毕业论文 基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究

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1、基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究目 录摘 要4关键词4ASTRACT5Keyword5第一章 绪论61.1 高速快走丝电火花线切割机床在制造业中的地位61.2 电火花线切割分类61.3 国内外电火花线切割机床发展的现状71.3.1 国外电火花线切割机床发展状况81.3.2 国内电火花线切割机床发展状况91.4 本课题研究的内容和意义121.4.1 高速快走丝线切割机床的概况121.4.2 高速快走丝线切割机床面临的压力121.4.3课题的任务与研究内容14第二章 高速快走丝电火花线切割概述152.1 高速快走丝电火花线切割机的组成部分及作用152.1.1 机械系统1

2、52.1.2 脉冲电源182.1.3 控制系统192.2高速快走丝电火花线切割加工的原理212.2.1 电蚀原理212.2.2 轮廓的实现232.3高速快走丝电火花线切割加工基本概况242.3.1高速快走丝线切割加工特点242.3.2 电火花线切割加工的应用范围242.4 高速快走丝电火花线切割机床走丝方式控制252.5本章小结28第三章 循环换向控制方法293.1钼丝长度对表面粗糙度影响机理探讨293.2 现有钼丝运行长度控制方法313.2.1 缩短行程开关之间的距离313.2.2步进电机控制循环走丝方式323.3 短循环换向控制方法333.4本章小结34第四章 基于单片机控制的短循环走丝方

3、式设计354.1 换向系统组成与短循环换向方法354.1.1单片机的选型364.1.2 AT89C2051单片机的特征、组成和使用364.2 键盘的设计404.3 换向控制系统的软件设计414.3.1 短循环加工子程序结构424.3.2 中断服务程序设计434.3.3 换向子程序设计434.3.4 自动停机方法444.4 系统抗干扰措施454.5 系统控制电路464.6 本章小结48第五章 短循环走丝控制的实践495.1 采取的线切割机床及有关参数495.2 循环控制505.3 实际加工运转情况525.3.1 改造后短循环的控制方法对粗糙度的影响525.3.2 短循环控制系统稳定性545.4

4、本章小结54第六章 结论与展望55参考文献57致 谢60摘 要本课题属于企业技术改造项目。根据课题要求，提出了利用短循环走丝方法以降低高速快走丝电火花线切割机床加工工件的表面粗糙度值；并用单片机实现了相应的控制，完成了控制线路电路板设计和制作，利用控制电路对现有线割机床进行了改造。实践表明，这一控制方式运行稳定、有效，在实际生产中取得了明显的效果和良好的经济效益。本文在总结实践和参考大量文献的基础上，首先简要地介绍了高速快走丝电火花线切割的基本组成、工作原理以及国内外目前电火花线切割机床发展的现状。随后分析了传统的高速快走丝电火花线切割机床走丝控制方式及目前已开发使用的短循环走丝方式存在的问题

5、，提出利用单片机来实现短循环走丝加工方式的必要性。文中重点分析了短循环走丝工作原理、控制系统组成、系统控制程序和短循环加工控制子程序的结构，设计了相应的控制程序，并提出了系统抗干扰的相关措施。在几乎不增加成本的前提下，利用软件，实现了短循环走丝方式的控制，并成功制作了控制电路。利用该控制系统，作者进行了短循环高速快走丝电火花切割加工实践。实践表明，该控制系统电路输出控制信号稳定；从实际效果上看，可显著提高工件表面质量。关键词：高速快走丝电火花线切割；短循环：单片机ASTRACTThe task is a Pieces of the technological remolding itemThe

6、 PaPer analyzes the feasibility of rising to surface roughness by the way of HS-WEDMs short-cirele reversing And it is realized by the SCM-controlling to overcome the shortcoming in the trad1tional control FinalIy the controlling circuit board is finished,and the machinetool is rebuilded ExPeriment

7、showed that the short-cirele reversing works efficiently and stably,and it obtained the favorable effect and economy On the base of the vast related literatures and experience, the Paper first introduced briefly the basic structure and the principle of the HS-WEDM,and the current situation of develo

8、pment at home and abroadSecondly the paper studied some problems of the traditional reversing and the present condition of short-cirele reversing on the HS-WEDMAnd a new method is put forward to raise the surface roughness by the short-circle reversingThe paper analyzed the principle of short-circle

9、 reversing，the composing of control-system by the SCM,and designed the main program and the subprograms，and put forward the anti-interference measure Finally，increasing hardly cost of remoIding，the key technique of short-circle reversing using the SCMs software and interfaceAt last,some experiments

10、using the short-cirele reversing by the SCM are performedAnd that shows the system works stably;it can increase surfacer oughness markedlyThe technology is put into use nowKeyword:HS-WEDM；short-cirelereversing； SCM第一章 绪论1.1 高速快走丝电火花线切割机床在制造业中的地位随着科学技术的日新月异和工业生产的迅猛发展，电火花线切割技术己成为机械制造领域中一种重要的加工技术，它是通过两

11、电极间脉冲放电，用电蚀原理对工件进行加工的。线切割加工具有无切削力，工件材料硬度对可加工性影响不大等优点，因此能适合各种特殊性能的材料和各种复杂表面及微细、精密、薄壁以及低刚性零件，所以广泛应用于航空、电子、电器、汽车、家电、轻工等领域(参见表1-1)，特别是在模具加工行业，得到了广泛的应用。表1-1电火花线切割加工方法的应用范围Table1-l the application scope of HS-WED Mmachining tools分 类适 用 范 围二维形状模具冷冲模(冲裁模、弯曲模和拉伸模)、粉末冶金、挤压模、塑料模三维形状模具冲裁模落料凹模、三维型材挤压模、拉丝模电火花加工用的

12、电极加工形状复杂、微细通孔用的电极、加工带斜度型腔的电极微细精密加工加工化学纤维喷丝头异形窄缝、槽微型精密齿轮及模具工量具轮廓成形刀锯外形、样板凸轮及模板试制品及零件加工试制品直接加工多品种、小批量的几何形状复杂的零件以及超大厚度的零件特殊材料零件加工半导体材料、铁氧体材料、陶瓷材料、聚品金刚石模具行业的迅速发展，对电火花线切割机床提出了更高的要求12，从而也进一步促进了电火花线切割技术的发展，促使电火花线切割高新技术产品不断涌现，产量不断增长。现在，国际市场每年销售的电火花线切割机床就达七千余台，其中瑞士占18%，日本占52%。我国电火花线切割机床的拥有量已达五万多台，居世界首位，其中95%

13、为高速走丝电火花线切割机床(英文为HS-WEDM)，它己在机械行业中起着重要的作用。3451.2 电火花线切割分类电火花线切割分类见如下所示6。1.3 国内外电火花线切割机床发展的现状目前我国生产和使用的绝大多数为高速快走丝电火花线切割机床，而国外生产和使用的则主要为慢速单向走丝电火花线切割机床。两者相比，除了采用的工艺不同外，无论在精度、功能、自动化程度、可靠性、加工稳定性和加工工艺指标方面。还是在外观等方面，前者较后者水平均明显低一个档次。我国的电火花线切割机一般最大加工速度为216mm2/min，国外已超过30mm2/min，我们的尺寸精度一般在001mm，国外达5m2m；表面粗糙度我们

14、一般为Ra12525m ，最好为Ra06m 1m，而国外则小于Ra03m789。差距是客观存在的，只有清醒地看到这一点，及时地吸收国外的新技术，消化并运用于我们的产品上，同时根据我国及国际市场的实际情况灵活运用新工艺，才能使这一差距逐步缩小。认清国外电火花线切割机床近几年来新技术的应用情况，对国产线切割机水平上一个档次是大有裨益的1014。1.3.1 国外电火花线切割机床发展状况国外电火花线切割机床的发展，在原则上离不开三大趋势。即高速化、高精度化(包括表面质量)、高自动化，近年来经济型机床也是一个发展趋势。在高速化方面，日本走在前列，各厂家均有大加工速度在250300mm2/min的机床，例

15、如三菱电机公司的标准型DWCH系列机床、经济型DWCC2系列机床加工速度均为250mm2/min，高速型DWCU系列机床最高加工速度达300mm2/min，80年代后期，瑞士AGIE公司配备HMC电源的ACsprint系列机床，90年代初Charmilles公司的ROBOFIL1000系列机床最大加工速度均达到300mm2/min。目前的电火花线切割机床，几何精度与运动精度均已达到了极高的程度：全行程定位精度23m，重复定位精度2m，加工精度23m，表面粗糙度Ra01m，为了保证这些精度长时间不变，各生产公司做了不懈的努力，采取了一系列的保护措施。AGIE公司的AC系列机床，尽管功能差异较大，

16、但机床的机械结构却大体相同。与同类机床相比，其净重量约为其他机床的二倍，重量的增加主要是考虑机床结构的力学和热学性能。AC200D机床采用框架式结构，以增加走丝机构的刚性。机床精度的变化对加工精度的影响是不言而喻的，AGIE公司采取了统一温度场措施，其机床装有两套冷却温控系统，分别控制加工区与U、V轴的温度，以及电源箱、机床与室温的空气冷却。两套系统通过温度计进行调整，使温差不超过1。由于电极丝的滞后，在角度加工时会产生塌角误差，特别在小角度与小圆弧切割时更为明显，AGIE公司在这方面拥有称为PIlot的专利技术。它利用一套光学系统测量电极丝受力后的弯曲量，由CNC系列进行补偿，其分辨率为2m

17、，采样频率每秒15次，这不仅提高了角加工精度，而且使加工速度比一般的拐角对策提高60%，现已运用到AC20-70系列机床上。为保证加工的高精度，Charmilles公司的ROBOFIL300/310机床采用高质量的，机床铸件，滚柱轴承单程V导轨，直流电机直接拖动，光栅位移全封闭其进给系统设有超载保护措施，此外还将运动轴全部移到立柱线架上，工件不动。这就有效地减少了因载荷位置变化而可能引起的变形另外机床基座采用人造花岗石，其绝缘阻抗高，不吸水，耐腐蚀，收缩率极小，弹性模量小而抗压强度高，谐振频率低，特别适合于精密机床的基座。SODICK公司线切割机的重要部件如线臂支架、工作台面的定盘、工件支架、

18、导丝机构等均广泛采用精密陶瓷材料制作，实现了高刚性及极小的热变形。人造陶瓷由该公司陶瓷事业部开发生产，其电绝缘性极高，能长期维持线切割放电加工所要求的高绝缘阻抗，稳定性非常好。三菱公司的机床也有类似的结构。由于电源小的电解作用，切割表面会产生变质层，直接影响表面质量和加工精度为了解决这个问题，SODICK公司推出了BS电源，既无电解作用的电源，可以提高工件表面的硬度，从而延长模具寿命。以上这些措施均有效地保证了加工的高精度。总之为了保证加工的高精度，各公司无论是从机床本体的高刚性与稳定性结构、新型材料的使用、温度的控制、拐角对策、无电解作用电源的应用，还是从微步驱动技术、浸水加工方式等方面均投

19、入了巨大的人力物力，同时也取得了显著的效果。在高自动化方面，32位机的使用使运算速度大大提高，控制内容极为丰富，为用户提供了更大的裕度。以三菱电机公司的机床为例，进给当量由05p耐脉冲减至0lm/脉冲，控制轴由四轴增至六轴，程序存贮量由39米纸带增至260米纸带，程序号设定由9999条增至99999999条，等等。此外还增加了报警、起始孔计算、汉字显示、自动绘制正在加工的图形、微小连接等20个功能另外，如AGIE公司的AGIEPICK自动卸料机械手，AAGIEjet自动预孔加工装量等附件的配备都使机床自动化更趋完善目前，国外线切割机还有向“不降低加工性能，降低造价”方向发展的趋势，如日本兄弟公

20、司的HS-3600型、FANIJC公司的a-Oa型、SODICK公司的300W型等机床，在这方面都均有突出的成就1516。1.3.2 国内电火花线切割机床发展状况国外电火花线切割机床各生产公司为提高本公司产品的品质不遗余力，对国内同行产生了巨大的促进作用，近几年来，我国电火花线切割机也取得了迅速发展17。在结构方面，国内厂家均已普遍重视机床的刚性，已开始采用高强度耐磨铸铁，经过二次低温回火，消除内应力，提高机床刚度。有些机床还采用了低床身设计，跨距可调整线架，改进调节方式，提高了调节精度和线架自身的刚性，同时也使操作更为方便。不少厂家开发了四联杆装置，不但上、下导轮可联动，而且可同步偏摆，使电

21、极丝始终保持在导轮槽对称平面内，不发生单侧刮擦，从而扩大了切割锥度的范围。其切点变化引起的加工误差，由计算机软件予以补偿，同步偏摆也使切割大锥度时，喷水方向始终与电极丝走向一致，例如成都无线电专用设备厂的DK7725-CT150，新火花公司的SPKW250H等，切割锥度都已达1520。许多厂家也不再强调电极丝的单一的高速，丝速降低虽然会降低加工速度，但可使振动减弱，机械寿命延长，换向无效工时减少，综合效益未必低于单一的高丝速。快走丝机床电极丝张力，直接影响到放电加工的稳定性及切割精度，杭州无线电专用设备厂、苏州三光公司、北京电加工机床厂、新火花公司等均采用了三导轮重锤式紧丝器，可初步改善电极丝

22、逐渐变松弛和丝筒上下不同处丝有松有紧的现象，提高了放电加工的稳定性及切割精度。对于快走丝时丝的振动可用加装电极丝定位限幅器的方法来隔离和缓解。例如深圳福斯特公司的DK7725机床，使用V型块及红宝石圆棒组成定位限幅器，电极丝从中通过，该装置在进行多次切割时尤为重要。北京市电加工研究所的DK7732C机床，采用金刚石三块式可开合结构的定位限幅器，在工作时每块聚晶金刚石保持与电极丝虚接触，起到定位限幅作用。实验证明，使用该装置后，切割正八方棱柱体，对边尺寸精度由平均0012mm 提高到0008mm，而且切割大厚度工件时不易断丝，但不能适用于大锥度的切割。上海第八机床厂作为电火花线切割机的专业生产厂

23、家，近几年来在新技术的应用、新产品的开发上也做了不懈的努力，取得如下一系列成绩。1990年研制成功DK7732电火花线切割机，其控制柜采用XK-80A-AA微型计算机线切割机床控制系统，它由专用单板计算机、接口板、直流稳压电源、专用键盘、操作控制键盘及屏幕显示器CRT组成，并带有电报机头一台，步进电机驱动电源，可进行完整的中文人机对话、自动编程。它还具有钼丝校直、显示切割轨迹和坐标、间隙补偿、缩放切割、自动定中心、短路回退、自动回原点、断电保护、检查和修改指令、旋转角度等功能。其高频脉冲电源为上海市科技攻关获奖项目，各项加工工艺指标均达到了当时国内先进水平。机床采用可调升降式线架，并带有钼丝张

24、紧机构，切割厚度达200mm。DK7732 电火花线切割机性能优异，操作方便，荣获19%年上海市优秀新产品三等奖。1991年大批量投产。1991年开发了DK7725机床，其控制柜采用DK7732的控制柜SBJcUT-4；机床采用可调开档高线架结构，切割厚度大；直线滚动导轨和精密丝杠确保了传动的高精度；大理石工作台面绝缘性好，刚性高，热变形小，使加工更稳定，加工精度更高。1992年底开始研制的控制柜SBJCUT-6，它采用了先进的IBM-PC386微机控制系统，CRT 彩显可进行人机中文对话，操作极为方便，还具有相丝校直，动态跟踪图形显示、局部视图具有智能自动聚焦特性，全自动钼丝短路回退，动画显

25、示X，Y，U，V四座标值，间隙补偿，旋转任意角度，正、反序切割，缩放切割等功能。其自动编程采用了荣获93中国高新技术、新产品博览会银质奖的YH绘图式线切割自动编程系统，只需按图纸标注尺寸输入，即可自动编程，彻底摒弃了传统编程系统中顺圆、逆圆、拐点、相切、相交、走向等需硬记的规则；只用鼠标器即可完成全部编程，实现了所见即所得；图形显示赏心悦目，全中文提示，具有自动尖角平滑，非圆拟合，齿轮生成，大圆弧处理，跳步模自动生成，加工面积自动计算，三维造型等功能配用SBJCUT-6控制柜的DK7732-1电火花线切割机荣获了1993年上海市优秀新产品三等奖。1994年整个机床行业处于不景气状态，功能优异价

26、格高的机床受到了冷落，在江浙一带广大的模具之乡迫切需要的是价廉而主要功能具备的经济型电火花机床。鉴于此种情况，上海第八机床厂开始了经济型电火花线切割机DK7725A的研制，床身采用了新型结构，提高了刚性，降低了成木，控制部分采用单片机，机床电气实现无声换向，一切以主要功能齐全、价低廉、高可靠性为宗旨，终于在九月份研制成功，其样机早就被用户订购。因其价格低于其它同类产品，在当时的线切割市场上获得了较高的份额。就国外电火花线切割机制造厂家而言，目前已进入了一个比较稳定的成长期，线切割的加工速度在目前这种加工方式和条件下再要大幅度提高比较困难，但可以预见现时的加工精度、速度、粗糙度及操作性能、机床的

27、功能等都不会就此止步。为了赶上国外电火花线切割机床的发展水平，改变我国落后的局面，应该以优先发展数控系统，大力加强系统的工艺基础研究工作，努力开拓新工艺领域，以及重视技术队伍建设入手，经过一代人甚至几代人的努力，我们定能在全球范围内缩小电火花加工工业的差距18。1.4 本课题研究的内容和意义研究高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝控制系统，可以在几乎不增加改造成本的前提下，可以显著地提高工件的表面粗糙度，这对我国大量的高速快走丝线切割机床进行技术改造具有重要的意义。1.4.1 高速快走丝线切割机床的概况高速快走丝线切割机床具有鲜明的中国特色，在国内电加工机床中占据非常大的比例，约占全国线切割机

28、床总量的95%，而且这种情况在短时间内不会改变。与低速走丝线切割机床相比，高速快走丝机床的优势体现在以下几个方面。机床价格低，性价比高。高速快走丝线切割机床的价格一般为10万以下，比慢走丝线切割机床要便宜得多，而且维护成本较低。首先钼丝价格便宜，并且是循环往复使用；乳化液成本也较低。而低速走丝机床运行成本很高，铜电极一次使用，工作液是要求很高的去离子水。高速快走丝线切割机床操作相对简单，操作人员容易培训。而低速走丝机床对使用人员的操作技能要求较高。高速快走丝线切割机床由于运丝速度快，放电间隙内的切屑容易排除，在大厚度工件切割时效果非常明显，可以切割的厚度远远大于低速走丝机床。目前国内很多厂家的

29、高速走丝线切割机床可以切割厚度500mm 以上的工件，最大可切割厚度可达1000mm，低速走丝机床的则较差，最大切割厚度不到300mm。1.4.2 高速快走丝线切割机床面临的压力几十年来，高速快走丝线切割机床对我国的工业发展作出了重要贡献，但随着科技的发展，现代制造技术对机床性能的要求越来越高，高速快走丝线切割机床的发展如果能满足生产中不断提出的新的要求，市场竞争力无疑会更强目前WEDM-HS的发展面临着极大的挑战。第一，生产实际带来的压力。生产中有大量异形且高硬度零件需要加工，同时模具的形状越来越复杂，精度要求越来越高，用量越来越大，制造周期要求越来越短，所有这些，均对电火花线切割提出了更高

30、的要求。如果线切割方法不能满足这些要求，必然会不断出现的新的加工方式所代替。高速快走丝电火花线切割机床目前较大的缺陷就是加工精度和表面精糙度较低，虽然有的产家对机床进行了一定的结构和设备改造，但往往要增加较大的改造成本。第二，与低速走丝线切割机床的竞争压力。中国加入世贸以后，低价位的低速走丝电火花线切割机床将对高速走丝电火花线切割机床市场带来极大的冲击。过去低速走丝电火花线切割机床面对的市场主要是高效率、高精度、高表面质量的模具加工但随着国外低速走丝电火花线切割机床生产厂家进入国内的线切割行业，通过与国内厂家以合资、合作的方式进入国内市场，低价位的低速走丝电火花线切割机床正在投入市场，高速快走

31、丝电火花线切割机床的价格优势正在减弱，低速走丝电火花线切割机床正越来越多地进入过去高速快走丝电火花线切割机床的加工领域。高速快走丝电火花线切割机床的价格优势在削弱，与此同时，低速走丝电火花线切割机床在加工指标上的优势却是越来越大。从IMTS2002上展出的低速走丝线切割机床可以了解到近年低速走丝电火花线切割机床发展水平。瑞士夏米尔ROBOFIL240CC/440CC采用“Clean Cut”电源，最高效率可达400mm2/min。阿奇VERTEX型机床加工的工件精度可达05m表面粗糙度可达Ra005。总的说来，目前低速走丝线切割机床的发展水平为：Tkm（平均表面轮廓度）达24m，Ra02，切割

32、尖角和小圆弧精度落3，加工硬质合金没有微观裂纹，没有变质层，可直接进行精密模具加工，模具寿命明显提高。与之相比，高速快走丝电火花线切割机床达到的加工效率、加工精度和表面质量存在数量级的差距，WEDM-HS目前的发展水平是：最大切割效率260mm2/min，最高加工精度7m，最好表面粗糙度Ra07。国产高速快走丝电火花线切割机床在机床精度、功能、可靠性以及加工稳定性等方面都有较大的差距，而根据机械部电加工产品质量监督检测中心对国内三十个企业的产品抽样检验的结果，国内许多厂家线切割机床加工指标并没有达到广告宣传的指标。可以说，高速快走丝机床面临的挑战非常严峻，因此，高速快走丝线切割机床必须相应提高

33、加工过程中的精度指标，提高机床加工的稳定性、可靠性19。1.4.3课题的任务与研究内容提高加工表面粗糙度的方法很多，其中短循环走丝方式对加工表面粗糙度的影响是近年来许多线切割机床使用者的经验总结。因此许多厂家相应地采取了很多方式对走丝过程进行短循环控制，如行程开关控制，步进电机控制等。但相应的增加了不少生产成本或设备改造成本。本课题来自金华市信达机械制造有限公司，该公司是一家在金华市模具制造行业颇有影响的模具制造企业，拥有各种类型高速快走丝线切割机床23台，常年对外进行模具钢的线切割服务和模具制造工作。为了提高其产品在市场上的竞争力，针对市场的需要，对机床的走丝方式进行研究，为此提出了更经济更

34、有效的高速快走丝线切割机床的短循环走丝控制方式。本课题研究工作就是结合该任务而进行的，主要工作内容，包括如下几个方面： 1电火花线切割的原理及规律； 2对几种走丝方式的优缺点进行比较； 3设计单片机控制系统的程序: 4设计制作控制短循环走丝方式的电路； 5新型短循环走丝方式的加工实践及数据分析。 本论文根据研究内容分六章撰写，第一章为绪论，介绍电火花线切割机床的应用范围发展现状；第二章介绍了高速走丝线切割机床的原理、组成及规律；第三章阐述了线切割加工中运丝长度对表面粗糙的影响，针对现有运丝长度控制方法的不足，提出了用单片机实现短循环换向控制方法；第四章详细介绍了短循环走丝方式的电路和单片机控制

35、的软件设计要点:第五章介绍了新型的短循环走丝控制系统，投入生产进行加工实践的情况。最后一章对研究内容进行了总结，并提出了今后工作的展望。第二章 高速快走丝电火花线切割概述电火花加工是指在工具电极和工件间施加脉冲电压，用电蚀原理对工件进行加工的一种电加工方式。高速快走丝电火花线切割机床是电火花加工机床的一种，电火花线切割加工无需专门制作电极，而是采用细金属丝作为工具电极，通过对工作台的驱动，移动工件使之沿着给定的轨迹运行、放电，从而加工出相应几何图形的工件。2.1 高速快走丝电火花线切割机的组成部分及作用目前，大部分高速快走丝电火花线切割机一般由机械系统、脉冲电源、控制系统、工作液循环系统等构成

36、20。2.1.1 机械系统作为机床主机的机械系统，主要由床身，坐标工作台，走丝机构(含电机、丝架、储丝筒、导向机构)等组成，如下图所示。图2-1 线切割机床结构示意图fig2-ldiagrammatic drawing of HS-WEDM床身是支承坐标工作台、走丝机构和丝架的基体，它应具有一定的刚度和强度。目前床身主要有铸造结构和焊接结构两种，其中铸造结构床身刚性好，强度高，长时间使用能保持原有的精度，因此应用较多，其缺点是结构笨重，制造时需先做模具，加工量大，周期长。而焊接结构轻便，制造容易，周期短，在制造过程中需要采用一定的工艺方法来消除焊接残余应力，以减少变形。坐标工作台主要由底座、纵

37、横拖板、导轨、丝杆运动副、变速齿轮、步进电机等组成，结构原理如图2-2所示：步进电机8通过齿轮9带动丝杆7旋转并向前移动，丝杆空套在工作台上，通过滚珠以及调节螺钉3、推座2带动工作台前进。工作台与底座4之间有弹簧1拉紧，弹簧保证丝杆后退时工作台随之后退，并消除丝杆、螺母之间的间隙。图2-2坐标工作台结构原理图fig2-2 schematic diagram ofcoordinate workbench 拖板由拖板座4、下拖板3、上拖板2和工作台1四部分组成，如图2-3所示拖板座与床身固定连接；下拖板置于拖板座之上，以实现y轴方向的运动；上拖板置于下拖板之上，以实现x轴方向运动；工作台置于上拖板

38、之上。图2-3拖板结构图fig2-3 slructureofslidingplate导轨是坐标工作台纵、横拖板往复运动的导向件，因此对导轨的精度、刚度和耐磨性有较高的要求，线切割机床常用滚动导轨，可以减少导轨间的摩擦阻力，便于工作台实现精确和微量移动，而且润滑方法简单，缺点是接触面间不易保持油膜，抗振能力较差。滚动导轨滚珠式、滚柱式和滚针式等结构形式。在滚珠导轨中，滚珠与导轨是点接触，承载能力不能过大。在滚柱与滚针导轨中滚动体与导轨是线接触，承载能力较大。丝杆传动副的作用是将传动电机的旋转运动转变为拖板的直线运动丝杆一般用合金工具钢制成，以保证较高的强度和耐磨性。丝杆副的传动齿形一般分为三角形

39、普通螺纹、梯形螺纹和圆弧螺纹三种。由于在线切割机床对走丝精度要求较高，而采取圆弧螺纹，通过滚珠实现丝杆副的传动，可以有效地防止走丝过程的爬行窜动，确保拖板的往复运动轻巧灵活，提高加工过程的稳定性。齿轮或蜗轮传动副的作用是实现步进电机与丝杆之间的传动。上述部件之间的传动结构式如下21：X向：进给脉冲步进电机1齿轮副1丝杆副1导轨拖板Y向：进给脉冲步进电机2齿轮副2丝杆副2导轨拖板走丝机构的主要作用是带动电极丝按一定线速度移动，并将电极丝整齐地排绕在贮丝筒或绕线盘上。其传动系统如下：电机联轴器高速旋转丝筒齿轮副丝杆副2.1.2 脉冲电源电火花线切割脉冲电源通常又叫高频电源，是数控电火花线切割机床的

40、主要组成部分，是影响线切割加工工艺指标的主要部件之一。1脉冲电源应具有以下特点2223：(1) 应有适当的脉冲峰值电流并可调整。这主要是由以下两方面的原因所决定的：其一，由于电极直径的限制，一般直径在 008025mm 之间，因此，受电极丝直径的限制，它所允许的放电峰值电流就不能太大。其二，工件厚度有一定的变化性以及不同加工要求（如表面粗糙度、精度、线切割速度等）的需要，如需维持稳定加工，放电峰值电流又不能太小并且可以根据需要进行调整，否则加工将不易稳定进行或者加工达不到要求，甚至根本无法加工。线切割加工的放电峰值电流的变化范围一般在1025A之内(2) 可调的脉冲宽度。在电火花线切割加工中，

41、欲获得较高的加工精度和较好的表面粗糙度，应使每次脉冲放电在工件上产生的放电凹坑要适当。这就需要控制单个脉冲的能量。当根据加工条件选定脉冲峰值电流后，可尽量减小脉冲宽度。脉冲宽度越窄，即放电时间越短，放电所产生的热量就越来不及传导和扩散，而被局限在工件和电极丝间很小的范围内。一方面热传导损耗小，能量利用率提高了，另一方面更重要的是在工件上形成的放电凹坑不仅小，而且不会发生烧伤现象。同时放电凹坑分散重叠较好，表面光滑平整，使放电表面凸凹不平度小，从而获得较高的加工精度和较好的表面粗糙度。但是，线切割脉冲电源的单个脉冲能量过小，则会使切割速度大大下降，或使加工根本无法进行。因此，脉冲能量应控制在一定

42、范围内，一般脉冲宽度约在0564s。(3) 可调的脉冲间隔。脉冲宽度窄，放电能量小，虽然有利于提高加工精度和改善表面粗糙度，但是会大大降低切割速度。为了兼顾这几项工艺指标，应尽量缩短脉冲间隔，提高脉冲频率，增大单位时间内的放电次数这样既可获得较好的表面粗糙度，又能得到较高的切割速度。但是脉冲间隔太小，会使消电离过程不充分，造成电弧放电并引起加工表面烧伤。因此，脉冲间隔不能太小，只能在保证火花放电稳定的前提下，尽量减小脉冲间隔。一般情况下，线切割加工的脉冲重复频率约在5一500kHz范围内。(4) 对电极丝的低损耗。在高速快走丝方式的线切割加工中，电极丝往复使用，它的损耗会直接影响加工精度，损耗

43、较大时还会增大断丝的机率。因此，线切割机床应具有对电极丝的低损耗特性，以保证一定的加工精度和维持长时间的稳定加工。电极丝损耗大小是脉冲电源性能好坏的重要标志之一242526。2线切割脉冲电源的基本组成线切割脉冲电源是由脉冲发生器、推动级、功放及直流电源四部分组成，如图2-4所示27。(1) 脉冲发生器脉冲发生器是脉冲电源的脉冲源，脉冲宽度t1，脉冲间隔t0和脉冲频率f均由脉冲发生器确定和调节。(2) 推动级(也称前置放大级)推动级用以对脉冲发生器发出的脉冲信号进行放大，增大所输出脉冲的功率，以推动功率放大级正常工作。(3) 功率放大级功放是将推动级所提供的脉冲信号进行放大，为工件和电极丝之间进

44、行切割时的火花放电提供所需要的脉冲电压和电流，使其获得足够的放电能量，以便顺利而稳定地进行切割加工。图2-4线切割脉冲电源的组成fig2-4 composition of HS-WEDMs pulser2.1.3 控制系统高速快走丝电火花线切割加工的控制系统，是进行稳定线切割加工的重要基础。控制系统的可靠性、稳定性、控制精度、动态特性和自动化程度，都直接影响着加工的工艺指标和工人的劳动强度。线切割加工的控制系统，主要是指切割轨迹控制系统与进给控制系统。此外，还有走丝机构控制、机床操作控制以及其它辅助系统控制。切割轨迹控制系统的作用是按加工要求自动控制电极丝相对工件的运动方向，以便对材料进行形状

45、与尺寸的加工。进给系统的控制作用，是在电极丝相对工件按一定方向运动时，根据放电间隙的大小与状态自动控制进给速度，以使进给速度与工件蚀除的线速度相平衡，维持稳定的切割加工。切割轨迹控制系统主要有靠模仿形控制、光电跟踪控制、数字程序控制等三种类型。其中数字程序控制已经成为目前线切割机床的主流。进给控制系统依切割轨迹控制方式不同而异。走丝机构控制电路的作用，是控制电极丝自身运动的，电极丝的运动既有利于把液体介质带入放电间隙，又有利于把放电产物排出放电间隙。机床操作控制电路属于开闭器型控制，其中包括电火花线切割加工设备的总开通与总关断，各部分的开通和关断、各种手动控制部分等。辅助控制电路是指上述基本控

46、制系统之外的，有利于加工顺利进行、增加控制功能、提高自动化程度的各种控制电路，如:自动监控、出现异常时的自动报等、自动停车以及各种保护控制电路等。2.4 工作液循环系统工作液循环系统的功用是及时地把清洁的工作液输送到放电间隙，并从加工区域中排除带有电蚀产物的脏工作液，以保证脉冲放电过程稳定进行。此系统一般由液泵、液箱、过滤器、管道、控制阀等部分组成，具有不采用强迫循环，工作压力和流量较小，结构简单、液箱体积小，振动和噪音小等特点，系统示意如图2-5所示。图2-5高速走丝电火花线切割机床的工作液循环系统示意图fig2-5 circulatory system diagrammatic drawi

47、ng of HS-WEDMs cooling liquid其工作过程如下:机床电泵将工作液经滤网吸入，通过主进液管分送到上下丝臂进液管至工作液箱可用阀门调节其供液量的大小，加工后的废液由工作台靠重力回流使用过的废液经过过滤器，大部分蚀除产物被过滤掉。2.2高速快走丝电火花线切割加工的原理高速快走丝电火花线切割加工中，要完成两项工作，一是实现材料的切除，材料的切除是利用电蚀加工原理来实现的；二是实现工件的轮廓控制，工件的轮廓控制是用坐标来实现的。2.2.1 电蚀原理火花放电时，每次电火花腐蚀的微观过程是电场力、磁力、热力、流体动力、电化学和胶体化学等综合作用的过程，这一过程大致可分为以下四个连续

48、阶段:极间介质的电离、击穿、形成放电通道；介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀；电极材料的抛出；极间介质的消电离2829。1. 介质间的电离、击穿，形成放电通道当脉冲电压施加于工具电极与工件之间时，两极之间立即形成一个电场。电场强度与电压成正比，与距离成反比，随着极间电压的升高或是极间距离的减小，极间电场强度也将随着增大由于工具电极和工件的微观表面是凸凹不平的，极间距离又很小，因而极间电场强度是很不均匀的，两极间离得最近的突出点或尖端处的电场强度一般为最大。在电场作用下电子高速向阳极运动，对介质中的粒子产生撞击，导致带电粒子雪崩式增多，使介质击穿而电阻率迅速降低，形成放电通道，放电通道是由数量

49、大体相等的带正电(正离子)和带负电粒子(电子)以及中性粒子(原子或分子)组成的等离子体。正负带电粒子相反方向高速运动相互碰撞，产生大量的热，使通道温度升高，通道中心温度高达10000以上。同时，电子流动产生磁场，磁场又反过来对电子流产生向心的磁压缩效应。高压高温的放电通道，以及随后瞬时金属气化形成的气体(以后发展成气泡)急速扩展，产生一个强烈的冲击波向四周传播在放电过程中，还伴随着一系列派生现象，其中有热效应，电磁效应、光效应、声效应及频率范围很宽的电磁辐射和爆炸冲击波等。2. 介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀极间介质一旦被电离、击穿、形成放电通道后，脉冲电源使通道间的电子高速奔向正极，正

50、离子奔向负极电能变成动能，动能通过碰撞又转变为热能。于是在通道内正极和负极表面分别为瞬时热源，达到很高的温度。高温下的气化工作液和金属蒸汽，瞬间体积猛增，在放电间隙内形成气泡，迅速热膨胀热膨胀和局部微爆炸，使熔化、气化了的电极材料抛出蚀除。3. 电极材料的抛出通道和正负极表面放电瞬时高温使工作液气化和金属材料熔化、气化，热膨胀产生很高的瞬时压力。通道中心压力最高，使气化了的气体体积不断向外膨胀，形成一个扩张的“气泡”。气泡上下、内外的瞬时压力并不相等，压力高处的熔融金属液体和蒸汽，就被排挤、抛出而进入工作液中。4极间介质的消电离随着脉冲电压的结束，脉冲电流迅速降为零，但此后仍应有一段间隔时间，

51、使间隙介质消电离，即放电通道中的带电粒子复合为中性粒子，恢复本次放电通道处间隙介质的绝缘强度，以及降低电极表面温度等，以免下次总是重复在同一处发生放电而导致电弧放电，从而保证在别处按两极相对最近处或电阻率最小处形成下一击穿放电通道。在消电离这段时间不放电，应将电蚀过程中产生的电蚀产物(如金属微粒、碳粒子、气泡等)、产生的热量及时排出、扩散出去，为了保证电火花加上过程正常地进行，在两次脉冲放电之间一般要有足够的脉冲间隔时间。2.2.2 轮廓的实现在线切割和过程中，轮廓的加工是通过点的运动合成来实现的。线切割加工过程中，钼丝上下运动，在X、Y方向是静止不动的，工件在工作台带动下，产生相对钼丝的运动

52、，工作台的运动由两丝杆带动，而每一丝杆由独立程序控制的步进电机驱动。如图2-6所示，当工件要完成某一轨迹时，如图中从A切割到B时，对于某一点A，其切向速度为V，此时通过分解可得工作台在X、Y方向所需的移动的速度分别为Vx、Vy，通过对步进电机速度进行控制，得到相应的转速，即可得到所需轨迹303I。图2-6加工轮廓实现原理图fig2-6 schematic diagram of realizing maching-outing2.3高速快走丝电火花线切割加工基本概况2.3.1高速快走丝线切割加工特点1不需像成型电火花加工那样制作特定电极。2线切割主要进行通孔加工，加工主要形状有面、曲线，被加工面

53、有平面、竖直面，也可加工具有一定锥度的斜面，但应注意除小拐角必须大于某一R(为电极丝半径十放电间隙)。3轮廓加工所需余量小，利于少无切削，尤其可节约贵重金属。4电极丝往复使用，损耗小。5靠微机控制电极丝轨迹和间隙补偿功能，间隙可在一定范围内进行调节，因此，可利用同一程序进行模具的凹凸加工。6用去离子水和乳化液做介质，工作安全可靠。7不论工件硬度如何，几乎都可加工。8所需加工的零件应具有良好的导电性3235。2.3.2 电火花线切割加工的应用范围电火花线切割加工为新产品试制、精密零件加工及模具制造开辟了一条新的工艺途径，主要应用于以下几个方面3642。1加工模具适用于各种形状的冲模。调整不同的间

54、隙补偿量，只需一次编程就可以切割凸模、凸模固定板、凹模及卸料板等。模具配合间隙、加工精度通常都能达到要此外，还可以加工挤压模、粉末冶金模、弯曲模、塑压模等通常带锥度的模模具。2加工电火花成形加工用的电极一般穿孔加工用的电极、带锥度型腔加工用的电极以及铜钨、银钨合金之类电极材料，用线切割加工特别经济，同时也适用于加工微细复杂形状的电极。3加工零件在试制新产品时，用线切割在坯料上直接割出零件，例如试制切割特殊微电机硅钢片定转子铁心，由于不需另行制造模具，可大大缩短制造周期、降低成本。另外修改设计、变更加工程序比较方便，加工薄件时还可以多片叠在一起加工。在零件制造方面，可用于加工品种多、数量少的零件

55、，特殊难加工材料的零件，材料试验样件，各种型孔、特殊齿轮凸轮、样板、成型刀具，同时还可进行微细加工，异形槽和标准缺陷的加工等2.4 高速快走丝电火花线切割机床走丝方式控制由于线切割加工中工件材料的切除是利用电蚀原理来实现，在加工区域中，局部温度很高，电极极易损耗，作为电极的钼丝的保护是一关键问题。高速快走丝电火花线切割机床是通过相丝的快速运转，缩短钼丝在加工区域的停留时间，并用冷却液对相丝进行冷却的方法对钼丝进行保护的。为了实现钼丝的快速运转，普通高速快走丝线切割机床采用了如图2-7所示电路，使钼丝进行实现循环走丝4346。图2-7普通线切割机床电路图fig2-7 circuit diagra

56、m of HS-WEDM这一电路是一个典型的行程控制正反转电路，为了使电动机的正反转控制与工作台的左右运动相配合，在控制线路中设置了四个位置开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4，并安装于工作台需限位的地方其中SQI、SQ2用于自动换接电动机正反转控制电路，实现工作台的自动往反行程控制；SQ3、SQ4用来作终端保护，以防止SQ1、SQ2失灵，工作台越过限定位置而造成事故贮丝筒机座相对于机床可沿轴向移动，机座上设有T型槽，在T型槽中装有两块挡铁，挡铁1与SQ1、SQ3相对应，挡铁2与sQZ、sQ4相对应当工作台运动到所限位置时，挡铁碰撞位置开关，使其触头动作，自动换接电动机正反转控制电路，通过机械传

57、动机构使工作台自动往返运动。工作台行程可通过移动在T型槽内挡铁位置来调节，拉开两块挡铁间的距离行程就长，反之则短。线路的工作原理如下：SB1、SB2分别作为启动按钮和整个电路控制按钮，启动时应按下SBI进行启动。由以上分析可知，对于一般的高速线切割机床的正常加工如图2一8所示，开机后贮丝筒先正转，同时向B点移动(向前)，当挡铁块压下行程开关B时，贮丝筒反转并向A点移动(向后)，其运动是在两行程开关A、B之间进行循环。图2-5普通切割走丝控制示意图fig2-5 controling schematic diagram of HS-WEDM2.5本章小结本章阐述了对高速快走丝电火花线加割的加工原理

58、、加工特点，介绍了快走丝线切割机床的基本结构，并对现有快走丝线切割机床的贮丝筒换向控制方法进行了一定的研究。第三章 循环换向控制方法由上一章分析可知，对于一般的高速线切割机床的正常加工，贮丝筒运动是两行程开关A、B之间进行循环的，这一循环方法参与加工的相丝长度较长。从快速走丝电火花线切割机床(简称线切割机床)的加工实践中发现，在电参数和运丝速度不变的情况下，缩短钼丝的长度，加工精度和表面粗糙度可明显变好。于是企业提出了如何通过控制方法的变换，来缩短参与运行的钼丝长度的技改项目。3.1钼丝长度对表面粗糙度影响机理探讨1贮丝筒形状误差的影响高速快走丝电火花线切割机床中，贮丝筒的形状精度对加工精度影

59、响较大，现有的线切割机床贮丝筒形状误差己有严格控制，如杭州无线专用设备厂生产DK7725A型高速快走丝线电火花线切割机床的贮丝筒圆柱度误差为002。这一精度虽有严格控制，但其误差还是不可避免的，在高速快走丝电火花线切割运行过程中，这一误差对钼丝的松紧程度有较大的影响，其分析如图3-1所示。图3-1贮丝简形状误差fig3-l shaping error of winding-canisler若贮丝简存在一定误差，设误差方向及角度如图所示，从A点到B点的圈数为n圈，从A点运行至B点后，每圈的长度增量计算如下：半径r的变化为： 周长变化量为：当从A点运行到B点后，总增量为：由上述分析可知，当贮丝简存

60、在微小误差后，则长度产生较大增量，在一次往复循环中，参加运行的钼丝越长，增量越大。这一长度增量在加工中则表现为张紧力变小，钼丝变松，从而使钼丝振动增大，最终导致工件加工后表面粗糙度较差。2相丝损耗不均匀导致长度增量钼丝在长时间运转后，钼丝的损耗不均匀性也会产生长度增量，使钼丝松紧出现变化。如图3-2所示，设有两钼丝截面、，当损耗不均匀时，两截面所对应的贮丝简上每周绕的钼丝长度也不等，在运行的过程中也相应的会产生长度增量。图3-2钼丝损耗对长度的影响fig3-2 lengths influence on molybdenum-silks loss综上所述，在运行过程中，单方向一次参与切削加工的钼

61、丝长度越长，总共累计的误差也越大，加工后工件的表面粗糙度值也越大；反之，单方向一次参与切削加的钼丝长度越短，误差也越小，加工后工件的表面粗糙度也就越好。3.2 现有钼丝运行长度控制方法由上一节可知单方向一次参与切削加工的钼丝长度越短，总共累计的误差也越小，加工后工件的表面粗糙度也就越好，因此当零件精度要求较高时，操作者往往通过在贮丝筒上绕较短的钼丝，或移动行程开关的位置只用整筒钼丝中的一小段等方法来缩短钼丝长度，有厂家开发了用步进电机带动贮丝筒直线移动的短循环换向式线切割机床。3.2.1 缩短行程开关之间的距离现有的循环控制是用行程开关控制的，贮丝筒在行程开关控制下，在A、B两行程开关之间运转

62、，如果缩短两个行程开关的距离，则贮丝筒机座在一定的小范围内实现快速的反复运动，正反转的循环时间缩短，即在单向一次参与加工的钼丝长度缩短，贮丝筒上所绕的钼丝也只有中间的一部分投入线切割切削加工。实践加工表明，采用上述短距离行程开关控制走丝方式对零件进行加工，可有效地提高零件的表面粗糙度，而且这种循环加工的方式优势在于，对设备没有做任何的改制，既可实现短距离循环走丝方式的加工。但在使用的过程中，我们也发现，这种循环的加工方式有较大的缺陷，主要表现在以下二个方面1钼丝的损耗增大这种短循环方式由于只是调整了A、B点之间的距离来实现短循环，因此在加工过程中，只有A、B点之间的钼丝参与了加工循环线切割，而对于A和B点以外