【導(dǎo)讀】基于單片機(jī)控制的高速快走絲電火?；ň€切割機(jī)床短循環(huán)走絲方式研究

　　

【正文】 加工，異形槽和標(biāo)準(zhǔn)缺陷的加工等 ． 高速快走絲電火花線切割機(jī)床走絲方式控制 由于線切割加工中工件材料的切除 是利用電蝕原理來實(shí)現(xiàn)，在加工區(qū)域中，局部溫度很高，電極極易損耗，作為電極的 鉬 絲的保護(hù)是一關(guān)鍵問題。高速快走絲電火花線切割機(jī)床是通過相絲的快速運(yùn)轉(zhuǎn)，縮短 鉬 絲在加工區(qū)域的停留時(shí)間，并用冷卻液對相絲進(jìn)行冷卻的方法對 鉬 絲進(jìn)行保護(hù)的。為了實(shí)現(xiàn) 鉬 絲的快速運(yùn)轉(zhuǎn)，普通高速快走絲線切割機(jī)床采用了如圖 27 所示電路，使 鉬 絲進(jìn)行實(shí)現(xiàn)循環(huán)走絲 [43]~[46]。 第 26 頁 共 61 頁 圖 27 普通線切割機(jī)床電路圖 fig27． circuit diagram of HSWEDM 這一電路是一個(gè)典型的行程控制正反轉(zhuǎn)電路，為了使電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制與 工作臺(tái)的左右運(yùn)動(dòng)相配合，在控制線路中設(shè)置了四個(gè)位置開關(guān) SQ SQ SQ SQ4，并安裝于工作臺(tái)需限位的地方 ． 其中 SQI、 SQ2 用于自動(dòng)換接電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn) 控制電路，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的自動(dòng)往反行程控制 ； SQ SQ4 用來作終端保護(hù)，以防止 SQ SQ2 失靈，工作臺(tái)越過限定位置而造成事故 ． 貯絲筒機(jī)座相對于機(jī)床可沿軸向移動(dòng)，機(jī)座上設(shè)有 T 型槽，在 T 型槽中裝有兩塊擋鐵，擋鐵 1 與 SQSQ3 相對應(yīng)，擋鐵 2 與 sQZ、 sQ4 相對應(yīng) ． 當(dāng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)到所限位置時(shí)，擋鐵碰撞位置開關(guān)，使其觸頭動(dòng)作，自動(dòng)換接電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路， 通過機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使工作臺(tái)自動(dòng)往返運(yùn)動(dòng)。工作臺(tái)行程可通過移動(dòng)在 T 型槽內(nèi)擋鐵位置來調(diào)節(jié)，拉開兩塊擋鐵間的距離行程就長，反之則短。線路的工作原理如下 ： 第 27 頁 共 61 頁 SB SB2 分別作為啟動(dòng)按鈕和整個(gè)電路控制按鈕，啟動(dòng)時(shí)應(yīng)按下 SBI 進(jìn)行啟動(dòng)。 由以上分析可知，對于一般的高速線切割機(jī)床的正常加工如圖 2 一 8 所示，開機(jī)后貯絲筒先正轉(zhuǎn)，同時(shí)向 B 點(diǎn)移動(dòng) (向前 )，當(dāng)擋鐵塊壓下行程開關(guān) B 時(shí)，貯絲筒反轉(zhuǎn)并向 A 點(diǎn)移動(dòng) (向后 )，其運(yùn)動(dòng)是在兩行程開關(guān) A、 B 之間進(jìn)行循環(huán)。 第 28 頁 共 61 頁 圖 25 普通切割走絲控制示意圖 fig． 25 controling schematic diagram of HSWEDM 本章小結(jié) 本章闡述了對高速快走絲電火花線加割的加工原理、加工特點(diǎn)，介紹了快走 絲線切割機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)，并對現(xiàn)有快走絲線切割機(jī)床的貯絲筒換向控制方法進(jìn) 行了一定的研究。 第 29 頁 共 61 頁 第三章 循環(huán)換向控制方法 由上一章分析可知，對于一般的高速線切割機(jī)床的正常加工，貯絲筒運(yùn)動(dòng)是 兩行程開關(guān) A、 B 之間進(jìn)行循環(huán)的，這一循環(huán)方法參與加工的相絲長度較長。從快速走絲電火花線切割機(jī)床 (簡稱線切割機(jī)床 )的加工實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，在電參數(shù)和運(yùn)絲 速度不變的情況下，縮短 鉬 絲的長度，加工精度和表面粗糙度可明顯變好。于是企業(yè)提出了如何通過控制方法的變換，來縮短參與運(yùn)行的 鉬 絲長度的技改項(xiàng)目。 鉬 絲長度對表面粗糙度影響機(jī)理探討 1． 貯絲筒形狀誤差的影響 高速快走絲電火花線切割機(jī)床中，貯絲筒的形狀精度對加工精度影響較大，現(xiàn)有的線切割機(jī)床貯絲筒形狀誤差己有嚴(yán)格控制，如杭州無線專用設(shè)備廠生產(chǎn) DK7725A 型高速快走絲線電火花線切割機(jī)床的貯絲筒 圓 柱度誤差為 φ 0． 02。這一精度雖有嚴(yán)格控制，但其誤差還是不可避免的，在高速快走絲電火花線切割運(yùn)行過程中，這一誤差對 鉬 絲的松緊程度有較大的影響，其分析如圖 31 所示。 圖 31 貯絲簡形狀誤差 fig． 3l shaping error of windingcanisler 第 30 頁 共 61 頁 若貯絲簡存在一定誤差，設(shè)誤差方向及角度如圖所示，從 A 點(diǎn)到 B 點(diǎn)的圈數(shù)為 n圈，從 A 點(diǎn)運(yùn)行至 B 點(diǎn)后，每圈的長度增量計(jì)算如下 ： 半徑 r 的變化為 ： 周長變化量為 ： 當(dāng)從 A 點(diǎn)運(yùn)行到 B 點(diǎn)后，總增量 為 ： 由上述分析可知，當(dāng)貯絲簡存在微小誤差后，則長度產(chǎn)生較大增量，在一次往復(fù)循環(huán)中，參加運(yùn)行的 鉬 絲越長，增量越大。這一長度增量在加工中則表現(xiàn)為張 緊力變小， 鉬 絲變松，從而使 鉬 絲振動(dòng)增大，最終導(dǎo)致工件加工后表面粗糙度較差。 2． 相絲損耗不均勻?qū)е麻L度增量 鉬 絲在長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后， 鉬 絲的損耗不均勻性也會(huì)產(chǎn)生長度增量，使 鉬 絲松緊出現(xiàn)變化。如圖 32 所示，設(shè)有兩 鉬 絲截面 ① 、 ② ，當(dāng)損耗不均勻時(shí)，兩截面所對應(yīng)的貯絲簡上每周繞的 鉬 絲長度也不等，在運(yùn)行的過程中也相應(yīng)的會(huì)產(chǎn)生長度增量。 圖 32 鉬 絲損耗對長度的影響 fig． 32 length’s influence on molybdenumsilk’s loss 第 31 頁 共 61 頁 綜上所述，在運(yùn)行過程中，單方向一次參與切削加工的 鉬 絲長度越長，總共 累計(jì)的誤差也越大，加工后工件的表面粗糙度值也越大 ； 反之，單方向一次參與 切削加的 鉬 絲長度越短，誤差也越小，加工后工件的表面粗糙度也就越好 。 現(xiàn)有 鉬 絲運(yùn)行長度控制方法 由上一節(jié)可知單方向一次參與切削加工的 鉬 絲長度越短，總共累計(jì)的誤差也 越小，加工后工件的表面粗糙度也就越好，因此當(dāng)零件精度要求較高時(shí)，操作者 往往通過在貯絲筒上繞較短的 鉬 絲，或移動(dòng)行程開關(guān)的位置只用整筒 鉬 絲中的一 小段等方法來縮短 鉬 絲長度，有廠家開發(fā)了用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)貯絲筒直線移動(dòng)的短 循環(huán)換向式線切割機(jī)床 。 縮短行程開關(guān)之間的距離 現(xiàn)有的循環(huán)控制是用行程開關(guān)控制的，貯絲筒在行程開關(guān)控制下，在 A、 B 兩行程開關(guān)之間運(yùn)轉(zhuǎn)，如果縮短兩個(gè)行程開關(guān)的距離，則貯絲筒機(jī)座在一定的小 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速的反復(fù)運(yùn)動(dòng)，正反轉(zhuǎn)的循環(huán)時(shí)間縮短，即在單向一次參與加工的 鉬 絲長度縮短，貯絲筒上所繞的 鉬 絲也只有中間的一部分投入線切割切削加工 。 實(shí)踐加工表明，采用上述短距離行程開關(guān)控制走絲方式對零件進(jìn)行加工，可有效地提高零件的表面粗糙度，而且這種循環(huán)加工的方式優(yōu)勢在于，對設(shè)備沒有做任何的改制，既可實(shí)現(xiàn)短距離循環(huán)走絲方式的加工。但在使用的過程中， 我們也發(fā)現(xiàn)，這種循環(huán)的加工方式有較大的缺陷，主要表現(xiàn)在以下二個(gè)方面 ． 1． 鉬 絲的損耗增大 這種短循環(huán)方式由于只是調(diào)整了 A、 B 點(diǎn)之間的距離來實(shí)現(xiàn)短循環(huán)，因此在加工過程中，只有 A、 B 點(diǎn)之間的 鉬 絲參與了加工循環(huán)線切割，而對于 A 和 B點(diǎn)以外的 鉬 絲則不參與切割工作。由于只有部分 鉬 絲參與切割，這一局部 鉬 絲損耗大大加大，相應(yīng)地縮短了整個(gè) 鉬 絲的使用壽命。 2． 工作效率較低 盡管我們可以在貯絲筒繞盡可能多的 鉬 絲長度，但在實(shí)際的加工的過程中， 只有中間的部分參與切割工作，加劇了這一部分磨損，在相同電加工參數(shù)的情況 下，會(huì)使 鉬 絲由 于耗損而提前發(fā)生斷裂，從而增加停機(jī)、穿絲等一系列加工輔助 第 32 頁 共 61 頁 時(shí)間，降低了工作效率。如果考慮加劇磨損的因素而降低電加工參數(shù) （ 如脈沖電 流 ） 則同樣的也會(huì)降低工作效率。 步進(jìn)電機(jī)控制循環(huán)走絲方式 [47]~[53] 用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)貯絲筒直線移動(dòng)的控制方式，實(shí)際上是采用了數(shù)控系統(tǒng)對循環(huán)方式進(jìn)行控制，如圖 33 為用步進(jìn)電機(jī)控制循環(huán)走絲的原理圖。數(shù)字控制系統(tǒng)對步進(jìn)電動(dòng)機(jī)發(fā)出脈沖信號(hào)，電機(jī)將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，其角位移量與輸入的電脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與電脈沖頻率成正 比，通 過改變脈沖頻率就可調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，運(yùn)動(dòng)方向是由步進(jìn)電機(jī)通電的順序決定。電機(jī)帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，再由絲桿帶動(dòng)貯絲筒移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對貯絲筒移動(dòng)的控制。 由于步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，通過程序的編制，可方便地用于復(fù)雜精確的起停、正反轉(zhuǎn)及變速控制。 圖 33 用步進(jìn)電機(jī)貯絲簡循環(huán)的控制 fig． 33 windingcanister circle by stepping molor 用步進(jìn)電機(jī)控制貯絲筒的移動(dòng)，需有一套獨(dú)立的數(shù)控系統(tǒng)，如圖 34 所示為這一數(shù)控系統(tǒng)的組 成 ： 第 33 頁 共 61 頁 圖 34 步進(jìn)電機(jī)控制循環(huán)系統(tǒng)組成 fig． 34 circle system by stepping motor 由于增加了獨(dú)立的數(shù)控系統(tǒng)，大大地增加了制造成本，從現(xiàn)有改制成功的產(chǎn)品來看，它對機(jī)床的改造較大，投入的成本較大，因此改造后線切割機(jī)床的售價(jià)也成倍提高，如普通型的 DK7725 線切割機(jī)床售價(jià)在 5 萬以下，而步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)貯絲筒直線移動(dòng)的控制方式線切割機(jī)床售價(jià)達(dá) 12 萬左右。 短循環(huán)換向控制方法 對于線切割機(jī)床的正常加工， JT 機(jī)后貯絲筒先正轉(zhuǎn)，同時(shí)向 B 點(diǎn)移動(dòng) (向前 )， 當(dāng)擋塊壓下行程開關(guān) B 時(shí)，貯絲筒反轉(zhuǎn)并向 A 點(diǎn)移動(dòng) (向后 )，其運(yùn)動(dòng)是在兩行 程 開關(guān) A、 B 之間循環(huán)的，如圖 35（ a） 所示。 若在兩行程開關(guān) A、 B 之間，增加一部分內(nèi)循環(huán)，如圖 35（ b） 所示 ： 開機(jī) 后貯絲筒先正轉(zhuǎn)并向前移動(dòng)，運(yùn)行一定距離后，貯絲筒反轉(zhuǎn)并向后移動(dòng)。向前與 向后移動(dòng)的距離是不等的，這樣通過多次循環(huán)，貯絲筒逐步移動(dòng)到 B 點(diǎn)。當(dāng)擋塊壓下行程開關(guān) B 后，貯絲筒反轉(zhuǎn)并采用同樣的循環(huán)方式回到 A 點(diǎn)，為了方便，我們把這一循環(huán)方式稱為短循環(huán)。 第 34 頁 共 61 頁 圖 35 短循環(huán)原理圖 fig． 35 schematic diagram of shortcirclerevering 用這種短循環(huán)方法對 貯絲筒的正反轉(zhuǎn)進(jìn)行控制，其關(guān)鍵在于行程開關(guān) A、 B間的循環(huán)方式如何實(shí)現(xiàn)。通過實(shí)踐與研究發(fā)現(xiàn)，用單片機(jī)可方便地實(shí)現(xiàn)這一控制， 并且在幾乎不增加設(shè)備投資的前提下，只需更新軟件，對接口進(jìn)行微小改動(dòng)，即 能實(shí)現(xiàn)短循環(huán)換向，并做到了既不影響線切割機(jī)床原有的正常加工，又拓展了新 的加工性能。這一技術(shù)可用于現(xiàn)有設(shè)備的改造和新型設(shè)備的生產(chǎn)，具有良好的經(jīng) 濟(jì)效益和推廣價(jià)值。 本章小結(jié) 本章介紹了 鉬 絲長度對表面粗糙度的影響，介紹了兩種改變 鉬 絲循環(huán)長度的 走絲控制方式的結(jié)構(gòu)和原理，并對它們的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較，提出了用單片機(jī)控 制短循環(huán)走絲的新方法 。 第 35 頁 共 61 頁 第四章 基于單片機(jī)控制的短循環(huán)走絲方式設(shè)計(jì) 換向系統(tǒng)組成與短循環(huán)換向方法 第 36 頁 共 61 頁 單片 機(jī)的選型 AT89C2051 單片機(jī)的特征、組成和使用 第 37 頁 共 61 頁 第 38 頁 共 61 頁 第 39 頁 共 61 頁 第 40 頁 共 61 頁 鍵盤的設(shè)計(jì) 第 41 頁 共 61 頁 換向控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 第 42 頁 共 61 頁 短循環(huán)加工子程序結(jié)構(gòu) 第 43 頁 共 61 頁 中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì) 換向子程序設(shè)計(jì) 第 44 頁 共 61 頁 自動(dòng)停機(jī)方法 第 45 頁 共 61 頁 系統(tǒng)抗干擾措施 第 46 頁 共 61 頁 系統(tǒng)控制電路 第 47 頁 共 61 頁 第 48 頁 共 61 頁 本章小結(jié) 第 49 頁 共 61 頁 第五章 短循環(huán)走絲控制的實(shí)踐 采取的線切割機(jī)床及有關(guān)參數(shù) 第 50 頁 共 61 頁 循環(huán)控制 第 51 頁 共 61 頁 第 52 頁 共 61 頁 實(shí)際加工運(yùn)轉(zhuǎn)情況 改造后短循環(huán)的控制方法對粗糙度的影響 第 53 頁 共 61 頁 第 54 頁 共 61 頁 短循環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性 本章小結(jié) 第 55 頁 共 61 頁 第六章 結(jié)論與展望 本課題根據(jù)企業(yè)技術(shù)改造的要求，對線切割機(jī)床的運(yùn)絲循環(huán)控制方法進(jìn)行了 深入研究，提出了利用短循環(huán)走絲方法，以降低高速快走絲電火花線切割機(jī)床加 工工件的表面粗糙度值 。并用單 片機(jī)實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的控制，完成了控制線路電路板 設(shè)計(jì)和制作，利用控制線路電路對現(xiàn)有線割機(jī)床進(jìn)行了改造。實(shí)踐表明，這一控 制方式運(yùn)行穩(wěn)定、有效，在實(shí)際生產(chǎn)中取得了明顯的效果和良好的經(jīng)濟(jì)效益。 本課題在研究過程中主要完成了以下幾項(xiàng)工作 ： 1． 理論與實(shí)踐上探討了高速快走絲電火花線切割加工的過程中，短循環(huán)走絲 加工方式對零件表面粗糙度的影響，提出了單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)短循環(huán)走絲方式的設(shè) 計(jì)思路 ； 2． 設(shè)計(jì)并研制了短