架203的竖直段垂直固定于矩形平台201的下表面左部；l形右托架204的竖直段垂直固定于矩形平台201的下表面右部；左一轴承205的外圈与矩形平台201的上表面左部固定；左一轴承205的内圈固定穿设有横向支撑轴，且横向支撑轴的左端与左一滑块113固定；左二轴承206的外圈与倒u形支架202的水平段的上表面左部固定；右一轴承207的外圈与矩形平台201的上表面右部固定；右一轴承207的内圈固定穿设有横向支撑轴，且横向支撑轴的右端与右一滑块115固定；右二轴承208的外圈与倒u形支架202的水平段的上表面右部固定；
所述调姿支链包括两段式伸缩杆301；
两段式伸缩杆301的上段的左表面上部和右表面上部各垂直固定有一个横向支撑轴，且两个横向支撑轴分别可转动地穿设于左耳片123的装配孔和右耳片124的装配孔内；两段式伸缩杆301的下段的左表面下部和右表面下部各垂直固定有一个横向支撑轴，且两个横向支撑轴分别固定穿设于左二轴承206的内圈和右二轴承208的内圈；
所述传动机构包括蜗轮401、蜗杆402；
蜗轮401的轮轴垂直固定于下横梁104的下表面中部；蜗杆402与蜗轮401啮合；
所述超声振动装置包括超声换能器501、变幅杆502；
超声换能器501位于倒u形支架202的水平段的下方；变幅杆502的上端穿过矩形平台201的装配孔与超声换能器501的下端固定；变幅杆502的节圆处设有法兰，且法兰与矩形平台201的装配孔的下端孔口边缘固定；
所述电极部分包括半圆弧形左电刷601、半圆弧形右电刷602、工具电极卡套603、工具电极604；
半圆弧形左电刷601固定于l形左托架203的水平段的端部；半圆弧形右电刷602固定于l形右托架204的水平段的端部；半圆弧形左电刷601和半圆弧形右电刷602共同围合形成圆环形电刷；工具电极604的上端通过工具电极卡套603与变幅杆502的下端固定，且工具电极604可滑动地穿设于圆环形电刷内。
一种超声电火花复合加工主轴装置的控制方法（该方法用于控制本发明所述的一种超声电火花复合加工主轴装置），该方法是采用如下步骤实现的：
a.选取四个伺服电机，将第一个伺服电机与左主动同步带轮105连接，将第二个伺服电机与右主动同步带轮107连接，将第三个伺服电机与两段式伸缩杆301连接，将第四个伺服电机与蜗杆402连接；
b.工具电极604的z向平动量控制：在第一个伺服电机和第二个伺服电机的驱动下，左主动同步带轮105和右主动同步带轮107进行同步转动，且二者的转动方向相反；此时，左主动同步带轮105一方面通过左一同步带117带动左一滑块113沿左一竖向导轨109进行平动，另一方面依次通过左一同步带117、左配重121带动左二滑块114沿左二竖向导轨110进行平动，左一滑块113和左配重121共同通过左二同步带118带动左从动同步带轮106进行转动；同时，右主动同步带轮107一方面通过右一同步带119带动右一滑块115沿右一竖向导轨111进行平动，另一方面依次通过右一同步带119、右配重122带动右二滑块116沿右二竖向导轨112进行平动，右一滑块115和右配重122共同通过右二同步带120带动右从动同步带轮108进行转动；在左一滑块113和右一滑块115的共同带动下，矩形平台201进行z向平动，工具电极604随矩形平台201进行z向平动；在此过程中，通过控制第一个伺服电机和第二个伺服电机的转动参数，即可控制工具电极604的z向平动量；
c.工具电极604的偏转角控制：在第三个伺服电机的驱动下，两段式伸缩杆301进行伸缩；此时，两段式伸缩杆301通过倒u形支架202带动矩形平台201绕x轴进行转动，工具电极604随矩形平台201绕x轴进行转动；在此过程中，通过控制第三个伺服电机的转动参数，即可控制工具电极604绕x轴的转动量，即工具电极604的偏转角；
d.工具电极604的回转角控制：在第四个伺服电机的驱动下，蜗杆402进行转动；此时，蜗杆402带动蜗轮401绕z轴进行转动；在蜗轮401的带动下，z向运动机构、动平台、调姿支链、超声振动装置、电极部分一起绕z轴进行转动，矩形平台201绕z轴进行转动，工具电极604随矩形平台201绕z轴进行转动；在此过程中，通过控制第四个伺服电机的转动参数，即可控制工具电极604绕z轴的转动量，即工具电极604的回转角；
e.通过控制工具电极604的z向平动量、偏转角、回转角，使得工具电极604运动到指定的位姿；待工具电极604运动到指定的位姿后，开始进行对刀，并确保工具电极604与待加工件之间有合理的放电间隙；然后，先开启电火花加工脉冲电源，再开启超声振动装置，由此开始进行超声电火花复合加工。