《【2017年整理】开题报告(廖鹏-机自07-9)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【2017年整理】开题报告(廖鹏-机自07-9)（14页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、中国石油大学（华东）毕业设计开题报告电火花加工直流伺服电机调速系统的设计学生姓名： 廖鹏学 号： 07131325专业班级： 机自 07-9指导教师： 刘永红 李小朋2011 年 3 月 14 日11 研究的目的及意义作为先进制造技术的一个重要分支，特种加工技术，尤其是电火花加工技术，自 20 世纪 40 年代开创以来，历经半个多世纪的发展，已成为先进制造技术领域不可或缺的重要组成部分。尤其是进人 20 世纪 90 年代后，随着信息技术、网络技术、航空和航天技术、材料科学技术等高新技术的发展，电火花成形加工技术也朝着更深层次、更高水平的方向发展。虽然一些传统加工技术通过自身的不断更新发展以及与
2、其它相关技术的融合，在一些难加工材料加工领域(尤其在模具加工领域)表现出了加工效率高等优势，但这些技术的应用没有也不可能完全取代电火花成形加工技术在难加工材料、复杂型面、模具等加工领域中的地位。相反，电火花成形加工技术通过借鉴其它加工技术的发展经验，正不断向微细化、高效化、精密化、自动化、智能化等方向发展 。电火花加工与切削加工不同，属于“ 不接触加工” 。正常电火花加工时，工件和工具之间有一放电间隙 S。S 过大，脉冲电压击不穿间隙间的绝缘工作液，则不会产生电火花放电，必须使电极工具向下进给，直到间隙 S 等于、小于某一值（一般 S=0.10.01mm,与加工标准有关） ，才能击穿和火花放电
3、。在正常的电火花加工时，工件以 vm 的速度不断被蚀除，间隙S 将逐渐扩大，必须使电极工具一速度 vd 补偿进给，以维持所需的放电间隙。如进给量 vd 大于工件的蚀除速度，则间隙 S 将逐渐变小，甚至等于零，形成短路。当间隙过小时，必须减少进给速度 vd。如果工件工具一旦短路（S=0） ，则必须使工具以较大的速度 vd 反向快速回退，消除短路状态，随后在重新向下进给，调节到所需的放电间隙。这是电火花加工必须解决的问题。由于火花放电间隙 S 很小，且与加工规准、加工面积、工件蚀除速度等有关，因此很难靠人工进给，也不能像钻削那样采用“机动” 、等速进给，2而必须采用伺服进给系统。开展本课题的研究，
4、一方面，有助于将自己本科所学的电工电子学、数字电路、数控技术、电火花加工等机电类专业课程有机的结合起来并加以运用，从而用机电一体化武装自己。直流伺服电机调速系统广泛运用于电火花成型加工机床，在前人成果的帮助下，自己可以对电火花调速系统有更深入的透析和掌握，另一方面，加深了自己对电火花加工这一学科领域前沿的认识。2 电火花加工伺服系统的国内外研究现状对于电火花加工控制系统来说，主轴伺服系统的作用就是通过调节放电间隙的大小，保持放电间隙的一致性，使电火花放电维持在一种最佳状态，以确保加工的稳定进行。主轴伺服系统的性能是电火花加工设备性能优劣的一项重要指标，它直接影响最终的加工效果。与常规机床的伺服
5、系统不同，电火花加工主轴伺服系统必须满足放电加工机理的要求。 （1）追求低速的平稳运行。电火花加工的特点是平均伺服速度慢，工具电极往往以难以察觉的速度进给，粗加工中每小时进给距离只有几毫米，精加工中每小时进给距离仅零点几毫米，甚至更慢。（2）必要的稳定性。电火花加工中的伺服运动是非线性和不连续的，工具电极不断地进进退退，主轴有可能因此发生振荡，无法稳定工作。电火花加工虽无宏观切削力，但如果电极面积较大，抬刀过程中产生的瞬间液压正负压力对伺服系统的干扰极大。（3）足够的灵敏度和快速性。电火花加工放电间隙状态瞬息万变，主轴伺服系统必须能够根据间隙状态进行快速调节。因此，系统的时间常数和传动部分的惯
6、量要小。电火花主轴的伺服系统经历了如下几个发展历程：20 世纪 40 年代前苏联学者拉扎连柯研制出第一台电火花装置（图 1），其主轴主要有重锤和电感线圈组成。通过电容 C 的充、放电，在线圈中产3生磁力与重锤的重力构成平衡，控制电机的进给。进入 20 世纪 60 年代，电火花加工主要运用于锻模型腔的粗、中加工和用来取出折断的丝锥、钻头。由于当时伺服电机的低速性能和扭矩特性不好，需通过提高减速比来实现低速的平稳运行，其减速比可达 1000 以上，故导致机械的传动链过长，使调速范围窄，惯性大、刚度差，灵敏度和精度也较低。20 世纪 70 年代，电液压控制被引入到电火花加工主轴伺服系统中，与此同时，
7、脉冲电源也得到发展，与加工较为精密的冲模提供了可能，用钢冲头作电机直接打凹模成为当时有代表性的加工工艺。电液压式伺服进给机构具有灵敏度高。低速性能好。承载能力打、惯量小等优点，在大中型电火花成型机中得到广泛运用。 图 1：喷嘴-挡板式电液压伺服主轴示意图电液压伺服系统工作原理为：根据间隙检测电路获得电压信号，通过电机对动圈电流大小的调节（定圈接入恒定的励磁电流）实现挡板位置的控制；挡板位置发生改变，上、下油缸的压力差随之改变，驱动电机上下运动。目前电液压伺服已逐渐被各种直流、交流电机伺服所取代。进入 20 世纪 80 年代，数控加工中心取得长足进步，推动了电伺服系统的大发展，电火花加工由此进入
8、数控时代。步进电机具有较好的低速运动特性和较宽的调速范围，开环控制，为4累积误差，有利于实现加工过的自动化和数字化，作为机电一体化的关键产品之一，很快被运用到电火花主轴的伺服控制中尤其在小孔加工机中应用广泛。通常，步进电机的步进角较大，一般为 1.5到 3.0，难易满足精度要求较高的场合，通过软件或硬件对步距细分，可以减小步距角。提高步进分辨率，增强电机的平稳性，能够明显提高步进电机的驱动性能。同时应用到电火花的还有力矩电机，但是由于价格昂贵，应用较少。若启动步进电机的频率过高，会出现无法启动或丢步的现象；若转速过高，停机时会引起电机过冲和超调现象。此时，必须采用一定的控制方法来克服，通常采用
9、加、减速控制解决。随着直流电机控制技术的不断完善，因其调速范围大、平滑、稳定性好，动态性能由于步进电机而取代之，成为电加工机床的主要伺服驱动系统。为了改善加工条件，提高加工的稳定性，微细电火花加工出 Z 轴的伺服控制外，还要加上 C 轴的旋转控制，以避免电弧放电现象。直流电机因其运动的平滑性、稳定性，呗打量运用在电火花机床 C 轴的运动控制中。但是其固有的电刷所带来的一洗脸问题限制了直流电机的应用。在采用高性能的伺服系统后，不管是直流电机还是交流电机，低速性能和调速范围都有了较大的选择余地。采用一定的降速比，使得高速部分能够参与工作，同时降低主轴负载，减少负载扰动对电机的影响。伺服系统的反馈形
10、式出现了半闭环和全闭环两种。半闭环控制从电机获得反馈信号，可以防止发生丢步现象，其结构简单，便于安装调试；全闭环从机床获得反馈信号，能够防止大作用力作用下进给系统弹性变形带来的退让而实现更加精密的位置反馈。传动元件技术的发展对伺服系统也起到有力的推动作用。从最初的齿轮齿条、滑动丝杠到后来的滚动丝杠、滚珠丝杠，极大提高了主轴的伺服性能，使其能够满足精加工、低损耗中精加工、镜面抛光和微细型腔的加工。随着数控技术的发展，国内外的高档电火花加工机床均采用了高性能的直流或交流伺服电动机，并采用直接拖动丝杠的5传动方式，再配以磁尺、光电码盘、光栅等作为位置检测环节，使得机床的进给精度、伺服性能和自动化程度
11、有了很大的提高。采用全数字交流伺服系统配以精密滚珠丝杠可以实现高精度的运动控制，其控制精度可以达到亚微米级，成为当今电火花加工主轴伺服系统的主流。图 2：MG-ED82W 机床内部结构日本松下精工生产的 MG-ED82W 是一种高精度的微细电火花加工机床（图 2），也是目前商业销售中精度最高的微细电火花加工机床之一。其Z 轴采用交流伺服控制系统，C 轴采用直流电机驱动,Z 轴的伺服控制分辨率可达 0.1um；采用 PCD 电极，其加工的表面粗糙度 Rmax 可达 10nm。使用该机床可以加工出直径 5um 的小孔。20 世纪 90 年代中后期以后，随着对数控加工技术要求的不断提高，具有超高速、
12、超精密和快速反应能力的直线伺服进给技术所谓的零传动方式越来越多地引起人们的关注。采用直线电机，省去了中间运动转6换机构，消除了传统机械传动链所带来的一系列不良影响，极大地提高了进给系统的快速反应能力和运动精度，其速度滚珠丝杠副的 30 倍，加速度是滚珠丝杠副的 10 倍。图 3 为滚珠丝杠与直线电机方案的比较。图 3：滚动丝杆与直线电机的比较直线电机给电火花加工带来的最明显的效果就是主轴的高速运动，从而给传统的电火花加工工艺带来了巨大的变革，其最突出的效果就是实现了加工中的高速跳跃（抬刀） 。随着科学技术的发展进步，出现了大量带有微小孔和复杂三维结构的微小零件，这对微细加工技术提出了更高的要求
13、，也对微细电火花加工技术的发展起到了强大地推动作用。精密化、微细化已经成为电火花加工技术的主流之一，微细电火花加工技术为电火花加工技术的一个热点。20 世纪 90 年代出现的电极直接驱动技术，大大拓宽了微细电火花加工技术的研究领域和应用范围，为电火花加工主轴伺服系统开辟了新发展方向。20 世纪 90 年代中后期，日本东京大学的通口俊郎、古谷克司和丰7田工业大学的毛利尚武等人利用压电陶瓷的逆压电效应，先后研制出蠕动式、冲击式、椭圆驱动式 3 种电极直接驱动的微型电火花加工装置，工作原理见图 4 至图 6。此外，对超声直线电机的研究和开发也得到广泛关注，哈尔滨工业大学首次提出并研制了基于双定子驻波
14、线性超声电机的电极直接驱动电火花加工装置。南京航天航空大学较早地开展了微细电火花加工技术的研究，研制出电磁冲击式和压电冲击式小型电火花加工装置。清华大学研制出蠕动式微型电火花加工装置。这些装置的共同特点是不存在中间传动环节，大大提高了传动精度和响应频率。该类电极直接驱动加工装置的进给精度一般可达几十纳米，响应频率可以从几赫兹到 1000 赫兹。图 4：蠕动式电机驱动原理图8图 5：冲击式小型电火花加工机构的动作过程图 6：椭圆驱动式微进给机构原理图2.1 国外伺服系统的开发研究现状无人化、规模化生产对加工设备提出了高速度、高精度、高效率的要求，交流伺服系统具有高响应、免维护(无碳刷、换向器等磨
15、损元部件)、高可靠性等特点，正好适应了这一需求。例如，日本 FANUC 公司、三菱电机公司、安川电机公司、德国 Siemens 公司、AEG 公司、力士乐Indramat 公司、美国 A.B 公司、GE 公司等均先后在 1984 年前后将交流伺服系统付诸实用。国内的交流伺服驱动技术起步较晚，到 20 世纪 80 年代末才有产品问世。如冶金部自动化研究院华腾公司的 ACS 系列、扬州5308 厂引进 Siemens 公司的 610 系列，这些产品采用大功率晶体管模块(GTR)，属于模拟伺服，但从技术上填补了国内空白。进入 20 世纪 90 年代，微电子制造工艺的日臻完善，使得 DSP 运算速度呈
16、几何数上升，达到了伺服环路高速实时控制的要求，一些运动控制芯9片制造商还将电机控制所必需的外围电路(如 A/D 转换器、位置/速度检测倍频计数器、PWM 发生器等)与 DSP 内核集成于一体，使得伺服控制回路采样时间达到 100us 以内，由单一芯片实现自动加、减速控制，电子齿轮同步控制，位置、速度、电流三环的数字化补偿控制。一些新的控制算法如速度前馈、加速度前馈、低通滤波、凹陷滤波等得以实现。另一方面，电力电子技术的发展，使得伺服系统主电路功率元件的开关频率由25kHz 提升到 1520kHz，1GBT(绝缘栅门双极性晶体管 )及 IPM(智能型功率模块)均是这一时代的产物，从而提高了系统的平稳性，降低了系统的噪音。以上两个方面不仅是交流伺服实现数字化的基础，而且使得交流伺服趋于小型化。目前一些工业发达国家的伺服系统生产厂家基本上均能够提供全数字交流伺服系统或者可以与自己的 CNC 系统相配套，如日本FANUC 公司、三菱电机公司、安川
