【正文】 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。 第 35 頁(yè) 共 61 頁(yè) 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(yè) 共 61 頁(yè) 單片 機(jī)的選型 AT89C2051 單片機(jī)的特征、組成和使用 第 37 頁(yè) 共 61 頁(yè) 第 38 頁(yè) 共 61 頁(yè) 第 39 頁(yè) 共 61 頁(yè) 第 40 頁(yè) 共 61 頁(yè) 鍵盤的設(shè)計(jì) 第 41 頁(yè) 共 61 頁(yè) 換向控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 第 42 頁(yè) 共 61 頁(yè) 短循環(huán)加工子程序結(jié)構(gòu) 第 43 頁(yè) 共 61 頁(yè) 中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì) 換向子程序設(shè)計(jì) 第 44 頁(yè) 共 61 頁(yè) 自動(dòng)停機(jī)方法 第 45 頁(yè) 共 61 頁(yè) 系統(tǒng)抗干擾措施 第 46 頁(yè) 共 61 頁(yè) 系統(tǒng)控制電路 第 47 頁(yè) 共 61 頁(yè) 第 48 頁(yè) 共 61 頁(yè) 本章小結(jié) 第 49 頁(yè) 共 61 頁(yè) 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(yè) 共 61 頁(yè) 循環(huán)控制 第 51 頁(yè) 共 61 頁(yè) 第 52 頁(yè) 共 61 頁(yè) 實(shí)際加工運(yùn)轉(zhuǎn)情況 改造后短循環(huán)的控制方法對(duì)粗糙度的影響 第 53 頁(yè) 共 61 頁(yè) 第 54 頁(yè) 共 61 頁(yè) 短循環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性 本章小結(jié) 第 55 頁(yè) 共 61 頁(yè) 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(duì)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 。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。 第 34 頁(yè) 共 61 頁(yè) 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(duì) 貯絲筒的正反轉(zhuǎn)進(jìn)行控制，其關(guān)鍵在于行程開(kāi)關(guān) A、 B間的循環(huán)方式如何實(shí)現(xiàn)。向前與 向后移動(dòng)的距離是不等的，這樣通過(guò)多次循環(huán)，貯絲筒逐步移動(dòng)到 B 點(diǎn)。 短循環(huán)換向控制方法 對(duì)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(kāi)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(kāi)關(guān) A、 B 之間循環(huán)的，如圖 35（ a） 所示。 由于步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，通過(guò)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。數(shù)字控制系統(tǒng)對(duì)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(guò)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。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。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。 實(shí)踐加工表明，采用上述短距離行程開(kāi)關(guān)控制走絲方式對(duì)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(shì)在于，對(duì)設(shè)備沒(méi)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。 現(xiàn)有 鉬 絲運(yùn)行長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)在貯絲筒上繞較短的 鉬 絲，或移動(dòng)行程開(kāi)關(guān)的位置只用整筒 鉬 絲中的一 小段等方法來(lái)縮短 鉬 絲長(zhǎng)度，有廠家開(kāi)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 。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(duì)應(yīng)的貯絲簡(jiǎn)上每周繞的 鉬 絲長(zhǎng)度也不等，在運(yùn)行的過(guò)程中也相應(yīng)的會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)度增量。這一長(zhǎng)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。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(guò)程中，這一誤差對(duì) 鉬 絲的松緊程度有較大的影響，其分析如圖 31 所示。于是企業(yè)提出了如何通過(guò)控制方法的變換，來(lái)縮短參與運(yùn)行的 鉬 絲長(zhǎng)度的技改項(xiàng)目。 第 29 頁(yè) 共 61 頁(yè) 第三章 循環(huán)換向控制方法 由上一章分析可知，對(duì)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(kāi)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(zhǎng)度較長(zhǎng)。 由以上分析可知，對(duì)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān) A、 B 之間進(jìn)行循環(huán)。工作臺(tái)行程可通過(guò)移動(dòng)在 T 型槽內(nèi)擋鐵位置來(lái)調(diào)節(jié)，拉開(kāi)兩塊擋鐵間的距離行程就長(zhǎng)，反之則短。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]。 在零件制造方面，可用于加工品種多、數(shù)量少的零件，特殊難加工材料的零件， 材料試驗(yàn)樣件，各種型孔、特殊齒輪凸輪、樣板、成型刀具，同時(shí)還可進(jìn)行微細(xì) 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(lái)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(wèn)題。 3． 加工零件 在試制新產(chǎn)品時(shí)，用線切割在坯料上直接割出零件，例如試制切割特殊微電 第 25 頁(yè) 共 61 頁(yè) 機(jī)硅鋼片定轉(zhuǎn)子鐵心，由于不需另行制造模具，可大大縮短制造周期、降低成本。模具配合間隙、加工精度通常都能達(dá)到要 此外，還可以加工擠壓模、粉末冶金模、彎曲模、塑壓模等通常帶錐度的模 模 具 。 1． 加工模具 適用于各種形狀的沖模。 8． 所需加工的零件應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性 [32]~[35]。 6． 用去離子水和乳化液做介質(zhì)，工作安全可靠。 4． 電極絲往復(fù)使用，損耗小。 2． 線切割主要進(jìn)行通 孔加工，加工主要形狀有面、曲線，被加工面有平面、 豎直面，也可加工具有一定錐度的斜面，但應(yīng)注意除小拐角必須大于某一 R(為電極絲半徑十放電間隙 )。如圖 26 所示，當(dāng)工件要完成某一軌跡時(shí)，如圖中從 A 切割到 B時(shí)，對(duì)于某一點(diǎn) A，其切向速度為 V，此時(shí)通過(guò)分解可得工作臺(tái)在 X、 Y 方向所需的移動(dòng)的速度分別為 Vx、 Vy，通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)速度進(jìn)行控制，得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，即可得到所需軌跡 [30][3I]。 輪廓的實(shí)現(xiàn) 在線切割和過(guò)程中，輪廓的加工是通過(guò)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)合成來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 4 極間介質(zhì)的消電離 隨著脈沖電壓的結(jié)束，脈沖電流迅速降為零，但此后仍應(yīng)有一段間隔時(shí)間， 使間隙介質(zhì)消電離，即放電通道中的帶電粒子復(fù)合為中性粒子，恢復(fù)本次放電通 道處間隙介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度，以及降低電極表面溫度等，以免下次總是重復(fù)在同一 第 23 頁(yè) 共 61 頁(yè) 處發(fā)生放電而導(dǎo)致電弧放電，從而保證在別 處按兩極相對(duì)最近處或電阻率最小處 形成下一擊穿放電通道。通道中心壓力最高，使氣化了的氣體體積不斷向外膨脹， 形成一個(gè)擴(kuò)張的 “ 氣泡 ” 。高溫下的 氣化工作液和金屬蒸汽，瞬間體積猛增，在放電間隙內(nèi)形成氣泡，迅速熱膨脹 ． 熱膨脹和局部微爆炸，使熔化、氣化了的電極材料拋出蝕除。 2. 介質(zhì)熱分解、電極材料熔化、氣化熱膨脹 極間介質(zhì)一旦被電離、擊穿、形成放電通道后，脈沖電源使通道間的電子高 速奔向正極，正離子奔向負(fù)極 ． 電能變成動(dòng)能，動(dòng)能通過(guò)碰撞又轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。同時(shí)，電子流動(dòng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)又反過(guò)來(lái)對(duì)電子流產(chǎn)生向心的磁壓縮效應(yīng)。 在電場(chǎng)作用 下電子高速向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，對(duì)介質(zhì)中的粒子產(chǎn)生撞擊，導(dǎo)致帶電粒 子雪崩式增多，使介質(zhì)擊穿而電阻率迅速降低，形成放電通道，放電通道是由數(shù) 量大體相等的帶正電 (正離子 )和帶負(fù)電粒子 (電子 )以及中性粒子 (原子或分子 )組成的等離子體。 1. 介質(zhì)間的電離、擊穿，形成放電通道 第 22 頁(yè) 共 61 頁(yè) 當(dāng)脈沖電壓施加于工具電極與工件之間時(shí)，兩極之間立即形成一個(gè)電場(chǎng)。 高速快走絲電火花線切割加工的原理 高速快走絲電火花線切割加工中，要完成兩項(xiàng)工作，一是實(shí)現(xiàn)材料的切除， 材料的切除是利用電蝕加工原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的 ； 二是實(shí)現(xiàn)工件的輪廓控制，工件的輪 廓控制是用坐標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。此系統(tǒng)一 般由液泵、液箱、過(guò)濾器、管道、控制閥等部分組成，具有不采用強(qiáng)迫循環(huán)，工 作壓力和流量較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、液箱體積小，振動(dòng)和噪音小等特點(diǎn)，系統(tǒng)示意如 圖 25 所示。 輔助控制電路是指上述基本控制系統(tǒng)之外的，有利于加工順利進(jìn)行、增加控 制功能、提高自動(dòng)化程度的各種控制電路，如 :自動(dòng)監(jiān)控、出現(xiàn)異常時(shí)的自動(dòng)報(bào) 等、自動(dòng)停車以及各種保護(hù)控制電路等。 走絲機(jī)構(gòu)控制電路的作用，是控制電極絲自身運(yùn)動(dòng)的，電極絲的運(yùn)動(dòng)既有利 于把液體介質(zhì)帶入放電間隙，又有利于把放電產(chǎn)物排出放電間隙 。其中數(shù)字程序控制已經(jīng)成為目前線切割機(jī)床的主流。 進(jìn)給系統(tǒng)的控制作用，是在電極絲相對(duì)工件按一定方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)放電間 隙的大小與狀態(tài)自動(dòng)控制進(jìn)給速度，以使進(jìn)給速度與工件蝕除的線速度相平衡， 維持穩(wěn)定的切割加工。此外，還有走絲機(jī)構(gòu)控制、機(jī)床操作控制以及其它輔助系統(tǒng)控制。 控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、控制精度、動(dòng)態(tài)特性和自動(dòng)化程度，都直接影 響著加工的工藝指標(biāo)和工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。 (3) 功率放大級(jí)功放是將推動(dòng)級(jí)所提供的脈沖信號(hào)進(jìn)行放大，為工件和電極絲 之間進(jìn)行切割時(shí)的火花放電提供所需要的脈沖電壓和電流，使其獲得足夠的放電 能量，以便順利而穩(wěn)定地進(jìn)行切割加工。 (1) 脈沖發(fā)生器脈沖發(fā)生器是脈沖電源的脈沖源，脈沖寬度 t1，脈沖間隔 t0 和脈沖頻率 f 均由脈沖發(fā)生器確定和調(diào)節(jié)。 電極絲損耗大小是脈沖電源性能好壞的重要標(biāo)志之一 [24][25][26]。在高速快走絲方式的線切割加工中，電極絲往復(fù)使用，它的損耗會(huì)直接影響加工精度，損耗較大時(shí)還會(huì)增大斷絲的機(jī)率。 一般情況下，線切割加工的脈沖重復(fù)頻率約在 5 一 500kHz范圍內(nèi) 。 但是脈沖間隔太小，會(huì)使消電離過(guò)程不充分，造成電弧放電并引起加工表面 燒傷。脈沖寬度窄，放電能量小，雖然有利于提高加工精度和 改善表面粗糙度，但是會(huì)大大降低切 割速度。因此，脈沖能量 應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，一般脈沖寬度約在 05~64μ s。同時(shí)放電凹坑分散重疊較好，表面光滑平整，使放電表面凸凹不平度小，從 而獲得較高的加工精度和較好的表面粗糙度。 脈沖寬度越窄，即放電時(shí)間越短，放電所產(chǎn)生的熱量就越來(lái)不及傳導(dǎo)和擴(kuò)散，而 被局限在 工件和電極絲間很小的范圍內(nèi)。這就需要控制單個(gè)脈沖的能量。線切割加工的放 電峰值電流的變化范圍一般在 10~25A 之內(nèi) ． (2) 可調(diào)的脈沖寬度 。 這主要是由以下兩方面的原因所決定 的 ： 其一，由于電極直徑的限制，一般直徑在 Φ 0． 08~Φ0． 25mm 之間，因此，受電極絲直徑的限制，它所允許的放電峰值電流就不能太大。其傳動(dòng)系統(tǒng)如 下 ： 電機(jī) → 聯(lián)軸器 → 高速旋轉(zhuǎn)絲筒 → 齒輪副 → 絲 桿 副 第 18 頁(yè) 共 61 頁(yè) 脈沖電源 電火花線切割脈沖電源通常又叫高頻電源，是數(shù)控電火花線切割機(jī)床的主要 組成部分，是影響線切割加工工藝指標(biāo)的主要部件之一。 齒輪或蝸輪傳動(dòng)副的作用是實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)與絲桿之間的傳動(dòng)。絲桿副的傳動(dòng)齒形一般分為三角形普通 螺紋、梯形螺紋和圓弧螺紋三種。在滾柱與滾針導(dǎo)軌中滾動(dòng)體與 導(dǎo)軌是線接觸，承載能力較大。滾動(dòng)導(dǎo)軌滾珠式、滾柱式和滾針式等結(jié)構(gòu)形式。 圖 22 坐標(biāo)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)原理圖 fig22 schematic diagram ofcoordinate workbench 拖板由拖板座 下拖板 上拖板 2 和工作臺(tái) 1 四部分組成，如圖 23 所示拖板座與床身固定連接 ； 下拖板置于拖板座之上，以實(shí)現(xiàn) y軸方向的運(yùn)動(dòng) ； 上拖板置于下拖板之上，以實(shí)現(xiàn) x軸方向運(yùn)動(dòng) ； 工作臺(tái)置于上拖板之上。 坐標(biāo)工作臺(tái)主要由底座、縱橫拖板、導(dǎo)軌、絲桿運(yùn)動(dòng)副、變速齒輪、步進(jìn)電 機(jī)等組成，結(jié)構(gòu)原理如圖 22 所示 ： 步進(jìn)電機(jī) 8 通過(guò)齒輪 9 帶動(dòng)絲桿 7 旋轉(zhuǎn)并向前移動(dòng)，絲桿空套在工作臺(tái)上，通過(guò)滾珠以及調(diào)節(jié)螺釘 推座 2 帶動(dòng)工作臺(tái)前進(jìn)。