工控商務(wù)網(wǎng)：直線(xiàn)伺服電機(jī)與電火花加工技術(shù)

1、工控商務(wù)網(wǎng)：直線(xiàn)伺服電機(jī)與電火花加工技術(shù)文章來(lái)自：工控網(wǎng)p 亠.1冃u s電火花加工技術(shù)經(jīng)歷了半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展歷程，以其獨(dú)到的成形性能和以柔克剛的“切 削”性能而成為模具加工領(lǐng)域的重要加工手段。但也經(jīng)歷了一波三折的坎坷歷程，一次又一 次受到了來(lái)口其他加工手段的沖擊，并口一次又一次地捉高和完善，顯示出其強(qiáng)大的牛命力。時(shí)值世紀(jì)之交，電火花加工技術(shù)再一次受到來(lái)自以數(shù)控加工中心為代表的切削技術(shù)的空 前猛烈的沖擊。數(shù)控加工中心技術(shù)在主軸旋轉(zhuǎn)高速化、刀具材料新型化及機(jī)床主體剛度的提 高、數(shù)控軌跡功能的發(fā)展等方面均冇進(jìn)步。這一系列技術(shù)進(jìn)步，使電火花加工技術(shù)又面臨著 新的挑戰(zhàn)。以此為契機(jī)，日本沙迪克公司率先開(kāi)發(fā)

2、了直線(xiàn)伺服電機(jī)的電火花成形機(jī)。這種機(jī)床在傳 統(tǒng)成熟的電火花加工技術(shù)基礎(chǔ)上，乂融入了直線(xiàn)伺服系統(tǒng)先進(jìn)的最新技術(shù)，使電火花成形加 工的性能有了較大的提高。在模具成形這一特定的加工技術(shù)中，抑制成形加丄實(shí)用加工速度的最主要原因是復(fù)雜形 狀所造成的加工狀態(tài)惡化。以高運(yùn)動(dòng)速度著稱(chēng)的直線(xiàn)伺服系統(tǒng)用于電火花成形加工的高速跳 躍功能，派生了免沖液加工工藝，提高了電火花成形加工的實(shí)用加工速度，縮短了電火花成 形加工的實(shí)用加工時(shí)間。2宜線(xiàn)伺服系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)采用直線(xiàn)伺服系統(tǒng)后，省去了絲杠傳動(dòng)環(huán)節(jié)，奠定了軸高速運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)。加z控制系統(tǒng) 采用了高速的32位計(jì)算機(jī)，使得軸的運(yùn)動(dòng)速度大幅度提高。沙辿克公司的aq系列直線(xiàn)伺服

3、的電火花成形機(jī)和ln系列的數(shù)控電源，可在0. 0001mm的控制當(dāng)量的條件下使軸的運(yùn)動(dòng)速度 達(dá)到36m/min,這樣的技術(shù)指標(biāo)使得新一代的電火花成形機(jī)兼具了高速度和精加工的綜合條 件。（1）全新的加工工藝，突破傳統(tǒng)的工藝指標(biāo)軸的高速運(yùn)動(dòng)給傳統(tǒng)的電火花成形工藝帶來(lái)了 大的變革,這種變革不僅僅限于因高速 運(yùn)動(dòng)而縮短了裝夾、校正、精密定位所需的時(shí)間，更重要的是實(shí)現(xiàn)了加工中的高速跳躍（抬 刀）。跳躍（抬刀）是電火花成形加工必不可少的措施，在形狀復(fù)雜或深窄型腔加工屮，不 釆取跳躍（抬刀）和沖液等措施幾乎是不能加工的。但是跳躍（抬刀）時(shí)無(wú)放電現(xiàn)象，是電 火花加工中的“怠工”現(xiàn)象，影響了加工時(shí)間的利用率?？?/p>

4、速跳躍（抬刀）使“怠工”現(xiàn)象 時(shí)間縮短，從而提高了時(shí)間的利川率和加工速度。同時(shí)，高速跳躍（抬刀）也為增加跳躍（抬 刀）幅度創(chuàng)造了條件，使得加工時(shí)放電間隙的流體作用力得到了充分的改善，完全免除了粗 加工時(shí)的沖液處理，并且使加工時(shí)問(wèn)縮短到原來(lái)的1/2。圖1是一個(gè)用快速跳躍免沖液處理 的深窄型腔加工實(shí)例（加工后縱向剖開(kāi)），電極的斷面尺寸為1 mmx38mm,電極錐度1。,型 腔深度70mm,電極材料為石墨，兩個(gè)電極?？偧庸r(shí)間5h,其中粗加工時(shí)間160min,加工后工件表面粗糙度ra為2 u m。圖一直線(xiàn)伺服系統(tǒng)的優(yōu)越性不僅在深窄型腔的加工工藝指標(biāo)上取得了突破性的進(jìn)展，而且功 能領(lǐng)域也空前拓寬。圖2

5、是一個(gè)y型（三葉型）電極加丄深窄型腔的典型加丄實(shí)例。y型（三 葉型）電極的厚度僅0. 25nim,在人們的傳統(tǒng)觀念中，如此形狀的加工具有相當(dāng)?shù)碾y度。深 度超過(guò)10mm被視為禁區(qū)，此加工實(shí)例的加工深度為40mm,它表明直線(xiàn)伺服系統(tǒng)的實(shí)用化， 使我們輕而易舉地進(jìn)入了傳統(tǒng)禁區(qū)。圖二（2）穩(wěn)定精加工的保證，高響應(yīng)速度、高穩(wěn)定加工的伺服系統(tǒng)百流伺服系統(tǒng)的電火花成形機(jī)中，冑線(xiàn)電機(jī)與滑板形成了一體化結(jié)構(gòu)。因此 滑板的移 位是直線(xiàn)電機(jī)的直接移位，兩者之間無(wú)任何傳遞環(huán)節(jié)。這樣，在伺服運(yùn)動(dòng)中去除了中間環(huán)節(jié) 的損失與響應(yīng)滯后。圖3是直線(xiàn)伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軸的指令位置與實(shí)際位置的對(duì)比關(guān)系，從中可 看出，在電火花加工這種特殊

6、的可逆伺服運(yùn)動(dòng)中，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間僅在毫秒數(shù)量級(jí)。因此，直 線(xiàn)電機(jī)的高速響應(yīng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)交直流伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠的系統(tǒng)相比，提高了一個(gè) 數(shù)量級(jí)。-3700-3500-3800|-3900 %4丿嚴(yán)&-4000 -4100-4200-3600-3700-3800-3900-4000圖三眾所周知，在電火花加工的精加工過(guò)程中，電極與工件不接觸，它們z間的有效放電間 隙僅十幾微米，傳統(tǒng)的伺服電機(jī)和滾珠絲杠系統(tǒng)在指令脈沖和實(shí)際位置間存在著數(shù)十至上17 毫秒的滯厲，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、平滑的伺服并保持較高的精加工放電效率是十分困難的。直線(xiàn)伺服 系統(tǒng)的優(yōu)越性在電火花小間隙精加工過(guò)程屮得到了充分的體現(xiàn)。僅數(shù)毫

7、秒的高速響應(yīng)和人于 lg的加速性能，確保了可實(shí)現(xiàn)電火花放電微觀過(guò)程小問(wèn)隙的持續(xù)性，使精加工脈沖利用率 人幅度提高，跡而使精加工的加工速度在直線(xiàn)伺服系統(tǒng)的平滑伺服運(yùn)動(dòng)中得到了提高。（3）實(shí)現(xiàn)粘密控制及長(zhǎng)期糟度保持性的綜合措施直線(xiàn)伺服系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式?jīng)Q定了其伺服單元必須采用直線(xiàn)位置反饋元件作為位置檢測(cè) 環(huán)節(jié)，這是唯一的方式。因此，直線(xiàn)伺服系統(tǒng)的控制和驅(qū)動(dòng)只可能是一個(gè)全閉環(huán)的系統(tǒng)，直 接檢測(cè)滑板的直線(xiàn)移位，其中沒(méi)有絲杠的螺距課差，沒(méi)有絲杠和聯(lián)軸節(jié)的反向間隙課差，也 避免了傳動(dòng)鏈零件的磨損等干擾因素。直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向也采用了與直線(xiàn)電機(jī)鬲響應(yīng)速度相適 應(yīng)的滾動(dòng)導(dǎo)軌，這些措施的綜介使用，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的精密控制和

8、t期的精度保持性。（4）慢速微進(jìn)給的平滑驅(qū)動(dòng)電火花成形加工的特點(diǎn)是加工的平均伺服速度緩慢。粗加工時(shí)每小時(shí)進(jìn)給距離只有兒毫 米，精加工時(shí)每小時(shí)進(jìn)給距離僅零點(diǎn)兒毫米甚至更慢。這就要求電火花加工伺服具有優(yōu)良的 動(dòng)態(tài)特性，以適應(yīng)頻繁的制動(dòng)、反向和保持工具與工件的微小間隙。進(jìn)而要求系統(tǒng)具有平滑 的驅(qū)動(dòng)特性，口必須解決通常ac電機(jī)的齒槽效應(yīng)所造成的影響。為此，沙辿克公司的直線(xiàn) 伺服系統(tǒng)的控制當(dāng)量和驅(qū)動(dòng)當(dāng)量為0. lum,同時(shí)在制作直線(xiàn)電機(jī)時(shí)采用了高密稀土類(lèi)永久 磁鐵作為磁場(chǎng)材料。在磁體的分布排列上，采取了錯(cuò)落分布的排列方法（如圖4所示），加 z采用與電機(jī)性能相匹配的、可對(duì)各相電流進(jìn)行細(xì)微控制的變頻交流驅(qū)動(dòng)

9、系統(tǒng)，這一系列方 法確保獲得最合理的磁場(chǎng)相位關(guān)系和合理的電流相位關(guān)系，從而最大限度地平衡了直線(xiàn)電機(jī) 各相電樞繞組之間的推力，克服了動(dòng)態(tài)負(fù)載和人范圍速率變化的難題，使齒槽效應(yīng)的不良影 響降到了最低，使伺服運(yùn)動(dòng)達(dá)到平穩(wěn)。圖四3、與直線(xiàn)伺服系統(tǒng)配套的相關(guān)技術(shù)直線(xiàn)伺服系統(tǒng)電火尼成形機(jī)的問(wèn)世及其所顯示出的冃大功能潛力，無(wú)疑對(duì)成千上萬(wàn)的用 戶(hù)形成了強(qiáng)大的吸引力，并必然刺激各制造商爭(zhēng)相開(kāi)發(fā)和更新產(chǎn)品以爭(zhēng)奪市場(chǎng)。但是，直線(xiàn)伺服系統(tǒng)機(jī)床的商品化過(guò)程除必須解決本文詢(xún)述的有關(guān)技術(shù)難點(diǎn)外，還必須 解決一系列與直線(xiàn)伺服系統(tǒng)配套的相關(guān)技術(shù)。（1）垂直滑板（z軸）的重力平衡和鎖軸因直線(xiàn)伺服系統(tǒng)的高速運(yùn)動(dòng)特性和高加速特性，決

10、定了該系統(tǒng)不能以重錘的方式作為重 力平衡裝置。其原因在于當(dāng)滑板（z軸）的運(yùn)動(dòng)加速度大于lg的時(shí)候，垂錘的自由下落不 可能跟蹤滑板的上升運(yùn)動(dòng)，即失去了平衡作用。因此，沙辿克公司的z軸平衡裝置采用了氣 缸式的機(jī)構(gòu)（如圖5）,依靠氣缸中的氣壓實(shí)現(xiàn)重力平衡。這一裝置有如下優(yōu)點(diǎn)：機(jī)床處 于工作狀態(tài)時(shí)，因氣壓的平衡裝置對(duì)滑板重力的支承作川，電機(jī)工作在微功耗狀態(tài)，只有在 快速跳躍時(shí)，電機(jī)才進(jìn)入到大功率的運(yùn)行狀態(tài)；氣壓平衡使垂直軸的鎖軸功能可靠化。驅(qū) 動(dòng)器失電后，垂直滑板重力瞬時(shí)處于自由下落狀態(tài)，傳統(tǒng)的電磁鎖軸此時(shí)因動(dòng)作滯后而極易 導(dǎo)致滑板的誤移動(dòng)，對(duì)保持位置和加工精度的影響始終是十分困擾人的，氣壓平衡裝置和

11、氣 壓夾緊將使鎖定可靠。圖五（2）主軸自重及其承重直線(xiàn)伺服系統(tǒng)的高速運(yùn)動(dòng)特性和高加速特性,使主軸口重利懸掛在主軸頭上的工具電極 在加速瞬間發(fā)生“超重”或“失重”現(xiàn)象。如在加工時(shí)的某瞬時(shí)，主軸以a的加速度作快速 跳躍運(yùn)動(dòng)，則此時(shí)質(zhì)量為m的工具電極的瞬時(shí)重力w=m （g+a）o重力的變化必然給系統(tǒng)的驅(qū) 動(dòng)造成巨大壓力。因此，在確保主軸頭剛度的同時(shí)，兼顧減輕主軸的自重則顯得至關(guān)重要。 具冇重量輕、熱變形小的人工合成陶瓷材料是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的優(yōu)選材料。但值得注意的是, 產(chǎn)品的實(shí)用化過(guò)程表明，與直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相配套的直線(xiàn)導(dǎo)軌的高速響應(yīng)性及嚴(yán)格対稱(chēng)分布的 磁場(chǎng)力,對(duì)平滑的驅(qū)動(dòng)和防止滑板受力位移更為重要。因此，

12、位于主軸兩側(cè)的一對(duì)氏線(xiàn)電機(jī) 和一對(duì)直線(xiàn)導(dǎo)軌的位置設(shè)計(jì)和安置調(diào)試工藝必須正確，以達(dá)到力的抵消，有利于獲得直線(xiàn)度 高、平滑性好的驅(qū)動(dòng)。重力的變化對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出力和主軸承重的夾緊力捉出了更高的要求。沙迪克公司制 造的百線(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)輸出力可達(dá)3000n,冑線(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理與傳統(tǒng)的ac電機(jī)相同，對(duì)迅速 完成與cnc軟件匹配的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。與直線(xiàn)電機(jī)伺服系統(tǒng)相配套的夾具在與傳統(tǒng)系統(tǒng)的承重相 同的情況下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更堅(jiān)固、夾緊力及安全余量更人，可全而適應(yīng)從最小兒微米的細(xì)絲電 極、窄筋電極至最重50kg大型電極的平滑穩(wěn)定的伺服加工。（3）固定工作臺(tái)和xy軸的滑板滑枕結(jié)構(gòu)電火花成形機(jī)的xy十字滑板結(jié)構(gòu)已經(jīng)歷了數(shù)|年的

13、實(shí)用歷程，其運(yùn)動(dòng)的機(jī)械剛性、控 制的方便性已為人們所公認(rèn)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝亦業(yè)已成熟。但是，因工件的成形加工是浸泡在工作液里進(jìn)行的，直線(xiàn)伺服系統(tǒng)機(jī)床的髙速運(yùn)動(dòng)特性 和高加速特性有可能導(dǎo)致工作液的溢出和飛濺，所以不允許機(jī)床的工作臺(tái)移動(dòng)，這就是固定 工作臺(tái)的原因所在。電火花成形加工的加工伺服是方向可逆的。這與切削伺服的固定方向完全不同。因此沙 迪克公司的直線(xiàn)伺服機(jī)床的xy軸的滑板滑枕結(jié)構(gòu)與數(shù)控銃或加工中心等切削機(jī)床人相徑 庭，甚至與某些已商品化的電加工機(jī)床的滑板滑枕結(jié)構(gòu)也截然不同。如果將主軸頭與滑板滑 枕看作一個(gè)剛性整體，它必須具冇長(zhǎng)寬尺寸大于高度尺寸的合適比例。主軸頭座與滑板滑枕 間固定面不僅耍有足夠的面積，還耍有足夠的高度。這樣才能避免伺服加工時(shí)因機(jī)械變形而 產(chǎn)生的響應(yīng)滯后（見(jiàn)圖6）。圖六滑板和滑枕的雙導(dǎo)軌間應(yīng)有盡可能大的跨度，以得到足夠的支承距離。沙