臺(tái)一火花機(jī)未來(lái)直線(xiàn)電機(jī)和直線(xiàn)伺服系統(tǒng)的應(yīng)用，使加工工藝的實(shí)用指標(biāo)發(fā)生了革命性的提高，

它代表了電火花加工工藝裝備的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

采用直線(xiàn)伺服系統(tǒng)后，省去了絲杠傳動(dòng)環(huán)節(jié)，奠定了軸高速運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)。加之控制系統(tǒng)采用了

高速的32位計(jì)算機(jī)，使得軸的運(yùn)動(dòng)速度大幅度提高。可在0.0001mm的控制當(dāng)量的條件下使軸的運(yùn)動(dòng)

速度達(dá)到36m/min，這樣的技術(shù)指標(biāo)使得新一代的電火花成形機(jī)兼具了高速度和精加工的綜合條件。

1.全新的加工工藝，突破傳統(tǒng)。

三軸的高速運(yùn)動(dòng)給傳統(tǒng)的電火花成形工藝帶來(lái)了巨大的變革，這種變革不僅僅限于

因高速運(yùn)動(dòng)而縮短了裝夾、校正、精密定位所需的時(shí)間，更重要的是實(shí)現(xiàn)了加工中的高速跳躍

(抬刀)。跳躍(抬刀)是電火花成形加工必不可少的措施，在形狀復(fù)雜或深窄型腔加工中，

不采取跳躍(抬刀)和沖液等措施幾乎是不能加工的。但是跳躍(抬刀)時(shí)無(wú)放電現(xiàn)象，

是電火花加工中的“怠工”現(xiàn)象，影響了加工時(shí)間的利用率。快速跳躍(抬刀)使“怠工”現(xiàn)象

時(shí)間縮短，從而提高了時(shí)間的利用率和加工速度。同時(shí)，高速跳躍(抬刀)也為增加跳躍(抬刀)

幅度創(chuàng)造了條件，使得加工時(shí)放電間隙的流體作用力得到了充分的改善，完全免除了粗加工時(shí)的

沖液處理，并且使加工時(shí)間縮短到原來(lái)的1/2。一個(gè)用快速跳躍免沖液處理的深窄型腔加工

實(shí)例(加工后縱向剖開(kāi))，電極的斷面尺寸為1mm×38mm，電極錐度1°，型腔深度70mm，電極材料為

石墨，兩個(gè)電極。總加工時(shí)間5h，其中粗加工時(shí)間160min，加工后工件表面粗糙度Ra為2μm。

2.穩(wěn)定精加工的，高響應(yīng)速度、高穩(wěn)定加工全面提升

直流伺服系統(tǒng)的電火花成形機(jī)中，直線(xiàn)電機(jī)與滑板形成了一體化結(jié)構(gòu)。因此，滑板的移位

是直線(xiàn)電機(jī)的直接移位，兩者之間無(wú)任何傳遞環(huán)節(jié)。這樣，在伺服運(yùn)動(dòng)中去除了中間環(huán)節(jié)的損失

與響應(yīng)滯后。是直線(xiàn)伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軸的指令位置與實(shí)際位置的對(duì)比關(guān)系，從中可看出，

在電火花加工這種特殊的可逆伺服運(yùn)動(dòng)中，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間僅在毫秒數(shù)量級(jí)。因此，直線(xiàn)電機(jī)的

高速響應(yīng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)交直流伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠的系統(tǒng)相比，提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

3.在電火花加工的精加工過(guò)程中，電極與工件不接觸，它們之間的有效放電間隙

僅十幾微米，傳統(tǒng)的伺服電機(jī)和滾珠絲杠系統(tǒng)在指令脈沖和實(shí)際位置間存在著數(shù)十至上百毫秒的

滯后，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、平滑的伺服并保持較高的精加工放電效率是十分困難的。直線(xiàn)伺服系統(tǒng)的優(yōu)越性

在電火花小間隙精加工過(guò)程中得到了充分的體現(xiàn)。僅數(shù)毫秒的高速響應(yīng)和大于1g的加速性能，

確保了可實(shí)現(xiàn)電火花放電微觀過(guò)程小間隙的持續(xù)性，使精加工脈沖利用率大幅度提高，進(jìn)而使

精加工的加工速度在直線(xiàn)伺服系統(tǒng)的平滑伺服運(yùn)動(dòng)中得到了提高。

4.慢速微進(jìn)給的平滑驅(qū)動(dòng)

電火花成形加工的特點(diǎn)是加工的平均伺服速度緩慢。粗加工時(shí)每小時(shí)進(jìn)給距離只有幾毫米

精加工時(shí)每小時(shí)進(jìn)給距離僅零點(diǎn)幾毫米甚至更慢。這就要求電火花加工伺服具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性

以適應(yīng)頻繁的制動(dòng)、反向和保持工具與工件的微小間隙。進(jìn)而要求系統(tǒng)具有平滑的驅(qū)動(dòng)特性，

且必須解決通常AC電機(jī)的齒槽效應(yīng)所造成的影響。為此直線(xiàn)伺服系統(tǒng)的控制當(dāng)量

和驅(qū)動(dòng)當(dāng)量為0.1μm，同時(shí)在制作直線(xiàn)電機(jī)時(shí)采用了高密稀土類(lèi)永久磁鐵作為磁場(chǎng)材料。在磁體的

分布排列上，采取了錯(cuò)落分布的排列方法，加之采用與電機(jī)性能相匹配的、可對(duì)各相電

流進(jìn)行細(xì)微控制的變頻交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這一系列方法確保獲得最合理的磁場(chǎng)相位關(guān)系和合理的電流

相位關(guān)系，從而最大限度地平衡了直線(xiàn)電機(jī)各相電樞繞組之間的推力，克服了動(dòng)態(tài)負(fù)載和大范圍

速率變化的難題，使齒槽效應(yīng)的不良影響降到了最低，使伺服運(yùn)動(dòng)達(dá)到平穩(wěn)。

5.直線(xiàn)伺服系統(tǒng)配套的相關(guān)技術(shù)

直線(xiàn)伺服系統(tǒng)電火花成形機(jī)的問(wèn)世及其所顯示出的巨大功能潛力，無(wú)疑對(duì)成千上萬(wàn)的

用戶(hù)形成了強(qiáng)大的吸引力，并必然刺激各制造商爭(zhēng)相開(kāi)發(fā)和更新產(chǎn)品以爭(zhēng)奪市場(chǎng)。

但是，直線(xiàn)伺服系統(tǒng)機(jī)床的商品化過(guò)程除必須解決本文前述的有關(guān)技術(shù)難點(diǎn)外，

還必須解決一系列與直線(xiàn)伺服系統(tǒng)配套的相關(guān)技術(shù)。

垂直滑板(Z軸)的重力平衡和鎖軸

因直線(xiàn)伺服系統(tǒng)的高速運(yùn)動(dòng)特性和高加速特性，決定了該系統(tǒng)不能以重錘的方式作為重力

平衡裝置。其原因在于當(dāng)滑板(Z軸)的運(yùn)動(dòng)加速度大于1g的時(shí)候，重錘的自由下落不可能跟蹤滑板

的上升運(yùn)動(dòng)，即失去了平衡作用。因此Z軸平衡裝置采用了氣缸式的機(jī)構(gòu)，

依靠氣缸中的氣壓實(shí)現(xiàn)重力平衡。這一裝置有如下優(yōu)點(diǎn)：機(jī)床處于工作狀態(tài)時(shí)，因氣壓的平衡

裝置對(duì)滑板重力的支承作用，電機(jī)工作在微功耗狀態(tài)，只有在快速跳躍時(shí)，電機(jī)才進(jìn)入到大功率

的運(yùn)行狀態(tài)；氣壓平衡使垂直軸的鎖軸功能可靠化。驅(qū)動(dòng)器失電后，垂直滑板重力瞬時(shí)處于自由

下落狀態(tài)，傳統(tǒng)的電磁鎖軸此時(shí)因動(dòng)作滯后而極易導(dǎo)致滑板的誤移動(dòng)，對(duì)保持位置和加工精度的

影響始終是十分困擾人的，氣壓平衡裝置和氣壓夾緊將使鎖定可靠。

6.主軸自重及其承重

直線(xiàn)伺服系統(tǒng)的高速運(yùn)動(dòng)特性和高加速特性，使主軸自重和懸掛在主軸頭上的工具電極在

加速瞬間發(fā)生“超重”或“失重”現(xiàn)象。如在加工時(shí)的某瞬時(shí)，主軸以a的加速度作快速跳躍運(yùn)動(dòng)

則此時(shí)質(zhì)量為m的工具電極的瞬時(shí)重力W=m(g+a)。重力的變化必然給系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)造成巨大壓力。

因此，在確保主軸頭剛度的同時(shí)，兼顧減輕主軸的自重則顯得至關(guān)重要。具有重量輕、

熱變形小的人工合成陶瓷材料是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的優(yōu)選材料。但值得注意的是，產(chǎn)品的實(shí)用化過(guò)程

表明，與直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相配套的直線(xiàn)導(dǎo)軌的高速響應(yīng)性及嚴(yán)格對(duì)稱(chēng)分布的磁場(chǎng)力，對(duì)平滑的驅(qū)動(dòng)

和防止滑板受力位移更為重要。因此，位于主軸兩側(cè)的一對(duì)直線(xiàn)電機(jī)和一對(duì)直線(xiàn)導(dǎo)軌的位置設(shè)計(jì)和

安置調(diào)試工藝必須正確，以達(dá)到力的抵消，有利于獲得直線(xiàn)度高、平滑性好的驅(qū)動(dòng)。

重力的變化對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出力和主軸承重的夾緊力提出了更高的要求。直線(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理

與傳統(tǒng)的AC電機(jī)相同，可迅速完成與CNC軟件匹配的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。與直線(xiàn)電機(jī)伺服系統(tǒng)相配套的

夾具在與傳統(tǒng)系統(tǒng)的承重相同的情況下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更堅(jiān)固、夾緊力及安全余量更大，

可全面適應(yīng)從最小幾微米的細(xì)絲電極、窄筋電極至最重50kg大型電極的平滑穩(wěn)定的伺服加工。

固定工作臺(tái)和XY軸的滑板滑枕結(jié)構(gòu)

電火花成形機(jī)的XY十字滑板結(jié)構(gòu)已經(jīng)歷了數(shù)十年的實(shí)用歷程，其運(yùn)動(dòng)的機(jī)械剛性、

控制的方便性已為人們所公認(rèn)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝亦業(yè)已成熟。

但是，因工件的成形加工是浸泡在工作液里進(jìn)行的，直線(xiàn)伺服系統(tǒng)機(jī)床的高速運(yùn)動(dòng)特性和

高加速特性有可能導(dǎo)致工作液的溢出和飛濺，所以不允許機(jī)床的工作臺(tái)移動(dòng)，這就是固定工作臺(tái)

的原因所在。 電火花成形加工的加工伺服是方向可逆的。這與切削伺服的固定方向完全不同。

直線(xiàn)伺服機(jī)床的XY軸的滑板滑枕結(jié)構(gòu)與數(shù)控銑或加工中心等切削機(jī)床大相徑庭

甚至與某些已商品化的電加工機(jī)床的滑板滑枕結(jié)構(gòu)也截然不同。如果將主軸頭與滑板滑枕看作一

個(gè)剛性整體，它必須具有長(zhǎng)寬尺寸大于高度尺寸的合適比例。主軸頭座與滑板滑枕間固定面不僅要

有足夠的面積，還要有足夠的高度。這樣才能避免伺服加工時(shí)臺(tái)一火花機(jī)變形而產(chǎn)生的響應(yīng)滯后。

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