交流伺服电机在往复走丝电火花线切割机床中的应用.pdf

工 艺 装备 电加工与模具2 0 1 2 年第4 期 交流伺服电机在往复走丝电火花线切割机床中的应用 徐 维安 ， 李浩洲 江苏冬庆数控机床有限公司， 江苏泰州 2 2 5 3 0 0 摘要 分析 了用 于往 复走 丝 电火花 线切割 机床 ． Y - 作 台驱 动部 件 的 步进 电机 驱 动 系统和 交流伺 服电机驱动 系统的优缺点， 提 出交流伺服 电机驱动 系统的选择 、 控制及其参数整定方法。 关键词 电火花线切割加工； 步进电机； 交流伺服电机 中图分类 号 T G 6 6 1 文献标 识码 B 文 章编 号 1 0 0 9 2 7 9 X 2 0 1 2 0 40 0 5 3 0 3 Th e Ap pl i c a t i o n o n t h e AC S e r v o M o t o r i n W EDM Xu W e i a n， Li Ha o z h o u J i a n g s u Do n g q i n g CNC Ma c h i n e To o 1 C o． ，Lt d ， Ta i z h o u 2 2 5 3 0 0， C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s a r t i e ， t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f s t e p p i n g mo t o r d r i v i n g s y s t e m a n d AC s e r v o mo t o r d r i v i n g s y s t e m o n r e c i p r o c a t i ng t r a v e l l i n g wi r e e l e c t r i c a l d i s c ha r g e ma c h i n e t o o l wo r kt a b l e d r i v e n u n i t a r e a na l y s i s e d．Th e me t h o d s o f t h e s e l e c t i o n，c o nt r o l a n d p a r a me t e r t u ni n g o n AC s e r v o mo t o r d r i v e s y s t e m a r e p r e s e nt e d． Ke y wo r d s W EDM ； s t e p p i n g mo t o r； AC s e r v o mo t o r 我 国 广 泛 使 用 的 往 复 走 丝 电火 花 线 切 割 机 床 中， 工作台驱动单元大多采用步进 电机系统。由于 步进电机 自身的原因， 使往复走丝 电火花线切割机 床加工精度 、 运行速度与性能的提高受到较大影响 ， 抑制了其发展。伺服电机 的应用 ， 可使机床在加工 精 度 、 运行速 度及 加 工 过 程控 制 方 面 有 较 大 的提 升 空 间 。 1 步进 电机系统与交流伺服电机系统的差异 步进 电机 系统 和交流 伺服 电机 系统 在往复 走丝 电火花线切割机床中的应用差异 ， 主要体现在控制 分辨率、 矩频特性 、 响应 速度 、 运行平稳性及 可靠性 等方 面 。 1 控制精度不同 五相十拍混合式或反应式 步进 电机 ， 步 矩角一 般 为 0 ． 3 6 。 ； 而对 于带 1 7位 编码 器的交流伺服电机 ， 如松下 A 4系列 ， 脉冲分辨率 为 3 6 0 。 ／ 2 “9 ． 8 9 ， 是 步进 电机 的 1 ／ 3 2 7 5 。 2 低 频 特性 不 同 步 进 电 机 低 频 时 易 出现 振 收稿 日期 2 0 1 2 一O 6 3 O 第 一作者 简介 徐维安 ， 男 ， 1 9 6 4年生 ， 工程师 。 动 ； 交流伺服 电机具有共振抑制功能 ， 运转平稳 ， 无 振 动现 象 。 3 矩 频 特性 不 同 步进 电 机 的输 出力 矩 随 转 速 的升高而下降， 较高转速时会急剧下降 ； 交流伺服 电机在 额定 转速 内是 恒扭矩 输 出 。 4 过载 能力不 同 步进 电机 无 过载 能力 ； 交 流 伺 服 电机 过 载能 力 强 ， 通 常最 大 转 矩 为额 定 转 矩 的 3倍 以上 。 5 运行性 能不 同 步进 电机 为 开环 控制 ， 启 动 频 率 过高会 出现堵转 和丢 步现 象 ， 停 止时 易过 冲 ； 交 流伺服电机为闭环控制 ， 通过编码器来反馈信号 ， 进 行位置环和速度环控制 ， 无过冲和丢步， 提高了控制 精 度 。 6 速度响应性能不 同 步进 电机响应慢； 交流 伺服 电机 响应 快 ， 一 般是 步进 的百分 之几 ， 最 大移动 速度是步进 电机 的数十倍 ， 甚至更高。 7 和工 作 台 丝 杠 的联 结 方 式 不 同 步进 电机 由于本身转矩和分辨率的限制 ， 多少采用齿轮联结 细分电机除外 ； 交流伺服电机往往直联 ， 减少 了传 动误差和传动噪声。 8 螺距补偿 步进 电机由于没有状态的反馈 一 53 电加工与模具 2 0 1 2年第4 期 工 艺 装备 信号和反应速度慢 ， 不好补偿 ； 交流伺服 电机 由于有 编码器 且反 应速 度快 ， 可方便 地进 行螺 距补偿 ， 提 高 定位精度和重复定位精度。由于定位精度和重复定 位精 度高 ， 提高 了多次 修刀 切割 后 的精 度 ， 并降低 了 表面粗 糙度 值 ， 方 便精 确地处 理 拐角 。 2 交流伺服 电机驱动 系统 的选 择 、 控制及 其 参数整定方 法 经过对 多 家交流 伺服 电机驱 动系统 的实际应 用 比较 ， 松下公司的交流伺服电机及其驱动 系统在运 行性 能和可 靠性 方 面较 突 出 ， 特 别 是 其抗 干 扰 能 力 较强 ， 可承 受 电火 花 放 电 环境 下 较 强 的 电磁 骚 扰 。 在本 公 司 中高 档往复 走丝 电火 花线切 割 机床 中得到 较好 的应 用 。 再加 上伺 服 电机 的过 载 能 力强 ， 所 以在 选 择 伺 服 电 机功率扭矩 的时候 ， 可从工作 台面的重量 、 负载承 重 、 导轨 的形式 决 定摩擦 系数 、 最 大运 动速 度等 方 面计 算考 虑 。根据 计 算 并 结 合实 际使 用 情 况 来 看 ， 一 般 D K7 7 6 3以下 的机 床选 择 7 5 0 W 足够 了 以松 下 A4系列 为例 ， 以中 惯量 、 三 相 电机 为 好 ， 额 定 转 矩 大于 2 ． 4 N i n， 最大 转矩 大于 7 ． 1 N 1T I 。 2 ． 2交流 伺 服 电机 的控 制 1 控 制模 式 交流 伺 服 电机 驱 动 器一 般 有 3种控 制 模 式 位 置 控制 、 速度 控制 、 转矩 控制 。 电火 花线 切割 机床 一 般 采用位 置控 制 。 2 指 令控 制方 式 交 流伺 服 电机 驱 动器 的指 令控 制 方 式一 般 有 3 2 ． 1 交流 伺服 电机 的选择 种 ， 分别 是 A B正交 脉 冲 型 、 正转 脉 冲 反 转 脉 冲 、 由于电火 花线切 割加 工是 放 电加 工 ， 无切 削力 ， 指 令脉 冲 指令 方 向 表 1 。 表 1 交流伺服电机驱动器指令控制方式 C W 脉 冲 C C W 脉冲 PUL S SI GN 指令脉 冲 指令方 向 P U L S SI GN 根据往复走丝电火花线切割机床 的控制特点 ， 大多选用指令脉冲指令方向类型的控制方式 。由 计算机内置的控制卡发出脉冲和方 向信号， 控制 电 机正 反转 和转 动 的速度 、 移动量 的大小 ， 从而使 驱 动 工作 台按 加工 要求 移动 。 3 交 流伺 服 电机驱动 器 的连接 如图 1 所示 ， 依次连接好伺服驱动器到伺服电 机的动力线 ， 伺服驱动器的 u、 V、 w 对应伺服电机 插头 的 A、 B、 C， 相序不 能 错 ， 否则 通 电 时 电机会 发 生故障报警 ； 确认伺服驱动器和 电机编码器连接正 确 ； 确认伺服驱动器和计算机控制卡信号连接正确 。 一 5 4一 为 了提 高可 靠性 ， 建 议 电机 编码 器 线 要 直 达 驱 动 器 插头 ， 中间不要有过渡连接。为了输入 电压的匹配 和抗 干扰 ， 建 议 使 用 3 8 0 V ／ 2 0 0 V 的 三相 伺 服 变 压 器 。 4 参数 的正 确设 置 在正 确 连 线 的情 况 下 ， 伺 服 控 制 系统 能 否 正 常 工作 ， 参数 设置 至关 重要 。特别 是 刚性 惯量 比 、 位 置环增益 、 速度环增益 、 电子齿轮 比、 速度环积分时 间 常数 。在不 振 动 和不 啸 叫 的情 况 ， 尽 量提 高位 置 环增益和惯 量 比。位 置环 相关 参数 的调整 对 加 工精 度 影 响较大 ， 速度环 相关参数 的调 整对加工 表面粗糙 工 艺 装备 电加工与模具 2 0 1 2 年第4 期 1} I 2 三 】 _ GHD I _ ． - 千 Z c v [ 嗄 蚊 线 } 7 XA I ． Z ] -- 褒罚 一 1『 _ 1 蛟拽 I 一一 L - J 普 *_ l 0 蠡 I 2 蚩 十一 5 4 白 【 。2 2 互 l 、 『 - l 爝 匝 RB2 r i蕉 2 R B 3 可 弋 J 【 墨匿 P E l P 黼丫 网 司 I Q Q J 划 1 交 流 伺 服 电 机 驱 动 器 连 接 图 度影响较大。由于它直接影响到伺服电机的响应性 ， 调整时一般名 牌驱动器都有调试 软件 ， 通 过调试 软件 可动态调整， 使相关参数的波形达到满意的结果。 以松 下 A4系列 电机 为 例 首先 将 自动 调 整 功 能参 数 P r 2 1设为 有 效 ， 自适 应 滤 波 器 模 式 P r 2 3设 为有 效 ， 设 置好 电子齿 轮 比 ， 刚性 设置 一般 根据机 械 联结 方式 先 取 最 小 值 设 定 ， 设 好 后 便 可 进 行 粗 调 。 先慢 速 、 后 快速 来 回移动运 动轴 。如性 能稳 定 ， 把刚 性值参 数加 大一 级 ， 再 往 复 移 动 ， 重 复 以上 步 骤 ； 逐 步增大机械刚性设置值 ， 一直到 电机产生异常 的响 声或 振动 为止 ， 此时再 将数 据减 小一级 ， 所设 定 的值 保存 到伺 服 放 大器 E 2 P R O M 中去 。如 刚性 调 不 上 去 ， 首先应 考虑 机械 上有无 安装 问题 ， 如 弹性联 轴器 安装是否到位 、 是否扭 紧， 然后再检查和设置好陷波 频率和陷波深度 ， 陷波频率设置时可将数据从 1 5 0 0 逐渐 向小设 定 ， 每 次减 少 1 0 0 ， 看 是 否 有 效 ， 深 度 一 般为 2 ～3 。调整正常后 ， 再将实时 自动增益 P R 2 1 设 置 为 0 。如 停 止 时 电机 出 现 共 振 嗡 嗡声 ， 可 适 当 减少第一位置环增益和第一速度环增益 2 0 ～4 0 ， 减 少积分时间常数 1 O ～2 0 ， 进行精调。直到运行 和停 止 平 稳 、 无 振 动 、 元 嗡 嗡 声 。通 过 调 试 软 件 还 可 看 到 ， 运行 电流不 超过 额定 电流 的 4 0％及输 出力 矩等 参数。 3 性 能检 测 3 ． 1脉 冲数检 测 参数正确设置后 ， 让计算机发出一 串脉冲 一般 工作台传动丝杠 的螺距为 4 mm， 每个指令脉 冲工 作台移动 1 m ， 看从 电机编码器反馈来 的脉冲数 是否为计算机发出的脉冲数 ， 多了或少了都有问题。 如果 是有 规律 的变 化 ， 往 往是 电子齿 轮 比设 置 有误 ； 相 差不 多 ， 往 往是 干扰 问题 ， 应检查 电机 和放 大器 的 接 线是 否正确 ， 特 别是屏 蔽线 要接好 。要 接地 线 ， 且 要用一点接地； 动力线和编码器反馈线尽量短 ， 编码 器线 中间不要有过渡连接 ， 直接从电机连到驱动器 ， 且尽量不在一个走线槽内， 不要一起扎捆 ； 计算机到 驱动器的连线要短 ， 且用双绞线或网线 ； 和高频 电源 尽量分开； 提供给驱动器的 1 2 V电源电压要稳定。 3 ． 2定 位性 能检 测 类似于重复定位精度的检测 ， 用读数显微镜或 激光干涉仪在某一定点来回 1 0 mm数次， 看定位误 差 。有些 性 能差 的交流伺 服定 位误 差大 ， 且不 稳定 。 3 ． 3负载 能力检 测 在工作 台面上均匀放上规定的负载重量， 快速 运动工作 台检查移动情况， 看 电流是否过载。 4 使用效果 根据 在本 公 司 D K7 7 5 0电火花 线切 割机 床 上 的 实际使用经验 ， 设计往复走丝电火花线切割用的交 流伺 服放 大 器控 制 电 路 ， 选 用 松 下 A 4交 流 伺 服 电 机 和放 大器 。经检 测 双 向定 位精 度 0 ． 0 1 mm， 单 向重复定位精度0 ． 0 0 5 mm， 一刀切割对边 2 8 mm 的八 角 ， 纵剖 面上 的尺 寸 偏 差 0 ． 0 0 9 mm； 横 剖 面 上 的尺 寸偏差 0 ． 0 1 2 mi l l ， 表 面粗 糙度值 R a 1 ． 9 p ． m； 割～修二后纵剖面上的尺寸偏差0 ． 0 0 8 mm； 横剖面 上 的 尺 寸 偏 差 0 ． 0 1 0 mm， 表 面 粗 糙 度 值 R a 1 ． 0 y m； 加 工 2 0 03 0 0四孔 孔 径 3 0 mm 一 致性 尺寸 误差 0 ． 0 0 5 ram／ 0 ． 0 0 8 mm， 绝 对 尺 寸误 差0 ． 0 0 9 mm， 跳步精度高。 该系列产 品试制成功且投入批量生产以来 ， 在 航空 、 航 天 、 军工 、 电子 等领 域得到 了广 泛 的应 用 ， 取 得 了理想 的结 果 。 5 结语 往复走丝电火花线切割机床工作台驱动单元采 用交流伺服电机驱动 ， 在控制分辨率 、 矩频特性 、 响 应 速度 、 运行 平稳 性 等 动态 性 能 方 面优 于步 进 电机 系统 。使用交流伺服 电机驱动系统 ， 可有效提高往 复走丝 电火 花线切 割机 床 的定位精 度 和加工 过程 的 动态性 能 。