微细电火花加工技术已经成为现代产品零部件精微加工的重要加工方法。但由于放电间隙小,伺服调节困难,传统滚珠丝杠伺服驱动主轴响应频率低,无法快速有效地调节放电间隙,有效放电率低,直接影响微细电火花加工的加工质量和加工效率,因此,提高伺服驱动主轴响应频率以改善极间放电状态已成为微细电火花加工领域研究的重点和难点。磁悬浮主轴传动链短、主轴负载惯性小、响应频率高,可以快速调节放电间隙,是一种可实现径向和轴向伺服的极具发展潜力的高效微细电火花加工主轴驱动方式。微细电火花加工的微小间隙对磁悬浮主轴进给方式提出了更高的要求,需要进一步探索和研究。本文通过分析微细电火花加工技术、微细电火花加工主轴伺服驱动技术和磁悬浮主轴技术的研究现状,从微细电火花加工小型化磁悬浮主轴结构优化、主轴控制技术、微细电火花加工控制系统、主轴进给方式以及微细电火花加工实验开展研究,解决磁悬浮主轴微细电火花加工技术的关键问题。针对微细电火花加工磁悬浮主轴装置体积和质量大,不利于保持宏微复合微细电火花加工宏动机构的伺服响应特性的问题,本文进行了微细电火花加工磁悬浮主轴结构设计,对磁悬浮主轴的径向磁轴承定子和转子磁场、轴向磁轴承磁场以及磁耦合传动机构磁场进行了仿真。仿真结果表明,对径向磁轴承通以单向线圈励磁电流时,转子在正交方向上的运动对励磁方向上的力影响很小,轴向的力可以忽略;轴向磁轴承轴向作用力大小与转子在径向位置无关,径向作用力可以忽略;磁耦合传动机构内外转子传递扭矩受轴向相对位置影响较小,轴向受力受轴向相对位置影响较大,受周向转角差影响较小,径向受力较小。同时进行了磁悬浮主轴的温度场和弹性模态仿真。提出了以磁悬浮主轴转子质量、整体质量、支撑刚度和转子一阶弹性振动模态为设计目标的微细电火花加工小型化磁悬浮主轴装置灰关联多目标优化方法,研制了面向微细电火花加工的小型化磁悬浮主轴,主轴转子质量为0.68kg,装置整体质量为3.15kg,体积为70mm×70mm×220mm。从动力学角度分析了单自由度径向磁轴承转子差动驱动模式,建立了微细电火花加工小型化磁悬浮主轴的转子动力学模型。设计了不完全微分超前校正PID控制器,采用不完全微分超前校正PID控制对微细电火花加工小型化磁悬浮主轴进行控制。针对转子一阶弹性模态引起的自激振荡,在控制系统里设计了陷波器,实现了磁悬浮主轴的稳定悬浮,在传感器分辨率为0.3μm的情况下,X轴、Y轴和Z轴的悬浮精度为±1μm,径向响应频率为200Hz,轴向响应频率为180Hz。针对微细电火花铣削加工进行了转子径向平动位移控制研究,分析了转子平衡时偏置电流和控制电流及转子位移的关系,研究了小型化磁悬浮主轴径向磁轴承线圈控制电流和转子位移的关系,在此基础上提出了基于小型化磁悬浮主轴线圈电流和转子位移关系的变偏置电流PID控制,取得了较好的径向平动定位效果。与主轴机械结构联机后,采用间接测量法验证了径向磁轴承气隙磁场,并通过对径向磁轴承径向力、轴向磁轴承轴向力、磁耦合传动机构的磁场力和磁悬浮主轴工作温度的研究验证了控制效果和仿真结果。分析了小型化磁悬浮主轴微细电火花加工控制系统总体结构,研制了小型化磁悬浮主轴微细电火花加工控制系统,包括工控机数控系统界面,主控模块,辅助控制模块,功率放大模块和微细电火花加工放电状态检测系统。根据微细电火花加工间隙频繁地处于空载和短路状态以及磁悬浮主轴的快速响应特性,提出了微小孔电火花加工和微细电火花铣削加工磁悬浮主轴轴向振动式伺服进给方式,使电极多次穿越有效放电间隙,提高了正常火花放电的概率。进行了高温合金Inconel 718、超高温陶瓷材料Zr B2-Si C的小型化磁悬浮主轴振动式伺服进给小孔、微孔电火花加工实验研究。实验结果表明,高温合金Inconel 718小型化磁悬浮主轴轴向振动式伺服进给小孔电火花加工速度提高了50%-175%,电极相对损耗降低了69%-84%,加工的小孔锥度角减小了35%-50%;Zr B2-Si C小型化磁悬浮主轴轴向振动式伺服进给小孔电火花加工速度提高了48%-337%,电极相对损耗降低了81%-98%,加工的小孔锥度角减小了62%-73%。进行了小型化磁悬浮主轴微细电火花铣削加工实验研究,研究了加工极性、主轴轴向振动和电参数对小型化磁悬浮主轴轴向振动式伺服进给微细电火花铣削加工过程的影响,验证了小型化磁悬浮主轴轴向振动式伺服进给微细电火花铣削加工的有效性。