摘要：介紹了一種新型的4軸精密電火花成形機，該機床主體結(jié)構(gòu)采用立柱式布置方案，主軸和進給系統(tǒng)分別采用電主軸和直線電機驅(qū)動;機床控制系統(tǒng)采用基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)，工作臺傳動采用半閉環(huán)控制方案，主軸進給采用全閉環(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，國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)展以及直線電機和專家系統(tǒng)的應(yīng)用，使電火花成形機的性能得到很好的提高。我國在這兩方面與國外相比差距很大，現(xiàn)有的單軸數(shù)控電火花成形機不能實現(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、性能優(yōu)越、價格適中的精密數(shù)控電火花成形機。
1精密電火花成形機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
精密電火花成形機的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，機床由底座、立柱、工作臺、主軸和工作液循環(huán)系統(tǒng)等組成。電火花成形機常見的結(jié)構(gòu)布局形式有立柱式和龍門式。立柱式成形運動工作臺實現(xiàn)X軸和Y軸平動，主軸實現(xiàn)Z軸進給運動和旋轉(zhuǎn)運動。龍門式，主軸機構(gòu)安裝在龍門上，龍門實現(xiàn)Y軸平動，主軸在龍門上實現(xiàn)X軸平動和Z 軸進給運動及旋轉(zhuǎn)運動。我們采用立柱式布置，工作液循環(huán)系統(tǒng)相對機床獨立布置。
2精密電火花成形機的運動系統(tǒng)設(shè)計
機床工作臺運動系統(tǒng)通常都采用滾動導(dǎo)軌導(dǎo)向、直流伺服(或步進電機)驅(qū)動，滾珠絲杠傳動，目前，國內(nèi)外的數(shù)控電火花成形機床大多都采用這種傳動方案，在技術(shù)上較成熟�，F(xiàn)有的3軸數(shù)控電火花成形機大多采用的是圖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直接驅(qū)動，主軸進給運動采用滾動導(dǎo)軌導(dǎo)向，直流或交流伺服電機驅(qū)動，滾珠絲杠傳動，帶動溜板進給。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。
近年來，直線電機直接驅(qū)動、電主軸技術(shù)發(fā)展很快，德國、日本等已成功地將直線電機、電主軸應(yīng)用到機床結(jié)構(gòu)中，本設(shè)計采用圖2b所示的方案，主軸進給運動采用THK精密直線滾動導(dǎo)軌導(dǎo)向，西門子直線電機直接驅(qū)動，主軸的旋轉(zhuǎn)由電主軸直接驅(qū)動。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，傳動精度更高，高速運動性能更好。
3精密電火，花成形機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本文設(shè)計的精密電火花成形機控制系統(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)動控制一、脈沖電源控制、放電間隙狀態(tài)檢測與控制、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軸電機控制卡進行4軸電機控制，采用凌華科技的ACL- 8112型多功能DAQ卡進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。國外進口的高精度數(shù)徑電火花成形機一般采用圖4a所示的閉環(huán)控制方案，特點是精度高，但系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)試維修難度大，價格也較貴。
本設(shè)計中，工作臺采用滾珠絲杠傳動，有較高的動精度，綜合考慮經(jīng)濟成本等方面的因素，工作臺的伺服控制采用圖4b所示的半閉環(huán)控制方案，而主軸的伺服控制精度對加工過程有較大影響，因此主軸進給伺服采用全閉環(huán)控制方案，如圖5所示，由于本設(shè)計采用直線電機直接驅(qū)動，減少了中間環(huán)節(jié)，降低了調(diào)試的難度。
4精密電火花成形機的控制軟件開發(fā)
針對控制系統(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、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)置與加工過程控制;系統(tǒng)調(diào)試模塊可進行機床參數(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)
針對模具制造技術(shù)的發(fā)展要求，設(shè)計開發(fā)了4軸精密電火花成形機，該設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡潔、性能可靠、系統(tǒng)可拓展性強等優(yōu)點。
