线性驱动 — 面向21世纪的机械装备技术【1]
线性驱动 — 面向21世纪的机械装备技术[转发]线性驱动 — 面向21世纪的机械装备技术2002年5月在模具产品日趋精密化的当今时代，机械制造业将面临一场革命性的转变。为了适应超精加工的需求，纳毫米级精度的驱动技术将成为21世纪机械制造技术的主 流。作为模具制造设备生产者的日本沙迪克公司则以自身的实力率先在世界范围内将这项技术引入电加工设备的制造领域，以线性驱动技术全面取代传统的丝杠传动技术，利用线性电机优良的动作性能，解决了以往传统机械结构的设备尚不能很好解决的电加工技术难题，并以0.1μm的驱动技术领先于业界，使电加工设备的整体技术性能上了一个新的台阶。今天受沙迪克机电（上海）有限公司的委托，借此机会向各位介绍一下直线电机这一新兴技术在沙迪克电加工设备上的应用情况和发展前景。从七个方面来和大家共同探讨。一：直线驱动技术——沙迪克的骄傲大家知道沙迪克公司是日本著名的专业电加工设备的研究和生产企业，凭着雄厚的研发能力和敬业精神在短短的时间里创造出了辉煌的业绩， 70年代末80年代初，沙迪克以开发和生产MARK系列的电加工设备开始了公司的创业，之后，在不到20年的时间里，推出了一系列的创新产品，并将其产品成功地推向包括中国大陆在内的世界各地，在20世纪行将结束之际，更是在业界率先成功推出了以直线电机为驱动系统的全新的LN系列的电加工设备，为世纪电 加工业的发展进程增添了一个令人瞩目的新的亮点。沙迪克公司的不懈努力，以其精湛的技术优势和以人为本的产品创意，不仅自身在业界牢牢地站稳了脚跟，更是赢得了用户的信赖和爱戴，从而在这一领域的市场中占据了大片江山。当然以往每一次新系列的推出都标志着沙迪克公司在放电加工设备制造领域里的进步和成长， 但最具划时代贡献的当数近年来直线电机在电加工机床中的全面推出，对沙迪克公司来说，这一技术的推出几乎是一个里程碑，结束了多年来在制造这类加工设备时受传统结构思路的束博，为电加工技术的进一步拓展开辟了一片广阔的天地。直线电机的应用不仅在精度方面全面超越了传统结构机床，而且在性能上更适合于电加 工的加工特点，使电加工的应用范围得以扩展，重振了电加工业的雄风，出色的加工性能使其冲满无限魅力。由于没有丝杠传动间隙误差，加上优越的动态响应性能，使得装备直线电机驱动系统的机床能够做到响应0.1μm驱动当量的位移，为纳米控制技术在电加工设备领域中的实现打下了坚实的基础。说到纳米技术这个当代科技前沿话题，我们近年来不断地在有关高新技术的开发和应用的报道中有所了解，各行各业也在积极准 备，提升自身产品的科技含量，迎接新一轮技术革命的到来。随着时代的进步和技术的发展，实际上纳米概念已经渗透到自然科学甚至社会科学的各个领域之中，反映到制造业，现代纳米制造技术已经涉及到了纳米测量、纳米精度定位和纳米驱动以及摩擦、传感、控制等技术，而纳米量级的精密定位则是纳米制造过程的基础， 无论扫描测绘，超精加工，现代光刻还是束流加工技术等，都以高精度的定位为其基础，在这里特别要提到的是，随着当今世界IT产业的飞速发展，已经提出了与 之相适应的有关模具，其制造精度也要达到或高于微米级，这就说明，模具制造业中的部分精品也已经开始向纳米量级进军，而在纳米量级工件的加工过程中，纳米量级的移位是必不可少的。沙迪克公司正是把准了时代的脉搏，看准了现代技术的发展方向，尤其是电加工技术在这个领域中的发展机遇，义无反顾地朝这个方向进 行努力，并且已经取得了辉煌的成就。(插图2)正如沙迪克公司古川会长所讲的那样，今后，与IT（信息产业）相关的产品将会进一步期望小形化，高性能化， 机床也要求纳米级的加工技术，古川先生甚至预言，直线电机的控制技术将成为21世纪的主角。没有直线电机技术就谈不上21世纪的机械技术。二：直线电机工作原理及发展过程让我们先来了解一下何为直线电机，直线电机到底有哪些优越性以及它是如何发展起来的。其实从电磁作用的原理上来讲，直线电机和旋转式电机并无多大差别，只不过直线电机的转子（通常我们称之为动子）和定子分别都做成平板状，通电后，由于电磁效应的影响，在动子和定子的间隙间产生沿相序运动的排斥力，驱使动子 沿定子排列方向运动。（插图3）我们可以把直线电机形象地想象为旋转式电机的展开形式。可以这么说，直线电机是一种能将电能直接转换成直线运动动能的设 备。磁悬浮列车就是一个最好的能够让我们形象地理解直线电极工作原理的范例。它的轨道和车身实际上就是一组直线电机系统，在电源的作用下列车沿轨 道作快速移动，时速可高达5、6百公里。由此可见，高速运动是直线电机的一个重要特性。 从发展过程来看，由于原理上相差无几，直线 电机发展的起点并不比旋转式电机晚多少，实际 上在世界上旋转式电机问世不久就出现了直线电机的雏形，据有关资料报道，世界上第一台直线电机是在1845年由一个名叫CharlsWheastone的英国工程师制造的，但由于受当时材料的性能及制造技术的限制，导致该直线电机的效率很低，几乎没有任何实用价值。直线电机真正得到实质意义上的发展是在20世纪中叶前后，那时，随着控制理论、电子技术及材料科学技术的发展，才真正地为直线电机的发展提供了理论和技术上的支持，使直线电机得以迅速发展 ，而直线电机作为进给系统出现在高速加工领域受到各国广泛重视则是20世纪90年代以后的事。直线电机作为驱动装置先后被磨床和加工中心采用，并得到迅猛 发展，特别在那些机械制造大国，开发和生产直线电机驱动的设备正在以几何级的数量逐年得到发展，由于直线电机作为驱动装置与间接产生直线运动的“旋转电机 ＋滚珠丝杠”结构相比，如果技术上处理得当的话，前者具有无可比拟的优越性，因此成为各国竞相研制开发的项目，据有关资料报道，德国Ex-Cell-O公 司于1993年在德国汉诺威欧洲机床展览会上首先展出了被认为是世界上第一台用直线电动机驱动工作台的XHC240型高速加工中心，揭开了用直线电机装备 机械加工设备的序幕，之后，许多厂商纷纷仿效推出采用直线电机驱动装置的设备，有统计数据显示，1997年采用直线电机的机床销售量大约在300台左右。 有关机构预计到2005年这类设备的销售量将增加到3000台，10年后将有20%的数控机床将采用直线电动机，尤其是高精度和超高精度的机械设备。不过现在看来这个预计太过于保守，单从沙迪克公司来讲，从正式向市场推出直线电机装备的电加工设备以来至今不到4年的时间里，其直线电机机械的销售已超过了 6000台，并仍处于上升趋势中。可见发展态势之迅猛。三：直线电机在电加工机床上的应用和传统丝杠驱动式机床相比更具优越性沙迪克公司在直线电机这一领域的研究是在90年代中期，当时已经有一些著名的机械制造商推出了商品化的采用直线电机作为驱动装置的机械设备，主要是磨床和加工中心，并在一些国际著名的机械设备展览会上加以展示，而与此同时，电火花机床的发展却受到了越来越严重的挑战，大家知道，虽然SODICK公司主要从事电加工设备的开发和制造，并在国际制造业的这一生产领域里享有盛名，先进的技术和超凡的性能使其产品在市场上占有相当大的份额，但是，从80年代后期开 始，随着其他加工手段的出现和快速发展特别是高速切削技术的显著进步和迅速普及，以其加工效益高，周期短，深受模具制造业的青睐，致使一些原本应由电火花加工的业务转向高速切削加工领域；而电火花加工一方面由于受电蚀产物排泄困难导致某些形状的加工效益非常低下甚至无法加工；加工精度方面由于还存在某些客 观原因还不够理想，这些难题一直困惑着电火花加工业务的拓展，找不到切实的解决方法，形成了功能上的局限性，与此同时传统的低价位的电火花机床的生产厂家纷纷抢滩，以绝对的价格优势抢占了部分市场分额，这些都对有实力的电火花设备的制造企业造成了一定的压力和威胁，而开发具有突破性进展的高技术由于受传统 思维的束博似乎也到了寸步难行的地步。据此状况有人甚至提出将淘汰电火花机床，电加工业受到空前的挑战。这些经历对于搞电加工的人来说都深有体会。沙迪克公司也不例外，90年代初的几年时间里，销售量也开始出现不同程度的滑坡，一个时期内在阵痛和反思中度过，曾经出现过萧条。在阵痛之后，经过深刻地反思，他们认识到与其说电加工设备制造业受到挑战不如说人的传统思维观念受到挑战，要重新振新电加工业必须冲破传统观念的束博，必须开拓思路，找出差距，认准突 破方向，电火花不是没有发展前途而是怎样找出路子去适应新的市场机遇，只要突破传统功能上的局限性，电火花还是大有发展前途的，要向世人证明电火花不仅不能淘汰，而且有它存在的必要性。事实也充分说明了这一点，电加工业在受到挑战的同时，发展机遇已经在悄悄的降临，表现在加工业务上，一方面，一些传统的加 工件正在越来越多地被高速切削所取代，比如锻造模，部分注塑模的型芯、型腔等，另一方面，随着近年来IT产业的迅猛发展，与制作电子器件相关的模具也随着 大量出现，此类模具的规格多，数量大，而且比起传统模具来精度要求更高，比如以精密节距的接插件为代表的微细形状的加工；IC电路的微孔精冲模具及其封装 注射模，半导体芯片的大规模生产以及数码技术的发展使得高科技的微型家电产品开始向千家万户普及，而这类产品的外饰件的种类多，翻新速度快，精度要求高，特别是该类产品具有精致化，小巧化而又不失耐用坚固的特性，使得这类注塑产品必须具备相当的加强筋来起支撑加固作用，在整个模具加工过程中，加强筋沟槽的 加工占据着举足轻重的地位，该类行腔的特点是薄而深，有时还兼作定位，因此精度要求也极高，客户对这类模具的加工提出了不仅要进行微细，超精密的加工，其加工精度普遍要求在微米级以内，而特殊的模具零件精度要求甚至只有1～2μm，不仅如此，而且还提出在制造过程中的高效、低成本的要求，而这些模具的制作要求目前无论对于高速切削还是其他机械方式来说都还似乎无能为力，因此这类模具的大量出现也对模具电加工制造业的发展提供了良好的机遇，如果电火花加工不 进一步提高性能，不开发目前其他制造手段还不能涉及到的加工领域或者所能达到的加工精度的功能的话，那么就会真正地逐步失去优势，最终就有可能被取代的危险。因此努力提高电火花的加工性能，制造出集高精度、高效，节能性于一体的电加工设备成了当务之急，刻不容缓的课题。以往的电火花机床，由于受传统的机械 传动结构的束搏，在发展到一定的技术阶段后很难在加工性能上再有突破性的发展，直线电机技术在机械设备上应用使得参观世界设备展览的SODICK 公司决策者们从中受到启发，简直是矛塞顿开，他们设想如果把直线电机配置在电火化机床的主轴头上，利用它的高速运动效应，不就可以即有利于加工过程中电蚀物的排除，实现高速高效加工又取消滚珠丝杠等一系列有碍精度得以进一步提高的部件，实现更高精度驱动，更高精度的定位了吗？大家知道，电火花成型机床的核 心部位和技术是主轴头及其驱动部分，继电火花技术开创近半个世纪以来，每次技术性能的提高都离不开主轴驱动性能的改造，从最初的电磁震动式和电动悬浮式调节器开始，历经了一般交、直流电机＋齿轮减速器＋丝杠的驱动机构；电液压伺服驱动机构；大惯量电机＋滚珠丝杠的所谓直拖结构以及至今仍然被很多制造公司所 采用的交、直流伺服电机＋滚珠丝杠的直拖结构，每一次驱动结构的变革或新型控制方法的应用，都使得电火花加工的性能跃上了一个新的台阶，而将直线电机作为驱动部件直接应用于电火花机床的主轴上，独创了直线电机和主轴头合二为一的结构更是将其性能发挥至登峰造极之地步，为直线电机在其它电加工设备上的全面应 用，开辟了广阔的发展空间。这就是沙迪克直线电机电加工机床的推出，首先从电火花机床z轴开始的原因。 其次我们再来看看，直线电机到底有哪些特点，为什么说它的出现具有广阔的发展空间。 前面我们已经讲过，所谓直线电机，就是利用电磁作用的原理，将电能直接转换成直线运动动能的设备，它的特点在于直接产生直线运动，与间接产生直线运动的 “旋转电机＋滚动丝杠”结构相比具有体积小，以最少的单元实现直线驱动；没有机械接触，传动力是在动子和定子间的气隙中产生，除了导轨外没有其他的机械摩擦；直线电机运行的速度范围很广，最高运动速度每分钟可达百米，特别是它运行时所产生的加速度可以达到数倍于自由落体的加速度，且运行平稳；响应速度快， 时间常数小于1ms；定位精度和重复定位精度高，因为取消了影响精度的中间环节，系统的精度取决于位置的检测元件，若配以合适的反馈装置，可以把定位精度控制在亚微米级，而且可以长期保持精度，这对于一般的旋转式电机加丝杠结构的装置来说是很难做到的。传统的电火花机床，利用高精度的伺服电机通过精密丝杠 传导系统，把电机的旋转运动转换成主轴的直线运动，虽然高性能的旋转式伺服电机已经可以响应高达0.1μm的驱动当量，但在传导过程中不可避免的受丝杠系 统的间隙、丝杠在来回反复旋转时产生的扭曲弹性变形，以及作为细长物的丝杠受温度变化而沿长度方向上的变化较为突出的特点的影响，除此之外丝杠和螺母间还会产生摩擦，摩擦不仅产生热量，而且还会发生磨损，这种因局部热量引起的局部变形很难用软件来对其精度进行补偿，这些都会造成进给运动的滞后和其他许多非 线性的误差，众多的中间环节也势必会加大系统的惯性质量，影响了对运动指令的快速响应，制约了加工精度的提高。为了证明丝杠因摩擦生热后到底对精度有多少影响，有人做过这样的试验，令一台丝杠式传动的机床，使其工作台作150mm距离间的来回往复运动，一段时间后，用红外热像仪测量丝杠的温度分布状况，结果发现，作往复运动的那部分丝杠的温度明显升高，如图（16）所示，说明摩擦产生的热量不可小觑，而热量导致的明显结果既是丝杠的精度变差，从以下一组实验数据中可以看出，插图（21）丝杠受热后其状况和长度方向变化的趋势。我们令工作台在 500mm距离间作来回往复运动，40分钟后经测量，发现丝 杠沿长度方向竞伸长了40um,可见变形之大，而且，由于磨 损，也不可能做到长期保持精度。去年，清华大学的有关研究机构曾经对直线电机与“旋转电动机+滚珠丝杠”的传动性能进行了专门的测试和评估，并在中国机械工程学会会刊《制造技术与机床》上发表了题为《机床进给系统用直线电机综述》的论文，较为详细地阐述了直线电机的原理和分类；直线电机的优缺点分析以及直线电机的发展与应用，在这里我想引用一下他们做的两类电机在一般情况下的性能比较表，给大家略作参考。性能旋转电动机+滚珠丝杠直线电动机精度（μm/300mm）100.5重复精度（μm）20.1最高速度（m/min）90～12060～200最大加 速度（g）1.52～10静态刚度（N/μm）90～18070～270动态刚度（N/μm）90～180160～210平稳性（%速度）101调整时间（ms）10010～20寿命（hours）6000～1000050000从上述比较中我们可以粗略地看出，无论是精度指标还是运行速度和加速度方面的性能甚至从使用寿命上来考虑，直线电机的性能都远高于传统结构的性能，足以说明直线电机作为机床进给系统的魅力所在。另外从电火花加工的应用情况来看，由 于传统结构的机床采用螺杆螺母传导机构，插图（3）这种结构本身也是一种减速装置，主轴的进给和回退的速度缓慢，使得加工加强筋沟曹之类的行腔时排泄困 难，加工状态变差，加工效益大大降低，甚至无法加工。而直线电机则不同，它运行的速度直接传递给主轴，中间没有任何环节，而且其产生的加速度可以达到数倍于重力加速度，进给和回退动作的转换瞬间就可以以极高的速度完成，从根本上解决了一直困扰于电火花加工的排泄难题，考虑到作为精密加工设备的驱动装置及实 际应用所须的要求，在沙迪克电火花主轴上应用的直线电极的最高运行速度为36m/min,最大加速度为1.2g，这样的主轴运行特性对于电火花加工范畴来说是足够有余了。而且维护简单，由于部件少，运动时无机械接触，从而大大降低了零部件的磨损，平时只须做很少甚至无须维线性驱动 — 面向21世纪的机械装备技术[2]
护，使用寿命更长。四：直线电机固有特性及应用过程中的应对措施通过以上的分析我们可以大致了解到直线电机作为驱动系统特别适合于电加工的特性，具有很多优越性，但虽然直线电机有很多优点，生产各类直线电机的专业公司 也不少，但从市场上买来的直线电机成品并不适合电加工设备的要求，而且根本就买不到适合电加工机床加工特点的驱动控制器，虽然直线电机的运动特性具有高速，响应灵敏的优点，但作为电火花机床的主轴，在不断地上下高速跳跃过程中要达到准确的在放电加工处定位，没有一系列技术上的措施来支持的话也是不可能做 到的。况且直线电机也有其固有的负面特性，这些都需要在实际应用中加以克服和改善。首先，直线电机在使用过程中也会发热，旋转式电机通过螺杆螺母转换成负载的直线运动，这种结构本身是一种减速装置，采用较小的电机功率可以带动较大的负 载，因此电机本身产生的热量较小，电机和机床的接触部位也不大且安装部位相对来说也不是很关键。到是丝杠因摩擦生热所引起的变形到是问题的关键所在，而直线电机则不同，它运行负载的变化直接反映到流经电机线圈的电流的变化，电流一大，线圈和本体就会发热；而且，根据设计要求电机应安装在机床的重心位置，部 位非常关键，温度上升势必影响机床的精度，所以要使用直线电机，首先要有效地控制电机的发热，特别是电火花的主轴，推力大，运行速度高且运动换向频繁，负荷变化大，是最易发热的直线电机，sodick的技术人员在这方面动了很多脑筋，成功地发明了采用汽缸重力平衡机构，有效地降低直线电机电功率的消耗以及在直线电机电枢线圈侧内部设计循环冷却水道的设计方按，使这个问题得以圆满解决。传统的主轴头重力平衡技术大多采用重锤结构，而直线电机驱动系统的加速度 已大大超过了重力加速度g，重锤结构不能满足平衡跟踪，为此采用如图所示的汽缸重力平衡机构，这种汽缸重力平衡机构不仅用以平衡主轴的自重和负重（工具电极），而且，利用汽压的保持作用，在平均伺服速度较低的放电加工时，使直线电机仅工作在微功率消耗状态，不仅有效控制了热量的产生，而且节省了能源消耗。 此结构通过实验证实，即使把直线电机的加速度提高到1g，跳跃速度达40m/min，作为定子电枢线圈的温升也不超过室温2℃，（插图）完全可以在所设计 的电火花机床的全负荷范围内使用。 问题之二，由于直线电机本体结构是由高密度的稀土永久磁铁构成，电枢线圈与磁铁之间所产生的吸引力可达电机最大推力的4倍之多，这么大的吸力如果没有适当措施加以平衡的话，久而久之势必引起构件的变形和歪斜，为此需要提高结构的刚度，而使设计者们感到左右为难的是刚度的增加势必引起结构重量的增加，为此还要进一步提高推力，形成了一个怪圈。经过反复研究论 证，决定安装两个对称的直线电机，一方面可 以借此相互抵消磁性吸力另一方面也保持了主轴的平衡性，有利于主轴沿轴向运动的直线性和平滑性。问题之三，直线电机的齿槽效应扭矩与制动扭矩变化大，（所谓齿槽效应扭矩是指伺服电机在低速运行时动子相对定子的位置不同，生产的磁场强弱不同，由于磁场 变化所产生的扭矩，齿槽是指排列中的磁铁与磁铁之间的缝隙。）这种不均匀的扭矩对精密加工来说是一个很重要的问题，容易造成定位不准而失去精度。 Sodick 公司在这一问题上的解决方法是改变磁铁的常规排列方法，把磁铁排列成与水平方向成一定角度的形式，使得磁极的磁束达到均匀分布，并降低了负载的变动误差；其次改进了磁极间的节距精度，使齿槽效应力矩产生的节距误差保持稳定，进而通过把相互对抗的电机的各相位予以偏置的措施来抵抗和消除齿槽效应。这样，不仅 使各个相位间的推力平衡性得到了提高，同时还起到了在正常运行过程中抑制负载变动的作用加上公司自行研制的直线电机控制器，可以将流往各相位间的电流实施微细控制，不仅使有负面影响的齿槽效应得到了有效的控制，更进一步适用于高精度的位置控制，使得在主轴高速下落的状态下能停止在0.1μm以内的精度，和以往传统式机械结构相比精度等级提高了5～10倍，沿用sodick公司的一贯做法，直线电机驱动控制器的软件也是其独家研制开发的，多年的技术发展为其 提高电火花加工的技术性能奠定了坚实的基础。问题之四，主轴的自锁问题。为什么要提这样的问题，因为在传统机械结构中，螺母螺杆加上主轴的配重自然就起到了自锁作用，你可以在任何位置断电都不用担心 主轴会突然下落，而直线电机则不同，一旦断电，直线电机的磁场约束力就会立即消失，不采取措施的话，主轴头凭着自重就会掉落下来，这当然是我们所不希望的。解决方法是利用汽缸平衡机构的气压保持作用配合夹紧机构，两者结合在一起来固定主轴并使其保持平衡，防止断电下落现象。 由于以上技术问题的妥善地解决，使得sodick公司得以大批量地生产以直线电机装备的电加工设备并投入市场。现在在行程850mm以下的电火花加工设备以及所有型号的线切割设备上都采用了直线电机驱动轴，而在850mm以上包括850型的大型电火花设备则保留了原有的旋转式电机+滚珠丝杠的传统结构，并 在主轴上配备一直线电机的辅助轴，形成复合轴结构，这里需要说明的是，之所以在大型机床上采用这样的结构完全是出于为用户在生产中的实用性和经济性方面的考虑，大型机床的加工对象一般为大型工件为主，电极的体积和重量都比较大，加工精度相对于小型工件来说要求也不一样，如果全部采用直线电机作为驱动轴的 话，势必加大电机的推动功率，而随着电机功率的加大，设备的刚度也要增加，结构也要加强，这样势必增加机床的制造成本，增加用户的负担，而在不对机床原有的结构进行大的变动的情况下，增加一小功率的直线电机辅助轴，在加工中实行优势互补，不失为一个既经济又可行的方法。五：加工实例分析下面，我们将结合加工实例来看一下直线电机的应用情况。 直线电机特点1.运行的速度快（36m/min）；加速度高（1.2g），在加工过程中可以有效排除电蚀产物，特别适合于加工窄缝类型腔，加工稳定性大幅提高(图片12)是利用电极尺寸1×38mm，锥度为1o的铜电极，加工深度为70mm的深筋沟槽。用以往的传统电火花机床加工这样的零件是极其困难的，现在 已经变成极好的加工实例。工件材料为SKD61，粗加工时间：2小时10分，精加工时间1小时34分，合计3小时44分。使用2根电极。加工后经测量，电 极损耗率为0.64%，工件表面粗糙度达到Ry10μm。在免冲液加工的条件下，以往的机床加工深度接近35mm时几乎加工不下去，但直线电极的机床由于 高速抬刀的抽吸作用，可以有效的排除电蚀产物，快速恢复极间的绝缘状态，与加工的深度基本没有什么关系，不仅保持了适当的间隙状态，还大幅度地缩短了加工时间。从事塑料模制作的人员都知道，加强筋的沟槽极为狭窄，为了避免影响成型品的外观，一般都把加强筋的厚度设计得很薄，象一些高档小型电器的塑料件的加 强筋的沟槽宽度普遍只有几十丝，如果考虑到电火花加工电极制作的减寸量，就会使得电极进一步变薄，沟槽进一步变窄，而为了增加塑料件的强度，往往要把沟槽做得很深，用以前的加工经验来考虑，这道加工工序将占居整个模具加工周期的大部分时间，甚至为无法加工而伤透脑筋。因为用以往传统的电火花机在加工深径比 比较大的型腔时最感困惑的问题是电蚀物的排泄问题，正是由于这个问题长期以来得不到有效的解决，或者说解决的方法没有突破性的进展，使得电火花不能达到应有的加工效益，甚至无法加工（插图7），更不用说提高加工精度；提高加工速度了。在示意图上我们可以看出，用以往的传统电火花机加工窄缝类型腔时，加工到一定深度后，电蚀产物开始难以排出，造成加工不稳定，短路现象不时发生，甚至发生电弧放电而烧坏工件和电极，造成电极异常损耗。为了有效排除放电后产生的 电蚀产物，我们不得不用辅助冲液法来加强型腔内工作液的流速，使之增强排泄效果。但即使这样也不能完全解决问题，型腔太深的话，采用这样的方法效果有限；而采取减少放电过程，增加抬刀时间和抬刀高度来改善加工状态的话，势必造成加工效率成倍下降，即使可以勉强加工的话，我们从示意图中可以看出。由于冲液在 型腔内的不均匀性，使得电蚀产物不能完全从型腔中排出，残留在型腔中的加工屑易引起集中放电或二次放电，且这类放电都产生在电蚀产物浓度较大的型腔面上，造成放电面不一致，放电间隙也不均匀，使得加工精度变差。插图（13）。为了改善这个现象，往往需要操作者有丰富的经验，把握冲液的部位和流速，但也仅能做到改善而已。而直线电机的效果则不同(插图8)，我们在加工这类工件时，可以设定主轴作高速跳跃运动，充分利用直线电机高速，高加速度运行的特性，在电极以大于1g的加速度高速退出窄缝型腔的同时，由于抽吸效应，顺势带走了大量的电蚀产物，使型腔瞬时产生负压状态，处于真空状的行腔吸引四周的液体顺着间隙快速填满其空间，而当电极高速向下运动时形成的冲击力，会在型腔内形成瞬间高压，迫使腔内的液体和残留的加工屑、气体、焦油等顺着间隙高速排出，使得在 加工区域内几无放电残余物存在，能实行稳定持续的放电加工。不仅如此，由于放电通道的净化，避免了因二次放电或局部拉弧引起的电极异常损耗，延长了电极的寿命，提高了加工精度。另一方面，由于放电正常，再加上主轴的高速运动，大大宿短了放电加工周期，使得加工效益得以大幅度的提高，加工深度和加工时间基本 上成正比例的关系，因此可以估算出精确的加工时间。插图（11）我们可以从两个方面来加深理解为何采用直线电机会提高加工效益。 首先从主轴运行状态来看，如图（18）所示，丝杠驱动式主轴由于受减速效应的影响，跳跃速度不可能做得很高，提升和下落所占用的时间和脉冲作用时间的比值 总体上来说大约是1：1，也就是说实际上有效加工时间只占了总加工时间的一半左右，效率仅为50%。而直线电机由于具有高速运行特性，并且电机的运行速度既为主轴的运行速度，所以运行中可以任意设定主轴的跳跃时间，在加工某些特定形状的工件，比如说加强 筋沟槽等，可以设定主轴作高速跳跃动作，瞬间就可完成提升和再定位过程，这样有效加工时间在总加工时间中的比例可高达90%以上，加工效率因此而得以大幅 提高。 从另一方面来看，插图（19） 传统丝杠传动式机器由于受排屑不畅的影响，加工过程中不时有短路现象发生，为了防止短路而引起不正常的电弧放电现象，在电规准参数上设计了遇短路自动延长脉冲间隔时间，以此来增加排屑时间，达到稳定加工目的。而这段时间实际上不是有效的加工状态，处于放电休止状态，这种状态所占的比例越大加工效益越低。直 线电机由于可以作高速跳跃，加工区域的排屑性良好，基本不会产生短路现象，因此作用在放电部位的脉冲呈一连串非常规则的状态，有效加工时间比例大幅增加，从而相对来讲宿短了加工时间，提高了效益。以上两个方面，仅从直线电机的运行特点上的分析所得出的结论，事实上随着电源本身的不断改进甚至作为电解质的加 工液的不断改良，也为加工效率的进一步提高起到了推波助澜的作用。我们之所以拿模具加强筋之类的加工实例来说明，是因为这种类型的加工较能反应电火花机床加工的难点，也就是电蚀物最难排除的，用普通的电火花机床最不易得 到稳定加工的范例，象这种形状的型腔，除了电火花外，似乎还没有其他更有效的加工手段来对付。塑料模在所有的模具中所占的比例越来越大，而在发达国家，这种比例已超过一半，而普通的型腔模、锻造模等过去电火花加工中最擅长的一个领域，现在也已经逐渐被高速铣削所代替，大多数的模芯型面加工也基本上以铣削加 工为主，而模芯上的加强筋沟槽的加工时间要占整个模芯的70%之多，在国外也是被认为是加工数量最多、最难加工的形状，另外，随着高强度工程塑料的应用以 及电器产品的小型化、薄壁化，也要求在模具设计上配置若干个薄而深的加强筋，电火花机床的生存空间将越来越多的依赖于这种类型的加工。只要这种狭窄沟槽加工好了，加工其他所谓的复杂型腔就不会有太大的困难了。 直线电机特点2.响应性好，动作灵敏，运行平稳且精度高(插图20)直线电机由于取消了赖以转换驱动方式的丝杠组件，不存在移动轴背隙的误差，位置的定位由高性能的位置检测光栅装置直接反馈给驱动单元，构成全闭环系统，这里我们列举两类不同类型的驱动系统，（插图6）从图中可以看出不同驱动方式的驱动系统是不同的，仍以电火花机床的主轴为例，传统旋转式电机加丝杠型传动系统，主轴的移动指令由NC中央处理器发 出，令回转式电机转动，电机通过丝杠和螺母系 统转换为主轴的直线运动，直到指令所指定的值为止，在这过程中放电间隙状态的检出装置一直 处于监测工作状态，并把监测到的结果反馈给NC 中央处理器，由NC判断加工间隙的状态。而直线 电机控制系统虽然也由NC装置发出移动指令，但移动的值则是由安装在主轴头上的光栅尺直接检出， 由于主轴头实际上就是直线电机的一部分，所以检出的结果和直线电机运行的结果完全一致，就是实际移动量，正确的移动量直接反馈至控制回路而不象丝杠式检测系统那样反馈至NC装置再行进行判别，这个控制回路称为（SMC）Sodick Motion Controller回路，是由沙迪克公司自行研制开发的直线电机控制驱动装置，也是沙迪克公司直线电机驱动系统的精髓所在。直线电机、SMC控制回路加 上全闭环的检测控制系统，三管齐下，使得0.1um驱动当量的位移量变为现实。以IC封装注塑模为例，此类模具看似简单，底部为平面而已，其实要求极高， 国外IC芯片厂家对产品的封装要求极其严格，封装模不仅要确保表面粗糙度Rmax要控制在6～8u,更重要的是形腔深浅度（即平整度）要绝对一致，且表面品质要均质，不允许存在不均匀现象，形腔的尺寸精度要求也极高，只有这样才能使模具的质量能确保封装后IC产品的相关品质。以往的电火花加工机，由于伺服的响应有滞后效应，不能精确地反映瞬间加工状态，要把加工深度控制在2～3μm，且整个加工面表面品质完全一致，非常困难， 大多数情况下仅某几个点位到达设定的尺寸而已，并非大面积的精度尺寸，而直线电机则不同，由于其跟踪反馈系统非常灵敏，取样检测系统可以检测到μm级以内 的间隙电压变化情况，控制驱动装置可以控制直线电机做小至0.1μm当量的驱动，从而保证了加工精度的需求。为了验证直线电机的这一特性，沙迪克公司曾做过这样的实验，如图所示（插图9），这是一个平板状型腔，采用无冲液方式加工，且底部面积较大，为100mm ×100mm，加工深度为3mm，电极材料为铜，数量2个，粗加工电极单面减寸量0.4mm;精加工电极单面减寸量0.15mm,粗加工时间4小时8分，精加工时间15小时40分，总加工工时合计19小时48分。加工后经测量表面粗糙度达到Ry6.5μm,相当于▽7。仅用不到20小时的加工时间，加工这么大个工件，且达到这样的光洁度，应该说效率是很高的，但我们主要目的是来看看它的平整度到底如何，为了形象有效地加以说明，他们在整个加工区域内分成9 个部位作为测量点，测量结果如表所示，我们看到，在这么大的面积上，它的不平度误差仅4μm，表面粗糙度峰值的变化范围最大值也仅1.8μm，可见，其一 致性是相当的好。由于能获得如此均匀的放电表面，因此可直接用于IC芯片封装的铸模上，加工后的模具无须另行处理。如图所示是一些用Sodick直线电机 电火花机床加工的IC封装模的实例。（插图10）六：直线电机在线切割机床上的应用：不少人认为直线电机在电火花机床上应用有较明显的优势，在线切割机床上采用直线电机似乎没多大必要，其实这是误解，也许持这种观点的同志，对直线电机高速运行特性有比较深刻的了解，通过现场参观，加工对比，证实了这种特性应用在火花机上加工深窄缝型腔确有传统机床无可比拟的优点，但线切割不同，它在加工状 态下进给系统并不做高速运动，即使现代电源每分钟的切割效率可达数百平方毫米，但粗加工基本上是在恒速进给条件下进行加工的，似乎没有必要采用电火花成型加工一样的伺服动作，用传统的丝杠式结构也绰绰有余，采用直线电机的优越性不明显。这种观点是片面的，我们上面已经谈到过，直线电机有很多优点，除了能作 高速运行特点外，还有诸如没有反向间隙，定位和重复定位精度高，响应灵敏，尤其能响应小至0.1um驱动当量的特性为其他传统结构所不及，从加工业务看， 总体上讲，线切割的精度要求比电火花要高，尤其是切割面的表面质量更是显得尤为重要，稍有瑕疵便一目了然，因此，为了达到优异的加工表面及尺寸精度，仍然需要工作台的驱动轴作平滑移动，以往传统结构的线切割机，以用纯水加工液机型为例，要达到Ry为5的表面粗糙度的表面，一般要经过4次加工，而第二次加工 显得尤为重要，留给第三第四次切割的加工余量一般不超过0.02mm，由于要兼顾切割效率，第一次切割往往采用比较大的加工电流，以提高切割速度，相对来 说表面质量和精度可以稍加忽视，所以第二次切割不仅要提高表面粗糙度而且还要充当整形的作用。传统型线切割机我们在上面曾经分析过，在进给驱动过程中存在不同程度的响应滞后现象，对高低突变的窄小表面反应迟钝，甚至来不及处理就匆匆而过，容易在加工面留下条纹，需要第三、第四次甚至更多遍的切割予以修整， 不但延长了加工时间，降低了加工效益，而且还增加了加工成本。从加工波形上看，加大第二次切割时的靠边量，如果采用直线电机，加工波形非常稳定，而传统的旋转式电机加丝杠式结构的机器则波形状态不稳，出现杂乱的状态，时有短路现象发生，被加工工件的表面因此而留下切割条纹，这是因为直线电机具有极其灵敏的 响应特性，即使加大靠边量也能稳定切割，所以，一般来讲，两次切割就有可能达到普通机床要4次加工才能达到的效果。这是从一个方面来看，直线电机在线切割 中应用的优越性，我们还可以从另一角度来说明直线电机的在线切割中应用的优点。沙迪克公司在线切割上开发和应用直线电机控制系统的主要目的，是着重于提高其精度等级，要实现高精度的加工效果，必须要有高精度的驱动系统，以往丝杠传动 式线切割和放电加工机一样，改变运动方向时由于丝杠和螺母间有间隙造成动作的滞后，导致运动轨迹发生差错，这种现象在加工圆的时候特别明显，是产生椭圆度的主要原因。用丝杠式线切割机加工圆，加工轨迹到达圆顶点部时，轴移方向要进行换向，由于背隙的存在而使轴动作滞后于指令数据，加工轨迹因此而发生偏差， 结果造成圆顶点部分的精度降低，这种情形在加工直径较小的圆时特别明显，事实上，即使是采用现今最高精度的丝杠式线切割机，要加工精度为1um的真圆度的 圆也是不可能的。而直线电机驱动的线切割放电加工机，由于不采用丝杠而直接驱动，完全消除了传统丝杠式机械所特有的背隙误差，指令轨迹和实际加工轨迹完全一致，最大限度地消除了因移位误差而造成的精度缺陷，图为用直线电机线切割加工的圆孔，经测量，其椭圆度仅为0.43um，另外，结合沙迪克公司开发的 SMC驱动系统，可以长期保持机床的精度。 由于直线电机优越的追踪响应性能，使得即使只有0.1um的余量也能进行有效加工，结合业已开发成功的超精细加工电源（SUPER PIKA-W）和拐角处理技术，进一步提高了表面粗糙度及形状精度，即使用纯水作为加工液，也能做到Ry 0.41um粗糙度的表面，加工精度可达 2um以内。如图所示。再说一下拐角处理，没有这项技术，在加工到角度比较锐利的拐角处时，会产生由于去蚀量的变化导致进给速度的变化、放电产生的反作用力导致电极丝的运行轨迹滞后于程序轨迹且伴随电极丝的振动、喷流压力和方向的变化等都会造成拐角加工轨迹的失真，而这项技术可以预先对程序走向进行预跟 踪，自动判别是否进入拐角，调整运丝的张力和伺服速度，自动修正电极丝的滞后，有效控制了电极丝振动等在拐角处易发生的不利现象。大幅提高了拐角处的形状精度插图（14）。使得可能发生的不足之处得以最大限度的改善。七：沙迪克其他最新技术简述由于时间关系，以上着重介绍的是沙迪克公司有关直线电机技术在电加工设备上的应用情况，除此之外，在电加工设备的其他方面，沙迪克公司也有很多的独到之 处，比如电火花方面的大面积镜面抛光技术，丰富的平动轨迹加工技术，新型硬质合金加工电路（STP电路）技术，可以有效地在硬质合金、钛合金等多种有色金 属进行放电加工，即使在被大多数使用者易忽略的加工液上也颇有研究和创新，最新推出的粉末加工液（WHITE3型）是一种高速加工的添加剂，能覆盖从粗加 工到精加工的整个加工过程，不但加工质量得以提高，和通常的加工相比，还大大宿短了精加工的时间。线切割方面的有关技术，表现在电源方面的有高速无电解回路技术（SUPER BS），有效防止了被加工材料在加工过程中的电化学腐蚀，提高了加工精度和表面质量，在加工超硬材料时，能有效防止作为材料结合剂的钴元素的溶出，确保加工后的硬质合金表面的硬度保持不变且延长了交换树脂的使用寿命。超镜面电路（SUPER PIKA），利用此电源技术，可以得到优异的表面加工效果，象SKD11这样的常用普通模具合金钢也能达到Ry0.64um这样的表面粗糙度，硬质合金材料甚至可以达到0.48umRy这样的粗糙度，这用传统的电源是根本无法实现的，在控制技术方面，在设计上利用对切割程序的监控以及对极间伺服电压的监控，制订最佳切割能量和路径，有效防止了过去因加工件高度的变化但电源能量不跟着变化而引起的断丝、加工质量变差等现象；其它诸如快速自动接线技术，进电 端点及导线布局改善措施、快速进液及省占地面积设计，省力方便的加工槽门开关设计等，无一不体现出沙迪克一贯创导的以人为本的设计和制造理念，每一项技术都包含了许多的KNOWHOW，值得我们研究和借鉴。当然上面所谈到过的那些加工实例也包含了这些技术所起的作用。除了电加工机械外，沙迪克在注塑机械、加工中心等其他机械方面都有其特色，特别是最新自行开发的MC180L型精密小型加工中心（插图），也采用了本公司自产的直线电机，主轴回转速度可达 40000r/min,用来加工高质量的电极产品和小型精密零件是最合适不过了，正因为沙迪克在放电加工领域里的杰出贡献，近几年来获得了日本政府有关机关颁发的多项奖项，其中包括日经产业新闻社颁发的“1999年日经优秀产品、服务奖最优秀奖”；日刊工业新闻社颁发的“第42届十大新产品奖”；日本机械 振兴协会颁发的“第30届中坚·中小企业新机械开发奖会长奖”；日本国模具技术协会颁发的“第十届模具技术协会奖技术奖”等等，为SODICK公司赢得了众多的荣誉，足以成为值得让客户信赖的企业。 在这里，还要向大家特别介绍的是，sodick公司已经研制开发成功并不久即将投入市场的新型控制系统—3维立体模型融合型CNC数控装置，命名为LQ系 列数控系统。 这种世界首创的数控系统，00000000000000000000000000000000000000000融合了美国著名CAD/CAM软件公司 SOLIDWORKS的三维造型编程软件，为用户提供了在加工设备自带的数控系统上完成从CAD至CAM整个加工过程的以三维实体模型为基体的完整的设计 与制造环境。用户不仅可以在操作系统上作复杂的三维造型作业并完成数控加工指令，而且可以在加工过程中通过CRT屏幕观测到与加工位置同步的任何角度的实 时加工模拟图象，不象以前的数控系统那样只能显示加工程序，极大地方便了操作者。 LQ控制系统的开发背景是，近年来机械设计与模具设计正在迅速向三维实体模型化潮流过渡，其原因是按照由三维实体模型获得的重心等方面的几何数据可以直观地进行诸如强度分析、流体，振动及热量的模拟分析，在实际生产之前对加工性能及加工成本等方面进行综合评价，避免加工失误。三维的CAD经过多年的开发和完善，性能上已适合各类设计要求，并迅速得到普及。现在CAD软件在价格上和投放初相比有了较大幅度的下降，且可以在任何具有视窗系统的PC机上运行，然 而，遗憾的是至今为止还没有能够使在CAD系统上绘制的三维实体模型直接移植并在下一道实施加工工序的CNC装置中应用，通过对用户的调查，沙迪克公司了 解到最近几年有半数以上的用户需要从两维向三维过渡，所以决定采取三维实体模型数据来研制“LQ”数控系统并在能够实现三维加工的机械设备上配备这样的系 统，包括加工中心和电火花成型加工设备。大家知道，沙迪克的电火花机床的主轴集成了可以做高速回转运动的C轴，借助于三轴联动功能，可以象加工中心那样做 三维创成加工，因为电火花成型加工机床的数控系统同时要对电源参数进行控制，所以在电火花上应用的LQ系统又称为LQ电源。L表示沙迪克的线性驱动技术， Q则借用英文中具有立体含义的Cube 及代表质量的Quality来表示此系统具有高品质的三维实体模型功能。对于操作者来说，掌握LQ电源，即意味着从开始设计构思的最初阶段直至完成加工的整个过程能始终用三维实体模型作为基体，并以此作为依据进行定位，自动生成加工路径及加工条件，甚至还可以用来类似三坐标测量仪那样进行三维轮毂的精度检 测等操作。 LQ电源的最大特点是能使生产状况一目了然，从而使整个生产过程简单化，避免了加工过程中的浪费现象，使设备始终处于高效、高品质的加工状态，所以，LQ 电源能使加工效率获得空前提高。4月17日在日本大阪举行的第13届国际模具加工技术展览会上，沙迪克公司已经展出了配置LQ电源的线性电机驱动型电火花成型加工机，引起用户的极大兴趣，纷纷打听销售办法和日期，沙迪克公司因此而受到极大的鼓舞，并将以今年10月在东京举行的JIMTOF2002为锲机， 全面推出LQ型操作系统，预计此类系统的推出年间仅在日本的订货与销售量就将超过2000台。当然，到时在中国也将同步推出装备该操作系统的电火花设备和 加工中心，有兴趣和意向的客户请密切关注，和沙迪克公司保持联系。再向大家介绍一种沙迪克公司最新研制成功被认为是目前世界上最高精度的加工机械， （NANO-100）。NANO是日语，翻译成中文的话是纳米的意思，100则是表示加工范围。 沙迪克公司一贯奉行的宗旨是（让不可能实现的东西成为可能），大力推进21世纪的关键技术—纳米技术，在线性控制的基础上开发出世界最高水准的超精密线性中心。这种机械的支撑部及大量的零部件，采用本公司自产的陶瓷材料，几乎没有热变形并大大降低了结构重量，3轴的滑动部位，采用非接触式4面拘束型陶瓷部 件和空气导轨，直线性就以上所讨论的内容，我们大致可以把它归纳为以下四点： 1． 直线电机具有定位精度高，伺服平稳，响应灵敏等特性，更适合于电加工的加工特性；2． 直线电机的高速运行特点应用于电火花的主轴头上，有效解决了加工深径比大的型腔的排屑性能，不但提高了加工精度，同时大幅缩短了加工时间。3． 采用直线电机作为驱动系统，有效克服了传统丝杠式系统不可避免所存在的背隙、摩擦损耗及变形等缺陷，设备的总体精度得以提升。4． 虽然目前直线电机本身制造成本较高，但综合下来机械结构得以简化，易磨损部件减少到最小限度，精度可以长期得到保证。而丝杠式结构则可能5年左右就要对其 丝杠精度进行测试和调整，10年左右如果还想维持原先精度的话，就有可能要更换丝杠。最后还需要告诉大家的是，沙迪克在不断提高技术含量的同时，还不断地挖潜改革，以降低制造成本，近来推出的AM3L型直线电机驱动电火花成型加工机的价格已足以使国内中小企业甚至个体企业所能接受，成为性能价格比较高的模具加工机械，深受广大客户的喜爱。有兴趣和意向的客户可直接与沙迪克公司在中国的各营 业点取得联系并取得详细的技术咨询。沙迪克公司一定会以最大的努力来满足大家的需求。最后祝各位身心愉快、事业有成。台湾庆鸿公司，日本三菱公司也相继推出了直线电机驱动慢走丝机床。
驱动技术到现在还是前沿技术 非常前沿的技术，高速加工设备里边就是这玩意儿，没有丝杠，不存在反向间隙，加速度非常高。师弟那新进了一台米克朗，就用的这驱动。据他说原来一个需要6小时的工序，换成了米克朗后仅需要2小时，因为有很多需要转向的刀路，普通的加工中心给的参数运行不起来。 学习了
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