《电加工与模具》2008年第6期 工艺·装备 型,再加上独立的z向单维运动平台,如图1所示。的定位精度;这对于后期运动平台的装调起到了极 重要的作用。在此平台上,预留了安装PI公司的 PS87型大行程、六自由度、单模块压电陶瓷的纳米 级精度的微动平台,以便为达到更高的精度对三坐 标精密平台的运动误差进行补偿(图2)。 图1叠加式结构示意图 Z向实现竖直方向的步进式进给运动,其步进 长度为0.1--1.0gm,有伺服功能,也就是说根据 放电加工的情况,如遇短路,可快速回退。Z向承载 在1kg以下,行程为100mm。(根据工件高度不 同,用于调整加工的位置,并为以后对XY方向的 运动的粗精结合扩展留下余量。)机床的最大运动 速度不超过20mm/s。 1.2本设计的平台系统结构 整个电火花加工系统的构成主要由环境保证系 图2运动平台机架示意图 统、电源、运动平台、电火花加工头、数控系统等部分 2.2传动系统 极微细电火花加工的精密运动平台,若采用伺 权衡各方面的要求,采用粗精结合的方式,粗动 服电机加滚珠丝杠的形式,由于丝杠有间隙,所以用 台上面预留位置叠加精动台机架是花岗岩,具有减于扫描时有回程误差为了克服这一缺点,选用了精 震,减少热变形的作用。 密陶瓷型的直线电机,它是利用压电驱动原理,无中 宏动平台采用简单的将两个一维运动平台叠加间环节,精度高(分辩率可达20mm),且低速性能 结合的形式,采用独立的Z向运动平台 好,经比较我们选用了性价比较高的 Nanomotion精 开始加工时,首先要用扫描的方式加工出所需密压电陶瓷电机,其速度范围为1m到20m,且 要的廓形,具体做法是在水平平面内扫描工件廓形 低速稳定性好,可满足极微细电火花加工的工作要 然后Z向步进,继续加工。 求。1-3 因为供液要求以及工件在液体内加工,这些都 能实现无间隙运动,提高机械系统的运动刚度 可能会影响实现在线观测的要求研究时采用非实因压电陶瓷直线电机的驱动力有限,不能克服自身 时观测。 动力的影响,所以必须设计配重装置。经多方考虑 有两种方式可供选择,一种是浸液加工,另一种比较,选择了简单的重物精确平衡配重的方法。 是使液体顺着电极流下。因不需要排屑、热量较少, 精密压电陶瓷电机的驱动采用AB1A放大器进 没有明显温升,因此本研究中采用浸液加工的方法。行驱动,输人为+/-10V模拟指令(与通用的控制 2平台总体结构设计 器/卡相匹配),输出AC信号,频率39.6kHz,电压 270Vms(每个电机用一个驱动器),简单易用 2.1结构布局 2.3反馈系统 移动平台能实现X、Y、Z3个方向上的精密移 如无激光干涉仪作为反馈的话,因粗动平台的 动,工作台的行程为150mm×150mm×100mm。误差要时刻用精动平台来进行补偿,所以必须用高 由于平台的精密定位要求,需非常高的热稳定性、抗精度的光栅尺作为反馈。光栅XYZ3个方向的光 振性,所以材料选择了热膨胀系数很小、阻尼相对较栅尺应尽可能的与导轨的中线共面 大的花岗岩。平台横梁采用一个整体石材加工而 通过分析,确定XYZ轴均采用光栅尺作为反 成,保证了横梁本身的精度,尤其是横梁底面、右侧馈,以简化平台的结构,且还能保证平台具有很高的 面、正面不仅保证了很高的形状精度,且保证了很高运动精度。闭环反馈采用10mm精度的开放式光《电加工与模具}2008年第6期 工 艺·装备 型 ，再加上独立 的 z向单维运 动平台 ，如图 1所 示。 图 1 叠 加 式结 构 不 惹 图 Z 向实现 竖直 方 向 的步进 式进 给 运动 ，其步 进 长度为 0．1～～1．0 m，有伺服 功能 ，也就 是说 根据 放 电加工 的情况 ，如遇短路 ，可快 速 回退 。z向承 载 在 1kg以下，行程为 100mm。(根据工件高度 不 同 ，用于 调整 加 工的 位置 ，并 为 以后 对 xy 方 向 的 运动的粗精 结 合扩 展 留下余 量 。)机 床 的最 大 运 动 速度 不超过 20mm／s。 1．2 本 设计 的平 台系统 结构 整个 电火 花加工 系统 的构成 主要 由环境保证 系 统 、电源 、运动平 台 、电火 花加工头 、数控 系统等部 分 组成 。 权衡各方 面的要求 ，采用粗 精结合 的方式 ，粗动 台上面预 留位置叠加精 动 台 ，机 架是花 岗岩 ，具 有减 震 ，减少热 变形 的作用 。 宏动平 台采用 简单 的将两个 一维运 动平 台叠加 结合 的形 式 ，采用独 立的 Z向运 动平 台。 开始 加工 时 ，首先 要用 扫 描 的方式 加 工 出所 需 要 的廓形 ，具体做法 是在水 平平面 内扫描工 件廓形 ， 然后 Z向步进 ，继续加工 。 ． 因为供 液要求 以及工 件在 液 体 内加工 ，这些 都 可能会 影响实 现在 线 观测 的 要求 ，研 究 时采 用 非实 时观测 。 有两种方式可供选择，一种是浸液加工 ，另一种 是 使液体顺 着电极 流下。 因不需要排 屑 、热 量较少 ， 没 有明显 温升 ，因此本研究 中采用浸 液加工 的方法 。 2 平 台总体结构设计 2．1 结构布 局 移动平 台能实 现 x、y、Z 3个方 向上 的精 密移 动 ，工作 台的行程 为 150mm ×150mm X100mm。 由于平台的精密定位要求 ，需非常高的热稳定性 、抗 振性 ，所 以材 料选择 了热膨胀 系数很 小 、阻尼相对较 大的花 岗岩 。平 台 横 梁 采 用 一个 整 体 石 材加 工 而 成 ，保 证 了横 梁本 身 的精 度 ，尤其 是 横梁 底 面 、右侧 面 、正面不仅保证了很高的形状精度，且保证了很高 一 62 一 的定位精度；这对 于后期运动平 台的装调起到了极 重要 的 作 用 。在 此平 台 上 ，预 留了 安 装 PI公 司 的 P587型大行 程 、六 自由度 、单 模块 压 电 陶瓷 的纳 米 级精度 的微动平 台 ，以便 为达 到更 高 的精 度 对三 坐 标精密平台的运动误差进行补偿(图 2)。 图 2 运 动平 台机 架不 意 图 2．2 传 动 系统 极 微 细 电火花 加 工 的精密 运 动平 台 ，若 采用 伺 服 电机加滚珠 丝杠 的形式 ，由于丝杠 有间隙 ，所 以用 于 扫描时有 回程误 差 ，为 了克服这一 缺点 ，选 用 了精 密 陶瓷型 的直线 电机 ，它是 利用压 电驱动原 理 ，无 中 间环节 ，精 度 高 (分 辩 率 可 达 20rim)，且 低 速 性 能 好 ，经 比较我 们选用 了性价 比较高 的 Nanomo6on精 密 压 电陶瓷 电机 ，其 速度 范 围为 1 m 到 20n1m，且 低速 稳定性 好 ，可 满 足极 微细 电 火花 加 工 的工 作要 求 。 ～ 能实现 无 间隙运动 ，提高机械 系统 的运 动刚度 ； 因压电陶瓷 直线 电机 的驱动 力 有 限 ，不 能 克服 自身 动力 的影 响 ，所 以 必须 设计 配 重装 置 。经 多 方考 虑 比较 ，选择 了简单 的重物精 确平衡 配重 的方 法 。 精密 压 电陶瓷电机 的驱动采用 AB1A放 大器 进 行驱 动 ，输 入为 +卜 10V 模拟 指 令 (与通 用 的控制 器／卡相 匹 配 )，输 出 AC信 号 ，频率 39．6kHz，电压 270Vrms(每个 电机用 一个驱 动器)，简单 易用 。 2．3 反 馈 系统 如 无激 光干 涉 仪作 为反 馈 的话 ，因粗 动 平 台的 误 差要 时刻用精 动 平 台来进 行 补偿 ，所 以必 须用 高 精度的光栅尺作 为反馈。光栅 x 3个方 向的光 栅 尺应尽 可能 的与导轨 的 中线共 面 。 通过 分析 ，确 定 XYZ 轴 均 采 用 光 栅 尺 作 为 反 馈 ，以简化平 台的结构 ，且还 能保 证平 台具有很 高的 运 动精度 。 闭环 反 馈 采 用 10nm 精 度 的 开 放式 光