4轴精密数控电火花成形机的设计开发

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摘要：介绍了一种新型的4轴精密电火花成形机，该机床主体结构采用立柱式布置方案，主轴和进给系统分别采用电主轴和直线电机驱动;机床控制系统采用基于PC的开放式数控系统，工作台传动采用半闭环控制方案，主轴进给采用全闭环控制方案;并开发了基于Windows操作系统的控制软件。
: \& ?4 R. L7 U# F- L5 X近年来，国外电火花成形加工技术发展很快，电火花铣削加工、混粉加工、模糊控制、微细电火花加工等技术的发展以及直线电机和专家系统的应用，使电火花成形机的性能得到很好的提高。我国在这两方面与国外相比差距很大，现有的单轴数控电火花成形机不能实现电火花铣削加工，混粉电火镜面加工的研究还处于起步阶段，模糊控制、微细电火花加工等还都处于研究阶段纽。
为此，我们面向中小型企业，结合模具技术发展的要求。研究开发了技术先进、性能优越、价格适中的精密数控电火花成形机。
; k: l/ S, {' k1 p# J1精密电火花成形机总体结构设计
( c- P$ y. q: u6 R# K- F精密电火花成形机的总体结构如图1所示，机床由底座、立柱、工作台、主轴和工作液循环系统等组成。电火花成形机常见的结构布局形式有立柱式和龙门式。立柱式成形运动工作台实现X轴和Y轴平动，主轴实现Z轴进给运动和旋转运动。龙门式，主轴机构安装在龙门上，龙门实现Y轴平动，主轴在龙门上实现X轴平动和Z轴进给运动及旋转运动。我们采用立柱式布置，工作液循环系统相对机床独立布置。

6 l# q5 `9 I& m* P+ F2精密电火花成形机的运动系统设计
机床工作台运动系统通常都采用滚动导轨导向、直流伺服（或步进电机）驱动，滚珠丝杠传动，目前，国内外的数控电火花成形机床大多都采用这种传动方案，在技术上较成熟。现有的3轴数控电火花成形机大多采用的是图2。
所示的方案，主轴部件安装在溜板上，采用直流或交流伺服电机直接驱动，主轴进给运动采用滚动导轨导向，直流或交流伺服电机驱动，滚珠丝杠传动，带动溜板进给。这种结构为了承受主轴高速跳跃所产生的冲击力，采用较粗的滚珠丝杠和较大的轴承，使主轴的重量加大，为了提高主轴的高速性能，选用大功率和高转速的电机。
1 H3 H, d1 T) D6 v# v: U- A近年来，直线电机直接驱动、电主轴技术发展很快，德国、日本等已成功地将直线电机、电主轴应用到机床结构中，本设计采用图2b所示的方案，主轴进给运动采用THK精密直线滚动导轨导向，西门子直线电机直接驱动，主轴的旋转由电主轴直接驱动。去掉了滚珠丝杠及其支承装置，这样主轴箱的结构更加紧凑。由于省去了中间部件，减轻了主轴箱的重量，传动精度更高，高速运动性能更好。

' I$ d, t! v- U. X4 g0 Z! ?3精密电火，花成形机控制系统结构
: F3 \; W$ S% }9 Q5 S& Y) F& q/ @本文设计的精密电火花成形机控制系统总体结构如图3所示。方案采用基于工业PC的开放式数控，系统由伺服驱动控制一、脉冲电源控制、放电间隙状态检测与控制、工作液循环系统控制等部分组成，为了缩短研发周期，采用固高科技的GT-400-SV型4轴电机控制卡进行4轴电机控制，采用凌华科技的ACL-8112型多功能DAQ卡进行脉冲电源控制与加工状态的数据采集。
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伺服精度控制是伺服控制系统中的关键，在控系统的实际应用中，有开环、半闭环和全闭环3种控制形式。国外进口的高精度数径电火花成形机一般采用图4a所示的闭环控制方案，特点是精度高，但系统的结构复杂、调试维修难度大，价格也较贵。

4 f1 j: i; v: x0 f6 I本设计中，工作台采用滚珠丝杠传动，有较高的动精度，综合考虑经济成本等方面的因素，工作台的伺服控制采用图4b所示的半闭环控制方案，而主轴的伺服控制精度对加工过程有较大影响，因此主轴进给伺服采用全闭环控制方案，如图5所示，由于本设计采用直线电机直接驱动，减少了中间环节，降低了调试的难度。
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4精密电火花成形机的控制软件开发
针对控制系统的要求，本文在Windows操作系统下采用虚拟仪器开发软件LabWindows/CVI开发了控制软件，软件主体包括用户管理、工艺管理、系统调试、帮助等功能模块。用户管理模块负责系统用户的增减与维护、系统登陆与注销等管理工作;工艺管理模块包括加工工艺设置与加工过程控制;系统调试模块可进行机床参数的配置及数控与电源模块的调试;帮助模块包括系统介绍和相关的帮助文件。软件主界面如图6所示。
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# ?: V6 j) y0 g- X3 C5总结
针对模具制造技术的发展要求，设计开发了4轴精密电火花成形机，该设备具有结构简洁、性能可靠、系统可拓展性强等优点。
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