【正文】 實踐表明，這一控 制方式運行穩(wěn)定、有效，在實際生產(chǎn)中取得了明顯的效果和良好的經(jīng)濟效益。 第 35 頁 共 61 頁 第四章 基于單片機控制的短循環(huán)走絲方式設(shè)計 換向系統(tǒng)組成與短循環(huán)換向方法 第 36 頁 共 61 頁 單片 機的選型 AT89C2051 單片機的特征、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 第 41 頁 共 61 頁 換向控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 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 換向子程序設(shè)計 第 44 頁 共 61 頁 自動停機方法 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)走絲控制的實踐 采取的線切割機床及有關(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 實際加工運轉(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，對線切割機床的運絲循環(huán)控制方法進行了 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) 濟效益和推廣價值。 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)方式如何實現(xiàn)。向前與 向后移動的距離是不等的，這樣通過多次循環(huán)，貯絲筒逐步移動到 B 點。 短循環(huán)換向控制方法 對于線切割機床的正常加工， JT 機后貯絲筒先正轉(zhuǎn)，同時向 B 點移動 (向前 )， 當(dāng)擋塊壓下行程開關(guān) B 時，貯絲筒反轉(zhuǎn)并向 A 點移動 (向后 )，其運動是在兩行 程 開關(guān) A、 B 之間循環(huán)的，如圖 35（ a） 所示。 由于步進電機的動態(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。數(shù)字控制系統(tǒng)對步進電動機發(fā)出脈沖信號，電機將電脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度，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)電機轉(zhuǎn)速，運動方向是由步進電機通電的順序決定。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 鉬 絲的使用壽命。 實踐加工表明，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，既可實現(xiàn)短距離循環(huán)走絲方式的加工。 現(xiàn)有 鉬 絲運行長度控制方法 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，操作者 往往通過在貯絲筒上繞較短的 鉬 絲，或移動行程開關(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)了用步進電機帶動貯絲筒直線移動的短 循環(huán)換向式線切割機床 。如圖 32 所示，設(shè)有兩 鉬 絲截面 ① 、 ② ，當(dāng)損耗不均勻時，兩截面所對應(yīng)的貯絲簡上每周繞的 鉬 絲長度也不等，在運行的過程中也相應(yīng)的會產(chǎn)生長度增量。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。于是企業(yè)提出了如何通過控制方法的變換，來縮短參與運行的 鉬 絲長度的技改項目。 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床的正常加工，貯絲筒運動是 兩行程開關(guān) A、 B 之間進行循環(huán)的，這一循環(huán)方法參與加工的相絲長度較長。 由以上分析可知，對于一般的高速線切割機床的正常加工如圖 2 一 8 所示，開機后貯絲筒先正轉(zhuǎn)，同時向 B 點移動 (向前 )，當(dāng)擋鐵塊壓下行程開關(guān) B 時，貯絲筒反轉(zhuǎn)并向 A 點移動 (向后 )，其運動是在兩行程開關(guān) A、 B 之間進行循環(huán)。工作臺行程可通過移動在 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。為了實現(xiàn) 鉬 絲的快速運轉(zhuǎn)，普通高速快走絲線切割機床采用了如圖 27 所示電路，使 鉬 絲進行實現(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， 材料試驗樣件，各種型孔、特殊齒輪凸輪、樣板、成型刀具，同時還可進行微細(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 絲的保護是一關(guān)鍵問題。 3． 加工零件 在試制新產(chǎn)品時，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 共 61 頁 機硅鋼片定轉(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，如圖中從 A 切割到 B時，對于某一點 A，其切向速度為 V，此時通過分解可得工作臺在 X、 Y 方向所需的移動的速度分別為 Vx、 Vy，通過對步進電機速度進行控制，得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，即可得到所需軌跡 [30][3I]。 輪廓的實現(xiàn) 在線切割和過程中，輪廓的加工是通過點的運動合成來實現(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 共 61 頁 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， 形成一個擴張的 “ 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 ． 電能變成動能，動能通過碰撞又轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。同時，電子流動產(chǎn)生磁場，磁場又反過來對電子流產(chǎn)生向心的磁壓縮效應(yīng)。 在電場作用 下電子高速向陽極運動，對介質(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 共 61 頁 當(dāng)脈沖電壓施加于工具電極與工件之間時，兩極之間立即形成一個電場。 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，要完成兩項工作，一是實現(xiàn)材料的切除， 材料的切除是利用電蝕加工原理來實現(xiàn)的 ； 二是實現(xiàn)工件的輪廓控制，工件的輪 廓控制是用坐標(biāo)來實現(xiàn)的。此系統(tǒng)一 般由液泵、液箱、過濾器、管道、控制閥等部分組成，具有不采用強迫循環(huán)，工 作壓力和流量較小，結(jié)構(gòu)簡單、液箱體積小，振動和噪音小等特點，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，有利于加工順利進行、增加控 制功能、提高自動化程度的各種控制電路，如 :自動監(jiān)控、出現(xiàn)異常時的自動報 等、自動停車以及各種保護控制電路等。 走絲機構(gòu)控制電路的作用，是控制電極絲自身運動的，電極絲的運動既有利 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)成為目前線切割機床的主流。 進給系統(tǒng)的控制作用，是在電極絲相對工件按一定方向運動時，根據(jù)放電間 隙的大小與狀態(tài)自動控制進給速度，以使進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，還有走絲機構(gòu)控制、機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、動態(tài)特性和自動化程度，都直接影 響著加工的工藝指標(biāo)和工人的勞動強度。 (3) 功率放大級功放是將推動級所提供的脈沖信號進行放大，為工件和電極絲 之間進行切割時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，它的損耗會直接影響加工精度，損耗較大時還會增大斷絲的機率。 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，會使消電離過程不充分，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，即放電時間越短，放電所產(chǎn)生的熱量就越來不及傳導(dǎo)和擴散，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。其傳動系統(tǒng)如 下 ： 電機 → 聯(lián)軸器 → 高速旋轉(zhuǎn)絲筒 → 齒輪副 → 絲 桿 副 第 18 頁 共 61 頁 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。 齒輪或蝸輪傳動副的作用是實現(xiàn)步進電機與絲桿之間的傳動。絲桿副的傳動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)軌中滾動體與 導(dǎo)軌是線接觸，承載能力較大。滾動導(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 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，以實現(xiàn) y軸方向的運動 ； 上拖板置于下拖板之上，以實現(xiàn) x軸方向運動 ； 工作臺置于上拖板之上。 坐標(biāo)工作臺主要由底座、縱橫拖板、導(dǎo)軌、絲桿運動副、變速齒輪、步進電 機等組成，結(jié)構(gòu)原理如圖 22 所示 ： 步進電機 8 通過齒輪 9 帶動絲桿 7 旋轉(zhuǎn)并向前移動，絲桿空套在工作臺上，通過滾珠以及調(diào)節(jié)螺釘 推座 2 帶動工作臺前進。