（机械制造及其自动化专业论文）基于直线电机的微细电火花加工伺服控制系统.pdf

堕玺篓三些奎兰三兰堡圭丝圣 摘要 微细异型孔电火花加工在纺织行业有着广泛的应用，而精密进给装置及 其控制是微细电火花加工的核心技术之一，其性能好坏直接影响加工过程的 稳定性和生产率。而目前的进给控制系统在硬件和控制策略等方面都存在着 不足，因而研制一套可靠、高速的伺服进给硬件处理电路以及适应性强的控 制算法具有重要的意义。 为了满足快速发展的精密高速加工技术对进给运动的需求，机床迸给运 动开始采用直线电机零传动这一新型的进给传动方式。与滚珠丝杠进给系统 相比，直线电机进给系统具有机械结构简单、速度高、加速度大、响应速度 快以及定位精度高等优点，是机床进给传动方式的一场革命，正得到日益广 泛的运用。基于直线电机的优点，本系统采用直线电机作为机床的进给单元。 本系统采用d s p 作为直线电机伺服控制系统的核心处理器。d s p 是用于 数字信号处理的芯片，近年来发展迅速，以其优越的性能在越来越多的领域 中得到应用。其在数据处理速度、数据吞吐量、片内资源等方面都有着单片 机无法相比的优势。以d s p 作为核心处理器来设计微细电火花小孔成型机的 伺服进给控制系统，可以提高系统的实时性，为采用先进的控制理论及控制 算法提供充分的处理速度保证。 本文先综述了国内外直线电机在机床上的应用现状，分析了微细电火花 小孔成型机采用直线电机的优点，并对直线电机伺服进给控制系统的部分硬 件电路进行了分析与设计介绍，选择t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片作为系 统的核心处理器，控制算法上经过比较采用了p i d 控制，在此基础上建立出 了微细电火花小孔成型机的伺服进给控制系统。在本文的最后一章还建立了 直线运动单元的传递函数，并通过m a t l a b 进行仿真，找出合理的p i d 控 制参数，使系统能获得较好的动态性能和稳态性能指标。并将仿真与实验结 合起来，理论指导实践，使控制系统有良好的性能指标。 关键词微细电火花小孔成型机；直线电机；p i d 控制；d s p 兰玺鎏三些奎耋三兰堡圭丝兰 a b s t r a c t t h em i c r os e c t i o ng r o o v ee l e c t r i cs p a r kf o r m i n g m a c h i n i n g i sw i d e l yu s e di n t e x t i l ei n d u s t r y a n dt h ep r e c i s ef e e du n i ta n di t sc o n t r o ls y s t e mi so n eo fc o r e t e c h n o l o g yi nm i c r oe l e c t r i cs p a r km a c h i n i n gf i e l d ，i t sp e r f o r m a n c ea f f e c t st h e s t a b i l i t yo fp r o g r e s sa n dp r o d u c t i v i t yd i r e c t l y b u ts e r v o - c o n t r o l l i n gs y s t e me x i s t s h o r t a g e s i nt h ea s p e c to fh a r d w a r ea n dc o n t r o l l i n g s t r a t e g yn o w , s oi t h a s i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et o r e s e a r c ha n dd e v e l o pas e to fr e l i a b l eh a r d w a r ea n d a d a p t i v ec o n t r o l l i n gs t r a t e g y i no r d e rt om e e tr e q u i r e m e n t so ft h er a p i d d e v e l o p i n gh i g hs p e e dc u t t i n g t e c h n o l o g y f o r h i g hv e l o c i t y f e e d ，an e w - f a s h i o n e d “z e r o - t r a n s m i s s i o n f e e d s y s t e m d r i v e n b y l i n e a rm o t o rh a db e e n d e v e l o p e d c o m p a r e d w i t ht h e c o n v e n t i o n a lb a l l - s c r e wf e e ds y s t e m ，l i n e a rm o t o rf e e ds y s t e mh a so u t s t a n d i n g c h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha ss i m p l es t r u c t u r e ，h i g hs p e e d ，h i g ha c c e l e r a t i o na n dh i g h p o s i t i o na c c u r a c y i ti s t h er e v o l u t i o no fm a c h i n et o o lf e e ds y s t e ma n dw i l lb e u s e dm o r ea n dm o r ew i d e l y b a s e do nt h e s em e r i t so fl i n e a rm o t o rr e f e r r e d p r e v i o u s ，t h i ss y s t e ma d o p tl i n e a r m o t o ra st h ef e e dm o v e m e n tu n i to fe d m s h a p i n g m a c h i n e a st h ec o r ep r o c e s s o ro f l i n e a rm o t o rs e r v o - c o n t r o ls y s t e m ，a d o p td s pi nt h e s y s t e m d s pi sd e s i g n e df o rd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，i ti sq u i c k l yd e v e l o p e d i n r e c e n ty e a r s ，a n di ti su s e di nm a n yf i e l d s d s ph a sa d v a n t a g e si nt h ea s p e c to f p r o c e s s i n gs p e e d ，d a t ac a p a b i l i t y a n dr e s o u r c e si n c h i p s oa d o p td s p a st h e p r o c e s s o r ，i tc a n e n s u r es u f f i c i e n tp r o c e s s i n gs p e e d ，a n ds u p p l ys u f f i c i e n c ys p e e d a s s u r a n c ef o r i m p l e m e n t a d v a n c e dc o n t r o l a l g o r i t h m a n da d v a n c e dc o n t r o l t h e o r y t h i sa r t i c l ef i r s ts u m m a r i z e dt h ea p p l i c a t i o no f l i n e a rm o t o ro nm a c h i n ei n h o m ea n da b r o a d ，a n a l y s i st h em e r i t so fa d o p tl i n e a rm o t o ri nm i c r oe d m m i n i p o r es h a p i n gm a c h i n e ，i n t r o d u c ea n da n a l y s i st h eh a r d w a r ec i r c u i t so f t h e l i n e a rm o t o rs e r v of e e d i n gc o n t r o ls y s t e m s e l e c tt h es l u gt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 w h i c h i sp r o d u c e db yt ic o m p a n ya st h ec o r ep r o c e s s o ro ft h el i n e a rm o t o rf e e d i n g s e r v o c o n t r o l s y s t e m c o m p a r i n g t h e a l g o r i t h m w ec h o o s et h e i n t e g r a l s e p a r a b l e t y p ep i da st h ec o n t r o la l g o r i t h mo f t h es y s t e m b a s e do nt h e s e ，w e i l - 篁玺鎏三些查兰三：堡圭篁圣 e s t a b l i s ht h es e r v o - c o n t r o ls y s t e mo ft h em i c r oe d m m i n i p o r es h a p i n gm a c h i n e i nt h el a s t c h a p t e ro ft h ea r t i c l e ，e s t a b l i s ht h et r a n s f e rf u n c t i o no ft h el i n e a r m o t i o nu n i t ，a n de m u l a t i o nb ym a t l a b ，t r yt of i n dt h e o p t i m a lc o n t r o l l i n g p a r a m e t e r so fp i d s ot h es y s t e mw i l lg a i nb e t t e rd y n a m i c s t a t eb e h a v i o ra n d s t e a d y - s t a t e b e h a v i o r c o m b i n et h ee m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t t h e o r yg u i d e e x p e r i e n c e i no r d e r t og a i nb e t t e rp e r f o r m a n c ei n d e x k e y w o r d sm i c r oe d mm i m p o r es h a p i n gm a c h i n e ，l i n e a rm o t o r , p i dc o n t r o l d s p 。i i i 哈尔滨工业大学工学硕士论文 1 1 引言 第1 章绪论 自从1 9 4 3 年前苏联学者拉扎林科夫妇( l a z a r e n k o ) 创造性的将电火花放 电的腐蚀作用用于生产实践中以来【lj ，经过半个多世纪的发展，电火花加工 技术已经成为现代制造技术领域不可或缺的一个重要组成部分，并在难切削 材料加工领域以及各种复杂型面的加工领域( 如模具制造领域) 发挥着不可 替代的作用。电火花加工技术能够得到如此迅速的发展，是与世界各国的电 火花加工技术研究工作者的不懈努力与不断的创新分不开的。上个世纪5 0 年代发展起来的电火花线切割加工工艺就是电火花加工技术的创新性应用成 果之一，利用线切割加工工艺使电火花穿孔加工避免了需要制作复杂形状电 极的麻烦，使电火花的加工效率得到大幅度的提高【2 】。2 0 世纪7 0 年代中期， 数控技术开始引入电火花加工技术当中1 5 】，使模具的加工效率进一步得到提 高。自2 0 世纪8 0 年代后，电火花铣削加工技术进一步发展起来，电火花铣 削加工技术的出现被称为电火花加工技术发展史上的一个重要的里程碑1 6 j ， 它给传统电火花成型加工带来了巨大的变化。这是因为电火花铣削加工省去 了成型电极的设计与制造过程，大大地简化了电火花加工的工艺流程，从而 提高了电火花加工对多变市场的快速响应能力。 进入上个世纪末期，由于电子技术以及计算机技术的飞速发展，各种新 兴技术在电火花加工技术领域的应用也进一步促进了电火花加工技术的迅速 发展。高速计算机以及新兴电子技术的应用在进一步提高电火花加工效率的 同时也进一步提高了电火花的加工精度。如当前的电火花线切割加工最大的 切割速度可达5 0 0 m m 2 m i n ，最佳表面粗糙度达r a 0 1 0 2 1 t m ，加工尺寸精度 可控制在几个微米之内，高速走丝电火花线切割机还能稳定切割1 米的超厚 工件【3 1 。与此同时，人们也不断突破电火花加工技术的各种传统禁区，并进 行各种大胆的新尝试，使电火花加工技术进入了新一轮的创新发展阶段。 这些创新是多方面的，总体上讲，从工具电极、加工介质、加工对象到 电极驱动机构等各方面都有诸多的创新发展。这些创新主要表现在突破了许 多传统观念的束缚，产生了一系列新的加工方法。这些新的加工方法主要表 现为以下几个方面。在加工介质方面人们研究发现，电火花加工不仅可以在 堕玺鎏王兰尘耋三兰堡圭竺耋 绝缘工作液中进行，还可以在气体中进行【7 】，这样一来就避免了油工作液存 在的火灾隐患，可以实现无人值守加工，并不会产生有害气体，彻底解决了 废液处理的问题；在提高电火花加工表面质量方面，人们研究出了混粉工作 液电火花加工技术，使电火花加工的表面质量可达到镜面加工的效果【4 1 ；在 加工领域的拓展方面，人们研究发现电火花加工不仅可以用于材料的去除加 工，还能进行材料的表面改性处理，通过液中放电表面改性处理技术处理后 工件的表面硬度明显提高，并且处理后工件表面的耐磨性比没处理的表面要 高得多：在加工材料方面，电火花加工也不仅局限于对导电材料进行加工， 也可以对非导电材料进行加工，在这方面人们利用辅助电极法实现了对绝缘 陶瓷材料的电火花加工陋j ：在加工尺度范围上，电火花加工技术也已进入微 细加工领域，并且由于其自身的特点决定了其在微细加工领域的独特优势， 因此极具发展前景。微细电火花加工技术同时也是本文研究的熏点，本章后 面部分的内容将对其进行介绍。 1 2 国内外发展概况 1 2 1 微细电火花加工技术的发展 电火花加工饵d m ) 是利用火花放电腐蚀金属以实现金属切削的加工方 法。2 0 世纪6 0 年代起，人们开始利用电火花加工在化纤喷丝板上进行微细 孔的加工试验，并获得成功。随后电火花加工也逐步在光导纤维联接器微细 孔、喷墨打印机的出墨嘴、原子反应器控制阀的微细孔等微细孔类及轴类零 件加工中得到应用。9 0 年代后，随着微机电系统( m e m s ) 技术的蓬勃兴起和 现代电力电子技术的发展【9 】，尤其是线电极电火花磨g i | ( w e d g ) 技术的逐步成 熟与应用，成功的解决了微细电极的在线制作，使得微细电火花加工 ( m i c r o e d m ) 技术进入了实用化阶段，一些国际著名的电加工机床生产厂家 相继推出了商品化的微细电火花加工机床。 如日本牧野公司采用电火花车削得到垂2 0 a m 、长5 0 0 a m 的电极，加工 出直径为3 2 6 3 3 0 u m 的小孔，工件为硬质合金，厚7 0 4 p , m ，加工时间3 m i n 。 目前，瑞士、荷兰、日本以及美国等国家在研究及应用电火花微细加工工艺 上达到了较高的水平。荷兰菲利普制造技术中心在厚度为2 0 1 t m 的金属铂片 上加工直径小至中2 0 肛m 的精密微细孔，孔边不规则尺寸小于0 2 p m ，不圆度 小于o 4 u m ，满足电子显微镜的光栏部件上微孔的要求。日本东京大学增泽 里玺鋈三兰盔兰玉兰堡圭丝兰 隆久教授等已可加工出直径2 5 肛m 的微细轴和直径为5 9 m 的微细孔，如图 1 1 所示，代表了当前这一领域的世界前沿。随着微型机械的发展，微细电 火花加工技术的研究还拓展到了三维微细结构的加工中。日本松下公司制作 出了分度圆直径3 0 0 9 m ，齿高5 0 i _ t m 的微型齿轮及5 9 m 宽、1 5 0 v t m 长的微槽。 美国o p t i m a t i o n 公司加工出微型气动、光学器件和高能激光光圈等【1 0 1 ，并将 其应用到航空航天及医疗等微型机械中。在硅微细加工方面，微细电火花加 工也显示出了良好的潜力，如可在6 5 0 9 m 厚的硅片上加工出3 0 x m 宽的窄线。 图1 - 1 * 5 i t m 微小孔和0 2 5 1 x m 微细轴 f i g 1 - 1m i c r o h o l e ( 中5 9 m ) a n d m i c r os h a f t ( 0 2 5 v _ f n ) 国内对微细电火花加工的研究，大都结合实际生产的需要，集中在小孔 加工上面，比如喷油嘴电火花d , 孑l n 工、喷丝板异型孔加工。2 0 世纪9 0 年 代以来，国内对微细电火花加工技术的研究更为活跃，也取得了些成果。 机械工业部北京机床研究所开发的电火花小孔加工专用机床，采用反拷模块 法加工微细电极，可以稳定地加工直径0 1 0 0 i t m 的微细孔。中国纺织大学采 用超声电火花复合加工法，可以加工数十微米的微细孔，加工效率也较高【l ”。 南京航空航天大学起步较早，研究也比较系统，首次在国内加工出m 1 9 u m ， 深径比为3 1 的微细孔。清华大学近年来开始了微细电火花加工的研究，应用 w e d g 法加工出了0 4 0 1 a m 的孔和槽。山东工业大学在微细电火花加工电源 方面也做了很多的研究工作。哈尔滨工业大学特种加工研究所也在这方面做 了许多研究工作，采用自主开发的微细电火花加工装置上加工出来了巾4 5 9 m 的微细轴与m 8 m 的微细孔，如图1 - 2 所示，接近当前的国际先进水平。其 它的微细电火花加工系统在这里就不一一介绍了。 微细电火花加工技术所取得的研究成果，显示出其在微细轴、微细孔加 工及微三维结构制作方面的潜力无疑是十分巨大的。现代制造技术发展的一 大趋势就是寻求固有制造技术的自身微细加工极限，作为一种经济实用的微 竺玺鎏三些查兰三兰罂圭篁兰 细加工技术，微细电火花加工技术己经成为微细加工领域的热点研究内容之 一，成为整个微型机械制造领域的一个重要研究方向，具有重大的理论意义 和实际应用前景，受到了国内外的广泛重视。 图1 - 20 4 5 p r o 微细轴和o s o m 微细孔 f i g 1 2m i c r os h a f t ( 中4 5 岬) dm i c r oh o l e ( 0 8 岬) 1 2 2 微细电火花加工机床驱动控制系统的发展 近些年来，电火花成型加工机床及其控制系统在智能技术、自动化技术、 网络技术等方面有迅猛地发展，并且从加工精度、加工工艺、加工速度等性 能方面有非常明显地提高。国内生产的电火花成型加工机床主轴控制系统大 多数为低速、精度不高的低档产品，尤其是将永磁直线电机作为执行机构， 进行高速电火花加工的几乎没有。其中北京高维达公司利用夏米尔公司的技 术在单轴数控火花机开发中遥遥领先，苏州三光沙迪克公司已将低速电火花 加工机床形成3 2 ，2 5 系列产品。 国外的电火花成型加工机床产品在各个方面都有显著的优势，例如瑞士 夏米尔公司的r o b o f o r m3 5 p 成型机根据加工要求，配以稳定可靠的支撑 硬件，以及在实验室和生产验证中生成的工艺数据库和计算方法软件，为加 工机床形成套有标准组合和控制技术的专家系统。瑞士阿奇公司的 e x c e l l e n c e 成型机利用光栅尺全闭环系统、热平衡及窄脉冲高峰值电源， 可以达到3 “m ( 相对名义1 5 p r o ) 的加工精度i l 。日本沙迪克公司的a q 系列电火花成型加工机床利用永磁直线电机，使其具有l g 以上的加速度和高 速精密加工窄深槽的能力，如果环境完美的话，a q 系列机床的加工精度可 达2 9 m ，a p 系列有可能到l 岫以下。 在机床用直线电动机的研究和制造方面，美国的a n o r a 公司是世界上 一_ 罩 堕堡鋈三些查兰三兰堡圭篓塞 最著名的直线电动机生产商，其生产的永磁同步式直线电动机，形成了不同 结构，不同功率的一系列产品。广泛应用于各种领域。美国k o l l m o r g e n 公司是世界上著名的工业运动控制生产商，它生产的大推力直线电动机的推 力高达9 0 0 0 0 n ，并具有特殊的反齿槽效应措施，高频晌直线电动机的截止频 率大于3 0 0 h z 。日本的f a n u c 公司利用美国a n o r a d 公司的转让技术，成 功地生产出动子最高移动速度为1 2 0 - 2 4 0 m r a i n ，最大推力为9 0 0 0 n 的永磁直 线电动机。国内研究直线电动机的单位不少，但将直线电动机作为机床或加 工中心进给系统研究的主要有3 所大学：广东工业大学主要研究的是直线感 应电动机，最高进给速度1 0 0 m m i n ，行程8 0 0 m m 。沈阳工业大学在9 0 年代 中期，就制造了推力为2 0 0 n 的永磁直线电动机，并对直线电动机的控制策 略进行了广泛地研究l l9 1 。清华大学在高频晌直线电动机的研制方面处于国内 领先水平，其高频响直流直线电动机的截止频率可大于2 5 0 h z 。 总的看来，虽然国内在机床用直线电机的研究方面，取得了很大的进步， 但是与国外的先进技术水平相比，有比较大的差距。 1 2 _ 3 微细电火花加工机床的最新研究与进展 现代制造技术已经是一个国家经济发展重要手段之一。发达国家十分重 视现代制造技术的水平和发展，利用它进行产品革新、扩大生产和提高国际 经济竞争能力。而作为现代制造技术的一个重要分支，微机械制造技术及其 工作母机的开发与研究受到经济发达国家高度的重视。如今国外的微细电火 花加工已步入工业应用阶段，微细电火花加工专用机床也应运而生，日本松 下精机、瑞士夏米尔、阿奇、美国麦威廉斯等公司都有较成熟的产品，其中 以日本松下精机的产品性能最优，该产品能加工巾5 岬的微孔，代表着这一 领域的前沿【1 3 , 1 4 。 为了迸一步提高零件的加工及装配精度，类似于加工中心的精密多功能 微细电火花加工机床受到青睐。在这种加工机床上，从微细电极的制作到微 细零件的加工，电极只需一次装夹，因此减小了多次装夹电极所带来的安装 误差，并且可以通过对电极的重新加工来修正机床的系统误差和电极损耗后 的形状误差，从而提高零件的加工精度。在这种多功能电火花加工机床上， 可实现电火花线电极磨削加工、电火花复杂形状微细孔加工及电火花铣削加 工等功能，配以多轴联动技术，即可实现复杂的微细电火花三维型体加工i t 6 。 因微细零件重新装夹、定位困难，还可根据工作需要，将电化学加工、电铸 哈尔滨工业大学工学硕士论文 加工、甚至微细切削加工、微机电系统的在线测量、装配、调试等集于一体， 从而构成一个微机电系统的柔性制造中心。 图1 - 3 ( a ) 是日本松下精机生产的m g - e d 8 2 w 型精密微细电火花加工机 床实物照片，m ) 是其加工出的样件，该机床代表了目前微细电火花加工领域 的前沿。图1 - 4 是瑞士s a r i x 公司生产的s x - 2 0 0 微细电火花加工机床及其加 工的一些样件照片【l5 1 ，该机床具有多轴联动功能，能加工的材料广泛，并且 能进行微缅成形模具和异形孔的加工等。 a1m g e d 8 2 w 机床照片 b ) m g e d 8 2 w 机床加工的样件 图1 - 3 日本松下精机生产的m g - e d 8 2 w f i g 1 3m g e d 8 2 wm a d eb yp a n a s o n i cc o m p a n y , j a p a n 曲s x 一2 0 0 机床图片b ) s x - 2 0 0 机床加工样件 图1 4 瑞士s a r i x 生产的s x 2 0 0 微细电火花加工机床9 1 1 f i g 1 4s x 2 0 0m i c r o e d mm a c h i n em a d eb ys a r i x qs w i t z e r l a n d 刚 墼玺鋈三些奎耋三兰堡圭丝兰 1 3 课题研究目的和意义 微细电火花加工是电火花加工中的重要发展方向之，在工业及国防工 业中有着举足轻重的地位。为了保证加工工件的形状精度和加工表面粗糙度， 除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应性，即要求跟踪指 令信号的响应要快：由于被加工零件的材质及加工要求的不同，为保证在任 何情况下都能得到最佳的加工质量，就要求进给驱动系统具有宽的调速范围， 高的驱动能力、快速进给速度。 在许多工业领域中，被控对象的运动路径往往都是直线轨迹运动形式， 本课题所研究的应用在微细电火花成型机床中的伺服进给驱动系统就是一个 典型的例予。但遗憾的是，由于直线运动驱动器没有得到充分的发展，尽管 当前世界先进的交直流伺服( 旋转电动机) 系统性能已大有改进，但这种借 助于旋转电机的旋转运动加上机械变换环节而获得最终的直线运动的方式具 有“间接”的性质i l ”。由于受到传统的机械结构( 即旋转电机+ 滚珠丝杠等中 间环节) 进给传动方式的限制，这种方式中的有关伺服性能指标( 特别是快 速响应性) 难以突破和提高。如果驱动器能给被控对象提供直线运动形式的 推力，那么两者在运动形式上直接匹配一致，就省去了中间的变换环节，直 线电机就有这种特性【2 0 l 。 众所周知，表面质量和尺寸精度是微细加工的重要的指标。在微细电火 花加工中，表面质量主要与微能脉冲电源性能有关，尺寸精度则与机械系统 的性能有关。微细电火花加工对机械系统的要求比普通电火花加工更高，主 要体现在进给精度、运动的灵敏度和振动等方面。由于微细电火花加工的工 具电极尺寸较小，由于伺服运动引起的振动，会直接引起电极的振动，振动 幅度的变化是影响尺寸精度的一个原刚 】。在传统的“旋转电机+ 滚珠丝杠” 进给传动方式中，由于机械的磨损，传动间隙和摩擦力都变大，系统的不灵 敏区也变大，同时伺服运动引起的振动也会增大。实践证明，使用一段时间 后的机床的尺寸精度大大降低。为此，需要一种新型的传动系统。直线电机 直接驱动系统，具有结构简单、动态响应快、速度和加速度大、精度高、振 动和噪声小等一系列优点，是微细电火花加工机床的理想传动方式。 1 4 课题来源 本课题是与某纺织单位的合作项目，研制微细电火花成型机床上的喷丝 啥尔滨工业大学工学硕士论立 板异型孔加工的伺服控制系统。在纺织工业中，对于相同化纤材料纺成的纺 织品，在弹性、透气性、保暖性等许多方面有着很大的区别。这是因为化纤 纺织品是由不同形状的化纤细丝纺织而成的，而不同形状的化纤细丝j 下是化 纤原料在高温高压下经过喷丝板的微小异型孔后冷却形成的。近年来，随着 对化纤制品性能要求的不断提高，喷丝板微小异型孔的形状也越来越复杂， 从而使得喷丝板微小异型孔的加工变得更为困难。 近年来出现了许多新的微细加工方法，如激光加工技术和l i g a 技术。 其中l 1 g a 技术在加工微结构型腔方面成为一种主流的加工方法。l i g a 技术 是利用x 射线光刻、电铸成形和塑料铸膜等手段进行操作的一种新技术f l 扪。 但经过比较来看，激光加工与l i g a 加工方法虽然可以获得较高的加工精度， 但是其较高的成本与较低的加工效率使得这两种加工方法在实际生产中很少 使用，而电火花加工与前两种加工方法相比，可以加工深度比较大的异型孔， 且加工精度和加工效率较高，加工成本低廉，因而在实际生产中得到广泛的 应用。 1 5 本课题研究的主要内容 目前的电火花成型机床喷丝板加工进给控制系统在硬件和控制策略等方 面都存在着不足，加工效率和精度也不是很理想。因而研制一套可靠、高速 的伺服进给硬件处理电路以及适应性强的控制算法具有重要的意义。其中机 床的z 轴采用直线电机控制。 在掌握伺服控制系统的控制策略和直线电机的原理等相关知识后，建立 基于d s p 的直线电机数字伺服系统：( 1 ) 对伺服控制系统的部分硬件电路进 行设计。( 2 ) 研究传统伺服进给系统特点，应用电机控制理论，编制程序， 建立基于d s p 直线永磁同步电动机位置伺服系统。( 3 ) 仿真与实验，找出最 佳的控制参数。( 4 ) 机床加工零件实验。 堕玺篓三兰銮耋三耋塑圭篓兰 第2 章直线电机在电火花机床上的应用及其控制 2 1 电火花成型加工机床采用直线电机的特点分析 半个世纪来，机床的进给驱动技术虽然历经变化，但基本的传动形式仍 然是“旋转电机+ 滚珠丝杠”，随着高速加工技术的发展，传统驱动方式的缺 点暴露无疑：由于中间传动环节的存在，使系统的刚度降低，位移响应变慢， 放大倍数又受到系统稳定性的制约，高速加工时的轮廓精度受到限制，最大 进给速度受到限制。直线电机的出现弥补了传统传动方式的不足【2 ”，其具体 体现在：高速响应性、高精度性，传动刚度高、推力平稳，速度快、加减速 过程短，行程长度不受限制，运行时噪声低、效率高等。 直线电机应用于电火花成型加工机床的必要性在任何时代，对提高模具 的加工品质、速度、精度以及缩短交货期的要求，都是一项重要课题。利用 直线电机作为电火花成型加工机床的伺服执行机构比传统的“旋转电动机+ 滚珠丝杠”方式有以下些突出优势： ( 1 ) 稳定的放电间隙。直线电机驱动的机床能使加工废屑和焦油有效地 排出，可获得稳定的放电间隙，另外，因放龟状态稳定，避免因二次放电引 起的电极异常损耗，延长了电极的寿命。它不再依赖操作者个人经验，只要 在同样的条件加工，就能实现稳定的加工精度和质量，算出准确的加工时间。 ( 2 ) 高加工精度。由于直线电机本身是一个直线驱动体，没有丝杠间隙 或扭曲的影响，所以，不存在像以往传统的间接驱动方式那样，在改变运动 方向时所产生的损失。另外工具电极能直接安装在电机的主体上，并可以把 两者的动作视为一个整体，这能使电极及时准确她跟踪控制器发出的实时指 令，因此，用永磁直线电机进行直接驱动的电火花成型加工机床，可实现高 响应性和精确的位置控制。 ( 3 ) 高速、高效的微细加工。在电火花成型加工中，直线电机能最大限 度发挥其高加速度的特点。高加速度可以提高工具电极的跳跃速度，使加工 液的流入量( 流出量) 及流速提高，实现更加有效的搅拌、混合作用。由于 在电火花加工过程中，抬刀、跳跃和排屑时间占总加工工时的6 0 - 8 0 ，直 线电机的高速和高加速性能，可使机床加工效率提高4 0 6 0 。 ( 4 ) 无冲液加工。从电火花成型加工形态的工艺来看，如果加工屑的排 堕查堡三些奎耋三兰堡圭篁苎 除效率变差或加工屑被滞留时，就难免产生异常放电，最终导致加工不能进 行下去a 永磁直线电机可以产生1 9 以上的加速度，利用其高加速度产生的抽 吸作用，使存在于电极与工件之间的加工屑、焦油以及废气等残留物有效地 排出，实现了无冲液深加工。它不会产生像传统方式所采用的喷液加工工艺 那样，因冲液的不均匀使加工屑残留等原因，而引起集中放电和二次放电， 也不会产生间隙不均匀、放电面不一致的现象。因此直线电机的加工间隙的 精度明显好于采用冲液加工的传统机床。 ( 5 ) 屏蔽问题。在数控机床上采用直线电机伺服系统对环境要求比较严 格，灰尘和切屑粉末要严防被永磁体吸进去，因此要把直线电机的磁场用三 维折叠式密封起来，这样就不利于电机散热。电火花加工机床的被加工件由 于全部浸在加工液中，加工屑会随加工液流走，所以不必考虑废金属屑被吸 入机床。那么，电机的防护等级可以被降低，电机的向外散热得到缓解。 正是由于上述等因素，在电火花小孔成型机床中，采用直线电机伺服控 制，系统的灵敏度大大提高，使机床的z 轴可在很小的控制当量下以较大的 加速度快速运行，从而使z 轴上的电极在加工过程中快速跳跃，即所谓高速 大抬刀。就如前述，使放电间隙中的液体作用力加大，排屑充分，加工条件 改善，提高加工速度，加工对闯比传统控制方式缩短1 2 ，特别适合于深窄 型腔【2 3 1 。同时由于动态响应速度的提高，在电火花放电微观过程中，可实现 小间隙的最佳性和慢速平滑的微量进给，使精加工的脉冲利用率大幅度提高， 进而提高了精加工的质量。 2 2 直线电机的结构和工作原理 2 2 1 直线电机的结构 直线电机根据不同的标准有很多种分类方法，最常用的是与旋转电机相 对应的分类方法，即按驱动原理直线电机分为直流、异步、同步和步进等几 种类型。按能量转换原理电机也可分为同步龟机和异步电机【捌。按照上述的 分类标准，本课题使用的直线电机属于永磁同步电动机，是英国c o p e l y 公司 生产的t h r u s tt u b et b 系列，如图2 1 所示。 直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变，它可看作是将一 台旋转电机沿径向剖开，然后将电机的圆周展成直线，这样就得到了由旋转 电机演变而来的最原始的直线电机。由定子演变而来的一侧称为初级，由转 哈尔滨工业大学工学硕士论文 子演变而来的一侧成为次级口。本课题应用的直线永磁同步电机是在定子 ( 即初级) 上，安装永磁体，而动子( 即次级) 下方的全长上，对应的安装 铁心的通电绕组。动子必须带电缆一起运动。 图2 - 1 直线电机结构图 f i g 2 1t h ec o n f i g u r a t i o no f l i n e a rm o t i o na c t u a t o r 2 2 2 直线永磁同步电机的工作原理 直线电机是直接产生直线运动的电磁装置。前述它可以看成是从旋转电 机演化而来的。直线电机不仅在结构上与旋转电机相似，而且工作原理也是 相似的。如图2 2 所示为一永磁直线同步电机的工作原理示意图。 当直线电机动子的三相绕组中通入三相对称电流后，会产生气隙磁场。 当不考虑由于铁心两端断开所引起的纵向端部效应时，这个气隙磁场的分布 情况与旋转电机相似，既可以看成沿展开的直线方向里正弦分布【2 5 】。当三相 电流随时间变化后时，气隙磁场将按a 、b 、c 相序沿直线运动。这个原理 与旋转电机相似。但二者的差异是：直线电机的气隙磁场是沿直线方向平移 的，而不是旋转的。因此，该磁场称为行波磁场。再来看行波磁场对次级的 作用。假定次级为栅形次级，图2 - 2 中仅画出其中的一根导条。次级导条在 行波磁场切割下，将产生感应电动势和电流。丽所有导条的电流和气隙磁场 相互作用便产生电磁推力。在这个电磁推力的作用下，如果初级是固定不动 的，那么次级就顺着行波磁场运动的方向做直线运动。上述就是直线电机的 基本工作原理。 哈尔滨工业大学工学硕士论文 2 l 一动子( 初级) 2 一定子( 次级) 3 一行波磁场4 一永磁体( n 、s 级) 图2 - 2 直线永磁同步电机工作原理 f i g 2 - 2o p e r a t i n gp r i n c i p l eo f p e r m a n e n t - m a g n e ti n s t e pl i n e a rm o t i o n a c t u a t o r 2 3 直线电机的控制 2 3 1 直线永磁同步电机的控制方式 主要有三种：幅值控制、相位控制和矢量控制【2 引。幅值控制是保持控制 电压和励磁电压之间的相位差角为9 0 0 ，仅仅改变控制电压的幅值：相位控 制是保持控制电压的幅值不变，仅仅改变控制电压与励磁电压的相位差角； 必要时，不仅仅是随控制系统的偏差改变电压的振幅，还要随速度的变化改 变相位。这就是矢量控制。直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后发展起 来的一种新型的高性能交流变频调速技术。由于永磁同步驱动比无刷直流驱 动可以获得更小的转矩脉动，使永磁同步电机更适合于高性能的运动控制场 合，也使转矩控制获得了很大的发展。直接转矩控制技术应用于空间失量的 分析方法，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节产生p w m 信号， 直接对逆变器的开关状态进行控制。它省掉了复杂的矢量变换，控制结构简 单，信号处理的物理概念明确，转矩相应迅速，对转子参数不敏感。但本课 题中的永磁同步直线电机采用的是幅值控制。 2 3 2 直线永磁同步电机的控制策略 在直线永磁同步直线电动机位置伺服系统中，电机控制部分的电气传动 是很重要的一环。而用于控制部分的电机控制器件又是其中( 控制、功率驱动、 电机) 关键的部分。传统的电机控制器件在复杂的控制方法面前显得很无力， 兰至鎏三些查兰三耋塑圭鎏兰 d s p 作为直线电机位置伺服控制的新器件有着微机等其他控制器件无可比拟 的优点。用微机控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角，可以使电机按 给定的指令准确工作。虽然微机要改变控制规律时，不必改变系统的硬件， 只要按新的控制规律编出新的程序，并且在运行中根据不同的电机工作状态 选择最有利的系统参数、系统结构及控制策略，使系统具有很强的灵活性和 适应性等优点。但若要用普通的模拟电路或数字电路完成这些任务，电路相 当夏杂。当要进一步提高调速精度及动态性能，采用矢量控制方案，用传统 的模拟电路或数字电路就更难做到。另外，在涉及到中断、信号采集的实时 性方面也有欠缺之处。以单片机为核心组成的数字控制电路来对电机进行控 制时，由于在单片机上实现运算是比较困难的，用p c 机来计算控制指令可 以大大的减少浮点运算的难度【2 4 j 。单片机进行低层操作。如电流、转速的采 样，接受p c 机传送来的指令，是p c 机指令的具体执行者，但总的说来存在 运算速度慢的缺陷。 d s p 作为新型电机控制器件，弥补了上述的不足。d s p 是d i g i t a ls i g n a l p r o c ；e s s o r ( 数字信号处理器) 的缩写，属于m p u ( 微处理器) 的一种。自2 0 世 纪8 0 年代初美国德州仪器公司向市场推出第一代d s p 芯片以来，1 0 多年来 d s p 的处理速度随着时间的前进不断提高，而电机控制就是d s p 主要应用领 域之一。特别是随着控制理论的发展和高性能控制的需求，一般的单片或多 片微处理器不能满足复杂而先进的控制算法时，更使得d s p 成为这种应用场 合的首选器件【4 h ”。早期的d s p 比较注重积和运算的高速处理，采用单d s p 控制感应电动机或永磁电动机时，在某些场合就不能满足要求。这是因为控 制电机微处理器除要具有坐标变换、向量演算等功能外，还需要中断控制、 传感器接口电路、p w m 输出、a d 交换等功能【2 ”。因此有的采用双d s p 方 式，有的采用低价通用c p u 与d s p 结合的方式实现全数字控制。有时为了 构成感应电控机或永磁电动机控制器，除了微处理器，还需要专用门阵列组 合，以及相应的存储器和外围芯片，这就使得芯片数量增加，软件复杂，价 格提高【2 6 】。针对这一问题，美国a d 和t 1 公司相继研制成功以d s p 为内核 的集成电机控制芯片t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 4 x 系列，a d 公司的a d m c 系列。这些控制器不但具有高速信号处理和数字控制功能所需的体系结构特 点，而且有为电机控制应用提供单片解决方案所必需的外围设备。本控制系 统的控制核心采用的就是t i 公司生产的电机专用控制芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 。 传统的控制策略如p i d 反馈控制、解耦控制等，在交流伺服系统中得到 了广泛的应用。其中p i d 控制算法蕴含了动态控制中的过去、现在和将来的 哈尔滨工业大学工学硕士论文 信息，而且其配置几乎为最优，具有较强的鲁棒性，是伺服电机驱动系统中 最基本的控制形式【4 。其应用广泛，并与其他新型控制思想结合，形成了许 多有价值的控制策略。 现代控制策略在直线伺服电机控制的研究中引起了很大的效果。对控制 对象、环境与任务复杂的系统可采用智能控制方法。模糊逻辑控制、神经网 络和专家控制是当前三种比较典型的智能控制策略。其中模糊控制器专用芯 片已经商品化，因其实时性好、控制精度高，在伺服系统中已有应用。神经 网络从理论上讲具有很强的信息综合能力，在计算速度能够保证的情况下， 可以解决任意复杂的控制问题，但目前缺乏神经网络计算机的硬件支持，其 在直线伺服中的应用有待于神经网络集成电路芯片生产的成熟1 2 8 ”j 。专家控 制一般用于复杂的过程控制中，在伺服系统中的研究较少。预计在不远的将 来，智能控制策略必将成为交流直线伺服系统中最重要的控制方法之一。 本课题采用的控制策略是新型p i d 控制，关于直线电机的控制算法在第 四章将有详细的说明。 2 4 本章小结 本章首先对直线永磁同步电机的结构和原理作了简单的介绍，从中可以 看出其和旋转电机是相似的，从旋转电机的角度可以看出赢线电机确实是旋 转电机在结构上的一种演变。在本章的后半部分对比了传统滚珠丝杠与直线 电机在进给系统性能上的不同，并介绍了第四代机床关键技术之一，即直线 电机进给系统的优点，对其控制方式和控制策略进行了探讨，从中知道在特 定的场合正确恰当的控制方法才能使直线电机发挥其应有的功效。 哈尔滨工业大学工学硕士论文 第3 章控制系统硬件电路