摘要：闡述了直線電機(jī)拖動(dòng)的電火花成形機(jī)的產(chǎn)生背景，分析了直線電機(jī)伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)，并討論了與之相關(guān)的技術(shù)問題。
關(guān)鍵詞：直線電機(jī)；伺服系統(tǒng)；電火花加工
1前言
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自其他加工手段的沖擊，并且一次又一次地提高和完善，顯示出其強(qiáng)大的生命力。
時(shí)值世紀(jì)之交，電火花加工技術(shù)再一次受到來自以數(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)展等方面均有進(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發(fā)了直線
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，又融入了直線伺服系統(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，抑制成形加工實(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)速度著稱的直線伺服系統(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直線伺服系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)
采用直線伺服系統(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)。加之控制系統(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。沙迪克公司的AQ系列直線伺服的電火花成形機(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了巨大的變革，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)雜或深窄型腔加工中，不采取跳躍(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。快速跳躍(抬刀)使“怠工”現(xiàn)象時(shí)間縮短，從而提高了時(shí)間的利用率和加工速度。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)間縮短到原來的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)，電極的斷面尺寸為1mm×38mm，電極錐度1°，型腔深度70mm，電極材料為石墨，兩個(gè)電極。總加工時(shí)間5h，其中粗加工時(shí)間160min，加工后工件表面粗糙度Ra為2μm。
圖1
直線伺服系統(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是一個(gè)Y型(三葉型)電極加工深窄型腔的典型加工實(shí)例。Y型(三葉型)電極的厚度僅0.25mm，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2
(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)
直流伺服系統(tǒng)的電火花成形機(jī)中，
直線電機(jī)與滑板形成了一體化結(jié)構(gòu)。因此，滑板的移位是直線電機(jī)的直接移位，兩者之間無任何傳遞環(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是直線伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軸的指令位置與實(shí)際位置的對比關(guān)系，從中可看出，在電火花加工這種特殊的可逆伺服運(yùn)動(dòng)中，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間僅在毫秒數(shù)量級。因此，直線電機(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。
圖3
眾所周知，在電火花加工的精加工過程中，電極與工件不接觸，它們之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)十至上百毫秒的滯后，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。直線伺服系統(tǒng)的優(yōu)越性在電火花小間隙精加工過程中得到了充分的體現(xiàn)。僅數(shù)毫秒的高速響應(yīng)和大于1g的加速性能，確保了可實(shí)現(xiàn)電火花放電微觀過程小間隙的持續(xù)性，使精加工脈沖利用率大幅度提高，進(jìn)而使精加工的加工速度在直線伺服系統(tǒng)的平滑伺服運(yùn)動(dòng)中得到了提高。
(3)實(shí)現(xiàn)精密控制及長期精度保持性的綜合措施
直線伺服系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式?jīng)Q定了其伺服單元必須采用直線位置反饋元件作為位置檢測環(huán)節(jié)，這是唯一的方式。因此，直線伺服系統(tǒng)的控制和驅(qū)動(dòng)只可能是一個(gè)全閉環(huán)的系統(tǒng)，直接檢測滑板的直線移位，其中沒有絲杠的螺距誤差，沒有絲杠和聯(lián)軸節(jié)的反向間隙誤差，也避免了傳動(dòng)鏈零件的磨損等干擾因素。直線運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向也采用了與直線電機(jī)高響應(yīng)速度相適應(yīng)的滾動(dòng)導(dǎo)軌，這些措施的綜合使用，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的精密控制和長期的精度保持性。
(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)給距離只有幾毫米，精加工時(shí)每小時(shí)進(jìn)給距離僅零點(diǎn)幾毫米甚至更慢。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，且必須解決通常AC電機(jī)的齒槽效應(yīng)所造成的影響。為此，沙迪克公司的直線伺服系統(tǒng)的控制當(dāng)量和驅(qū)動(dòng)當(dāng)量為0.1μm，同時(shí)在制作直線電機(jī)時(shí)采用了高密稀土類永久磁鐵作為磁場材料。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)，加之采用與電機(jī)性能相匹配的、可對各相電流進(jìn)行細(xì)微控制的變頻交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這一系列方法確保獲得最合理的磁場相位關(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)載和大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4
3與直線伺服系統(tǒng)配套的相關(guān)技術(shù)
直線伺服系統(tǒng)電火花成形機(jī)的問世及其所顯示出的巨大功能潛力，無疑對成千上萬的用戶形成了強(qiáng)大的吸引力，并必然刺激各制造商爭相開發(fā)和更新產(chǎn)品以爭奪市場。
但是，直線伺服系統(tǒng)機(jī)床的商品化過程除必須解決本文前述的有關(guān)技術(shù)難點(diǎn)外，還必須解決一系列與直線伺服系統(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
因直線伺服系統(tǒng)的高速運(yùn)動(dòng)特性和高加速特性，決定了該系統(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1g的時(shí)候，重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，沙迪克公司的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)：①機(jī)床處于工作狀態(tài)時(shí)，因氣壓的平衡裝置對滑板重力的支承作用，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)；②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，氣壓平衡裝置和氣壓夾緊將使鎖定可靠。
圖5
(2)主軸自重及其承重
直線伺服系統(tǒng)的高速運(yùn)動(dòng)特性和高加速特性，使主軸自重和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)。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。具有重量輕、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)用化過程表明，與直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相配套的直線導(dǎo)軌的高速響應(yīng)性及嚴(yán)格對稱分布的磁場力，對平滑的驅(qū)動(dòng)和防止滑板受力位移更為重要。因此，位于主軸兩側(cè)的一對直線電機(jī)和一對直線導(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，有利于獲得直線度高、平滑性好的驅(qū)動(dòng)。
重力的變化對驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出力和主軸承重的夾緊力提出了更高的要求。沙迪克公司制造的直線電機(jī)系統(tǒng)輸出力可達(dá)3000N，直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理與傳統(tǒng)的AC電機(jī)相同，可迅速完成與CNC軟件匹配的設(shè)計(jì)開發(fā)。與直線電機(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大，可全面適應(yīng)從最小幾微米的細(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)十年的實(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，直線伺服系統(tǒng)機(jī)床的高速運(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)床的工作臺移動(dòng)，這就是固定工作臺的原因所在。
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伺服機(jī)床的XY軸的滑板滑枕結(jié)構(gòu)與數(shù)控銑或加工中心等切削機(jī)床大相徑庭，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，它必須具有長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要有足夠的面積，還要有足夠的高度。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(見圖6)。
圖6
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。沙迪克公司機(jī)床的X軸為滑板，Y軸為滑枕，每軸分別有大于1m的導(dǎo)軌跨度，能充分適應(yīng)固定工作臺的伺服、跳躍、搖動(dòng)和輪廓?jiǎng)?chuàng)成的功能要求。
4結(jié)論
直線電機(jī)和直線伺服系統(tǒng)在電火花成形機(jī)上的應(yīng)用，使加工工藝的實(shí)用指標(biāo)發(fā)生了革命性的提高，它代表了電火花加工工藝裝備的發(fā)展趨勢。
在直線電機(jī)伺服系統(tǒng)機(jī)床的商品化和實(shí)用化過程中，必須解決一系列難點(diǎn)和完善與之配套的相關(guān)技術(shù)。
