台达伺服在慢走丝加工机床上的实际应用

摘要：讨论占有国内外的电火花线切割机床已占电加工机床总数的60％以上的慢走丝加工机床的运动控制技术。对于0.5~0.2rpm超低速运行过程中保持稳定的追随误差以及大惯量伺服系统调试给出重点讨论。
    关键词：线切割台达机电大惯性伺服
    1 引言
    电火花线切割加工（WirecutElectricalDischargeMachining，简称WEDM），有时又称线切割。其基本工作原理是利用连续移动的细金属丝（称为电极丝）作电极，对工件进行脉冲火花放电蚀除金属、切割成型。线切割主要用于加工各种形状复杂和精密细小的工件，例如冲裁模的凸模、凹模、凸凹模、固定板、卸料板等，成形刀具、样板、电火花成型加工用的金属电极，各种微细孔槽、窄缝、任意曲线等，具有加工余量小、加工精度高、生产周期短、制造成本低等突出优点，已在生产中获得广泛的应用，目前国内外的电火花线切割机床已占电加工机床总数的60％以上。
    2 慢走丝加工机床
    2.1线切割机床分类
    根据电极丝的运行速度不同，电火花线切割机床通常分为两类：一类是高速走丝电火花线切割机床（WEDM-HS），其电极丝作高速往复运动，一般走丝速度为8～10m/s，电极丝可重复使用，加工速度较高，但快速走丝容易造成电极丝抖动和反向时停顿，使加工质量下降，是我国生产和使用的主要机种，也是我国独创的电火花线切割加工模式；另一类是低速走丝电火花线切割机床（WEDM-LS），其电极丝作低速单向运动，一般走丝速度低于0.2m/s，电极丝放电后不再使用，工作平稳、均匀、抖动小、加工质量较好，但加工速度较低，是国外生产和使用的主要机种。本文介绍的是台达ＡＳＤ－ＡＢ伺服在慢走丝加工机床上的应用案例。慢走丝加工机床如图1所示。慢走丝机床加工的工件图如图2所示。
    2.2线切割机床结构
    慢走丝和快走丝作为加工机床主要的组成部分包括：
    （1）主机：包括床身、坐标工作台、走丝机构等；
    （2）脉冲电源：把交流电流转换成一定频率的单向脉冲电流；
    （3）控制系统控制机床运动，是本文讨论的重点；
    （4）工作液循环系统：提供清洁的、有一定压力的工作液。     

图1慢走丝加工机床

图2慢走丝机床加工的工件图
3 基于台达伺服技术的运动控制
    3.1硬件介绍
    控制部分就是上位机系统和伺服系统：
    （1）上位机：是基于PC架构的慢走丝机床专用ＮＣ控制器；
    （2）伺服系统：两套台达ASD-AB10212MA伺服控制器和台达ECMA-G31309ES大惯量伺服电机。
    （3）机械传动：伺服电机直连螺距为６mm的丝杆。
    3.2技术难点
    慢走丝机床上的伺服应用的主要技术难点就是在0.5~0.2rpm超低速运行过程中保持稳的追随误差，同时追随误差又必须小于２个脉冲。这样的超低速技术要求实际上是和慢走丝机床的加工特点有密切的联系的。慢走丝机床的电极丝直径通常0.03~0.35mm，而其加工工件时中心线在工件上切过的面积总和最大可达约为350m㎡／min，慢走丝机床加工的工件与快走丝不同通常都是既对加工精度要求很高又有很大的加工厚度。这就对慢走丝机床的进给速度有很高的要求，速度必须在一定的范围内，过快的速度会造成加工不彻底，在工件表面留下深浅不一的粗糙痕迹使表面粗糙度变差，同时也会造成电极丝振动加大，易造成断丝！至于伺服系统小于２个脉冲的追随误差，则是因为线切割的加工原理就是正负电极之间不断放电灼烧工件表面，就是说两个电极之间要保持一定的距离，既不能接触在一起造成短路，又不能距离太远造成断路！
    4 大惯量伺服系统调试
    4.1系统调试
    对于调试过程可说是难点重重，因为客户机械整体的负载就非常的大，而且还要在加工的过程中在加工槽里注满水，使得负载惯量和负载质量更大，增加了伺服的控制难度。为了保证２个脉冲的追踪误差，所以伺服控制器的增益必须维持在一个较高的水平，但是由于几乎不允许出现任何的振动，那么伺服控制系统的增益还不能够过大，也就是说在稳定的响应水平和稳定的控制平衡度之间寻找一个平衡点，这个平衡点的选取就是我们调试的关键。
    由于该设备的运行速度不能超过我们调试软件估测负载惯量所需的运行速度200rpm，所以只能通过不断的试验，对参数进行设置，以找到最佳的增益参数，也就是将伺服参数中跟增益有关的2-00(位置控制增益)，2-02（位置前馈增益），2-03（位置前馈增益平滑常量），2-04（速度控制增益），2-06（速度积分补偿），以及跟共振有关的2-25（共振抑制低通滤波），2-23（共振抑制Notchfilter），2-24(共振抑制Notchfilter衰减率)进行不断的试验设置和运行测试，2-00主要作用是保持位置环控制响应水平的，2-04主要作用是保持速度环控制响应水平的，这两个值是伺服响应的基础，而2-02和2-06的主要作用就是减小位置控制误差和速度控制误差的，将这两个值调到很高的位置可以明显地减小追随误差。2-03作用就是可以大大的降低传动机构的运转振动。
    刚刚开始调试时，很快就将伺服的响应水平调整到一个不使伺服电机运行有振动的最高的控制水平，这个增益水平上伺服电机的运行效果是是伺服系统在0.5rpm的速度下运行追随误差基本保持在2个脉冲范围内，但是在运行的某几个点的时候，会跳变到3~4个脉冲。这是慢走丝设备运行不允许的，必须通过调整伺服的增益来改善这样的运行效果，因为这样的追随误差的跳变是由于在某个运行点上伺服系统的负载情况发生改变，而由于伺服系统的响应又不够快，所以才会出现追随误差变大的情况。通过以上分析，需要实现的就是提高伺服系统的响应水平又不能使伺服电机运行过程中出现任何的振动。为了既不让电机振动，又提高增益水平，只有将2-03加大降低机构传动的振动，才能提高2-04和2-00从而提高伺服系统整体的增益水平位置较高的响应，同时，还不能把2-03的值调整地过高，因为它会影响位置追踪误差。
    在增调整已经很理想的情况下，开始安装工件试切。在试切过程发现一个很异常的现象，即在x轴以0.3rpm速度进给时，y轴的追踪误差会有一个不断的跳变，当时y轴根本没有信号输入，是不应该有任何移动的。出现这样的情况只有两种可能，一是有信号干扰，二是发生了机械振动！通过判断是在x轴以一定速度移动时，y轴会有共振产生！利用我们调试软件ASDA_A_SW找到共振频率，消除共振，调试完成。共振抑制频率点的抓取如图3所示。     

图3共振抑制频率点
    4.2工件测试
    作为加工机床，一定要通过加工试切来证明我们的伺服是否能够满足慢走丝机床的应用场合。图4是台达ASD-AB伺服加工的工件效果图，图4显示是在磨掉一部分氧化层以后检测其表面光洁度，从1号~3号加工效果越来越好，单纯从加工效果上看3号的表面光洁度已经可以已经与原伺服系统17位编码器的高精度伺服电机的加工效果接近。      

图4加工试切工件测试
    5 结束语
    台达ＡＳＤ－ＡＢ伺服主要是应用在控制系统中进给控制方面，伺服运动性能如何，直接关系着工件的加工精度和表面粗糙度。客户原来使用的是国外知名品牌的伺服系统，其伺服电机是采用１７位高线数编码器，而台达ＡＳＤ－ＡＢ伺服系统则采用的是ＡＳＤ－Ｂ系列伺服系统配套使用的ＥＣＭＡ电机，其编码器仅仅是２５００线的低线数的伺服编码器。应用台达ＡＳＤ－ＡＢ伺服系统的慢走丝加工机床的加工精度和表面粗糙度与客户原来采用１７位高线数编码器的伺服系统的慢走丝机床相差无几。从而使客户的制造成本在性能不降低的前提下得到了大大的压缩，提高了其产品在慢走丝加工机床的市场竞争力。