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直线马达,线性马达,直线电机之电火花成型机应用

时间:2014-1-8  点击数:5097
直线马达之电火花成型机应用

     电火花加工技术经历了半个世纪 发展历程,以其独到 成形性能和以柔克刚 “切削”性能而成为模具加工领域 重要加工手段。但也经历了一波三折 坎坷历程,一次又一次受到了来自其他加工手段 冲击, 一次又一次提高和完善,显示出其强大生命力。

时值世纪之交,电火花加工技术再一次受到来自以数控加工中心为代表 切削技术 空前猛烈 冲击。数控加工中心技术 主轴旋转高速化、刀具材料新型化及机床主体刚度 提高、数控轨迹功能发展等方面均有进步。这一系列技术进步,使电火花加工技术又面临着新 挑战。以此为契机,日本沙迪克公司率先开发了直线伺服电机 电火花成形机。这种机床 传统成熟 电火花加工技术基础上,又融入了直线伺服系统先进 最新技术,使电火花成形加工 性能有了较大 提高。模具成形这一特定 加工技术中,抑制成形加工实用加工速度 最主要原因是复杂形状所造成 加工状态恶化。以高运动速度著称 直线伺服系统用于电火花成形加工 高速跳跃功能,派生了免冲液加工工艺,提高了电火花成形加工 实用加工速度,缩短了电火花成形加工 实用加工时间。

2)直线伺服系统 技术特点

    采用直线伺服系统后,省去了丝杠传动环节,奠定了轴高速运动 基础。加之控制系统采用了高速 32位计算机,使 轴 运动速度大幅度提高。沙迪克公司 AQ系列直线伺服 电火花成形机和LN系列 数控电源,可 0.0001mm 控制当量 条件下使轴 运动速度达到36m/min,这样 技术指标使 新一代 电火花成形机兼具了高速度和精加工 综合条件。

(1)全新 加工工艺,突破传统 工艺指标

    轴高速运动给传统 电火花成形工艺带来了巨大变革,这种变革 仅限于因高速运动而缩短了装夹、校正、精密定位所需 时间,更重要 是实现了加工中 高速跳跃(抬刀)。跳跃(抬刀)是电火花成形加工必不可少 措施, 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 。 跳跃(抬刀)时无放电现象,是电火花加工中 “怠工”现象,影响了加工时间 利用率。快速跳跃(抬刀)使“怠工”现象时间缩短, 提高了时间 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 加工时放电间隙 流体作用力 到了充分 改善,完全免 粗加工时 冲液处理, 使加工时间缩短到原来 1/2。图1是一个用快速跳跃免冲液处理 深窄型腔加工实例(加工后纵向剖开),电极 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 优越性 深窄型腔 加工工艺指标上取 了突破性 进展, 功能领域也空前拓宽。图2是一个Y型(三叶型)电极加工深窄型腔 典型加工实例。Y型(三叶型)电极 厚度仅0.25mm, 人们 传统观念中,如此形状 加工具有相当 难度。深度超过10mm被视为禁区,此加工实例 加工深度为40mm,它表明直线伺服系统 实用化,使我们轻而易举 进入了传统禁区。

(2)稳定精加工 保证,高响应速度、高稳定加工 伺服系统

    直流伺服系统 电火花成形机中,直线电机与滑板形成了一体化结构。滑板 移位是直线电机 直接移位,两者之间无任何传递环节。这样, 伺服运动中去 中间环节 损失与响应滞后。图3是直线伺服系统运动轴 指令位置与实际位置 对比关系,从中可看出,电火花加工这种特殊 可逆伺服运动中,动态响应时间仅 毫秒数量级。直线电机 高速响应系统与传统 旋转交直流伺服电机带动滚珠丝杠 系统相比,提高了一个数量级。众所周知,电火花加工 精加工过程中,电极与工件不接触,它们之间 有效放电间隙仅十几微米,传统伺服电机和滚珠丝杠系统 指令脉冲和实际位置间存 着数十至上百毫秒 滞后,实现稳定、平滑 伺服并保持较高 精加工放电效率是十分困难 。直线伺服系统 优越性 电火花小间隙精加工过程中 到了充分体现。仅数毫秒高速响应和大于1g 加速性能,确保了可实现电火花放电微观过程小间隙 持续性,使精加工脉冲利用率大幅度提高,进而使精加工加工速度 直线伺服系统平滑伺服运动中到了提高。

(3)实现精密控制及长期精度保持性 综合措施

   直线伺服系统 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 方式。 ,直线伺服系统 控制和驱动只可能是一个全闭环 系统,直接检测滑板 直线移位,其中没有丝杠 螺距误差,没有丝杠和联轴节 反向间隙误差,也避免了传动链零件 磨损等干扰因素。直线运动 导向也采用了与直线电机高响应速度相适应 滚动导轨,这些措施 综合使用,实现了机床精密控制和长期 精度保持性。

(4)慢速微进给 平滑驱动

   电火花成形加工 特点是加工 平均伺服速度缓慢。粗加工时每小时进给距离 几毫米,精加工时每小时进给距离仅零点几毫米 更慢。这就要求电火花加工伺服具有优良 动态特性,以适应频繁 制动、反向和保持工具与工件 微小间隙。进而要求系统具有平滑 驱动特性,且必须解决通常AC电机 齿槽效应所造成 影响。为此,沙迪克公司 直线伺服系统 控制当量和驱动当量为0.1μm,同时 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。 磁体 分布排列上,采取了错落分布 排列方法(如图4所示),加之采用与电机性能相匹配 、可对各相电流进行细微控制 变频交流驱动系统,这一系列方法确保获 最合理 磁场相位关系和合理 电流相位关系, 最大限度 平衡了直线电机各相电枢绕组之间 推力,克服了动态负载和大范围速率变化 难题,使齿槽效应 不良影响降到了最低,使伺服运动达到平稳。

3)与直线伺服系统配套 相关技术

直线伺服系统电火花成形机 问世及其所显示出 巨大功能潜力,无疑对成千上万 用户形成了强大 吸引力,并必然刺激各制造商争相开发和更新产品以争夺市场。,直线伺服系统机床 商品化过程除必须解决本文前述 有关技术难点外,还必须解决一系列与直线伺服系统配套 相关技术。

(1)垂直滑板(Z轴) 重力平衡和锁轴

因直线伺服系统 高速运动特性和高加速特性,决定了该系统不能以重锤 方式作为重力平衡装置。其原因 当滑板(Z轴) 运动加速度大于1g 时候,重锤 自由下落不可能跟踪滑板 上升运动,即失去了平衡作用。沙迪克公司 Z轴平衡装置采用了气缸式 机构(如图5),依靠气缸中 气压实现重力平衡。这一装置有如下优点:①机床处于工作状态时,因气压 平衡装置对滑板重力 支承作用,电机工作 微功耗状态, 快速跳跃时,电机才进入到大功率 运行状态;②气压平衡使垂直轴 锁轴功能可靠化。驱动器失电后,垂直滑板重力瞬时处于自由下落状态,传统 电磁锁轴此时因动作滞后而极易导致滑板 误移动,对保持位置和加工精度 影响始终是十分困扰人 ,气压平衡装置和气压夹紧将使锁定可靠。

(2)主轴自重及其承重

直线伺服系统 高速运动特性和高加速特性,使主轴自重和悬挂 主轴头上 工具电极 加速瞬间发生“超重”或“失重”现象。如 加工时 某瞬时,主轴以a 加速度作快速跳跃运动,则此时质量为m 工具电极 瞬时重力W=m(g+a)。重力 变化必然给系统 驱动造成巨大压力。确保主轴头刚度 同时,兼顾减轻主轴 自重则显 至关重要。具有重量轻、热变形小 人工合成陶瓷材料是实现上述目标 优选材料。但值 注意 是,产品 实用化过程表明,与直线驱动系统相配套 直线导轨 高速响应性及严格对称分布 磁场力,对平滑 驱动和防止滑板受力位移更为重要。位于主轴两侧 一对直线电机和一对直线导轨 位置设计和安置调试工艺必须正确,以达到力 抵消,有利于获 直线度高、平滑性好 驱动。重力 变化对驱动系统 输出力和主轴承重 夹紧力提出了更高 要求。沙迪克公司制造 直线电机系统输出力可达3000N,直线电机 驱动原理与传统 AC电机相同,可迅速完成与CNC软件匹配 设计开发。与直线电机伺服系统相配套 夹具 与传统系统 承重相同 情况下,结构设计更坚固、夹紧力及安全余量更大,可全面适应从最小几微米 细丝电极、窄筋电极至最重50kg大型电极 平滑稳定伺服加工。

(3)固定工作台和XY轴 滑板滑枕结构

电火花成形机 XY十字滑板结构已经历了数十年 实用历程,其运动 机械刚性、控制 方便性已为人们所公认,其结构设计和制造工艺亦业已成熟。,因工件 成形加工是浸泡 工作液里进行,直线伺服系统机床 高速运动特性和高加速特性有可能导致工作液 溢出和飞溅, 不允许机床 工作台移动,这就是固定工作台 原因所 。电火花成形加工 加工伺服是方向可逆 。这与切削伺服 固定方向完全不同。 沙迪克公司 直线伺服机床 XY轴 滑板滑枕结构与数控铣或加工中心等切削机床大相径庭,与某些已商品化 电加工机床 滑板滑枕结构也截然不同。将主轴头与滑板滑枕看作一个刚性整体,它必须具有长宽尺寸大于高度尺寸 合适比例。主轴头座与滑板滑枕间固定面 要有足够 面积,还要有足够 高度。这样才能避免伺服加工时因机械变形而产生 响应滞后(见图6)。滑板和滑枕 双导轨间应有尽可能大 跨度,以到足够 支承距离。沙迪克公司机床 X轴为滑板,Y轴为滑枕,每轴分别有大于1m 导轨跨度,能充分适应固定工作台伺服、跳跃、摇动和轮廓创成功能要求。

4)结论

直线马达,线性马达和直线伺服系统 电火花成形机上应用,使加工工艺 实用指标发生了革命性提高,它代表了电火花加工工艺装备发展趋势。直线电机伺服系统机床商品化和实用化过程中,必须解决一系列难点和完善与之配套相关技术。(信息源来自网络)