直线伺服系统的技术特点
| (1)全新的加工工艺，突破传统的工艺指标 轴的高速运动给传统的电火花成形工艺带来了巨大的变革，这种变革不仅仅限于因高速运动而缩短了装夹、校正、精密定位所需的时间，更重要的是实现了加工中的高速跳跃(抬刀)。跳跃(抬刀)是电火花成形加工必不可少的措施，在形状复杂或深窄型腔加工中，不采取跳跃(抬刀)和冲液等措施几乎是不能加工的。但是跳跃(抬刀)时无放电现象，是电火花加工中的“怠工”现象，影响了加工时间的利用率。快速跳跃(抬刀)使“怠工”现象时间缩短，从而提高了时间的利用率和加工速度。同时，高速跳跃(抬刀)也为增加跳跃(抬刀)幅度创造了条件，使得加工时放电间隙的流体作用力得到了充分的改善，完全免除了粗加工时的冲液处理，并且使加工时间缩短到原来的1/2。图1是一个用快速跳跃免冲液处理的深窄型腔加工实例(加工后纵向剖开)，电极的断面尺寸为1mm×38mm，电极锥度1°，型腔深度70mm，电极材料为石墨，两个电极。总加工时间5h，其中粗加工时间160min，加工后工件表面粗糙度Ra为2μm。
直线伺服系统的优越性不仅在深窄型腔的加工工艺指标上取得了突破性的进展，而且功能领域也空前拓宽。图1是一个Y型(三叶型)电极加工深窄型腔的典型加工实例。Y型(三叶型)电极的厚度仅0.25mm，在人们的传统观念中，如此形状的加工具有相当的难度。深度超过10mm被视为禁区，此加工实例的加工深度为40mm，它表明直线伺服系统的实用化，使我们轻而易举地进入了传统禁区。 (2)稳定精加工的保证，高响应速度、高稳定加工的伺服系统 直流伺服系统的电火花成形机中，直线电机与滑板形成了一体化结构。因此，滑板的移位是直线电机的直接移位，两者之间无任何传递环节。这样，在伺服运动中去除了中间环节的损失与响应滞后。图3是直线伺服系统运动轴的指令位置与实际位置的对比关系，从中可看出，在电火花加工这种特殊的可逆伺服运动中，动态响应时间仅在毫秒数量级。因此，直线电机的高速响应系统与传统的旋转交直流伺服电机带动滚珠丝杠的系统相比，提高了一个数量级。 众所周知，在电火花加工的精加工过程中，电极与工件不接触，它们之间的有效放电间隙仅十几微米，传统的伺服电机和滚珠丝杠系统在指令脉冲和实际位置间存在着数十至上百毫秒的滞后，实现稳定、平滑的伺服并保持较高的精加工放电效率是十分困难的。直线伺服系统的优越性在电火花小间隙精加工过程中得到了充分的体现。仅数毫秒的高速响应和大于1g的加速性能，确保了可实现电火花放电微观过程小间隙的持续性，使精加工脉冲利用率大幅度提高，进而使精加工的加工速度在直线伺服系统的平滑伺服运动中得到了提高。 (3)慢速微进给的平滑驱动 电火花成形加工的特点是加工的平均伺服速度缓慢。粗加工时每小时进给距离只有几毫米，精加工时每小时进给距离仅零点几毫米甚至更慢。这就要求电火花加工伺服具有优良的动态特性，以适应频繁的制动、反向和保持工具与工件的微小间隙。进而要求系统具有平滑的驱动特性，且必须解决通常AC电机的齿槽效应所造成的影响。为此，沙迪克公司的直线伺服系统的控制当量和驱动当量为0.1μm，同时在制作直线电机时采用了高密稀土类永久磁铁作为磁场材料。在磁体的分布排列上，采取了错落分布的排列方法(如图4所示)，加之采用与电机性能相匹配的、可对各相电流进行细微控制的变频交流驱动系统，这一系列方法确保获得最合理的磁场相位关系和合理的电流相位关系，从而最大限度地平衡了直线电机各相电枢绕组之间的推力，克服了动态负载和大范围速率变化的难题，使齿槽效应的不良影响降到了最低，使伺服运动达到平稳。 (4)实现精密控制及长期精度保持性的综合措施 直线伺服系统的运动方式决定了其伺服单元必须采用直线位置反馈元件作为位置检测环节，这是唯一的方式。因此，直线伺服系统的控制和驱动只可能是一个全闭环的系统，直接检测滑板的直线移位，其中没有丝杠的螺距误差，没有丝杠和联轴节的反向间隙误差，也避免了传动链零件的磨损等干扰因素。直线运动的导向也采用了与直线电机高响应速度相适应的滚动导轨，这些措施的综合使用，实现了机床的精密控制和长期的精度保持性。 |
