专利名称：混合式直线步进电化学加工机床的制作方法
技术领域：
本发明涉及机械领域，主要涉及切削类机床的传动，提出一种不用蜗轮蜗杆、丝杠螺母等机械传动的机构，而是通过磁力进行直接拖动，实现工具头(阴极)三维运动的传动机构；同时提出一种四轴向直线步进驱动源，在三轴向混合式直线步进电机圆柱形Z轴次级(Z向动子)下段外侧，套以圆弧型的C轴初级，形成X、Y、Z、C四轴向驱动源，用于电化学加工机床。将直线步进电机动子的运动通过专门设计的磁力传动机构直接拖动工具阴极。具体讲就是一种混合式直线步进电化学加工机床。
背景技术：
传统机床的传动采用齿轮，蜗轮蜗杆、丝杠螺母、皮带等。传动链长，在传动环节上产生的变形、振动、噪声、磨损不可避免，机构复杂庞大；传动轴与工具杆的连接为刚性硬连接，加工的可达性差，比如弯孔，内槽是无法直接加工的。
在起重、在磨床上固定装夹工件以及磁悬浮列车都是成功运用磁力的实例，但是将磁力用于在机床上作为驱动源与加工用的工具之间的传动尚无先例。
在采用数控实现电化学加工的方法中，与本申请的技术要达到的目的比较相近的技术有线电极电解、数控展成电解加工技术。曾获悉俄罗斯有过线电解的提法，可以通过X、Y轴运动的合成使工件在X-Y平面运动，实现二维加工，运动形式类似电火花线切割机床的带X、Y拖板的工作台，从驱动源步进电机到拖板的传动为丝杠机械传动。已报道的数控展成电解加工在我国由南航率先开展，从驱动源向工具阴极传递动力也是通过机械传动的方式。《2003年全国特种加工会议论文集》P.86～88由康敏，赵建社，徐家文撰写的《矩形截面阴极展成电解加工平面的工艺试验.》一文和《电加工与模具》2004(5)P.21～23由康敏，赵建社，徐家文发表的《矩形截面内喷式阴极展成电解加工平面的工艺试验》均提到采用传统的5坐标数控机床的驱动和传动方式，“通过5个步进电机驱动3个直线运动(X、Y、Z)和2个转动坐标轴(CW、CT)，需要5套控制各轴运动的数控单元，再各通过丝杠等机械传动系统将动力传动给工具阴极”，这种数控机床的驱动和传动方式结构复杂；工具阴极与主轴为刚性连接，难于解决弯孔，内槽加工的可达性问题。
本申请采用的驱动源的前身为直线步进电机。直线电机最初由Wheatstone于1840年提出，1891年美国的Bradly采用移动磁场研制了第一台直线电机。自1993年德国ex-cell-0公司研发出世界上第一台直线电机驱动工作台的加工中心以来，直线电机在不同种类的机床上得到应用。1999年由叶云岳编著，浙江大学出版社出版的《直线电机理论和应用》提到一种适用于机械加工作独立动力源的直线电机(不是直线步进电机)，用往复运动的滑块作动力头，进行单轴和双轴驱动。近些年来机床的驱动源开始采用直线步进电机，但用得最多的是单轴、两轴(X、Y或X、Z轴)直线步进电机。一般多轴数控机床的X、Y、Z、U、V轴或X、Y、Z、C、A轴由各自的单轴步进电机(非直线步进电机)驱动，南京航空航天大学研制的数控电解加工机床X、Y、Z、CW、CT各轴采用的电机也是步进电机(非直线步进电机)，从电极到工具头的传动是机械传动，不是磁力传动。
在2005年8月中国科学技术协会2005年年会上，李绪成撰文的《直线电机在数控机床中的应用及发展趋势.2005》中谈到了关于三轴向混合式直线步进电机在电火花机床上的应用，在日本SODIC、德国GROB、DMG有产品及相关技术研制，但是三轴向混合式直线步进电机在电解加工机床上的应用未见过报道。
本申请提出将三轴向混合式直线步进电机的圆柱形Z轴次级(Z向动子)下段的外侧，套以圆弧型的C轴初级，构成四轴向直线步进驱动源(X、Y、Z、C)，用于电化学加工机床，并将直线步进驱动源的动子的运动通过专门设计的磁力传动机构直接拖动工具阴极，实现工具头(阴极)对工件的三维加工。驱动机构与工具头(阴极)之间通过磁力传动的柔性联结用于切削类机床尚未见过报道。
本发明的发明人曾就本主题在兵器工业第210所研究所，以电解加工、直线步进、微细加工、微机械加工、电液束为主题词，在GF报告库、中国专利文献库、中国学位论文摘数据库(CDDB)、中国优秀博硕士学位全文数据库(CDMD)、万方中国科技成果数据库(CSTAD)、科技部科技成果库、科技部863项目库、兵器专业文献数据库、世界专利、美国政府报告NTIS、美国工程索引EI、英国科技文摘INSPEC、专业文摘库、科学引文索引、金属数据库进行了检索，均没有检索到相关文献。
经发明人自行对近10年的专利进行检索，未发现有与本发明相同的设备或装置，也未发现有相同技术的信息报道。
发明内容
本发明提出四轴向直线步进驱动源(X、Y、Z、C)，取代了传统数控机床各轴分别由一台步进电机驱动，各单轴自带一套数控单元的模式。
为了克服上述机械传动设备存在的缺点，本发明提出直接通过磁力拖动实现阴极的三维运动，提供一种用于电化学加工机床，取代传统数控机床通过机械传动将动力传给工具阴极的模式，结构简单、成本低、加工精度相对提高和表面质量好，且能实现弯孔和型腔内槽加工，对加工零件的可扩展空间大，阴极运动直接由程序控制的混合式直线步进电化学加工机床。
下面对本发明的技术方案进行详细说明本发明的实现在于混合式直线步进电化学加工机床，主要包括有驱动系统、传动系统、加工系统、接口电路、计算机控制系统、供电系统和电解液供液系统，供电系统和供液系统通过接插头为加工机床提供电和工作电解液，其特征在于所述的驱动系统为四轴向混合式直线步进电磁驱动系统，是在三轴向混合式直线步进电机Z轴初级的下段再加一级圆弧型初级C构成，圆弧型初级C套在圆柱形动子的柱面外侧，构成四轴向混合式直线步进电磁驱动系统。传动系统不采用齿轮，蜗轮蜗杆、丝杠螺母等传动机构，而是由磁控块、导块、滑板、自润滑导柱组成的磁力拖动机构。电磁驱动系统通过磁力拖动机构直接带动加工系统，滑板将电磁驱动系统所在的机箱与加工系统所在的工作箱隔离。箱内的工作台四个角上安装有四根自润滑导柱，形成框架结构。四根自润滑导柱安装有可上下滑动的滑板，磁控块和电磁驱动系统接在一起，导块和加工系统的汇流体接在一起。磁控块底部安装有钢珠，位于滑板之上；导块上部安装有密珠，位于滑板之下。自润滑导柱及上机箱装有皮老虎。
传统机床的传动采用齿轮，蜗轮蜗杆、丝杠螺母、皮带等。传动链长，在传动环节上产生的变形、振动、噪声、磨损不可避免，机构复杂庞大。本发明首先将磁力拖动用于微细电化学机床，驱动系统为四轴向混合式直线步进驱动，直接通过磁力拖动实现阴极的三维运动，机床结构简单，是一种全新的混合式直线步进电化学加工机床。仅需要一台四轴向直线步进驱动源，一套磁力拖动机构，即可实现电化学加工的三维运动。不用蜗轮蜗杆、丝杠螺母等机械传动机构，因而也就消除对刀具或刀杆产生冲击、扭矩、剪切和振动，使得加工精度相对提高，加工的表面质量好。通过磁力进行直接拖动，实现加工系统即工具头(阴极)三维运动的传动方案。采用有自润滑功能的4个导柱和滑板，滑板可以在自润滑导柱上作上下运动，磁控块和导块在滑板上的运动均由受电磁驱动系统的控制。供电和供液直接接入阴极，与驱动传动机构分开，磁力拖动的非刚性连接提供阴极运动的灵活性，工具根据加工对象制成管状、线刃、球头或锥头形状。
与现有的电解加工5轴数控机床相比，5轴数控机床X、Y、Z、CW、CT轴由各个轴的步进电机分别驱动，在各自数控单元的控制下通过丝杠传动到工具，机床结构复杂。俄罗斯的线电极电解通过X、Y轴运动的合成不能实现三维加工。相比之下，本设计采用简单灵活的结构，达到三维加工的目的，性能/价格比高，应用范围还可进一步拓宽。本发明将三轴向混合式直线步进电机与圆弧型结构的直线电机融合，构成四轴向混合式直线步进驱动源(X、Y、Z、C)的技术方案，取代了传统数控机床各轴分别由一台步进电机驱动，各单轴自带一套数控单元的复杂构成，使得整个设备结构简单，而且是对直线步进电机的一种创新。
本发明的实现还在于四轴向混合式直线步进电机定子初级由开有等距齿槽的叠片铁心组成，动子和定子的齿距相等，X轴初级，Y轴初级，作为定子均固定在机箱的顶板上，Z轴初级固定在X-Y次级台板3即动子下面，作为X-Y动子的X-Y次级台板上开有相互垂直的等距槽沟，形成格子，当X或Y向脉冲信号到来，X-Y台板在X-Y平面上沿X向或Y向移动，相当于X轴初级或Y轴初级在次级台板上爬格子，当次级台板在X-Y平面上移动时，带动固定在其下面的Z轴初级一起移动，沿Z轴次级(Z向动子)的圆柱体母线同时开有水平方向和垂直方向的等距齿槽，等间距地安置有线圈，圆弧型初级也开有垂直方向的齿槽；当Z向脉冲到来时，Z轴次级按Z轴初级接收的信号沿Z轴上下运动，圆弧型初级每接到一个信号，就使Z轴次级旋转一个角度，实现Z向动子在X、Y、Z、C的联动。
本发明首先将磁力拖动用于电化学机床，将三轴向混合式直线步进电机与圆弧型结构的直线电机融合，构成四轴向直线步进驱动源(X、Y、Z、C)，设计了由自润滑功能的4个导柱、滑板、磁控块和导块构成的磁力拖动机构。提供一种全新的驱动系统直接通过磁力拖动实现加工阴极的三维运动，实现阴极运动直接由程序控制，传动机构和控制机构融为一体的混合式直线步进微细电化学加工机床。由于本发明采用电化学加工基于阳极溶解原理，金属蚀除过程不会对刀具或刀杆产生冲击、扭矩、剪切和振动。
图1是本发明的驱动系统、拖动机构和加工系统的组成示意图；图2是本发明的阴极头结构示意图；图3是本发明混合式直线步进微细电化学加工机床的供液、接线示意图；图4是本发明的实施例加工零件的尺寸示意图；图5是本发明的加工流程框图。
具体实施例方式实施例1如图1所示，本发明的混合式直线步进微细电化学加工机床的构成是电磁驱动系统、磁力拖动机构、加工系统、接口电路、计算机控制系统、供电系统和供液系统，供电系统和供液系统通过接插头为加工机床提供电和工作电解液，参见图3。传动系统不是齿轮，蜗轮蜗杆、丝杠螺母、皮带等机构。而是由磁控块7、导块14、滑板9、自润滑导柱11组成磁力拖动机构，电磁驱动系统通过磁力拖动机构直接带动加工系统。滑板9将电磁驱动系统所在的上机箱中与加工系统所在的工作箱隔离；工作台22四个角上安装有四根自润滑导柱11，形成框架结构。电磁驱动系统的Z轴次级5与磁力拖动机构的磁控块7接在一起，加工系统的汇流体15与磁力拖动机构的导块14接在一起，磁控块7通过钢珠8安装在滑板9之上，通过磁力吸住导块14，与导块14接在一起的加工系统通过密珠10在滑板9之下滑行。加工系统由汇流体15、阴极头16、工夹具18构成，被加工的工件17装在夹具18中，参见图2，加工系统的运动受控于电磁驱动系统。电磁驱动系统采用X、Y、Z、C四轴向混合式直线步进电机作驱动源。导柱11与工作机箱装有密封皮老虎12和13。接线板23安装在工作台22的下方。
本发明的电磁驱动系统与加工系统用不导磁的不锈钢滑板9隔开，磁控块7与Z轴次级5连在一起，当Z向动子5和磁控块7在滑板上面作X-Y向移动时，磁力拖动带密珠10的导块14跟随移动。密珠10保证导块14运动的灵活。当Z向动子5和磁控块7向下或向上移动时，分别推动或通过滑板9拉动阴极向下或向上移动，4根导柱11有自润滑功能，不锈钢滑板9与4根导柱11的动配合保证不锈钢滑板9移动灵活，并保证滑板始终平行于工作台面。不锈钢滑板9将驱动系统与工作系统隔离，4根自润滑导柱外套有皮老虎12，对驱动系统起保护作用，不锈钢滑板以下的4根导柱由皮老虎13(4件)保护，使其免受电解液溅湿。这样，Z向动子5的每步动作均通过磁控块7、带密珠10的导块14传给阴极，从而实现对阴极三维运动的驱动。
加工区电解液的供给和阴极电的引入由集供液和供电为一体的汇流体15完成，汇流体15与导块14的连接和配合如图2所示，供电和供液各在一个平面上，在圆周方向均匀分布。加工对象为微细槽类零件时，阴极头尺寸很小，电解液压力很低，可按图1采用直接通过磁力安装的办法，则阴极头16用电工铁制成，贴着汇流体15，导块14隔着汇流体15通过磁力直接将阴极头16吸紧并带动其运动。
对于加工面积大的对象，如曲面、型腔类零件，阴极须采用螺栓连接，如图2所示。
工件阳极17通过夹具18下面的安装板21接到电源正极，安装板21由螺栓20穿过大理石工作台22的过孔与接线板23连接，屏蔽板19保护螺栓免受电解液腐蚀，，如图1所示。电源负极的引线通过工作箱顶与插进汇流体15上插线槽的3根导线连接。电解液泵的供液由工作箱右上方的进液管通过接在分流盘24上的3个电解液导管引到汇流体15的进液孔，如图3所示。
实施例2如图1所示，总体构成同实施例1，具体的电磁驱动系统是电磁驱动系统定子初级由开有等距齿槽的叠片铁心组成，X轴初级1，Y轴初级2，作为定子均固定在工作箱的顶板机架上，Z轴初级4固定在X-Y次级台板3即动子下面，作为X-Y动子的X-Y次级台板3上开有相互垂直的等距槽沟，形成格子，当X或Y向脉冲信号到来，X-Y台板3在X-Y平面上沿X或Y向移动，相当于X轴初级1或Y轴初级2在次级台板3上爬格子，当次级台板3在X-Y平面上移动时，带动固定在其下面的Z轴初级4一起移动，沿Z轴次级(Z向动子)5的圆柱体母线同时开有水平方向和垂直方向的等距齿槽，等间距地安置有线圈，圆弧型初级6开有垂直方向的齿槽。线圈沿水平面安置；圆弧型初级6采用铜-钢复合材料制成。当Z向脉冲到来时，轴次级5按Z轴初级3接收到的信号，沿Z向上下运动。圆弧型初级6每接到一个信号，就使Z轴次级5旋转一个角度。实现Z向动子在X、Y、Z、C的联动。
实施例3如图1所示，总体构成同实施例2，磁力拖动机构中的磁控块7和导块14均嵌有永磁铁，因同性相斥，导块14的N、S极必然保持与磁控块7反向，当加工对象需要工具阴极在作X、Y、Z向运动的同时作旋转运动，C轴信号驱动Z向动子5旋转，带动磁控块7以及导块14同步旋转，鉴于供液和导电管线的限制，本设计提供的工具阴极的C向旋转角度≤360°。
实施例4本发明对高难度弯孔进行加工的应用实例图4所示是一个加工对象，其加工工艺要求为1.凸轮两工作面以0°为中心线对称分布；2.凸轮曲线方程Y＝6-1.25C。其端面凸轮的方程为一空间曲线。传统的加工通常是采用数控铣、磨削、抛光3道工序进行，生产中磨具时有供不应求的问题。而用本发明的机床加工仅一道工序就可完成，由于是电化学加工，表面质量好。
参见图5，本发明的工作过程是针对加工对象编制程序，在计算机完成零件图形的曲线插补，输出的信号通过细分电路减小步距，达到一定的分辨率和位移精度，经过功率放大，送到驱动源四轴向混合式直线步进电机，电机直接将电信号转变为动子的相应运动。当X向脉冲信号到来，台板3在X-Y平面上沿X方向移动一步，当Y向脉冲信号到来，台板3在X-Y平面上沿Y方向移动一步，当Z向脉冲到来时，Z向动子5沿Z向运动一步，当C向脉冲到来，Z向动子5绕Z轴旋转，从而实现Z向动子5在X、Y、Z、C的联动。与Z向动子5相连的磁控块7通过磁力将上述运动传给贴着滑板的导块15，达到拖动阴极的目的。光栅尺直接检测阴极的实际位置，检测信号与给定值相比较，输入计算机修改输出值，实现闭环控制。本发明可以加工不锈钢、铝等薄壁不导磁零件的内槽或弯孔，同时特别适用于传统机床难以加工的弯孔和型腔内槽距工件某表面距离较小的加工对象。
正是由于本发明的传动机构和控制机构融为一体。加工可以由直线步进电机动子的运动通过磁力传动机构直接拖动工具阴极，对加工零件的可扩展空间大，且可以实现高难度的零件加工。即使在使用时如果出现故障，查找原因也比较容易，可清晰分析出故障所在的位置。
权利要求
1.一种混合式直线步进电化学加工机床，主要包括有驱动系统、传动系统、加工系统、接口电路、计算机控制系统、供电系统和电解液供液系统，供电系统和供液系统通过接插头为加工机床提供电和工作电解液，其特征在于所述的驱动系统为四轴向混合式直线步进电磁驱动系统，是在三轴向混合式直线步进电机Z轴初级的下段再加一级圆弧型初级C构成，圆弧型初级C套在圆柱形动子的柱面外侧，构成四轴向混合式直线步进电机；传动系统不采用齿轮，蜗轮蜗杆、丝杠螺母等传动机构，而是由磁控块(7)、导块(14)、滑板(9)、自润滑导柱(11)组成磁力拖动机构；电磁驱动系统通过磁力拖动机构直接带动加工工具，滑板(9)将电磁驱动系统所在的机箱与加工系统所在的工作箱隔离；箱内的工作台(22)四个角上安装有四根自润滑导柱(11)，形成框架结构；四根自润滑导柱(11)安装有可上下滑动的滑板(9)，磁控块(7)和电磁驱动系统接在一起，导块(14)和加工系统的汇流体(15)接在一起；磁控块(7)底部安装有钢珠(8)，位于滑板(9)之上；导块(14)上部安装有密珠(10)，位于滑板(9)之下，自润滑导柱(11)及上机箱装有皮老虎(12)和(13)。
2.根据权利要求1所述的混合式直线步进电化学加工机床，其特征在于所述的四轴向混合式直线步进电机定子初级由开有等距齿槽的叠片铁心组成，动子和定子的齿距相等，X轴初级(1)，Y轴初级(2)，作为定子均固定在机箱的顶板上，Z轴初级(4)固定在X-Y次级台板(3)即动子下面，作为动子的X-Y次级台板(3)上开有相互垂直的等距槽沟，形成格子，当X或Y向脉冲信号到来，X-Y台板(3)在X-Y平面上沿X向或Y向移动，相当于X轴初级(1)或Y轴初级(2)在次级台板(3)上爬格子，当次级台板(3)在X-Y平面上移动时，带动固定在其下面的Z轴初级(4)一起移动，沿Z轴次级(5)的圆柱体母线同时开有水平方向和垂直方向的等距齿槽，等间距地安置有线圈，圆弧型初级(6)也开有垂直方向的齿槽；当Z向脉冲到来时，Z轴次级(5)按Z轴初级(4)接收的信号沿Z轴上下运动，当圆弧型初级(6)每接到一个信号，就使Z轴次级(5)旋转一个角度。
全文摘要
本发明是一种混合式直线步进微细电化学加工机床。一改传统机床的蜗轮蜗杆、丝杠螺母等机械传动机构，提供一种驱动源采用X－Y－Z－C四轴向混合式直线步进电机；由磁控块7、导块14、滑板9、自润滑导柱11组成磁力拖动机构，滑板9之上是磁力驱动系统，滑板9之下是加工系统。驱动系统直接通过磁力拖动实现阴极的三维运动，仅需要一台四轴向直线步进驱动源，一套磁力拖动机构，即可实现电化学加工的三维运动。传动机构和控制机构融为一体，对加工零件的可扩展空间大。简化了机构。消除对刀具或刀杆产生冲击、扭矩、剪切和振动，使得加工精度相对提高，加工的表面质量好。且可实现对弯孔、曲面、内槽、内槽键等的难度大的加工。
文档编号B23H3/00GK1788902SQ20051002270
公开日2006年6月21日 申请日期2005年12月22日 优先权日2005年12月22日
发明者范植坚, 李新忠, 贾建利, 马保吉, 王天诚, 陈林 申请人:西安工业学院