电火花加工主轴伺服系统的发展

综述#专稿

5电加工与模具62006年第4期

电火花加工主轴伺服系统的发展

张 强,宋博岩,施 平

(哈尔滨工业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨150001)

摘要:对电火花加工设备的主轴伺服系统展开论述,分析了主轴伺服系统的作用及其性能要求,并阐述了主轴伺服系统各个发展阶段的特点、结构以及有代表性的成果。

关键词:电火花加工;主轴伺服;直线电机;电极直接驱动

中图分类号:TG661

TheDevelopmentofthePrincipleAxisServoinEDM

ZhangQiang,SongBoyan,ShiPing

(HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)

Abstract:AsoneoftheimportantfunctionalpartsofEDM,theprincipleaxisservosystemisdis-cussed,itsfunctionsandneedsareanalyzed,andthefeatures,structuresandproductionsofitseachphasealsoarediscussed.

Keywords:EDM;principleaxisservo;linearmotor;directdrivetoelectrode

在计算机技术、微电子技术、控制技术迅猛发展的推动下,电火花加工工艺水平飞速发展,其主轴伺服系统也不断引入新技术、新方法,为电火花加工技术的发展提供了坚实的基础。

对于电火花加工控制系统来说,主轴伺服系统

收稿日期:2006-02-21

第一作者简介:张强,男,1980年生,硕士研究生。

的作用就是通过调节放电间隙的大小,保持放电间隙的一致性,使电火花放电维持在一种最佳状态,以

确保加工的稳定进行。主轴伺服系统的性能是电火花加工设备性能优劣的一项重要指标,它直接影响最终的加工效果。

1 主轴伺服系统的性能要求

与常规机床的伺服系统不同,电火花加工主轴

sheetmetalworking[C].

Proc.ofMetalForming2000,

[2] RuprechtR,GetzeltT,MullerK,etal.Injectionmoldingofm-i

crostructuredcomponentsfromplastics.,metalsandceramics[J].MicrosystemTechnology,2002(8):351-358.

[3] GeigerM,EcksteinR.Microforming[C].Proc.ofthe7th

ICTP,Yokohama,Japan,2002:327-338.

[4] SaotomeY,ItohK,ZhangT.SuperplasticnanoformingofPd-basedamorphousalloy[J].SciptaMaterialia,2001,44:1541-1545.

[5] KalsTA,EcksteinR.Miniaturizationinsheetmetalworking

[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2000,103:95-101.

[6] TieslerN,EngelU,Geiger.M.Basicresearchoncoldforgingof

microparts[C].Proc.ofthe7thICTP,Yokohama,Japan,2002:379-384.

[7] EcksteinR,EngelU.Behaviorofthegrainstructureinmicro

Krakow,Poland,2000:453-459.

[8] TieslerN,EngelU,Geiger.M.Formingofmicroparts-effectsof

miniaturationonfriction[C].Proc.ofthe6thICTP,Nurem-berg,Germany,1999:889-894.

[9] GeigerM,MessnerA.Productionofmicroparts-sizeeffectsin

bulkmetalformingsimilaritytheory[J].ProductionEngineer-ing,1997,4(1):55-58.

[10] GeigerM,MebnerA,EngelU,etal.Designofmicro-forming

processes-fundamentals,materialdataandfrictionbehaviour[C].The9thinternationalcoldforgingcongress,Solihull,UK,1995.

[11] GeigerM,VollertsenF,KalsR.Fundamentalsonthemanufac-turingofsheetmetalmicroparts[J].AnnalsoftheCIRP,1996,45(1):277-282.

5电加工与模具62006年第4期

综述#专稿

20世纪70年代,电液压控制被引入到电火花加工主轴伺服系统中,与此同时,脉冲电源也得到了较大的发展,为加工较为精密的冲模提供了可能,用钢冲头作电极直接打凹模成为当时有代表性的加工工艺。电液压式伺服进给机构具有灵敏度高、低速性能好、承载能力大、惯量小等优点,在大中型电火花成形机中得到广泛应用。当时主轴的性能指标是0.2~300mm/min的速度和小于1%的死区控制电流[1]。

电液压伺服主要有射流管式、喷嘴-挡板式和伺服阀式。射流管式结构复杂,体积大,应用较少,采用较多的是后两种形式,特别是喷嘴-挡板式结构简单,制造与维修方便,应用最多。喷嘴-挡板式电液压伺服系统(图2)工作原理为:根据间隙检测电路获得的间隙电压信号,通过电机对动圈电流大小的调节(定圈接入恒定的励磁电流)实现挡板位置的控制;挡板位置发生改变,上、下油缸的压力差随之改变,

驱动电极作上下运动。

伺服系统必须满足放电加工机理的要求。

(1)追求低速的平稳运行。电火花加工的特点是平均伺服速度慢,工具电极往往以难以察觉的速

度进给,粗加工中每小时进给距离只有几毫米,精加工中每小时进给距离仅零点几毫米,甚至更慢。

(2)必要的稳定性。电火花加工中的伺服运动是非线性和不连续的,工具电极不断地进进退退,主轴有可能因此发生振荡,无法稳定工作。电火花加工虽无宏观切削力,但如果电极面积较大,抬刀过程中产生的瞬间液压正负压力对伺服系统的干扰极大。例如电极面积在500cm2时,其产生的液压冲击可达3000N[1]。

(3)足够的灵敏度和快速性。电火花加工放电间隙状态瞬息万变,主轴伺服系统必须能够根据间隙状态进行快速调节。因此,系统的时间常数和传动部分的惯量要小[2]。

2 主轴伺服系统的发展历程

2.1 早期的主轴伺服系统

20世纪40年代前苏联学者拉扎连柯研制出第一台电火花加工装置[3](图1),其主轴主要由重锤和电感线圈组成。通过电容C的充、放电,在线圈中产生磁力与重锤的重力构成平衡,控制电极的进给。该系统可以称为第一代主轴伺服控制系统。 进入20世纪60年代,电火花加工主要应用于锻模型腔的粗、中加工和用来取出折断的丝锥、钻头。由于当时伺服电机的低速性能和转矩特性不好,需通过提高减速比来实现低速的平稳运行,其减速比可达1000以上,故导致机械传动链过长,使调速范围很窄,惯性大、刚度差,灵敏度和精度也较低。2.2

电液压伺服控制的引入

图2 喷嘴-挡板式电液压伺服主轴示意图

应用电液压伺服系统的电火花加工机床虽然先进性不高,但是价格较低,能满足大部分电火花成形加工的需要。目前电液压伺服已逐步被各种直流、交流电机伺服所取代。2.3 数控技术的引入

进入20世纪80年代,数控加工中心取得长足进步,推动了电伺服系统的大发展,电火花加工由此进入数控时代。

步进电机具有较好的低速运动特性和较宽的调速范围,开环控制,无累积误差,有利于实现加工过

图1 拉扎连柯研制的第一台电火花加工装置

程的自动化和数字化,作为机电一体化的关键产品之一,很快被运用到电火花主轴伺服控制中,尤其在

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小孔加工机中应用广泛。通常,步进电机的步距角较大,一般为1.5b~3.0b,难以满足精度要求较高的场合,通过硬件或软件对步距细分,可以减小步距角,提高步进分辨率,增强电机运行的平稳性,能够明显提高步进电机的驱动性能。同时应用到电火花加工中的还有力矩电机,但是由于价格昂贵,应用较少。若启动步进电机的频率过高,会出现无法启动或丢步的现象;若转速过高,停机时会引起电机过冲和超调现象。此时,必须采取一定的控制方法加以克服,通常采用加、减速控制解决这些问题。

随着直流电机控制技术的不断完善,因其调速范围大、平滑、稳定性好,动态性能优于步进电机而迅速取代步进电机,成为电加工机床的主要伺服驱动系统。为了改善加工条件,提高加工的稳定性,微细电火花加工机床除Z轴的伺服控制外,还要加上C轴的旋 …… 此处隐藏：7062字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……