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線性驅動 — 面向21世紀的機械裝備技術[轉發]

線性驅動 — 面向21世紀的機械裝備技術

在模具產品日趨精密化的當今時代，機械制造業將面臨一場革命性的轉變。為了適應超精加工的需求，納毫米級精度的驅動技術將成為21世紀機械制造技術的主流。作為模具制造設備生產者的日本沙迪克公司則以自身的實力率先在世界范圍內將這項技術引入電加工設備的制造領域，以線性驅動技術全面取代傳統的絲杠傳動技術，利用線性電機優良的動作性能，解決了以往傳統機械結構的設備尚不能很好解決的電加工技術難題，并以0.1μm的驅動技術領先于業界，使電加工設備的整體技術性能上了一個新的臺階。

今天受沙迪克機電（上海）有限公司的委托，借此機會向各位介紹一下直線電機這一新興技術在沙迪克電加工設備上的應用情況和發展前景。從七個方面來和大家共同探討。一：直線驅動技術——沙迪克的驕傲

大家知道沙迪克公司是日本著名的專業電加工設備的研究和生產企業，憑著雄厚的研發能力和敬業精神在短短的時間里創造出了輝煌的業績， 70年代末80年代初，沙迪克以開發和生產MARK系列的電加工設備開始了公司的創業，之后，在不到20年的時間里，推出了一系列的創新產品，并將其產品成功地推向包括中國大陸在內的世界各地，在20世紀行將結束之際，更是在業界率先成功推出了以直線電機為驅動系統的全新的LN系列的電加工設備，為世紀電加工業的發展進程增添了一個令人矚目的新的亮點。沙迪克公司的不懈努力，以其精湛的技術優勢和以人為本的產品創意，不僅自身在業界牢牢地站穩了腳跟，更是贏得了用戶的信賴和愛戴，從而在這一領域的市場中占據了大片江山。當然以往每一次新系列的推出都標志著沙迪克公司在放電加工設備制造領域里的進步和成長，但最具劃時代貢獻的當數近年來直線電機在電加工機床中的全面推出，對沙迪克公司來說，這一技術的推出幾乎是一個里程碑，結束了多年來在制造這類加工設備時受傳統結構思路的束博，為電加工技術的進一步拓展開辟了一片廣闊的天地。直線電機的應用不僅在精度方面全面超越了傳統結構機床，而且在性能上更適合于電加工的加工特點，使電加工的應用范圍得以擴展，重振了電加工業的雄風，出色的加工性能使其沖滿無限魅力。由于沒有絲杠傳動間隙誤差，加上優越的動態響應性能，使得裝備直線電機驅動系統的機床能夠做到響應0.1μm驅動當量的位移，為納米控制技術在電加工設備領域中的實現打下了堅實的基礎。說到納米技術這個當代科技前沿話題，我們近年來不斷地在有關高新技術的開發和應用的報道中有所了解，各行各業也在積極準備，提升自身產品的科技含量，迎接新一輪技術革命的到來。隨著時代的進步和技術的發展，實際上納米概念已經滲透到自然科學甚至社會科學的各個領域之中，反映到制造業，現代納米制造技術已經涉及到了納米測量、納米精度定位和納米驅動以及摩擦、傳感、控制等技術，而納米量級的精密定位則是納米制造過程的基礎，無論掃描測繪，超精加工，現代光刻還是束流加工技術等，都以高精度的定位為其基礎，在這里特別要提到的是，隨著當今世界IT產業的飛速發展，已經提出了與之相適應的有關模具，其制造精度也要達到或高于微米級，這就說明，模具制造業中的部分精品也已經開始向納米量級進軍，而在納米量級工件的加工過程中，納米量級的移位是必不可少的。沙迪克公司正是把準了時代的脈搏，看準了現代技術的發展方向，尤其是電加工技術在這個領域中的發展機遇，義無反顧地朝這個方向進行努力，并且已經取得了輝煌的成就。(插圖2)正如沙迪克公司古川會長所講的那樣，今后，與IT（信息產業）相關的產品將會進一步期望小形化，高性能化，機床也要求納米級的加工技術，古川先生甚至預言，直線電機的控制技術將成為21世紀的主角。沒有直線電機技術就談不上21世紀的機械技術。二：直線電機工作原理及發展過程

讓我們先來了解一下何為直線電機，直線電機到底有哪些優越性以及它是如何發展起來的。其實從電磁作用的原理上來講，直線電機和旋轉式電機并無多大差別，只不過直線電機的轉子（通常我們稱之為動子）和定子分別都做成平板狀，通電后，由于電磁效應的影響，在動子和定子的間隙間產生沿相序運動的排斥力，驅使動子沿定子排列方向運動。（插圖3）我們可以把直線電機形象地想象為旋轉式電機的展開形式。可以這么說，直線電機是一種能將電能直接轉換成直線運動動能的設備。磁懸浮列車就是一個最好的能夠讓我們形象地理解直線電極工作原理的范例。它的軌道和車身實際上就是一組直線電機系統，在電源的作用下列車沿軌道作快速移動，時速可高達5、6百公里。由此可見，高速運動是直線電機的一個重要特性。從發展過程來看，由于原理上相差無幾，直線電機發展的起點并不比旋轉式電機晚多少，實際上在世界上旋轉式電機問世不久就出現了直線電機的雛形，據有關資料報道，世界上第一臺直線電機是在1845年由一個名叫CharlsWheastone的英國工程師制造的，但由于受當時材料的性能及制造技術的限制，導致該直線電機的效率很低，幾乎沒有任何實用價值。直線電機真正得到實質意義上的發展是在20世紀中葉前后，那時，隨著控制理論、電子技術及材料科學技術的發展，才真正地為直線電機的發展提供了理論和技術上的支持，使直線電機得以迅速發展，而直線電機作為進給系統出現在高速加工領域受到各國廣泛重視則是20世紀90年代以后的事。直線電機作為驅動裝置先后被磨床和加工中心采用，并得到迅猛發展，特別在那些機械制造大國，開發和生產直線電機驅動的設備正在以幾何級的數量逐年得到發展，由于直線電機作為驅動裝置與間接產生直線運動的“旋轉電機＋滾珠絲杠”結構相比，如果技術上處理得當的話，前者具有無可比擬的優越性，因此成為各國競相研制開發的項目，據有關資料報道，德國Ex-Cell-O公司于1993年在德國漢諾威歐洲機床展覽會上首先展出了被認為是世界上第一臺用直線電動機驅動工作臺的XHC240型高速加工中心，揭開了用直線電機裝備機械加工設備的序幕，之后，許多廠商紛紛仿效推出采用直線電機驅動裝置的設備，有統計數據顯示，1997年采用直線電機的機床銷售量大約在300臺左右。有關機構預計到2005年這類設備的銷售量將增加到3000臺，10年后將有20%的數控機床將采用直線電動機，尤其是高精度和超高精度的機械設備。不過現在看來這個預計太過于保守，單從沙迪克公司來講，從正式向市場推出直線電機裝備的電加工設備以來至今不到4年的時間里，其直線電機機械的銷售已超過了 6000臺，并仍處于上升趨勢中。可見發展態勢之迅猛。三：直線電機在電加工機床上的應用和傳統絲杠驅動式機床相比更具優越性

沙迪克公司在直線電機這一領域的研究是在90年代中期，當時已經有一些著名的機械制造商推出了商品化的采用直線電機作為驅動裝置的機械設備，主要是磨床和加工中心，并在一些國際著名的機械設備展覽會上加以展示，而與此同時，電火花機床的發展卻受到了越來越嚴重的挑戰，大家知道，雖然SODICK公司主要從事電加工設備的開發和制造，并在國際制造業的這一生產領域里享有盛名，先進的技術和超凡的性能使其產品在市場上占有相當大的份額，但是，從80年代后期開始，隨著其他加工手段的出現和快速發展特別是高速切削技術的顯著進步和迅速普及，以其加工效益高，周期短，深受模具制造業的青睞，致使一些原本應由電火花加工的業務轉向高速切削加工領域；而電火花加工一方面由于受電蝕產物排泄困難導致某些形狀的加工效益非常低下甚至無法加工；加工精度方面由于還存在某些客觀原因還不夠理想，這些難題一直困惑著電火花加工業務的拓展，找不到切實的解決方法，形成了功能上的局限性，與此同時傳統的低價位的電火花機床的生產廠家紛紛搶灘，以絕對的價格優勢搶占了部分市場分額，這些都對有實力的電火花設備的制造企業造成了一定的壓力和威脅，而開發具有突破性進展的高技術由于受傳統思維的束博似乎也到了寸步難行的地步。據此狀況有人甚至提出將淘汰電火花機床，電加工業受到空前的挑戰。這些經歷對于搞電加工的人來說都深有體會。沙迪克公司也不例外，90年代初的幾年時間里，銷售量也開始出現不同程度的滑坡，一個時期內在陣痛和反思中度過，曾經出現過蕭條。在陣痛之后，經過深刻地反思，他們認識到與其說電加工設備制造業受到挑戰不如說人的傳統思維觀念受到挑戰，要重新振新電加工業必須沖破傳統觀念的束博，必須開拓思路，找出差距，認準突破方向，電火花不是沒有發展前途而是怎樣找出路子去適應新的市場機遇，只要突破傳統功能上的局限性，電火花還是大有發展前途的，要向世人證明電火花不僅不能淘汰，而且有它存在的必要性。事實也充分說明了這一點，電加工業在受到挑戰的同時，發展機遇已經在悄悄的降臨，表現在加工業務上，一方面，一些傳統的加工件正在越來越多地被高速切削所取代，比如鍛造模，部分注塑模的型芯、型腔等，另一方面，隨著近年來IT產業的迅猛發展，與制作電子器件相關的模具也隨著大量出現，此類模具的規格多，數量大，而且比起傳統模具來精度要求更高，比如以精密節距的接插件為代表的微細形狀的加工；IC電路的微孔精沖模具及其封裝注射模，半導體芯片的大規模生產以及數碼技術的發展使得高科技的微型家電產品開始向千家萬戶普及，而這類產品的外飾件的種類多，翻新速度快，精度要求高，特別是該類產品具有精致化，小巧化而又不失耐用堅固的特性，使得這類注塑產品必須具備相當的加強筋來起支撐加固作用，在整個模具加工過程中，加強筋溝槽的加工占據著舉足輕重的地位，該類行腔的特點是薄而深，有時還兼作定位，因此精度要求也極高，客戶對這類模具的加工提出了不僅要進行微細，超精密的加工，其加工精度普遍要求在微米級以內，而特殊的模具零件精度要求甚至只有1～2μm，不僅如此，而且還提出在制造過程中的高效、低成本的要求，而這些模具的制作要求目前無論對于高速切削還是其他機械方式來說都還似乎無能為力，因此這類模具的大量出現也對模具電加工制造業的發展提供了良好的機遇，如果電火花加工不進一步提高性能，不開發目前其他制造手段還不能涉及到的加工領域或者所能達到的加工精度的功能的話，那么就會真正地逐步失去優勢，最終就有可能被取代的危險。因此努力提高電火花的加工性能，制造出集高精度、高效，節能性于一體的電加工設備成了當務之急，刻不容緩的課題。以往的電火花機床，由于受傳統的機械傳動結構的束搏，在發展到一定的技術階段后很難在加工性能上再有突破性的發展，直線電機技術在機械設備上應用使得參觀世界設備展覽的SODICK 公司決策者們從中受到啟發，簡直是矛塞頓開，他們設想如果把直線電機配置在電火化機床的主軸頭上，利用它的高速運動效應，不就可以即有利于加工過程中電蝕物的排除，實現高速高效加工又取消滾珠絲杠等一系列有礙精度得以進一步提高的部件，實現更高精度驅動，更高精度的定位了嗎？大家知道，電火花成型機床的核心部位和技術是主軸頭及其驅動部分，繼電火花技術開創近半個世紀以來，每次技術性能的提高都離不開主軸驅動性能的改造，從最初的電磁震動式和電動懸浮式調節器開始，歷經了一般交、直流電機＋齒輪減速器＋絲杠的驅動機構；電液壓伺服驅動機構；大慣量電機＋滾珠絲杠的所謂直拖結構以及至今仍然被很多制造公司所采用的交、直流伺服電機＋滾珠絲杠的直拖結構，每一次驅動結構的變革或新型控制方法的應用，都使得電火花加工的性能躍上了一個新的臺階，而將直線電機作為驅動部件直接應用于電火花機床的主軸上，獨創了直線電機和主軸頭合二為一的結構更是將其性能發揮至登峰造極之地步，為直線電機在其它電加工設備上的全面應用，開辟了廣闊的發展空間。這就是沙迪克直線電機電加工機床的推出，首先從電火花機床z軸開始的原因。其次我們再來看看，直線電機到底有哪些特點，為什么說它的出現具有廣闊的發展空間。前面我們已經講過，所謂直線電機，就是利用電磁作用的原理，將電能直接轉換成直線運動動能的設備，它的特點在于直接產生直線運動，與間接產生直線運動的 “旋轉電機＋滾動絲杠”結構相比具有體積小，以最少的單元實現直線驅動；沒有機械接觸，傳動力是在動子和定子間的氣隙中產生，除了導軌外沒有其他的機械摩擦；直線電機運行的速度范圍很廣，最高運動速度每分鐘可達百米，特別是它運行時所產生的加速度可以達到數倍于自由落體的加速度，且運行平穩；響應速度快，時間常數小于1ms；定位精度和重復定位精度高，因為取消了影響精度的中間環節，系統的精度取決于位置的檢測元件，若配以合適的反饋裝置，可以把定位精度控制在亞微米級，而且可以長期保持精度，這對于一般的旋轉式電機加絲杠結構的裝置來說是很難做到的。傳統的電火花機床，利用高精度的伺服電機通過精密絲杠傳導系統，把電機的旋轉運動轉換成主軸的直線運動，雖然高性能的旋轉式伺服電機已經可以響應高達0.1μm的驅動當量，但在傳導過程中不可避免的受絲杠系統的間隙、絲杠在來回反復旋轉時產生的扭曲彈性變形，以及作為細長物的絲杠受溫度變化而沿長度方向上的變化較為突出的特點的影響，除此之外絲杠和螺母間還會產生摩擦，摩擦不僅產生熱量，而且還會發生磨損，這種因局部熱量引起的局部變形很難用軟件來對其精度進行補償，這些都會造成進給運動的滯后和其他許多非線性的誤差，眾多的中間環節也勢必會加大系統的慣性質量，影響了對運動指令的快速響應，制約了加工精度的提高。為了證明絲杠因摩擦生熱后到底對精度有多少影響，有人做過這樣的試驗，令一臺絲杠式傳動的機床，使其工作臺作150mm距離間的來回往復運動，一段時間后，用紅外熱像儀測量絲杠的溫度分布狀況，結果發現，作往復運動的那部分絲杠的溫度明顯升高，如圖（16）所示，說明摩擦產生的熱量不可小覷，而熱量導致的明顯結果既是絲杠的精度變差，從以下一組實驗數據中可以看出，插圖（21）絲杠受熱后其狀況和長度方向變化的趨勢。我們令工作臺在 500mm距離間作來回往復運動，40分鐘后經測量，發現絲杠沿長度方向競伸長了40um,可見變形之大，而且，由于磨損，也不可能做到長期保持精度。去年，清華大學的有關研

究機構曾經對直線電機與“旋轉電動機+滾珠絲杠”的傳動

性能進行了專門的測試和評估，并在中國機械工程學會會刊

《制造技術與機床》上發表了題為《機床進給系統用直線電

機綜述》的論文，較為詳細地闡述了直線電機的原理和分類；直線電機的優缺點分析以及直線電機的發展與應用，在這里我想引用一下他們做的兩類電機在一般情況下的性能比較表，給大家略作參考。

性能旋轉電動機+滾珠絲杠直線電動機精度（μm/300mm）100.5重復精度（μm）20.1最高速度（m/min）90～12060～200最大加速度（g）1.52～10靜態剛度（N/μm）90～18070～270動態剛度（N/μm）90～180160～210平穩性（%速度）101調整時間（ms）10010～20壽命（hours）6000～1000050000從上述比較中我們可以粗略地看出，無論是精度指標還是運行速度和加速度方面的性能甚至從使用壽命上來考慮，直線電機的性能都遠高于傳統結構的性能，足以說明直線電機作為機床進給系統的魅力所在。另外從電火花加工的應用情況來看，由于傳統結構的機床采用螺桿螺母傳導機構，插圖（3）這種結構本身也是一種減速裝置，主軸的進給和回退的速度緩慢，使得加工加強筋溝曹之類的行腔時排泄困難，加工狀態變差，加工效益大大降低，甚至無法加工。而直線電機則不同，它運行的速度直接傳遞給主軸，中間沒有任何環節，而且其產生的加速度可以達到數倍于重力加速度，進給和回退動作的轉換瞬間就可以以極高的速度完成，從根本上解決了一直困擾于電火花加工的排泄難題，考慮到作為精密加工設備的驅動裝置及實際應用所須的要求，在沙迪克電火花主軸上應用的直線電極的最高運行速度為36m/min,最大加速度為1.2g，這樣的主軸運行特性對于電火花加工范疇來說是足夠有余了。而且維護簡單，由于部件少，運動時無機械接觸，從而大大降低了零部件的磨損，平時只須做很少甚至無須維

護，使用壽命更長。四：直線電機固有特性及應用過程中的應對措施

通過以上的分析我們可以大致了解到直線電機作為驅動系統特別適合于電加工的特性，具有很多優越性，但雖然直線電機有很多優點，生產各類直線電機的專業公司也不少，但從市場上買來的直線電機成品并不適合電加工設備的要求，而且根本就買不到適合電加工機床加工特點的驅動控制器，雖然直線電機的運動特性具有高速，響應靈敏的優點，但作為電火花機床的主軸，在不斷地上下高速跳躍過程中要達到準確的在放電加工處定位，沒有一系列技術上的措施來支持的話也是不可能做到的。況且直線電機也有其固有的負面特性，這些都需要在實際應用中加以克服和改善。首先，直線電機在使用過程中也會發熱，旋轉式電機通過螺桿螺母轉換成負載的直線運動，這種結構本身是一種減速裝置，采用較小的電機功率可以帶動較大的負載，因此電機本身產生的熱量較小，電機和機床的接觸部位也不大且安裝部位相對來說也不是很關鍵。到是絲杠因摩擦生熱所引起的變形到是問題的關鍵所在，而直線電機則不同，它運行負載的變化直接反映到流經電機線圈的電流的變化，電流一大，線圈和本體就會發熱；而且，根據設計要求電機應安裝在機床的重心位置，部位非常關鍵，溫度上升勢必影響機床的精度，所以要使用直線電機，首先要有效地控制電機的發熱，特別是電火花的主軸，推力大，運行速度高且運動換向頻繁，負荷變化大，是最易發熱的直線電機，sodick的技術人員在這方面動了很多腦筋，成功地發明了采用汽缸重力平衡機構，有效地降低直線電機電功率的消耗以及在直線電機電樞線圈側內部設計循環冷卻水道的設計方按，使這個問題得以圓滿解決。傳統的主軸頭重力平衡技術大多采用重錘結構，而直線電機驅動系統的加速度已大大超過了重力加速度g，重錘結構不能滿足平衡跟蹤，為此采用如圖所示的汽缸重力平衡機構，這種汽缸重力平衡機構不僅用以平衡主軸的自重和負重（工具電極），而且，利用汽壓的保持作用，在平均伺服速度較低的放電加工時，使直線電機僅工作在微功率消耗狀態，不僅有效控制了熱量的產生，而且節省了能源消耗。此結構通過實驗證實，即使把直線電機的加速度提高到1g，跳躍速度達40m/min，作為定子電樞線圈的溫升也不超過室溫2℃，（插圖）完全可以在所設計的電火花機床的全負荷范圍內使用。問題之二，由于直線電機本體結構是由高

密度的稀土永久磁鐵構成，電樞線圈與磁

鐵之間所產生的吸引力可達電機最大推力

的4倍之多，這么大的吸力如果沒有適當

措施加以平衡的話，久而久之勢必引起構

件的變形和歪斜，為此需要提高結構的剛度，

而使設計者們感到左右為難的是剛度的增加

勢必引起結構重量的增加，為此還要進一步

提高推力，形成了一個怪圈。經過反復研究論證，決定安裝兩個對稱的直線電機，一方面可以借此相互抵消磁性吸力另一方面也保持了主軸的平衡性，有利于主軸沿軸向運動的直線性和平滑性。問題之三，直線電機的齒槽效應扭矩與制動扭矩變化大，（所謂齒槽效應扭矩是指伺服電機在低速運行時動子相對定子的位置不同，生產的磁場強弱不同，由于磁場變化所產生的扭矩，齒槽是指排列中的磁鐵與磁鐵之間的縫隙。）這種不均勻的扭矩對精密加工來說是一個很重要的問題，容易造成定位不準而失去精度。 Sodick 公司在這一問題上的解決方法是改變磁鐵的常規排列方法，把磁鐵排列成與水平方向成一定角度的形式，使得磁極的磁束達到均勻分布，并降低了負載的變動誤差；其次改進了磁極間的節距精度，使齒槽效應力矩產生的節距誤差保持穩定，進而通過把相互對抗的電機的各相位予以偏置的措施來抵抗和消除齒槽效應。這樣，不僅使各個相位間的推力平衡性得到了提高，同時還起到了在正常運行過程中抑制負載變動的作用加上公司自行研制的直線電機控制器，可以將流往各相位間的電流實施微細控制，不僅使有負面影響的齒槽效應得到了有效的控制，更進一步適用于高精度的位置控制，使得在主軸高速下落的狀態下能停止在0.1μm以內的精度，和以往傳統式機械結構相比精度等級提高了5～10倍，沿用sodick公司的一貫做法，直線電機驅動控制器的軟件也是其獨家研制開發的，多年的技術發展為其提高電火花加工的技術性能奠定了堅實的基礎。問題之四，主軸的自鎖問題。為什么要提這樣的問題，因為在傳統機械結構中，螺母螺桿加上主軸的配重自然就起到了自鎖作用，你可以在任何位置斷電都不用擔心主軸會突然下落，而直線電機則不同，一旦斷電，直線電機的磁場約束力就會立即消失，不采取措施的話，主軸頭憑著自重就會掉落下來，這當然是我們所不希望的。解決方法是利用汽缸平衡機構的氣壓保持作用配合夾緊機構，兩者結合在一起來固定主軸并使其保持平衡，防止斷電下落現象。由于以上技術問題的妥善地解決，使得sodick公司得以大批量地生產以直線電機裝備的電加工設備并投入市場。現在在行程850mm以下的電火花加工設備以及所有型號的線切割設備上都采用了直線電機驅動軸，而在850mm以上包括850型的大型電火花設備則保留了原有的旋轉式電機+滾珠絲杠的傳統結構，并在主軸上配備一直線電機的輔助軸，形成復合軸結構，這里需要說明的是，之所以在大型機床上采用這樣的結構完全是出于為用戶在生產中的實用性和經濟性方面的考慮，大型機床的加工對象一般為大型工件為主，電極的體積和重量都比較大，加工精度相對于小型工件來說要求也不一樣，如果全部采用直線電機作為驅動軸的話，勢必加大電機的推動功率，而隨著電機功率的加大，設備的剛度也要增加，結構也要加強，這樣勢必增加機床的制造成本，增加用戶的負擔，而在不對機床原有的結構進行大的變動的情況下，增加一小功率的直線電機輔助軸，在加工中實行優勢互補，不失為一個既經濟又可行的方法。五：加工實例分析

下面，我們將結合加工實例來看一下直線電機的應用情況。直線電機特點1.運行的速度快（36m/min）；加速度高（1.2g），在加工過程中可以有效排除電蝕產物，特別適合于加工窄縫類型腔，加工穩定性大幅提高

(圖片12)是利用電極尺寸1×38mm，錐度為1o的銅電極，加工深度為70mm的深筋溝槽。用以往的傳統電火花機床加工這樣的零件是極其困難的，現在已經變成極好的加工實例。工件材料為SKD61，粗加工時間：2小時10分，精加工時間1小時34分，合計3小時44分。使用2根電極。加工后經測量，電極損耗率為0.64%，工件表面粗糙度達到Ry10μm。在免沖液加工的條件下，以往的機床加工深度接近35mm時幾乎加工不下去，但直線電極的機床由于高速抬刀的抽吸作用，可以有效的排除電蝕產物，快速恢復極間的絕緣狀態，與加工的深度基本沒有什么關系，不僅保持了適當的間隙狀態，還大幅度地縮短了加工時間。從事塑料模制作的人員都知道，加強筋的溝槽極為狹窄，為了避免影響成型品的外觀，一般都把加強筋的厚度設計得很薄，象一些高檔小型電器的塑料件的加強筋的溝槽寬度普遍只有幾十絲，如果考慮到電火花加工電極制作的減寸量，就會使得電極進一步變薄，溝槽進一步變窄，而為了增加塑料件的強度，往往要把溝槽做得很深，用以前的加工經驗來考慮，這道加工工序將占居整個模具加工周期的大部分時間，甚至為無法加工而傷透腦筋。因為用以往傳統的電火花機在加工深徑比比較大的型腔時最感困惑的問題是電蝕物的排泄問題，正是由于這個問題長期以來得不到有效的解決，或者說解決的方法沒有突破性的進展，使得電火花不能達到應有的加工效益，甚至無法加工（插圖7），更不用說提高加工精度；提高加工速度了。在示意圖上我們可以看出，用以往的傳統電火花機加工窄縫類型腔時，加工到一定深度后，電蝕產物開始難以排出，造成加工不穩定，短路現象不時發生，甚至發生電弧放電而燒壞工件和電極，造成電極異常損耗。為了有效排除放電后產生的電蝕產物，我們不得不用輔助沖液法來加強型腔內工作液的流速，使之增強排泄效果。但即使這樣也不能完全解決問題，型腔太深的話，采用這樣的方法效果有限；而采取減少放電過程，增加抬刀時間和抬刀高度來改善加工狀態的話，勢必造成加工效率成倍下降，即使可以勉強加工的話，我們從示意圖中可以看出。由于沖液在型腔內的不均勻性，使得電蝕產物不能完全從型腔中排出，殘留在型腔中的加工屑易引起集中放電或二次放電，且這類放電都產生在電蝕產物濃度較大的型腔面上，造成放電面不一致，放電間隙也不均勻，使得加工精度變差。插圖（13）。為了改善這個現象，往往需要操作者有豐富的經驗，把握沖液的部位和流速，但也僅能做到改善而已。而直線電機的效果則不同(插圖8)，我們在加工這類工件時，可以設定主軸作高速跳躍運動，充分利用直線電機高速，高加速度運行的特性，在電極以大于1g的加速度高速退出窄縫型腔的同時，由于抽吸效應，順勢帶走了大量的電蝕產物，使型腔瞬時產生負壓狀態，處于真空狀的行腔吸引四周的液體順著間隙快速填滿其空間，而當電極高速向下運動時形成的沖擊力，會在型腔內形成瞬間高壓，迫使腔內的液體和殘留的加工屑、氣體、焦油等順著間隙高速排出，使得在加工區域內幾無放電殘余物存在，能實行穩定持續的放電加工。不僅如此，由于放電通道的凈化，避免了因二次放電或局部拉弧引起的電極異常損耗，延長了電極的壽命，提高了加工精度。另一方面，由于放電正常，再加上主軸的高速運動，大大宿短了放電加工周期，使得加工效益得以大幅度的提高，加工深度和加工時間基本上成正比例的關系，因此可以估算出精確的加工時間。插圖（11）我們可以從兩個方面來加深理解為何采用直線電機會提高加工效益。首先從主軸運行狀態來看，如圖（18）所示，絲杠驅動式主軸由于受減速效應的影響，跳躍速度不可能做得很高，提升和下落所占用的時間和脈沖作用時間的比值總體上來說大約是1：1，也就是說實際上有效加工時間只占了總加工時間的一半左右，效率僅為50%。

而直線電機由于具有高速運行特性，并且電機的運行速度既為主軸的運行速度，所以運行中可以任意設定主軸的跳躍時間，在加工某些特定形狀的工件，比如說加強筋溝槽等，可以設定主軸作高速跳躍動作，瞬間就可完成提升和再定位過程，這樣有效加工時間在總加工時間中的比例可高達90%以上，加工效率因此而得以大幅提高。從另一方面來看，插圖（19）傳統絲杠傳動式機器由于受排屑不暢的影響，加工過程中不時有短路現象發生，為了防止短路而引起不正常的電弧放電現象，在電規準參數上設計了遇短路自動延長脈沖間隔時間，以此來增加排屑時間，達到穩定加工目的。而這段時間實際上不是有效的加工狀態，處于放電休止狀態，這種狀態所占的比例越大加工效益越低。直線電機由于可以作高速跳躍，加工區域的排屑性良好，基本不會產生短路現象，因此作用在放電部位的脈沖呈一連串非常規則的狀態，有效加工時間比例大幅增加，從而相對來講宿短了加工時間，提高了效益。以上兩個方面，僅從直線電機的運行特點上的分析所得出的結論，事實上隨著電源本身的不斷改進甚至作為電解質的加工液的不斷改良，也為加工效率的進一步提高起到了推波助瀾的作用。我們之所以拿模具加強筋之類的加工實例來說明，是因為這種類型的加工較能反應電火花機床加工的難點，也就是電蝕物最難排除的，用普通的電火花機床最不易得到穩定加工的范例，象這種形狀的型腔，除了電火花外，似乎還沒有其他更有效的加工手段來對付。塑料模在所有的模具中所占的比例越來越大，而在發達國家，這種比例已超過一半，而普通的型腔模、鍛造模等過去電火花加工中最擅長的一個領域，現在也已經逐漸被高速銑削所代替，大多數的模芯型面加工也基本上以銑削加工為主，而模芯上的加強筋溝槽的加工時間要占整個模芯的70%之多，在國外也是被認為是加工數量最多、最難加工的形狀，另外，隨著高強度工程塑料的應用以及電器產品的小型化、薄壁化，也要求在模具設計上配置若干個薄而深的加強筋，電火花機床的生存空間將越來越多的依賴于這種類型的加工。只要這種狹窄溝槽加工好了，加工其他所謂的復雜型腔就不會有太大的困難了。直線電機特點2.響應性好，動作靈敏，運行平穩且精度高(插圖20)

直線電機由于取消了賴以轉換驅動方式的絲杠組件，不存在移動軸背隙的誤差，位置的定位由高性能的位置檢測光柵裝置直接反饋給驅動單元，構成全閉環系統，這里我們列舉兩類不同類型的驅動系統，（插圖6）從圖中可以看出不同驅動方式的驅動系統是不同的，仍以電火花機床的主軸為例，傳統旋轉式電機加絲杠型傳動系統，主軸的移動指令由NC中央處理器發出，令回轉式電機轉動，電機通過絲杠和螺母系統轉換為主軸的直線運動，直到指令所指定的值為止，在這過程中放電間隙狀態的檢出裝置一直處于監測工作狀態，并把監測到的結果反饋給NC 中央處理器，由NC判斷加工間隙的狀態。而直線電機控制系統雖然也由NC裝置發出移動指令，但移動的值則是由安裝在主軸頭上的光柵尺直接檢出，由于主軸頭實際上就是直線電機的一部分，所以檢出的結果和直線電機運行的結果完全一致，就是實際移動量，正確的移動量直接反饋至控制回路而不象絲杠式檢測系統那樣反饋至NC裝置再行進行判別，這個控制回路稱為（SMC）Sodick Motion Controller回路，是由沙迪克公司自行研制開發的直線電機控制驅動裝置，也是沙迪克公司直線電機驅動系統的精髓所在。直線電機、SMC控制回路加上全閉環的檢測控制系統，三管齊下，使得0.1um驅動當量的位移量變為現實。以IC封裝注塑模為例，此類模具看似簡單，底部為平面而已，其實要求極高，國外IC芯片廠家對產品的封裝要求極其嚴格，封裝模不僅要確保表面粗糙度Rmax要控制在6～8u,更重要的是形腔深淺度（即平整度）要絕對一致，且表面品質要均質，不允許存在不均勻現象，形腔的尺寸精度要求也極高，只有這樣才能使模具的質量能確保封裝后IC產品的相關品質。以往的電火花加工機，由于伺服的響應有滯后效應，不能精確地反映瞬間加工狀態，要把加工深度控制在2～3μm，且整個加工面表面品質完全一致，非常困難，大多數情況下僅某幾個點位到達設定的尺寸而已，并非大面積的精度尺寸，而直線電機則不同，由于其跟蹤反饋系統非常靈敏，取樣檢測系統可以檢測到μm級以內的間隙電壓變化情況，控制驅動裝置可以控制直線電機做小至0.1μm當量的驅動，從而保證了加工精度的需求。為了驗證直線電機的這一特性，沙迪克公司曾做過這樣的實驗，如圖所示（插圖9），這是一個平板狀型腔，采用無沖液方式加工，且底部面積較大，為100mm ×100mm，加工深度為3mm，電極材料為銅，數量2個，粗加工電極單面減寸量0.4mm;精加工電極單面減寸量0.15mm,粗加工時間4小時8分，精加工時間15小時40分，總加工工時合計19小時48分。加工后經測量表面粗糙度達到Ry6.5μm,相當于▽7。僅用不到20小時的加工時間，加工這么大個工件，且達到這樣的光潔度，應該說效率是很高的，但我們主要目的是來看看它的平整度到底如何，為了形象有效地加以說明，他們在整個加工區域內分成9 個部位作為測量點，測量結果如表所示，我們看到，在這么大的面積上，它的不平度誤差僅4μm，表面粗糙度峰值的變化范圍最大值也僅1.8μm，可見，其一致性是相當的好。由于能獲得如此均勻的放電表面，因此可直接用于IC芯片封裝的鑄模上，加工后的模具無須另行處理。如圖所示是一些用Sodick直線電機電火花機床加工的IC封裝模的實例。（插圖10）六：直線電機在線切割機床上的應用：

不少人認為直線電機在電火花機床上應用有較明顯的優勢，在線切割機床上采用直線電機似乎沒多大必要，其實這是誤解，也許持這種觀點的同志，對直線電機高速運行特性有比較深刻的了解，通過現場參觀，加工對比，證實了這種特性應用在火花機上加工深窄縫型腔確有傳統機床無可比擬的優點，但線切割不同，它在加工狀態下進給系統并不做高速運動，即使現代電源每分鐘的切割效率可達數百平方毫米，但粗加工基本上是在恒速進給條件下進行加工的，似乎沒有必要采用電火花成型加工一樣的伺服動作，用傳統的絲杠式結構也綽綽有余，采用直線電機的優越性不明顯。這種觀點是片面的，我們上面已經談到過，直線電機有很多優點，除了能作高速運行特點外，還有諸如沒有反向間隙，定位和重復定位精度高，響應靈敏，尤其能響應小至0.1um驅動當量的特性為其他傳統結構所不及，從加工業務看，總體上講，線切割的精度要求比電火花要高，尤其是切割面的表面質量更是顯得尤為重要，稍有瑕疵便一目了然，因此，為了達到優異的加工表面及尺寸精度，仍然需要工作臺的驅動軸作平滑移動，以往傳統結構的線切割機，以用純水加工液機型為例，要達到Ry為5的表面粗糙度的表面，一般要經過4次加工，而第二次加工顯得尤為重要，留給第三第四次切割的加工余量一般不超過0.02mm，由于要兼顧切割效率，第一次切割往往采用比較大的加工電流，以提高切割速度，相對來說表面質量和精度可以稍加忽視，所以第二次切割不僅要提高表面粗糙度而且還要充當整形的作用。傳統型線切割機我們在上面曾經分析過，在進給驅動過程中存在不同程度的響應滯后現象，對高低突變的窄小表面反應遲鈍，甚至來不及處理就匆匆而過，容易在加工面留下條紋，需要第三、第四次甚至更多遍的切割予以修整，不但延長了加工時間，降低了加工效益，而且還增加了加工成本。從加工波形上看，加大第二次切割時的靠邊量，如果采用直線電機，加工波形非常穩定，而傳統的旋轉式電機加絲杠式結構的機器則波形狀態不穩，出現雜亂的狀態，時有短路現象發生，被加工工件的表面因此而留下切割條紋，這是因為直線電機具有極其靈敏的響應特性，即使加大靠邊量也能穩定切割，所以，一般來講，兩次切割就有可能達到普通機床要4次加工才能達到的效果。這是從一個方面來看，直線電機在線切割中應用的優越性，我們還可以從另一角度來說明直線電機的在線切割中應用的優點。沙迪克公司在線切割上開發和應用直線電機控制系統的主要目的，是著重于提高其精度等級，要實現高精度的加工效果，必須要有高精度的驅動系統，以往絲杠傳動式線切割和放電加工機一樣，改變運動方向時由于絲杠和螺母間有間隙造成動作的滯后，導致運動軌跡發生差錯，這種現象在加工圓的時候特別明顯，是產生橢圓度的主要原因。用絲杠式線切割機加工圓，加工軌跡到達圓頂點部時，軸移方向要進行換向，由于背隙的存在而使軸動作滯后于指令數據，加工軌跡因此而發生偏差，結果造成圓頂點部分的精度降低，這種情形在加工直徑較小的圓時特別明顯，事實上，即使是采用現今最高精度的絲杠式線切割機，要加工精度為1um的真圓度的圓也是不可能的。而直線電機驅動的線切割放電加工機，由于不采用絲杠而直接驅動，完全消除了傳統絲杠式機械所特有的背隙誤差，指令軌跡和實際加工軌跡完全一致，最大限度地消除了因移位誤差而造成的精度缺陷，圖為用直線電機線切割加工的圓孔，經測量，其橢圓度僅為0.43um，另外，結合沙迪克公司開發的 SMC驅動系統，可以長期保持機床的精度。由于直線電機優越的追蹤響應性能，使得即使只有0.1um的余量也能進行有效加工，結合業已開發成功的超精細加工電源（SUPER PIKA-W）和拐角處理技術，進一步提高了表面粗糙度及形狀精度，即使用純水作為加工液，也能做到Ry 0.41um粗糙度的表面，加工精度可達 2um以內。如圖所示。再說一下拐角處理，沒有這項技術，在加工到角度比較銳利的拐角處時，會產生由于去蝕量的變化導致進給速度的變化、放電產生的反作用力導致電極絲的運行軌跡滯后于程序軌跡且伴隨電極絲的振動、噴流壓力和方向的變化等都會造成拐角加工軌跡的失真，而這項技術可以預先對程序走向進行預跟蹤，自動判別是否進入拐角，調整運絲的張力和伺服速度，自動修正電極絲的滯后，有效控制了電極絲振動等在拐角處易發生的不利現象。大幅提高了拐角處的形狀精度插圖（14）。使得可能發生的不足之處得以最大限度的改善。七：沙迪克其他最新技術簡述

由于時間關系，以上著重介紹的是沙迪克公司有關直線電機技術在電加工設備上的應用情況，除此之外，在電加工設備的其他方面，沙迪克公司也有很多的獨到之處，比如電火花方面的大面積鏡面拋光技術，豐富的平動軌跡加工技術，新型硬質合金加工電路（STP電路）技術，可以有效地在硬質合金、鈦合金等多種有色金屬進行放電加工，即使在被大多數使用者易忽略的加工液上也頗有研究和創新，最新推出的粉末加工液（WHITE3型）是一種高速加工的添加劑，能覆蓋從粗加工到精加工的整個加工過程，不但加工質量得以提高，和通常的加工相比，還大大宿短了精加工的時間。線切割方面的有關技術，表現在電源方面的有高速無電解回路技術（SUPER BS），有效防止了被加工材料在加工過程中的電化學腐蝕，提高了加工精度和表面質量，在加工超硬材料時，能有效防止作為材料結合劑的鈷元素的溶出，確保加工后的硬質合金表面的硬度保持不變且延長了交換樹脂的使用壽命。超鏡面電路（SUPER PIKA），利用此電源技術，可以得到優異的表面加工效果，象SKD11這樣的常用普通模具合金鋼也能達到Ry0.64um這樣的表面粗糙度，硬質合金材料甚至可以達到0.48umRy這樣的粗糙度，這用傳統的電源是根本無法實現的，在控制技術方面，在設計上利用對切割程序的監控以及對極間伺服電壓的監控，制訂最佳切割能量和路徑，有效防止了過去因加工件高度的變化但電源能量不跟著變化而引起的斷絲、加工質量變差等現象；其它諸如快速自動接線技術，進電端點及導線布局改善措施、快速進液及省占地面積設計，省力方便的加工槽門開關設計等，無一不體現出沙迪克一貫創導的以人為本的設計和制造理念，每一項技術都包含了許多的KNOWHOW，值得我們研究和借鑒。當然上面所談到過的那些加工實例也包含了這些技術所起的作用。除了電加工機械外，沙迪克在注塑機械、加工中心等其他機械方面都有其特色，特別是最新自行開發的MC180L型精密小型加工中心（插圖），也采用了本公司自產的直線電機，主軸回轉速度可達 40000r/min,用來加工高質量的電極產品和小型精密零件是最合適不過了，正因為沙迪克在放電加工領域里的杰出貢獻，近幾年來獲得了日本政府有關機關頒發的多項獎項，其中包括日經產業新聞社頒發的“1999年日經優秀產品、服務獎最優秀獎”；日刊工業新聞社頒發的“第42屆十大新產品獎”；日本機械振興協會頒發的“第30屆中堅·中小企業新機械開發獎會長獎”；日本國模具技術協會頒發的“第十屆模具技術協會獎技術獎”等等，為SODICK公司贏得了眾多的榮譽，足以成為值得讓客戶信賴的企業。在這里，還要向大家特別介紹的是，sodick公司已經研制開發成功并不久即將投入市場的新型控制系統—3維立體模型融合型CNC數控裝置，命名為LQ系列數控系統。這種世界首創的數控系統，00000000000000000000000000000000000000000融合了美國著名CAD/CAM軟件公司 SOLIDWORKS的三維造型編程軟件，為用戶提供了在加工設備自帶的數控系統上完成從CAD至CAM整個加工過程的以三維實體模型為基體的完整的設計與制造環境。用戶不僅可以在操作系統上作復雜的三維造型作業并完成數控加工指令，而且可以在加工過程中通過CRT屏幕觀測到與加工位置同步的任何角度的實時加工模擬圖象，不象以前的數控系統那樣只能顯示加工程序，極大地方便了操作者。 LQ控制系統的開發背景是，近年來機械設計與模具設計正在迅速向三維實體模型化潮流過渡，其原因是按照由三維實體模型獲得的重心等方面的幾何數據可以直觀地進行諸如強度分析、流體，振動及熱量的模擬分析，在實際生產之前對加工性能及加工成本等方面進行綜合評價，避免加工失誤。三維的CAD經過多年的開發和完善，性能上已適合各類設計要求，并迅速得到普及。現在CAD軟件在價格上和投放初相比有了較大幅度的下降，且可以在任何具有視窗系統的PC機上運行，然而，遺憾的是至今為止還沒有能夠使在CAD系統上繪制的三維實體模型直接移植并在下一道實施加工工序的CNC裝置中應用，通過對用戶的調查，沙迪克公司了解到最近幾年有半數以上的用戶需要從兩維向三維過渡，所以決定采取三維實體模型數據來研制“LQ”數控系統并在能夠實現三維加工的機械設備上配備這樣的系統，包括加工中心和電火花成型加工設備。大家知道，沙迪克的電火花機床的主軸集成了可以做高速回轉運動的C軸，借助于三軸聯動功能，可以象加工中心那樣做三維創成加工，因為電火花成型加工機床的數控系統同時要對電源參數進行控制，所以在電火花上應用的LQ系統又稱為LQ電源。L表示沙迪克的線性驅動技術， Q則借用英文中具有立體含義的Cube 及代表質量的Quality來表示此系統具有高品質的三維實體模型功能。對于操作者來說，掌握LQ電源，即意味著從開始設計構思的最初階段直至完成加工的整個過程能始終用三維實體模型作為基體，并以此作為依據進行定位，自動生成加工路徑及加工條件，甚至還可以用來類似三坐標測量儀那樣進行三維輪轂的精度檢測等操作。 LQ電源的最大特點是能使生產狀況一目了然，從而使整個生產過程簡單化，避免了加工過程中的浪費現象，使設備始終處于高效、高品質的加工狀態，所以，LQ 電源能使加工效率獲得空前提高。4月17日在日本大阪舉行的第13屆國際模具加工技術展覽會上，沙迪克公司已經展出了配置LQ電源的線性電機驅動型電火花成型加工機，引起用戶的極大興趣，紛紛打聽銷售辦法和日期，沙迪克公司因此而受到極大的鼓舞，并將以今年10月在東京舉行的JIMTOF2002為鍥機，全面推出LQ型操作系統，預計此類系統的推出年間僅在日本的訂貨與銷售量就將超過2000臺。當然，到時在中國也將同步推出裝備該操作系統的電火花設備和加工中心，有興趣和意向的客戶請密切關注，和沙迪克公司保持聯系。再向大家介紹一種沙迪克公司最新研制成功被認為是目前世界上最高精度的加工機械，（NANO-100）。NANO是日語，翻譯成中文的話是納米的意思，100則是表示加工范圍。沙迪克公司一貫奉行的宗旨是（讓不可能實現的東西成為可能），大力推進21世紀的關鍵技術—納米技術，在線性控制的基礎上開發出世界最高水準的超精密線性中心。這種機械的支撐部及大量的零部件，采用本公司自產的陶瓷材料，幾乎沒有熱變形并大大降低了結構重量，3軸的滑動部位，采用非接觸式4面拘束型陶瓷部件和空氣導軌，直線性

就以上所討論的內容，我們大致可以把它歸納為以下四點： 1．直線電機具有定位精度高，伺服平穩，響應靈敏等特性，更適合于電加工的加工特性；

2．直線電機的高速運行特點應用于電火花的主軸頭上，有效解決了加工深徑比大的型腔的排屑性能，不但提高了加工精度，同時大幅縮短了加工時間。

3．采用直線電機作為驅動系統，有效克服了傳統絲杠式系統不可避免所存在的背隙、摩擦損耗及變形等缺陷，設備的總體精度得以提升。

4．雖然目前直線電機本身制造成本較高，但綜合下來機械結構得以簡化，易磨損部件減少到最小限度，精度可以長期得到保證。而絲杠式結構則可能5年左右就要對其絲杠精度進行測試和調整，10年左右如果還想維持原先精度的話，就有可能要更換絲杠。最后還需要告訴大家的是，沙迪克在不斷提高技術含量的同時，還不斷地挖潛改革，以降低制造成本，近來推出的AM3L型直線電機驅動電火花成型加工機的價格已足以使國內中小企業甚至個體企業所能接受，成為性能價格比較高的模具加工機械，深受廣大客戶的喜愛。有興趣和意向的客戶可直接與沙迪克公司在中國的各營業點取得聯系并取得詳細的技術咨詢。沙迪克公司一定會以最大的努力來滿足大家的需求。最后祝各位身心愉快、事業有成。
臺灣慶鴻公司，日本三菱公司也相繼推出了直線電機驅動慢走絲機床。

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