数控小孔机电极旋转控制装置的制作方法

本申请涉及数控小孔机领域，具体涉及一种数控小孔机电极旋转控制装置和配置这种装置的数控小孔机。

背景技术：

数控电加工小孔机(以下简称小孔机)属于电火花加工机床的一种，是利用连续移动的细长中空铜管作为工具电极(以下简称电极)，通过从铜管孔穿过的介质(工作液)与工件发生放电，对工件进行脉冲火花放电蚀除金属达到穿孔的目的，该设备主要用于加工超硬钢材、硬质合金等可导电性物质的微细孔。电火花蚀除加工又是数控小孔机的核心部分，其主要功能是：1、根据间隙电压来调节电极加工进给速度以控制放电间隙大小；2、旋转给液装置(旋转头、导向器)来实现电极旋转和高压给液。电极数控进给控制技术和电火花间隙电压采集技术，经过多年发展得到了明显地提高，而由旋转装置所引起的各种问题，目前已成为了影响产品质量的主要因素。

小孔机孔定位精度可以做到±1μ，而由旋转加工所引起的精度误差大于± 5μ，且加工孔的形状不规则，所以旋转控制技术的创新已成为数控小孔机亟待解决的关键技术问题。

小孔机旋转头具有电极旋转和高压给液两个功能，在微细孔(0.3～3mm直径)加工中，电极在旋转头的作用下作旋转运动，一方面可使电极端面损耗均匀，不受高压、高速工作液介质的反作用力而偏移；另一方面，高压流动的工作液在小孔壁按螺旋线轨迹流出孔外，像静压轴承那样，使电极管“悬浮”在孔心，不易产生短路，因此，电极旋转稳定性是影响小孔机加工效率和质量的重要因素。

现有旋转机构(如图1)包括步进电机(以下简称电机)、同步带、齿轮、旋转轴、轴承、电极夹头和电极。小孔机电加工属于电极与工件之间的非接触式加工，加工理想状态是电极(30cm细长空心管)沿轴向进给加工时，旋转不能有任何晃动。由于旋转轴受力、电极质量分布不匀和电极刚度有限等因素导致电极旋转时晃动较大，必须使用导向架上的导向器来限制晃动(导向器内孔直径大于电极直径)，因其作用有限经常造成孔径偏大、形状不规则、表面损伤或上下段孔径偏差等严重后果。同时，由于电极晃动过大，使间隙放电失控，甚至造成电极与工件之间短路，严重影响加工质量与效率，目前小孔机旋转给液装置主要有以下不足：

1、由于电极(即电极管)为细长空心、电极质量分布不匀等原因，使电极旋转时产生晃动，而导向器被动限制作用有限晃动依然存在。另外电极与导向器“接触”产生了新的阻矩，让幅度大的晃动转变成幅度小频率快、轨迹杂乱的晃动，直接影响加工孔的形状、尺寸精度和加工效率。

2、由于高压给液部件必须安装在旋转头内正上部，导致无法采用直接电机轴驱动，必须使用同步带传动。同步带压轴力在转轴上的径向载荷较大，转轴刚度(因电极必须从转轴中通过，转轴为非实心)、轴承支撑力以及同步带传动扰动等因素，都会引起电极旋转时受力不匀而出现晃动，直接影响加工孔的形状、尺寸精度和加工效率。

3、由于拖动旋转的力矩作用在电极上部，电极本身又为细长空心，当加工端(电极下部)受到各种微小阻力扰动，其旋转运动轨迹都会发生改变，直接影响加工孔的形状、尺寸精度和加工效率。

4、因加工时电极在工件小孔中，无法安装监测和异常处理机构，而拖动旋转的步进电机以恒转速模式(电磁转矩自适应负载能力)运行，一旦出现电极晃动过大或“异常”接触，不仅会严重影响加工工件的质量，甚至造成整个工件报废。

5、由于电极在加工中的损耗很难预测，导致加工一定深度孔时，无法准确判断通孔是否加工完成，从而造成系统加工效率低、通孔未打穿或严重影响下一孔加工质量等后果，通孔监测一直是困扰小孔机全自动加工的技术难题。

上述问题多年来一直未得到有效地解决。因此，改进现有小孔机旋转加工装置，提高旋转控制及监测技术水平，解决好上述问题对数控小孔机技术进步具有重要的意义。

技术实现要素：

本申请目的是：现有小孔机加工过程中，电极在旋转头作用下而产生旋转，当电极出现晃动时通过导向器来限制晃动幅度。由于制造业对零件精度要求越来越高，这种被动限制方法已无法满足生产需要，旋转控制技术的创新已成为数控小孔机亟待解决的关键技术问题，对此，本申请提出一种具有加工稳定性好、加工状态监测、通孔检测功能的数控小孔机电极旋转控制装置。

本申请的技术方案是：

一种数控小孔机电极旋转控制装置，包括步进电机，所述步进电机通过旋转头驱动电极管，还包括：

带有中心孔的转子，所述转子上制有编码图形；

设于所述中心孔中的柔性的橡胶环，所述电极管插入所述橡胶环中；

与所述转子相配合的定子；

与所述定子相对固定、且与所述编码图形相配合以用于检测所述转子转速的线阵扫描摄像机；以及

为所述定子供电进而带动所述转子旋转、且与所述步进电机的电机驱动器以及所述线阵扫描摄像机均相连的驱动电路。

本申请这种数控小孔机电极旋转控制装置在上述技术方案的基础上，还包括以下优选方案：

所述橡胶环的内径大于所述电极管的外径。

所述橡胶环的内径比所述电极管的外径大10μm。

当然，所述橡胶环与所述电极管也可以直接接触配合。

所述橡胶环的内孔孔壁上形成有若干凸起。

所述转子为圆盘形结构；

所述定子包括：

径向对称布置于所述转子上方两相对侧的第一上铁芯线圈和第二上铁芯线圈，

径向对称布置于所述转子下方两相对侧的第一下铁芯线圈和第二下铁芯线圈，以及

布置在所述转子侧部的永久磁铁；

所述第一上铁芯线圈布置在所述第一下铁芯线圈的正上方，所述第二上铁芯线圈布置在所述第二下铁芯线圈的正上方。

所述定子还包括布置在所述转子侧部的永久磁铁。

所述橡胶环的内孔孔壁上形成有若干凸起。

所述编码图形包括沿圆周方向均匀分布且图案各不相同的的八个图形区。

所述步进电机的电机驱动器、所述驱动电路和所述线阵扫描摄像机均与数控小孔机的数控系统电路连接。

一种数控小孔机，包括上述结构的数控小孔机电极旋转控制装置。

本申请的优点是：

1、本装置依据小孔机旋转加工特点，针对细长空心电极设计了上、下两个旋转驱动支撑结构，通过高精度速度测量和控制系统调节，让“下端”旋转电极转速始终伺服跟踪“上端”旋转电极转速，从而巧妙利用旋转控制装置来补偿负载扰动，使电极旋转平稳性大幅提高，不仅确保加工孔的形状、尺寸精度，还有助于间隙放电控制和减少短路无效加工时间。利用上下两个旋转驱动来解除功能耦合，功率驱动部分由旋转头实现；导向和克服微小扰动由旋转导向控制装置完成，二者之间协同旋转巧妙地解决了电极加工稳定性问题。

2、此外旋转控制装置还具有加工“异常”情况检测功能。利用本专利能够提高数控小孔机加工质量和效率，具有一定的实用价值和经济效益。

3、该装置还能够识别出“准”通孔出现的时刻，解决了全自动小孔机通孔检测的难题，提高了系统加工效率，避免了通孔未打穿或影响孔加工质量等后果。

4、橡胶环的内径略大于电极管的外径，在一般情况下，电极管与橡胶环处于即将接触的非接触状态，橡胶环随转子同步转动，而且橡胶环的转速与电极管的转速始终保持一致。若电极管正常的小晃动，则电极管会与橡胶环轻微接触，借助橡胶环的缓冲变形吸收电极管晃动的能量，因橡胶环与电极管的转速始终保持一致，即便电极管触碰到橡胶环，也不会在电极管和橡胶环之间存在相对的周向位移，电极管并不会受到周向扭转力，在转子和橡胶环旋转导向作用下使电极管恢复正常旋转运动。

附图说明

下面结合附图及实施例对本申请作进一步描述：

图1为本申请实施例中数控小孔机的整体原理图；

图2为本申请实施例中数控小孔机电极旋转控制装置的结构示意图；

图3为本申请实施例中转子上编码图形的结构示意图；

图4为本申请实施例中数控小孔机电极旋转控制装置安装支架后的结构示意图；

其中：1-转子，2-橡胶环，3-电极管，4-定子，401-第一上铁芯线圈， 402-第二上铁芯线圈，403-第一下铁芯线圈，404-第二下铁芯线圈，405-永久磁铁，5-编码图形，501-数字图形，502-模拟图像，6-线阵扫描摄像机，7-高压给液接头，8-高压给液器，9-同步带和齿轮，10-电极管，11-旋转控制装置，12- 导向支架，13-步进电机，14-步进电机控制器，15-数控系统，16-励磁调整信号功率放大电路，17-图像及转速信号处理电路，18-旋转轴和轴承，19-辅助给液电磁阀，20-减压阀，21-过滤器，22-压力表，23-工作液箱，24-回水管。

具体实施方式

图1示出了本申请这种数控小孔机的一个具体实施例，与传统数控小孔机相同的是，其也包括：电极管3、步进电机、数控系统、高压给液器等等部件。其中步进电机通过旋转头(或称电极夹头)与电极管3相连以带动电极管3转动。电极管3竖直布置，旋转头位于电极管3的上端，步进电机借助同步带和同步轮驱动旋转头。

本实施例的关键改进在于还配置有数控小孔机电极旋转控制装置，参照图2 所示，该装置包括转子1、定子、橡胶环2和线阵扫描摄像机6。其中：转子1 带有一通孔结构的中心孔，柔软的橡胶环2固定嵌设在该中心孔中，电极管3 插入橡胶环2，转子1上制有特殊的编码图形5(用以标记转子的转动角度)。定子与转子1相配合，向定子的线圈中通电而能够使得转子转动。线阵扫描摄像机6与定子相对固定，其用于扫描转子1上的编码图形5，进而检测转子1的转速。驱动电路为定子供电进而带动转子1旋转，并且驱动电路与步进电机的电机驱动器电路连接。线阵扫描摄像机6与驱动电路相连，以将其检测到的转子转速反馈给驱动电路。

上述步进电机的电机驱动器、驱动电路、线阵扫描摄像机6均与该数控小孔机自身的数控系统电路连接，由数控系统统一控制三者运行状态。可见：本实施例借助数控小孔机自身的数控系统实现步进电机、驱动电路、线阵扫描摄像机6三者间的电路连接。

本实施例中，上述转子1为圆盘形结构，其水平布置在电极管3的下端，而且最好尽可能的靠近被加工工件。

上述定子包括：径向对称布置于转子1上方两相对侧的第一上铁芯线圈401 和第二上铁芯线圈402，径向对称布置于转子1下方两相对侧的第一下铁芯线圈 403和第二下铁芯线圈404，布置在转子1侧部的永久磁铁405。前述第一上铁芯线圈401布置在第一下铁芯线圈403的正上方，而第二上铁芯线圈402布置在第二下铁芯线圈404的正上方。

本实施例中，上述橡胶环2的内径最好略大于电极管3的外径，一般来说，橡胶环的内径比电极管的外径大10μm最为合适，前述的内径和外径均指直径。这样，在一般情况下，电极管3与橡胶环2处于即将接触的非接触状态(似接触而又非接触的状态)，橡胶环2随转子同步转动，而且橡胶环2的转速与电极管3的转速始终保持一致。若电极管3正常的小晃动，则电极管3会与橡胶环2轻微接触，借助橡胶环的缓冲变形吸收电极管3晃动的能量，因橡胶环与电极管的转速始终保持一致，即便电极管触碰到橡胶环，也不会在电极管和橡胶环之间存在相对的周向位移，电极管并不会受到周向扭转力，在转子旋转导向作用下使电极管3恢复正常旋转运动。

之所以将橡胶环2的内径设置成略大于电极管3的外径，是为了防止橡胶环2和电极管3过紧接触而存在较大的静摩擦力，这样不利用电极管2轴向向下的进给，容易出现电极管进给卡涩的现象；同时也会导致一旦橡胶环2和电极管3的转速稍有偏差，电极管下端便受到一定的周向扭转力。

当然，我们也可以将橡胶环内径与电极管外径设置成等值，而使得橡胶环与电极管直接轻微接触。

上述橡胶环2的内孔孔壁上形成有众多微小的凸起，当电极管轻微晃动时这些电极管3的外壁面会触碰前述凸起。前述凸起可以是波纹状结构，也可以是阵列式点状凸起结构。这些凸起一方面是为了增加缓冲吸收，另一方面旋转导向所需力矩很小，无须较大的摩擦拖动转矩。电极管3在旋转头的作用下作旋转运动，本装置的转子与旋转头同步旋转，正常情况下转子与电极管之间无相互作用力。绝大多数晃动为非“异常”的小晃动，通过橡胶环缓冲吸收了晃动的能量，同时在转子旋转导向作用下恢复正常旋转运动；一旦出现对因电极管晃动过大造成与工件接触刮擦等“异常”时，阻力转矩会显著变大，转速迅速变小，与驱动电路相连的线阵扫描摄像机检测到该转速的变化，驱动电路立即实施停止加工并提示报警。

该装置的转子使用铝合金材料制造，重量很轻且为了避开中心电极管，将动力转矩由转子外围环形部分引入。具体方法如下：由数控系统中电路产生一稳定的正弦交变信号，该信号一路经功率放大后输出至励磁线圈，交变功率信号在铁芯中产生交变磁通及在转子上产生涡流；另一路信号经程控放大调整、功率放大后输出至调整线圈，也在铁芯中产生交变磁通及在转子上产生涡流。励磁线圈和调整线圈分别产生的交变磁通及涡流在转子上相互作用，形成电磁转动力矩来推动转子转动。由永久磁铁产生的磁通被转动着的转子切割时，与在转子中所产生的感应电流相互作用形成制动力矩，使转子转速保持与电信号功率成正比关系。通过D/A输出改变线圈电流来调整转速大小，电流越大转速越高。采用对称铁心线圈组是为了确保转轴径向载荷平衡，同时对称两组铁心线圈也提高了输出功率。

由于小孔加工的特殊性，只能通过转子转速来监测加工状态，因此本装置利用线阵扫描摄像机识别编码图形5，实现非接触、高精度角位移测量。具体方法如下：参照图3所示，转子1外围环形带上有两种激光直写光刻图形，一种为线状数字图形501，代表当前测量所在分区，本设计将转子分为8个分区(圆心角45度扇形为一个分区)，为了让线阵传感器识别出当前测量分区，采用三条不同半径的环线进行编码，可组合出8种编码图形，其中外环线代表最高位、中环线代表次高位、内环线代表最低位，如：全无图案代表0区、三条线全有代表7区，依次类推；另一种为径角对应模拟图形502(设图形径向最长为L)，在每一分区中(为绘图方便，在图3中仅在其中一个分区中画出了模拟图形)，使用模拟图形方法建立角度与弧形径向长度对应映射关系，即每隔0.45度其径向长度增加L/100个长度单位，当角度增长到45度，其径向长度图形增长到L。当线阵扫描摄像机6(CCD)采集一径向线阵图像信息时，内侧三个环线点决定当前测量区域，而外侧模拟图形的径向长度对应区内的角度值，通过测量区域和区内的角度值便可精确得到绝对角度信息，而单位时间内角度变化可计算出角速度或转速。正常加工时电极管上的阻力转矩变化相对较小，一旦电极管“异常”接触工件后，阻力转矩会显著变大，转速迅速减小，所以只要快速捕获到这一信息，就能及时有效地采取相应控制策略。

可见，编码图形5包括沿圆周方向均匀分布而且图案各不相同的的八个图形区，每个图形区都由上述线状数字图形和模拟图形组成。

旋转头以恒转速模式拖动电极旋转，由于各种原因电极在旋转中出现晃动，为了使电极整体保持同步旋转状态，需要对细长电极采取上下两点驱动方式，即在导向架上在安装一个旋转控制装置。通常因各种原因(如电极质量不匀等) 所引起的晃动能量都较小，可以通过旋转控制装置的主动补偿来保证同步旋转状态(下转子辅助电极转速始终伺服跟踪上旋转头拖动电极管转速)，方法如下：本装置采用两相步进电机，其转速可以通过脉冲频率来控制，转速计算公式(1)如下：

其中：x：驱动器细分倍数；θ:固有步进角。

根据加工转速V，将对应固定频率f脉冲输入给步进电机驱动器，驱动器和步进电机拖动电极管恒转速V旋转；同时，电极管下部在旋转控制装置辅助伺服跟踪转速V，使其旋转姿态保持与上部一致，以消除上下之间的应力。这样在细长空心电极上下分别有两个旋转驱动支撑点，确保电极旋转的直线性以及补偿了各种负载扰动，保证电极旋转稳定性。

电极管的加工转速不高(20～120转/分)，加工时旋转头工作在恒转速模式，但为了保证启动或换挡时旋转控制装置的协同跟踪稳定性，步进电机必须按照设定的升、减速曲线调速。

加工端引起的扰动主要有以下几种：未加工时由于两点驱动支撑，电极空载晃动几乎没有，当电极在下降接触电极瞬间，接触力和放电力作用导致转速异常，由旋转控制装置检测并迅速回退电极，避免工件孔的损坏。之后再以低速下降开始正常加工；正常加工时随着加工深度的增加，工作液对电极管壁的压力也逐渐增加，这时数控系统根据转速地变化，不断地调整线圈电流以保持转子的恒转速V；正常加工时放电力及工作液的反作用力形成的扰动，也会因旋转控制装置的作用而抵消；当电极管头破裂或其它原因使旋转电极与工件“异常”接触，均会导致阻力转矩显著变大，转速迅速变小，此时数控系统会立即关闭旋转和高频电源、迅速回退电极，避免造成工件报废的严重后果。

在小孔机深孔加工时，通常用补偿方法来设定加工深度，但因电极管损耗受加工材料等因素影响而无法精确计算，实际加工中经常出现通孔未打穿(盲孔)，而为了避免这种现象出现，操作者必须加大深度补偿，这又致使多数孔打穿后，数控系统坐标并未达到设定深度，造成继续“空打”一段深度的情况。因数控小孔机主要用于批量孔加工，这种情况严重影响加工效率。本装置用于通孔检测方法如下：在未进行加工时，旋转控制装置线圈电流(也即定子线圈的电流)为I，随着孔深的增加线圈(定子线圈)电流会逐渐变大，当加工孔部分导通而形成“准”通孔时，液体(即工作液)全部从孔底部流出，此时会出现突然阻力转矩变小转速变大，且调整稳定后的线圈电流与未进行加工时I的值相当，可以判定“准”通孔已形成，数控系统及时发出开启辅助给液电磁阀命令，由外给液管为加工孔补给工作液，保证了“准”通孔加工至通孔阶段的加工质量。

当然，上述实施例只为说明本申请的技术构思及特点，其目的在于让人们能够了解本申请的内容并据以实施，并不能以此限制本申请的保护范围。凡根据本申请主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本申请的保护范围之内。