摘要：闡述了直線電機拖動的電火花成形機的產生背景，分析了直線電機伺服系統的特點，并討論了與之相關的技術問題。
關鍵詞：直線電機；伺服系統；電火花加工
1前言
電火花加工技術經歷了半個世紀的發展歷程，以其獨到的成形性能和以柔克剛的“切削”性能而成為模具加工領域的重要加工手段。但也經歷了一波三折的坎坷歷程，一次又一次受到了來自其他加工手段的沖擊，并且一次又一次地提高和完善，顯示出其強大的生命力。
時值世紀之交，電火花加工技術再一次受到來自以數控加工中心為代表的切削技術的空前猛烈的沖擊。數控加工中心技術在主軸旋轉高速化、刀具材料新型化及機床主體剛度的提高、數控軌跡功能的發展等方面均有進步。這一系列技術進步，使電火花加工技術又面臨著新的挑戰。
以此為契機，日本沙迪克公司率先開發了直線
伺服電機的電火花成形機。這種機床在傳統成熟的電火花加工技術基礎上，又融入了直線伺服系統先進的最新技術，使電火花成形加工的性能有了較大的提高。
在模具成形這一特定的加工技術中，抑制成形加工實用加工速度的最主要原因是復雜形狀所造成的加工狀態惡化。以高運動速度著稱的直線伺服系統用于電火花成形加工的高速跳躍功能，派生了免沖液加工工藝，提高了電火花成形加工的實用加工速度，縮短了電火花成形加工的實用加工時間。
2直線伺服系統的技術特點
采用直線伺服系統后，省去了絲杠傳動環節，奠定了軸高速運動的基礎。加之控制系統采用了高速的32位計算機，使得軸的運動速度大幅度提高。沙迪克公司的AQ系列直線伺服的電火花成形機和LN系列的數控電源，可在0.0001mm的控制當量的條件下使軸的運動速度達到36m/min，這樣的技術指標使得新一代的電火花成形機兼具了高速度和精加工的綜合條件。
(1)全新的加工工藝，突破傳統的工藝指標
軸的高速運動給傳統的電火花成形工藝帶來了巨大的變革，這種變革不僅僅限于因高速運動而縮短了裝夾、校正、精密定位所需的時間，更重要的是實現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)時無放電現象，是電火花加工中的“怠工”現象，影響了加工時間的利用率。快速跳躍(抬刀)使“怠工”現象時間縮短，從而提高了時間的利用率和加工速度。同時，高速跳躍(抬刀)也為增加跳躍(抬刀)幅度創造了條件，使得加工時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的沖液處理，并且使加工時間縮短到原來的1/2。圖1是一個用快速跳躍免沖液處理的深窄型腔加工實例(加工后縱向剖開)，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，兩個電極。總加工時間5h，其中粗加工時間160min，加工后工件表面粗糙度Ra為2μm。
圖1
直線伺服系統的優越性不僅在深窄型腔的加工工藝指標上取得了突破性的進展，而且功能領域也空前拓寬。圖2是一個Y型(三葉型)電極加工深窄型腔的典型加工實例。Y型(三葉型)電極的厚度僅0.25mm，在人們的傳統觀念中，如此形狀的加工具有相當的難度。深度超過10mm被視為禁區，此加工實例的加工深度為40mm，它表明直線伺服系統的實用化，使我們輕而易舉地進入了傳統禁區。
圖2
(2)穩定精加工的保證，高響應速度、高穩定加工的伺服系統
直流伺服系統的電火花成形機中，
直線電機與滑板形成了一體化結構。因此，滑板的移位是直線電機的直接移位，兩者之間無任何傳遞環節。這樣，在伺服運動中去除了中間環節的損失與響應滯后。圖3是直線伺服系統運動軸的指令位置與實際位置的對比關系，從中可看出，在電火花加工這種特殊的可逆伺服運動中，動態響應時間僅在毫秒數量級。因此，直線電機的高速響應系統與傳統的旋轉交直流伺服電機帶動滾珠絲杠的系統相比，提高了一個數量級。
圖3
眾所周知，在電火花加工的精加工過程中，電極與工件不接觸，它們之間的有效放電間隙僅十幾微米，傳統的伺服電機和滾珠絲杠系統在指令脈沖和實際位置間存在著數十至上百毫秒的滯后，實現穩定、平滑的伺服并保持較高的精加工放電效率是十分困難的。直線伺服系統的優越性在電火花小間隙精加工過程中得到了充分的體現。僅數毫秒的高速響應和大于1g的加速性能，確保了可實現電火花放電微觀過程小間隙的持續性，使精加工脈沖利用率大幅度提高，進而使精加工的加工速度在直線伺服系統的平滑伺服運動中得到了提高。
(3)實現精密控制及長期精度保持性的綜合措施
直線伺服系統的運動方式決定了其伺服單元必須采用直線位置反饋元件作為位置檢測環節，這是唯一的方式。因此，直線伺服系統的控制和驅動只可能是一個全閉環的系統，直接檢測滑板的直線移位，其中沒有絲杠的螺距誤差，沒有絲杠和聯軸節的反向間隙誤差，也避免了傳動鏈零件的磨損等干擾因素。直線運動的導向也采用了與直線電機高響應速度相適應的滾動導軌，這些措施的綜合使用，實現了機床的精密控制和長期的精度保持性。
(4)慢速微進給的平滑驅動
電火花成形加工的特點是加工的平均伺服速度緩慢。粗加工時每小時進給距離只有幾毫米，精加工時每小時進給距離僅零點幾毫米甚至更慢。這就要求電火花加工伺服具有優良的動態特性，以適應頻繁的制動、反向和保持工具與工件的微小間隙。進而要求系統具有平滑的驅動特性，且必須解決通常AC電機的齒槽效應所造成的影響。為此，沙迪克公司的直線伺服系統的控制當量和驅動當量為0.1μm，同時在制作直線電機時采用了高密稀土類永久磁鐵作為磁場材料。在磁體的分布排列上，采取了錯落分布的排列方法(如圖4所示)，加之采用與電機性能相匹配的、可對各相電流進行細微控制的變頻交流驅動系統，這一系列方法確保獲得最合理的磁場相位關系和合理的電流相位關系，從而最大限度地平衡了直線電機各相電樞繞組之間的推力，克服了動態負載和大范圍速率變化的難題，使齒槽效應的不良影響降到了最低，使伺服運動達到平穩。
圖4
3與直線伺服系統配套的相關技術
直線伺服系統電火花成形機的問世及其所顯示出的巨大功能潛力，無疑對成千上萬的用戶形成了強大的吸引力，并必然刺激各制造商爭相開發和更新產品以爭奪市場。
但是，直線伺服系統機床的商品化過程除必須解決本文前述的有關技術難點外，還必須解決一系列與直線伺服系統配套的相關技術。
(1)垂直滑板(Z軸)的重力平衡和鎖軸
因直線伺服系統的高速運動特性和高加速特性，決定了該系統不能以重錘的方式作為重力平衡裝置。其原因在于當滑板(Z軸)的運動加速度大于1g的時候，重錘的自由下落不可能跟蹤滑板的上升運動，即失去了平衡作用。因此，沙迪克公司的Z軸平衡裝置采用了氣缸式的機構(如圖5)，依靠氣缸中的氣壓實現重力平衡。這一裝置有如下優點：①機床處于工作狀態時，因氣壓的平衡裝置對滑板重力的支承作用，電機工作在微功耗狀態，只有在快速跳躍時，電機才進入到大功率的運行狀態；②氣壓平衡使垂直軸的鎖軸功能可靠化。驅動器失電后，垂直滑板重力瞬時處于自由下落狀態，傳統的電磁鎖軸此時因動作滯后而極易導致滑板的誤移動，對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。
圖5
(2)主軸自重及其承重
直線伺服系統的高速運動特性和高加速特性，使主軸自重和懸掛在主軸頭上的工具電極在加速瞬間發生“超重”或“失重”現象。如在加工時的某瞬時，主軸以a的加速度作快速跳躍運動，則此時質量為m的工具電極的瞬時重力W=m(g+a)。重力的變化必然給系統的驅動造成巨大壓力。因此，在確保主軸頭剛度的同時，兼顧減輕主軸的自重則顯得至關重要。具有重量輕、熱變形小的人工合成陶瓷材料是實現上述目標的優選材料。但值得注意的是，產品的實用化過程表明，與直線驅動系統相配套的直線導軌的高速響應性及嚴格對稱分布的磁場力，對平滑的驅動和防止滑板受力位移更為重要。因此，位于主軸兩側的一對直線電機和一對直線導軌的位置設計和安置調試工藝必須正確，以達到力的抵消，有利于獲得直線度高、平滑性好的驅動。
重力的變化對驅動系統的輸出力和主軸承重的夾緊力提出了更高的要求。沙迪克公司制造的直線電機系統輸出力可達3000N，直線電機的驅動原理與傳統的AC電機相同，可迅速完成與CNC軟件匹配的設計開發。與直線電機伺服系統相配套的夾具在與傳統系統的承重相同的情況下，結構設計更堅固、夾緊力及安全余量更大，可全面適應從最小幾微米的細絲電極、窄筋電極至最重50kg大型電極的平滑穩定的伺服加工。
(3)固定工作臺和XY軸的滑板滑枕結構
電火花成形機的XY十字滑板結構已經歷了數十年的實用歷程，其運動的機械剛性、控制的方便性已為人們所公認，其結構設計和制造工藝亦業已成熟。
但是，因工件的成形加工是浸泡在工作液里進行的，直線伺服系統機床的高速運動特性和高加速特性有可能導致工作液的溢出和飛濺，所以不允許機床的工作臺移動，這就是固定工作臺的原因所在。
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。因此沙迪克公司的直線伺服機床的XY軸的滑板滑枕結構與數控銑或加工中心等切削機床大相徑庭，甚至與某些已商品化的電加工機床的滑板滑枕結構也截然不同。如果將主軸頭與滑板滑枕看作一個剛性整體，它必須具有長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因機械變形而產生的響應滯后(見圖6)。
圖6
滑板和滑枕的雙導軌間應有盡可能大的跨度，以得到足夠的支承距離。沙迪克公司機床的X軸為滑板，Y軸為滑枕，每軸分別有大于1m的導軌跨度，能充分適應固定工作臺的伺服、跳躍、搖動和輪廓創成的功能要求。
4結論
直線電機和直線伺服系統在電火花成形機上的應用，使加工工藝的實用指標發生了革命性的提高，它代表了電火花加工工藝裝備的發展趨勢。
在直線電機伺服系統機床的商品化和實用化過程中，必須解決一系列難點和完善與之配套的相關技術。
