摘要：介紹了一種新型的4軸精密電火花成形機(jī)，該機(jī)床主體結(jié)構(gòu)采用立柱式布置方案，主軸和進(jìn)給系統(tǒng)分別采用電主軸和直線電機(jī)驅(qū)動(dòng);機(jī)床控制系統(tǒng)采用基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)，工作臺(tái)傳動(dòng)采用半閉環(huán)控制方案，主軸進(jìn)給采用全閉環(huán)控制方案;并開發(fā)了基于 Windows操作系統(tǒng)的控制軟件。
近年來(lái)，國(guó)外電火花成形加工技術(shù)發(fā)展很快，電火花銑削加工、混粉加工、模糊控制、微細(xì)電火花加工等技術(shù)的發(fā)展以及直線電機(jī)和專家系統(tǒng)的應(yīng)用，使電火花成形機(jī)的性能得到很好的提高。我國(guó)在這兩方面與國(guó)外相比差距很大，現(xiàn)有的單軸數(shù)控電火花成形機(jī)不能實(shí)現(xiàn)電火花銑削加工，混粉電火鏡面加工的研究還處于起步階段，模糊控制、微細(xì)電火花加工等還都處于研究階段紐。
為此，我們面向中小型企業(yè)，結(jié)合模具技術(shù)發(fā)展的要求。研究開發(fā)了技術(shù)先進(jìn)、性能優(yōu)越、價(jià)格適中的精密數(shù)控電火花成形機(jī)。
1精密電火花成形機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
精密電火花成形機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，機(jī)床由底座、立柱、工作臺(tái)、主軸和工作液循環(huán)系統(tǒng)等組成。電火花成形機(jī)常見的結(jié)構(gòu)布局形式有立柱式和龍門式。立柱式成形運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)X軸和Y軸平動(dòng)，主軸實(shí)現(xiàn)Z軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。龍門式，主軸機(jī)構(gòu)安裝在龍門上，龍門實(shí)現(xiàn)Y軸平動(dòng)，主軸在龍門上實(shí)現(xiàn)X軸平動(dòng)和Z 軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。我們采用立柱式布置，工作液循環(huán)系統(tǒng)相對(duì)機(jī)床獨(dú)立布置。
2精密電火花成形機(jī)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
機(jī)床工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)通常都采用滾動(dòng)導(dǎo)軌導(dǎo)向、直流伺服(或步進(jìn)電機(jī))驅(qū)動(dòng)，滾珠絲杠傳動(dòng)，目前，國(guó)內(nèi)外的數(shù)控電火花成形機(jī)床大多都采用這種傳動(dòng)方案，在技術(shù)上較成熟。現(xiàn)有的3軸數(shù)控電火花成形機(jī)大多采用的是圖2。
所示的方案，主軸部件安裝在溜板上，采用直流或交流伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，主軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)采用滾動(dòng)導(dǎo)軌導(dǎo)向，直流或交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，滾珠絲杠傳動(dòng)，帶動(dòng)溜板進(jìn)給。這種結(jié)構(gòu)為了承受主軸高速跳躍所產(chǎn)生的沖擊力，采用較粗的滾珠絲杠和較大的軸承，使主軸的重量加大，為了提高主軸的高速性能，選用大功率和高轉(zhuǎn)速的電機(jī)。
近年來(lái)，直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)、電主軸技術(shù)發(fā)展很快，德國(guó)、日本等已成功地將直線電機(jī)、電主軸應(yīng)用到機(jī)床結(jié)構(gòu)中，本設(shè)計(jì)采用圖2b所示的方案，主軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)采用THK精密直線滾動(dòng)導(dǎo)軌導(dǎo)向，西門子直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，主軸的旋轉(zhuǎn)由電主軸直接驅(qū)動(dòng)。去掉了滾珠絲杠及其支承裝置，這樣主軸箱的結(jié)構(gòu)更加緊湊。由于省去了中間部件，減輕了主軸箱的重量，傳動(dòng)精度更高，高速運(yùn)動(dòng)性能更好。
3精密電火，花成形機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本文設(shè)計(jì)的精密電火花成形機(jī)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。方案采用基于工業(yè)PC的開放式數(shù)控，系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)控制一、脈沖電源控制、放電間隙狀態(tài)檢測(cè)與控制、工作液循環(huán)系統(tǒng)控制等部分組成，為了縮短研發(fā)周期，采用固高科技的GT-400-SV型4軸電機(jī)控制卡進(jìn)行4軸電機(jī)控制，采用凌華科技的ACL- 8112型多功能DAQ卡進(jìn)行脈沖電源控制與加工狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集。
伺服精度控制是伺服控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵，在控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，有開環(huán)、半閉環(huán)和全閉環(huán)3種控制形式。國(guó)外進(jìn)口的高精度數(shù)徑電火花成形機(jī)一般采用圖4a所示的閉環(huán)控制方案，特點(diǎn)是精度高，但系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)試維修難度大，價(jià)格也較貴。
本設(shè)計(jì)中，工作臺(tái)采用滾珠絲杠傳動(dòng)，有較高的動(dòng)精度，綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本等方面的因素，工作臺(tái)的伺服控制采用圖4b所示的半閉環(huán)控制方案，而主軸的伺服控制精度對(duì)加工過(guò)程有較大影響，因此主軸進(jìn)給伺服采用全閉環(huán)控制方案，如圖5所示，由于本設(shè)計(jì)采用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，減少了中間環(huán)節(jié)，降低了調(diào)試的難度。
4精密電火花成形機(jī)的控制軟件開發(fā)
針對(duì)控制系統(tǒng)的要求，本文在Windows操作系統(tǒng)下采用虛擬儀器開發(fā)軟件LabWindows/CVI開發(fā)了控制軟件，軟件主體包括用戶管理、工藝管理、系統(tǒng)調(diào)試、幫助等功能模塊。用戶管理模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)用戶的增減與維護(hù)、系統(tǒng)登陸與注銷等管理工作;工藝管理模塊包括加工工藝設(shè)置與加工過(guò)程控制;系統(tǒng)調(diào)試模塊可進(jìn)行機(jī)床參數(shù)的配置及數(shù)控與電源模塊的調(diào)試;幫助模塊包括系統(tǒng)介紹和相關(guān)的幫助文件。軟件主界面如圖6所示。
5總結(jié)
針對(duì)模具制造技術(shù)的發(fā)展要求，設(shè)計(jì)開發(fā)了4軸精密電火花成形機(jī)，該設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、性能可靠、系統(tǒng)可拓展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
