数控电火花成形机床伺服特性及伺服系统设计-.pdf

M 纪 数控电火花成形机床伺服特性 及伺服系统设计 南通农 业职 业技术学 院 江苏 南通科技 投资集 团股份有 限公 司 2 2 6 0 0 7 张炜 江苏2 2 6 0 1 1 盛亚英 机床设备在市场上竞争力的强弱，在很大程度上 取决于产品的质量 这里所指的是广义质量 ，即包括 Q C T E S 等用户对产品的各种要求 ，而产品的质量又 在很大程度上取决于产品的设计 ，产品的设计质量可 赋予产品 “ 先天性优劣”这种至关重要的本质特性。 在模具制造业 ，数控 电火花成形机床正发挥越来越 大的作用 ，尤其模具向大型化、精密化发展 的今 天， 如何保证数控 电火花机床的总体质量 ，必须从新产 品开发设计上做好文章。只有熟悉电火花机床伺服 特性 ，才能从机 床本质特性 上人手 ，在产品开 发、 结构设计及装配工艺上采取相应的应对措施。 一 、电火花机床伺服特性 电火花机床的伺 服特性不同于常规 数控机 床或 加工中心 。伺服特性必须满足放 电加工机理的要求， 与电火花加工工艺有关 ，有其本身的特点。 1 ．伺服是 非线性和不连续的过程 伺服的目的是要保持稳定 的放 电加工得以稳定 进行 ，通常采用间隙电压反馈 。在首次放电前 ，间 隙呈均匀状态 ，当电极与工件非常接近，达到放电 击穿间隙时，工作液介质被击穿放 电，事先无任何 征兆。当加工间 隙局部 集 中放 电，造成局部 污染 ， 开始出现过渡 电弧放电、电弧放 电或短路的异常放 电状态 ，要求伺服 主轴作 出快速 回退动作 。拉断电 弧是个开关量 ，间隙放 电从短路状态拉 回到开路状 态，这种阶跃信号严重时造成伺服 主轴处于振荡状 态而无法进行稳定加工。 要实现稳定伺服主轴放 电加工 ，必须使加工 间 隙处电蚀污染物能得到及时排除。电蚀物产生与排 除处于动态平衡 ，才能减少脉冲放电中异常 的放 电 8 0 参磊 籼 栏目 主 持 赵 宇龙 状态。只有处于稳定的间隙放 电状态 ，此时放 电间 隙与间隙电压才具有线性关系。 2 ．需要具有 高速性和高响应的伺服特性 放 电加工的频率很高，放 电加工时的间隙状态 瞬息万变 ，要求伺服系统具有根据间隙状态的微弱 信号能相应 地快速调节功能。因此，要求整个伺服 进给系统的不灵敏 区，时间常数、移动部件 的质量 与惯量要小。伺服进 给系统 中，滚 珠丝杠 与螺母 、 导轨的装配调整 ，必须满足既不能过紧，产生阻滞； 又不能过松，产生 晃动 ，在保证具有足够的接触刚 度的前提下 ，尽量提高其运动的灵敏度。 3 ．伺服主轴承受负载的变化大 伺服主轴放电加工时 ，虽然没有像数控机床或 加工中心切削加工 的宏观机械切削力，但是，伺服 主轴要求承载电极质量变化大，从几十克 的微小 电 极一直到几十千克、甚至于几百千克 的电极，都要 能进行正常放电加 工。随着 电极重量 的增大 和电极 加工面积的增大，在放 电加工间隙中瞬间产生 的正 负压力 ，伺服主轴上下运动使工作液介质产生 的泵 唧力 、机构运动产生 的惯性力 ，对伺 服主轴控制干 扰极大。 4 ． 对有侧 向放 电功能 的伺服进给 运动具有 双 重 要求 大型数控 电火花机床 ，其水平 、】 ， 伺服进给轴 既要参加快速移动 、定位和平动，又具有主轴的放 电加工伺服运动。往往这些机构的结构 复杂 、惯量 大，对大惯量具 有侧 向放 电功能 的伺服进 给运动 ， 具有高响应 与快速平稳性 双重伺服控制要求。伺服 控制要求调速范 围宽、出力大 ，无 低速爬行 现象 ， 无传动间隙 ，死 区误差小，传动刚性高 ，具有较高 的稳定性和抗干扰能力是保证进行正常 电火花放电 加工的必要条件。 二、电火花机床伺服主轴功能 伺服主轴功 能主要 有 伺服加工 功能、间隙反 馈功能、蚀物及故 障排 除功能、尺寸控制功能 、排 屑功能及附件扩展功能。 1 伺服加工功能 伺服进给使 电极运 动接近 工件表面，当达到放电击穿间隙时，工作液介质被 击穿放 电后 ，迅速 回退到正常放电间隙。随后一直 保持稳定的放 电间隙和稳定 的放 电加工状态 ，随着 工件材料的蚀 除，伺服不断进 给。对三轴联动 的电 火花机床，还要 将伺 服运 动纳入数 控轨迹 控制 中， 配合其他轴实现联动功能。 2 间隙反馈功能根据伺服主轴进给速度不 正常的降低、停止甚至缓慢后退 、抖 动等状 况，作 为判断有无产生稳定电弧的先兆。 3 蚀物及故障排除功能 当间隙出现蚀物污 染时，伺服主轴应稍稍上抬 ，以扩大 间隙，加快电 蚀产物的排除。当放 电间隙出现 电弧倾 向时，伺服 主轴应快速回退 ，拉断电弧。 4 尺寸控制功能伺 服主轴按设定的深度加 工到位 ，即能在 到达加工尺寸位置后 ，保 持一段时 间 ，使处于该尺寸的全部工件材料得以充分蚀除。 5 排屑功能通过控制 系统设定伺服抬刀或 定时抬刀方式 ，排除加工间隙处的电蚀产物。 6 附件扩展功能伺服 主轴端部应提供丰富 的附件接 口和安装空间 ，以便安装高精度 、可快 速 更换的电极夹持系统 、c轴、R轴以及提供大电极直 接安装在连接板的固定定位接 口。 三、数控电火花机床的结构设计 为了满足数控电火花机床 的伺服特性 ，在结 构 设计上使其具有完善的功能，应在产品设计 时注意 如下几个方面 1 机床结构上 ，z向伺 服主轴 以具有一 次 z 向行程的结构为主流，取消了二次辅助 行程 ，减 少 了中间环节，提高 了整体刚度。这对解决机床 结 构在进给方向上 刚度不 足，造成加工深度不到位 的 情况 ，无疑具有重要的意义。 2 主轴导轨布置可根据产品机型的不同采用 不 同的方式 一 是对三轴伺服联 动的机 型，其主要应用于精 密电火花加工 和镜 面加工 ，宜采用长滚动导轨安 装 在立柱上 ，滚动导轨滑块安装在 z向主轴上 ，并且 传动滚珠 丝杠后置 ，放置 于立柱之 内。这样 主轴 中 心部位空出来 ，可安装 内置 c轴 ，减少 z轴的悬 伸 高度。其 优点在 于机床刚性 高，主轴 的侧 向刚性 、 固定不对称载荷变形值均为常数。由于传 动滚珠丝 杠不 自锁 ，可通过选用带电磁制动器的伺服 电动机 ， 或主轴丝杠顶端安装有电磁制 动器 ，或通过在立柱 内部加装 配重 与 z向滑座平衡，配重质量略轻 配以通用伺服电动机来解决。 二是对于中小型机床及单轴数控机型，仍然采 用交叉滚子滚动导轨安装于主轴滑块或滑枕上 的结 构。虽然 ，主轴的侧向刚性、固定不对称载荷变形 值随主轴 的运动而变化 ，但是 由于变形值不大，可 以满足使用要求。传动滚珠丝杠采用前置，丝杠与 伺服主轴 的重心重合，滚动导轨受力最小。主轴丝 杠顶端安装有电磁制动器 ，当伺服 电动机接通 电源 同时通电打开电磁制动器，产生正常伺服加工运动 ； 当伺服电动机切断 电源 同时切断 电磁制 动器 电源 ， 制动器抱闸，可克服滚珠丝杠不 自锁的毛病 。 三是对于大型牛头式和大型龙 门式数控 电火花 机型 ，采用长导轨高刚性线性滚柱直线滚动导 轨，安装于主轴滑块或滑枕上的结构，滚动导轨滑 块安装在滑块固定座上。根据刚性的要求 ，可选择 4 组 、6组 ，甚至 8组滚动导轨滑块。虽然主轴的侧 向 刚性 、固定不对称载荷变形值随主轴的运动而变化 ， 但是由于滚柱 直线滚动导轨刚性大 ，主轴受力变形 值较小 ，可以满足使用要求。 传动滚珠丝杠采用前 置方式 ，丝杠与伺 服主轴 的重心重合，滚动导轨受力最小。主轴丝杠顶端 安 装有电磁制动器 ，或选用带 电磁制动器的伺 服电动 机 ，可克服滚珠丝杠 不 自锁而造成伺服主轴不 自锁 的现象。 3 大型牛头式和大型龙 门式数控电火花机床 ， 其水平 、y轴既参加快速移动、定位和平动 ，又具 有类似 z向伺服主轴 的侧 向放 电伺服运动。可认 为 是大惯量具有侧向放 电功能 的全闭环或半闭环伺服 进给系统 ，对机床定位精度 、重复定位精度 、快 速 响应特性提 出了更为严格的要求 。应该进行伺服进 给系统优化设计 ，使伺服设计各参数相匹配。 一 纪 l C 争 磊 工 。 籼 ； ． 主 8 1 一 纪 ， l Z C 4 主轴结构采用内部带加强筋的箱体结构或 大截面方管结构 ，使 主轴 的抗扭 刚度 和侧 向刚度大 幅提高；同时 ，在材料选择上 ，尽量采用优质铸铁 或球墨铸铁，在工艺处理上增加人工时效处理 ，减 少主轴铸件的内部应力 。 5 伺服主轴通 常采用滚珠丝杠传 动，在轴承 的选用上 ，应采用 6 0 。 专用滚珠丝杠角接触球轴承， 以提高轴向刚度。 6 主轴的防护罩可设计成具有通风抽排烟雾 的双层防护罩 ，以保护滚动元件。此外 ，提高 主轴 端部绝缘材料性能和提供伺服主轴端部特别 附件安 装接口和 C轴安装空 间，在结构设计时，应加 以考 虑 。 四、数控电火花机床伺服系统设计计算 1 ．伺服 电动机的选型 1 伺服 电动机最高转速的选择伺服 电动机 最高转速根据进给系统 的快进速度 、丝杠螺距及 系 统的减速比确定。其计算式为 ⋯ r ／／ 7, ml’ n 1 ⋯ L l J 式 中， 为移 动部件要求 的快 进速度 m ／ ra i n ；i 为传动 系统 减速 比，i 动 机 ／ n 丝 杠；P为丝杠螺距 m ；K为裕度系数 可取 11 ． 5 。 2 额定输出转矩 的选择伺服 电动机额定输 出转矩 应保证大于整个伺服系统的静态转矩 ， 而系统的静态转矩又包括整个系统的摩擦转矩 ∑M 和 由切削力引起的折算到电动机轴的转矩 ，即 M a≥ M L ∑ 2 对于电火花机床，加工过程中没有宏观切削力 ， 可认为 0 。 整个系统的摩擦转矩 ∑ 由以下几部分组成 ∑ ‰ 3 由导轨摩擦阻力所产生的阻转矩 D M雕 } m r a g 式 中， 。 为导轨摩擦 系数 ，对于贴塑导轨可取 0 ． 0 2 ～ 0 ． 0 6 ，滚动导轨可取 0 ． 0 0 30 ． 叭 ；r a 为最 大电 极重量 k g ； 为移动部件重量 k g ；g为重力 加速度 m ／ s ；P为丝杠螺距 m 。 8 2 参 磊 加工 。 籼 滚珠丝杠预紧引起 的折算到马达轴上的附加 摩 擦转矩 1 式中， 为滚珠丝杠预加载荷 N ；P为丝杠螺距 i n ； 为传动链总效率；i 为齿轮降速比；叼 。 为滚 珠丝杠未预紧时的效率 ，一般 叼 。 ≥0 ． 9 。 滚珠丝杠 支承轴承在使用 向心推力球 轴承时 ， 其摩擦转矩 M 5 ￡ d F 式中， 为轴承摩擦系数 ，取 0 ． 0 0 2～0 ． 0 0 5 ；F 为 轴承轴向载荷 N ；d 为轴承内径 m 。 对于径 向轴承其摩擦阻转矩很小可忽略。 3 椐以上计算所得 电动机最大转 速 n ⋯和伺 服系统的最大静态转矩 ，初选相应参数的伺服 电 动机。 2 ．。限量 、转矩 、加速能 力的 匹配 校验及优化 ，确 定伺服进给 系统 1 惯量匹配校验应满足下式 ≤ 惫 _ 4 式中， 为电动机转子惯量 ； 为折算到电动机轴 上的负载惯量。 上式 中 应包括以下几个方面 直线移动部件折算到丝杠上的转动惯量 J W P 5 式中， 为移动部件与最大电极重量 k g ；P为丝 杠螺距 m ；g为重力加速度 g 9 ． 8 m／ s 。 螺纹段滚珠丝杠惯量 J 0 ． 7 8 X 1 0 。 6 式中， d为丝杠名义直径 IT I ； L为丝杠螺纹段长度 1 T I 。 此外 ，还须加上丝杠延长端惯量。 联轴器惯量 可参阅所选联轴器技术参数。锁 紧螺母 、丝杠端齿轮等旋转体 的转动惯量为 ，电 动机端齿轮惯量为 。最后可得折算到 电动机轴上 总负载惯量。 齿轮传动时 J 量 丝杠与电动机直联时 J J 。 ．， 系统总惯量 J J l， 7 2 转矩匹配校验对于数控电火花机床而言， 由于动态特性要求较高，所 以伺 服电动机 的力矩 主 要是用来产生加速度。即 ≤M⋯ 8 式 中， 为空载起动时折算到 电动机轴上的加速力 矩 ； 为系统时间常数 ；n为伺服 电动机转速 ；J r 为 折算到电动机轴上的总惯量 。 要求 J ， a ⋯ ，加速能力满足要求 。 “ 模具”栏 目征稿启事 1 典型模具结构优化设计主要包括模具模块 化设计、参数化设计、标准化设计及其应用；经典设 计方案等。 2 复杂、大型、精密模具制造技术主要包括 高速 、高效加工在模 具 领域 应 用 ；针 对模 具 难 加工 材 料的加工工艺；经典加工工艺设计等。 3 新型模具材料的热处理及其应用。 4 模具制造、使用中的检测技术与应用。 5 模具数字化制造主要包括数 字化设计、制 造 C A D、C A E、C A M和 管理 P D M、C A P P 、E R P、 ME S 方 面的应用与经验。 6 模具再 制造。 7 现 代模 具 技 术及 应用 主 要 包 括 汽 车 、I T 、 航 空航 天 、医疗器械等应用领域 。 8 模具管理主要包括表格化、流程化，以及 企业特色的模具管理经验等。 欢迎 网上 投 稿 h t t p ／ ／ w w w ． m e t a l w o r k i n g 1 9 5 0 ． c o in ／ t o ug a o _ XZ ．a s po 经匹配 校验 ，在预选 的 电动机 的几个型号 中， 根据三个约束条件 ，进行匹配校验 ，优化选取合理 设计参数 ，确定伺服电动机型号。 大型牛头式和大型龙 门式数控 电火花机床 ，其 水平 、y轴既参加快速移动、定位和平动 ，又具有 类似 z向伺服主轴 的侧 向放 电伺服运动 ，在伺服 电 动机选用 、匹配校验 、优化选取显得特别重要。 五、结语 选用直线滚动导轨导 向和高精度滚珠丝杠传动 的伺服进给系统，是现今数控 电火花机床伺服主轴 的标准结构形式。只有熟悉电加工的伺 服特性 ，通 过合理设计 ，优化选取 ，才 能使 产品 “ 先天优 势” 的本质特性呈现出来 。可使主轴 的伺服性能得到大 幅度提高 ，可满足数控电火花机 床精密加工 、低损 耗精加工 、镜面加工 、微细型腔加工所 需要 的伺服 性能 。 直线电动机伺 服进 给主轴 的出现，开辟 了数控 电火花机床的新纪元 。使用直线 电动机作为伺 服驱 动执行元件 ，取消了丝杠、轴承等一切 中间机械传 动环节，主轴 的伺服性能得到极 大提高，高响应伺 服加工更稳定 ，速度更快 。随着 直线电动机的成本 不断下降 ，未来数控电火花机床将得到广泛应用。 MW 收稿 日期 2 0 1 0 1 2 1 1 一 纪 ， z l OS 参 磊 工 。 冷 加 工 ． ⋯ ．．．⋯ 翟 置 篓 魍