我国广泛使用的往复走丝电火花线切割机床中, 工作台驱动单元大多采用步进电机系统。由于步进电机自身的原因, 使往复走丝电火花线切割机床加工精度、运行速度与性能的提高受到较大影响,抑制了其发展。伺服电机的应用, 可使机床在加工精度、运行速度及加工过程控制方面有较大的提升空间。
1 步进电机系统与交流伺服电机系统的差异
步进电机系统和交流伺服电机系统在往复走丝电火花线切割机床中的应用差异, 主要体现在控制分辨率、矩频特性、响应速度、运行平稳性及可靠性等方面。
( 1) 控制精度不同: 五相十拍混合式或反应式步进电机, 步矩角一般为0. 36; 而对于带17 位编码器的交流伺服电机, 如宝玛伺服系列中走丝采用的就是日本安川伺服电机系列, 其脉冲分辨率为360/ 217= 9. 89 , 是步进电机的1/ 3 275。
( 2) 低频特性不同: 步进电机低频时易出现振动; 交流伺服电机具有共振抑制功能, 运转平稳, 无振动现象。
( 3) 矩频特性不同: 步进电机的输出力矩随转速的升高而下降, 较高转速时会急剧下降; 交流伺服电机在额定转速内是恒扭矩输出。
( 4) 过载能力不同: 步进电机无过载能力; 交流伺服电机过载能力强, 通常最大转矩为额定转矩的3 倍以上。
( 5) 运行性能不同: 步进电机为开环控制, 启动频率过高会出现堵转和丢步现象, 停止时易过冲; 交流伺服电机为闭环控制, 通过编码器来反馈信号, 进行位置环和速度环控制, 无过冲和丢步, 提高了控制精度。
( 6) 速度响应性能不同: 步进电机响应慢; 交流伺服电机响应快, 一般是步进的百分之几, 最大移动速度是步进电机的数十倍, 甚至更高。
( 7) 和工作台丝杠的联结方式不同: 步进电机由于本身转矩和分辨率的限制, 多少采用齿轮联结 ( 细分电机除外) ; 交流伺服电机往往直联, 减少了传动误差和传动噪声。
( 8) 螺距补偿: 步进电机由于没有状态的反馈信号和反应速度慢, 不好补偿; 交流伺服电机由于有编码器且反应速度快, 可方便地进行螺距补偿, 提高定位精度和重复定位精度。由于定位精度和重复定位精度高, 提高了多次修刀切割后的精度, 并降低了表面粗糙度值, 方便精确地处理拐角。
2 交流伺服电机驱动系统的选择、控制及其参数整定方法
经过对多家交流伺服电机驱动系统的实际应用比较, 松下公司的交流伺服电机及其驱动系统在运行性能和可靠性方面较突出, 特别是其抗干扰能力较强, 可承受电火花放电环境下较强的电磁骚扰。在本公司中高档往复走丝电火花线切割机床中得到较好的应用。
2. 1 交流伺服电机的选择
由于电火花线切割加工是放电加工, 无切削力, 再加上伺服电机的过载能力强, 所以在选择伺服电机功率扭矩的时候, 可从工作台面的重量、负载承重、导轨的形式( 决定摩擦系数) 、最大运动速度等方面计算考虑。根据计算并结合实际使用情况来看,一般DK7763 以下的机床选择750 W 足够了( 以松下A4 系列为例) , 以中惯量、三相电机为好, 额定转矩大于2. 4 Nm, 最大转矩大于7. 1 Nm。
2. 2 交流伺服电机的控制
( 1) 控制模式
交流伺服电机驱动器一般有3 种控制模式: 位置控制、速度控制、转矩控制。电火花线切割机床一般采用位置控制。
( 2) 指令控制方式
交流伺服电机驱动器的指令控制方式一般有3种, 分别是: AB 正交脉冲型、正转脉冲+ 反转脉冲、指令脉冲+ 指令方向
根据往复走丝电火花线切割机床的控制特点,大多选用指令脉冲+ 指令方向类型的控制方式。由计算机内置的控制卡发出脉冲和方向信号, 控制电机正反转和转动的速度、移动量的大小, 从而使驱动工作台按加工要求移动。如图1 所示, 依次连接好伺服驱动器到伺服电机的动力线, 伺服驱动器的U、V、W 对应伺服电机插头的A、B 、C , 相序不能错, 否则通电时电机会生故障报警; 确认伺服驱动器和电机编码器连接正确; 确认伺服驱动器和计算机控制卡信号连接正确。为了提高可靠性, 建议电机编码器线要直达驱动器插头, 中间不要有过渡连接。为了输入电压的匹配和抗干扰, 建议使用380 V/ 200 V 的三相伺服变压器。
( 3) 参数的正确设置在正确连线的情况下, 伺服控制系统能否正常工作, 参数设置至关重要。特别是刚性( 惯量比) 、位置环增益、速度环增益、电子齿轮比、速度环积分时间常数。在不振动和不啸叫的情况, 尽量提高位置环增益和惯量比。位置环相关参数的调整对加工精度影响较大, 速度环相关参数的调整对加工表面粗糙。
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