（控制理论与控制工程专业论文）电火花线切割机运动控制系统的设计与研究.pdf

电火花线切割机运动控制系统的设计与研究 摘要 随着模具行业和装备制造业的不断发展，现有的国内高速走丝电火花线切 割机技术已经不能满足行业发展的要求，本文在研究国内外电火花线切割技术 的基础上，采用1 6 位c p u 控制器，增加了液晶显示功能，并结合部分上位机 的功能，开发了增强型高速走丝电火花线切割机数控系统。 在插补过程中，针对常规逐点比较法的不足之处，采用改进逐点比较法来 提高插补进给效率。 分别针对目前数控系统中两种典型的运动控制系统：开环系统和闭环系统 进行了研究。在开环系统中以步进电机为控制对象，对其驱动以及升降速控制 和点动控制进行了研究。实验结果给出了步进电机升降速的脉冲波形图、点动 控制和加工图形的实验结果图，实验结果表明步进电机运行平稳，达到了预期 目的：在闭环系统中以交流伺服电机为研究对象，针对双轴伺服系统中摩擦的 非线性、不确定外扰，在分析系统轮廓误差的基础上，结合交叉耦合的思想， 采用了一种改进型二阶自抗扰控制器( a d r c ) 对摩擦进行补偿。该控制器利用具 有强鲁棒性的扩张状态观测器观测系统的摩擦及其它内外扰动，并加以补偿， 同时采用了新的非线性函数，克服了由于常规a d r c 非线性状态误差反馈控制 律中非线性函数的不平滑性，而导致系统对于摩擦敏感的缺点。最后根据线切 割机的模型，并结合实际加工过程中的具体情况，进行了实验仿真，仿真结果 表明该控制算法达到了较好的控制效果。 在电火花线切割机的软件设计中，实现了对加工程序的译码，并以改进逐 点比较算法进行插补进给。系统完成了速度自动进给的要求，并实现了掉电保 护和来电继续加工的功能。在加工过程中若发生钼丝和工件短路，系统将自动 完成短路回退。此外，还对系统的丝半径c 刀补偿公式进行了推导，编写了程 序并在硬件平台上进行了实验研究，通过最后加工完成的坐标值与理论值的对 比，证明此方法满足加工精度要求。 关键字：电火花线切割机；步进电机；交叉耦合：丝半径补偿 t h ed e s i g na n ds t u d yo fm o t i o nc o n t r o ls y s t e mo fw i r ee l e c t r i c a l d i s c h a r g em a c h i n e a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ed i e & m o l di n d u s t r ya n dt h ee q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n g ， t h eh i g h s p e e dw i r ee l e c t r i c a l d i s c h a r g em a c h i n e ( h s w e d m ) t e c h n o l o g yh a sb e e n u n a b l et om e e tt h er e q u i r e m e n t so fi n d u s t r y b a s e do nt h er e s e a r c ho fw i r ee l e c t r i c a l d i s c h a r g et e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a di nt h i sp a p e r ，t h i ss c h e m ea p p l i e st h e16 b i t s c p uc o n t r o l l e r , w i t ht h ea d d i t i o nf u n c t i o no fl c dd i s p l a ya n du p p e rc o m p u t e rp a r t l y ， m a k i n ga ni m p r o v e m e n to ft h eh i g h - s p e e dw e d ms y s t e m i nt h ei n t e r p o l a t i o np r o c e s s ，g i v e nt h es h o r t c o m i n g so fc o n v e n t i o n a lp o i n tb yp o i n t c o m p a r i s o nm e t h o d ，i n t e r p o l a t i o nf e e de f f i c i e n c yi si m p r o v e dw i t ht h ei m p r o v e dp o i n tb y p o i n tc o m p a r i s o nm e t h o d i nt h es y s t e m t h ea r t i c l es t u d i e st h et w ok i n d so ft y p i c a lc n cs y s t e m o p e n l o o ps y s t e m sa n d c l o s e d l o o ps y s t e m s t h ep a p e ra n a l y s e st h ec h a r a c t e ro fs p e e di n c r e a s i n ga n dd e c r e a s i n g a n djo gc o n t r o lo ft h es t e p p e rm o t o ri nt h eo p e n l o o pc o n t r o ls y s t e m a cs e r v om o t o ri s u s e da st h ec o n t r o l l e do b j e c ti nt h ec l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e m h iv i e wo ft h ef r i c t i o n n o n l i n e a r i t ya n du n c e r t a i ne x t e r n a ld i s t u r b a n c ei nt h eb i a x i ss e r v os y s t e m ，o nt h eb a s i so f a n a l y z i n gt h ec o n t o u re r r o ro ft h es y s t e m ，c o m b i n e dw i t ht h ei d e ao fc r o s s c o u p l i n g ，a n i m p r o v e ds e c o n d o r d e ra c t i v ed i s t u r b a n c er e j e c t i o nc o n t r o l l e r ( h d r c ) i sp r o p o s e d t h e i n n e rd i s t u r b a n c ea n do u t s i d ed i s t u r b a n c eo ft h es y s t e m ，a sw e l la st h ef r i c t i o nc o u l db e o b s e r v e da n dc o m p e n s a t e db yt h ee x t e n d e ds t a t eo b s e r v e r ( e s o ) o fa d r c ，w h i c hh a s s t r o n gr o b u s t n e s s d u et oa p p l y i n gan e wn o n l i n e a rf u n c t i o nt oo v e r c o m et h er o u g ho f n o n l i n e a rf u n c t i o n w h i c hl e a d st ot h es y s t e ms e n s i t i v et ot h ef r i c t i o ni nt h en o n l i n e a rs t a t e e r r o rf e e d b a c ko fc o n v e n t i o n a la d r c ，f r i c t i o nc o m p e n s a t i o nc o u l db ec a r r i e do u tw e l l f i n a l l y , a c c o r d i n gt ow i r ec u t t i n gm o d e l ，c o m b i n e dw i t ht h ea c t u a lp r o c e s s i n go ft h e c i r c u m s t a n c e s t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u t t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h ec o n t r o la l g o r i t h ma c h i e v et h eg o o dc o n t r o le f f e c t t h es y s t e mi m p l e m e n t st h ed e c o d i n gp r o c e s s i n ga n dw i t ht h ei m p r o v e df e e da l g o r i t h m t oi m p r o v et h ef e e di nt h ew e d mo fs o f t w a r ed e s i g n t h es o f t w a r ec o m p l e t e st h e r e q u i r e m e n t so ff e e da u t o m a t i c a l l y n l es y s t e mp r o v i d e sf u n c t i o no fp o w e r - o f fp r o t e c t i o n a n dp o w e r - o nc o n t i n u i n gt op r o c e s s t h et h e s i sa n a l y s e sa n dr e a l i z e st h ef u n c t i o no fw i r e r a d i u sc o m p e n s a t i o no ft h eh s w e d mm a c h i n et 0 0 1 c o m p a r e dw i t ht h et h e o r e t i c a l c o o r d i n a t e ，t h em e t h o di sp r o v e dp r e c i s e l yb yt h ei na c t u a lc o o r d i n a t et h ee x p e r i m e n to f w i r er a d i u sc o m p e n s a t i o n k e yw o r d s ：w i r ee l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n e ；s t e p p e rm o t o r ；c r o s s c o u p l i n g ；w i r e r a d i u sc o m p e n s a t i o n 插图清单 图2 1 电火花线切割机组成原理图6 图2 2 线切割脉冲电源组成示意图8 图3 1 计数方向确定1 0 图3 2 计数长度的确定1 0 图3 3 加工指令的确定范围1l 图3 4 改进逐点比较法的工作节拍13 图3 5 改进逐点比较法直线插补分类1 3 图3 6 改进逐点比较法直线插补示意图1 4 图3 7 改进逐点比较法圆弧插补示意图1 5 图3 8 插补流程图1 7 图3 9 改进逐点比较法插补v c 仿真1 8 图4 1 步进电机结构图2 1 图4 2 电机升降速曲线图2 2 图4 3s 曲线升降速脉冲时间图2 4 图4 4 步进电机升降速程序流程图2 5 图4 5 步进电机升降速实验进给脉冲波形图2 7 图4 6 步进电机点动实验结果图2 8 图4 7 双轴系统轮廓误差3 0 图4 8 摩擦力模型示意图，31 图4 9 自抗扰控制器模型3 2 图4 1 0 函数f a t ( ) 和函数n e w ( 。) 特性龃线3 4 图4 1 l 交叉耦合控制结构图3 5 图4 1 2 仿真结果图3 7 图4 1 3 工件加工实验图。3 8 图5 1 电火花线切割机系统结构图3 9 图5 2 译码程序流程图4 0 图5 3 数值提取处理程序流程图4 0 图5 4 短路回退直线情况示意图4 3 图5 5 短路回退逆圆弧情况示意图。4 3 图5 7 短路回退实验结果图4 5 图5 8 掉电检测原理图4 6 图5 9 来电继续加工程序流程图4 9 图5 1 0 来电继续加工实验结果图5 0 图5 1 l 工件图形轮廓与刀具中心轨迹图5 l 图5 1 2b 刀补偿示意图5 2 图5 1 3c 刀补偿流程图5 3 图5 1 4 直线接直线i 型( a ) 一5 6 图5 15 直线接直线i 型( b ) 。5 6 图5 16 直线接直线( 缩短型) 5 7 图5 。17 直线接顺圆弧i 型( a ) 5 7 图5 1 8 直线接顺圆弧i 型( b ) 5 8 图5 19 直线接顺圆弧( 缩短型) 5 8 图5 。2 0 顺圆弧接j 噘圆弧i 型( a ) ：6 1 图5 2 l 顺圆弧接顺圆弧i 型( b ) 一6 1 图5 2 2 顺圆弧接顺【圆弧( 缩短型) 6 2 图5 2 3 丝半径补偿程序流程图6 4 图5 2 4 丝半径补偿实验结果图6 5 表格清单 表3 13 b 程序格式9 表3 2 改进逐点比较法直线插补偏差计算公式和进给方向1 4 表3 3 改进逐点比较法圆弧插补偏差计算公式和进给方向1 6 表4 1 改进前后系统轮廓误差与单轴跟踪误差( 单位：m m ) 3 6 表5 1 绘图仿真类型表4 3 表5 2c 刀补偿转接过渡方式判断表5 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外。论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 盒月墨工些厶堂 或其他教育机构的学位或证 5 而使用过的 材料。与我一同：i ：作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名： 于迦瘥 签字日期：z 加l 。年月z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥里e 些厶堂有关保留、使川学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被奄阅和借阅。本人授权世 上些叁：兰可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采刚影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 于治疾 签字日期：i 。年节月砧日 学位论文作者毕业后去向： j ：作单位： 通讯地址： 新虢能呸 签字日期：砂p ，年仁月必日 电话： 邮编： 致谢 在论文完成之际，首先要向我的导师肖本贤教授表示最衷心的感谢! 在研究 生学习生活中，肖老师以严谨求实的治学态度给予了我精心的指导和孜孜不倦 的教诲，使我的论文得以顺利完成，培养了我独立思考和解决问题的能力。肖 老师渊博的学识、高深的学术造诣和锐意进取的科学探索精神、敏捷的思维能 力和一丝不苟的研究精神一直深深地影响着我，使我受益匪浅。 此外，还要感谢实验室的郁伉、毕磊，师兄李善寿、刘刚、陆诚，师姐李 艳红，师弟陶运超、肖军、张兴鹏，师妹王萍、赵梅玲，他们在学习和生活中 给了我大力的支持和热情的帮助，使我能够顺利地完成学业，并不断超越自己， 迎接新的挑战! 另外，感谢好友朱磊，他在我遇到困难时，总能给我鼓励和帮助。 感谢百忙之中抽出大量时间和精力对本文进行评阅、审查，并提出宝贵意 见的各位老师! 感谢所有给予我理解、关心、支持和帮助的老师、朋友! 最后，特别感谢我的父母多年来对我支持、理解和无私的付出，是他们给 了我前进的动力和克服困难的勇气，谢谢! 作者：于海滨 2 0 10 年1 月2 9 日 第一章绪论 1 1 引言 电火花线切割加工( w i r ec u te d m ，简称w e d m ) 是一种用线状电极作为 工具的电火花加工。其加工特点是电极丝作单向低速或双向高速的走丝运动， 工件相对电极丝作x 、y 方向的任意轨迹运动，可用靠模仿型、光电跟踪、计 算机数字等方式进行控制，直接利用电能和热能进行尺寸加工的一种工艺方 法。 电火花线切割加工可以解决具有高熔点、高硬度、高韧性等特殊机械性能 材料和特殊结构、特殊要求零件的加工问题，而这正是传统的机械加工很难甚 至无法解决的。因此电火花线切割加工在模具制造业、难加工材料和精密复杂 零件的加工中占有极其重要的地位。 1 2 电火花线切割机床的分类 电火花线切割机床，根据电极丝的运行速度，可以分成两大类：一类是高 速走丝线切割机床( w e d m h s )；另一类是低速走丝线切割机床 ( w e d m l s )，现在将它们的特点作一下简单介绍。 ( 1 ) 高速走丝线切割机 这类机床是我国独创的，也是目前生产和使用的主要机种。机床的电极丝 沿自身方向作高速往复式运动，一般走丝速度为8 1 0 m s 。电极丝主要是钼丝， 可重复使用。工作液通常采用乳化液，也可采用矿物油等。缺点是电极丝的 抖动和换向的停顿会使加工精度下降。 ( 2 ) 低速走丝线切割机 这类机床的电极丝沿自身方向作低速单向运动，一般走丝速度为0 2 m s ， 这是国外生产和使用的主要机种。一般用黄铜丝作电极丝，其直径为 0 0 3 0 3 5 m m 。机床电极丝单向低速运行通过加工间隙，不重复使用，可避免电 极丝损耗给加工精度带来的影响，工作液主要用去离子水。 1 3 电火花线切割技术研究现状 1 3 1 国外电火花线切割技术研究现状 目前，国外的生产低速走丝线切割机床的厂家主要有c h a r m i l l e s 公司、 a g i e 公司和s o d i c k 公司等。这些公司生产低速走丝线切割机床，目前占领了 绝大部分国际市场的份额。随着生产技术的日新月异，加工领域对电火花线切 割加工技术要求的不断提高。近几年来由于新材料、新工艺、新的控制方法在 线切割加工上的应用，国外电火花线切割加工在走丝系统、自动化及人工智能 l 技术，微细电火花线切割加工等关键技术方面又取得了新的发展【卜5 1 。 这些厂家大部分都采用了32 位微处理器和多cpu 技术，具有较高的智 能化和系统集成的优点。随着控制理论及其技术的发展，模糊控制、专家控制、 神经网络等智能控制手段在线切割技术中得到了广泛地应用，大幅度提高了电 火花加工的效率和精度。近年来国外低速走丝线切割机床( s e d m ) 突出的技 术特点如下： ( 1 ) 加工速度的提高 对于s e d m 机床的发展，瑞士阿奇公司提出了一种以速度为核心的新的发 展理念。它包括：安装快速、编程快速、准备快速、加工快速。其实质就是尽 量缩短辅助工时与加工工时。日本牧野公司则通过配备电源的选项功能来提高 加工速度。该公司提供一种称为s u p e rs p a r ki i 的选项功能，它包括r p r o c e s s 2 c o n t r o l 和s p a r kj u m p 功能，前者可按加工深度预测侧面扩大量，可以在达到 一半加工深度之前自动增强加工条件；后者则在抬刀期间也能进行放电，使放 电区分散在电极多处，有利于排屑。这些发展充分表现了提高机床的加工效率， 永远是电火花加工机床不变的主题。 ( 2 )智能化的专家系统 由于电火花加工中，影响加工效果的因素远比其他加工方式要多且复杂， 同时要求用户培养精通工艺的熟练操作者也越来越困难，因此s e d m 机床是否 具有强大的专家系统，是否具有高性能的智能化控制能力，既是机床发展水平 的重要体现，也是机床在使用时能否充分发挥出它拥有的技术水平，能否受到 用户欢迎的关键所在。 ( 3 ) 精密成型加工的特色 s e d m 的性能指标是加工速度、加工表面粗糙度、电极损耗与加工精度4 项。随着加工对象的高档化，指标开始细分。例如表面粗糙度，要求在表面平 直度的前提下有一个均匀性的要求，这是集成电路i c 模块塑封模的要求，亦 是高档手机外壳模的质量要求。 ( 4 ) 微细电火花成形加工的进展 微细电火花加工是现代制造技术的一个重要领域，一般指尺寸小于3 0 0 9 m 的孔、槽、轴与型腔的加工，其加工的原理并无特异之处，它的主要特征是加 工单位非常小，包括微小的单脉冲放电能量、精细的电极与微小的放电间隙。 1 3 2 国内电火花线切割技术研究现状 我国生产和使用的绝大多数为高速走丝电火花线切割机，高速走丝电火花 线切割机作为我国的独创技术，已成为我国数控机床中产量最大、应用最广的 机种之一，随着我国模具行业的飞速发展，对电火花线切割机提出了更高的要 求，从而也进一步促进了电火花线切割技术的发展和高新技术产品的不断涌现 1 6 - 9 1 o 2 ( 1 )大锥度切割技术的迅速发展，并逐步完善、成熟。例如，锥度加工 时电极丝会同时倾斜，保证导轮槽始终处于同一平面内，解决了大锥度切割时 电极丝易跳出的难题；改进工作液的喷入方式，改善了大锥度切割时加工状态。 随着大锥度切割技术的提高，变锥度、上下异形的切割加工也得到了改进。 ( 2 )大厚度切割技术不断进步。与低速走丝电火花线切割机相比，高速 走丝电火花线切割机在大厚度切割方面是它的一个优势。近年来，由于大厚度 切割的技术普及与提高，高速走丝电火花线切割机床的应用范围得到了扩大， 促进了其市场占有份额的扩大。 ( 3 )多次切割的工艺不断得到进展。虽然目前多次切割的技术还不成熟， 但经过不断地探索和试验，已有了一定的进展。如苏州新火花公司研发的多次 切割h s w e d m ，在三次切割后表面粗糙度r a 1 2 u m ，平均加工速度5 0 m m 2 r n i n ， 加工工件表面光泽，无切割条纹，机床的最大切割速度达1 9 0 m m 2 m i n ，最佳表 面粗糙度r a = 0 8 u r n 。 ( 4 ) 工艺指标及工艺水平得到了提高。由于改进了运丝、走丝机构使加 工的“条纹 得到了改善；利用神经网络、模糊控制等智能控制，尤其是成功 引入低速走丝线切割加工的脉冲能量控制和变频进给方式，实现了高效、稳定、 低损耗加工；脉冲电源不断改进，使切割速度已由原来的6 0 8 0 m m 2 m i n ，普 遍提高到1 0 0 m m 2 m i n 。 ( 5 )控制系统不断推陈出新，完善成熟。新的控制系统大多数采用了3 2 位c p u ，甚至是p c 机，并随主芯片的升级功能不断增强，可靠性稳固提高，并 能兼容i s 0 代码。 1 4 本文研究的背景和主要内容 目前，国内市场上电火花线切割机主要还是以高速电火花线切割机为主， 高速电火花线切割机的产品大部分仍然是以z 8 0 处理器为核心的系统，采用上 位机绘图待加工轨迹图形，并生成相应的程序代码，然后将程序代码传输至线 切割机进行加工，在加工过程中l e d 数码管显示当前加工的程序代码。这使得 整个加工过程对于操作者来说不直观、不方便。虽然低速电火花线切割机，功 能强大，但由于其昂贵的生产成本，使得其普及起来有一定困难。 本文研究的线切割机，采用1 6 位c p u 控制器，即t i 公司的m s p 4 3 0 f 2 6 1 8 芯片，添加液晶显示屏，强化了人机对话功能。系统带有文件输入和存储、图 形仿真、图形旋转、图形对称、加工、丝半径和放电间隙补偿、电机手动调整 等功能。成本控制在一个十分合理的范围内，使得整个系统具有很好的性价比， 提高了产品竞争力。 本文的主要研究工作为以下内容： 第一章简单介绍了电火花线切割机及其功能，以及线切割机的国内外近年 来的发展现状。 3 第二章介绍了电火花线切割机概念、组成、加工的原理、工艺和切割特点。 第三章i 介绍了线切割机的控制原理，包括3 b 代码格式与含义、现行的主 要插补方法。在研究插补算法时针对常规逐点比较法的不足之处，采用了改进 逐点比较法，节省了插补次数，提高了加工效率。 第四章研究了运动控制系统的开环控制策略与闭环控制策略。在开环控制 系统中，主要以步进电机作为控制对象，研究步进电机的s 曲线升降速控制以 及点动控制，并给出了实验结果图。在闭环控制系统中，主要以交流伺服电机 为研究对象，针对双轴伺服系统中摩擦的非线性、不确定外扰，在分析系统轮 廓误差的基础上，结合交叉耦合的思想，采用了一种改进型二阶自抗扰控制器 ( a d r c ) 对摩擦力进行补偿。文章结合线切割机的模型，根据加工过程中遇到的 各种问题，进行了仿真实验并给出了分析，最后得出结论表明该方法具有较好 的控制效果。 第五章介绍了系统的译码原理，将3 b 代码中的指令信息转换成实际加工 的有用信息，实现了译码功能。针对线切割机在实际加工过程中，可能会出现 电极丝与工件的短路问题，在软件上实现了线切割机短路情况下自动短路回退 的功能。对于发生掉电的情况，设计时使系统能够在掉电时保存数据信息，并 且系统在来电时能够读取保存的信息，继续完成加工。在加工过程中，系统实 现自动调整进给速度的功能，使系统保持一个稳定的加工速度，从而提高加工 质量。最后对丝半径补偿公式进行了推导，给出了补偿公式，并用实验论证了 该补偿方法的精确性。 4 第二章电火花线切割机原理与工艺特点 2 1 引言 电火花加工中的电蚀现象早在2 0 世纪初就被人们发现，如插头、开关闭 合所产生火花对表面的损坏。但真正将电腐蚀现象运用到实际生产加工中的是 前苏联科学家拉扎连柯夫妇，1 9 4 3 年他们运用电腐蚀原理研制出世界上第一台 实用化的电火花加工装置，并在以后的推广运用中不断改进。如今，结合计算 机数字控制技术的数控电火花加工设备的制造在国外已形成一个专门的产业， 并且朝高度智能化、数控化和无人化的方向发展。 2 2 电火花加工的概念及特点 2 2 1 电火花加工的概念 电火花加工技术是一种利用电能和热能进行切割加工的新工艺，即电加工 ( e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n n i n g ) 。电火花加工与一般金属切削加工的区别在 于，电加工时并不与工件接触，而是靠工具与工件之间不断产生的脉冲性火花 放电所产生的局部、瞬时高温把金属材料逐步蚀除下来，故称之为电火花加工。 2 2 2 电火花加工的特点 现代制造业的迅猛发展带动了新材料的不断涌现，高熔点、高硬度的材料 层出不穷，使传统的金属切削方法很难进行加工，而电火花加工几乎与材料的 力学性能( 硬度、强度等) 无关，它突破了传统金属切削方法对刀具的限制， 同时电火花加工本身所具有的特殊性决定了具有如下特点： ( 1 ) 适合难切削材料的加工，如高硬度材料、热处理后的材料等； ( 2 ) 特殊形状及复杂零件的加工，如细微零件、复杂模具型腔的加工； ( 3 ) 由于电火花加工是利用脉冲放电火花来蚀除金属材料，而利用计算机 数字控制方法很容易对脉冲电源的参数调节进行控制，因此电火花加工易于实 现数控加工； 2 3 电火花线切割的原理、特点与工艺 2 3 1 电火花线切割的原理1 1 o j 电火花加工是由于电极丝和加工工件相互靠近并达到一定的放电间隙后， 两者之间产生脉冲性火花放电，并伴随局部瞬时的高温使金属局部熔化，甚至 气化的电蚀现象来蚀除金属材料。 电火花线切割是利用移动的细线状金属丝作为工作电极，并在金属丝及工 件间接通脉冲电流，利用两级间脉冲放电的电蚀作用对工件进行切割加工。由 5 于所采用的工具电极是一根线状细长金属丝( 钼丝、铜丝等) ，所以称之为“线 切割”。 图2 1 ( a ) 、( b ) 为高速走丝电火花线切割机原理示意图。利用钼丝4 作 工作电极进行切割，储丝筒7 使钼丝作正反往复移动，脉冲电源3 提供加工的 能源。加工时在电极丝和工件之间浇注工作液，工作台带动工件在水平面x 、 y 坐标方向各自按预定的控制程序，根据火花间隙状态作伺服进给移动，从而 合成各种曲线轨迹。 l 熄簟底板2 一工件a - - i l 冲屯弭卜船缝5 簪内轮6 一变禁 翻黩冀 图2 1 电火花线切割机组成原理图 2 3 2 电火花切割的特点 电火花切割除了具有电火花加工的特点外，还具有以下特点： ( 1 ) 由于电极丝非常细小，因此能加工窄缝、小孔和各种复杂形状的工件； ( 2 ) 电火花切割一般采用“正极性”接线法，即工件接脉冲电源的正极，电 极丝接脉冲电源负极，所用的脉冲宽度较窄，而窄脉冲的加工精度较高，因此 电火花线切割属于中、精加工范畴； ( 3 ) 大部分线切割机床采用钼丝作电极，单位长度的电极丝损耗小，加工 精度高； ( 4 ) 采用水基乳化液作为工作液，而非煤油，因此，安全程度高，同时加 工成本降低； ( 5 ) 某些电火花线切割机床具有四轴联动的功能，可以进行锥度加工、上 下面异形体加工、半球形体加工等。 2 4 电火花切割的工艺及加工过程 电火花加工过程是一个十分复杂的过程，其加工的过程是热力、流体力、 电场力、磁力、电化学等综合作用的结果，这一过程主要分为以下几个阶段： ( 1 ) 极间介质的电离、击穿，并形成放电隧道 自动调节装置控制工具电极向工件缓慢靠近，正负极间形成的电场强度随 6 彰彦 着距离的减小而逐步增大，当两极间距离达到合适的放电间隙时，由于两极微 观表面的凹凸不平，导致两极间电场强度不同，在距离最近的两点间电场强度 最大，工作液介质中的杂质( 如金属微粒) 及自由电子在强大电场作用下，产 生碰撞电离，形成带负电和带正电的粒子，带电粒子达到一定数量后导致工作 液介质电离、击穿，形成放电通道。 ( 2 ) 介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀 电极丝和工件间液体介质被电离、击穿，形成放电通道后，脉冲电源使通 道间带负电的电子高速移动到正极，而带正电的粒子高速移动到负极，正负极 性的粒子问相互碰撞，产生大量能量，使通道内达到很高的温度，使工作液汽 化、热分解气化、同时使金属材料表面熔化甚至气化。 ( 3 ) 电极材料的抛出 两级间形成的高温、高压使气化了的气体体积不断膨胀，同时将熔化、气 化了的金属材料抛向工作介质。 ( 4 ) 通道间介质的电离消除 一次脉冲放电结束后，保留一段间隔时间，使通道介质的电离消除，带电 粒子恢复成中性粒子，等待下一次脉冲电压的开始，并及时有效地排出被蚀除 下来的金属材料、碳粒子和气泡等。 。 2 5 电火花切割机床的组成 1 、机床主体 机床主体是电火花切割机机床的主要部分，由工作台、走丝机构、丝架、 床身和工作液循环系统组成。 ( 1 ) 工作台 工作台起固定工件作用，主要由上下拖板、导轨、丝杆螺母副和齿轮变速 机构四部分组成。主控制器控制步进电机将动力通过齿轮变速机构传递给丝杆 螺母副，再由丝杆螺母副控制拖扳作x 、y 方向移动，从而获得指定工件加工 轨迹j ( 2 ) 走丝机构 走丝机构主要用来带动电极丝按一定的速度运动，一般由电机、贮丝简和 导轮组成。高速线切割机走丝机构的电极丝由行程开关和挡铁作往返运动，电 极丝反复使用；低速线切割机走丝机构的电极丝作低速单向运动，电极丝只使 用一次。 ( 3 ) 丝架 丝架主要起支撑运动着电极丝的作用，并使电极丝保持与工作台面成一定 的角度，以达到切割不同锥度的加工要求。常用的丝架运动方式有固定式、升 降式和偏移式3 种类型。 ( 4 ) 床身 7 床身是整个机床的支撑部分，主要起固定机床、安装和保护其他机构的作 用，大部分床身采用箱式结构设计。 ( 5 ) 工作液循环系统 工作液循环系统是线切割机床的重要组成部分，采用不同种类的工作液可 以获得不同的工作速度，使最后的加工效果有加大差异。工作液循环系统一般 由t 作液箱体、工作液泵、过滤器、流量控制阀、进液管和回液管组成。 电火花切割脉冲电源又称高频电源。主要由主振电路、脉宽调节电路、间 1 ii审 由于线切割加工表面粗糙度要求较高且电极丝允许承载的电流大小有一 定的限制，线切割加工脉冲电源的脉宽较窄( 0 1 6 0 p s ) ，单个脉冲的能量、平 均电流一般较小，所以线切割加工采用的是正极性加工的方法。常见的脉冲电 源的形式有很多，如晶体管矩形波脉冲电源，高频分组脉冲电源，并联电容型 电机系统是线切割系统的电传动联系环节，主要由步进电机、驱动控制系 统和位置检测与反馈装置等组成。步进电机是系统指令的执行机构，驱动控制 系统则是为步进电机的转动提供动力，系统发出的指令信号与位置反馈信号比 较后作为驱动电机进给的指令。 电火花线切割机控制器是电火花切割机机床的重要组成部分，它控制着x 、 y 方向工作台的运动及锥度切割装置u 、v 坐标的移动，并合成在工件切割轨 8 第三章电火花线切割的控制原理 3 1 概述 电火花线切割控制系统的一个基本任务就是根据被加工零件的外形轮廓 尺寸由专门的软件生成加工程序，然后根据这些加工程序得到系统的各运动坐 标轴的进给指令，并驱动这些轴上的电机产生协调运动，以获得刀具相对于工 件的理想运动轨迹，在这个处理过程中，需要采用插补方法。 要使切割机能够实现工件的加工，插补运算是很重要的一个环节。插补运 算是为了控制加工运动轨迹所必要的一种运算，它根据切割指令提供的轨迹类 型( 直线、顺圆或逆圆) 及所在的象限等确定插补运算算法，保证在一定的 精度范围内计算出所要加工的直线或圆弧的一系列中间点的位置，并逐次以脉 冲序列形式输出，控制步进电机的进给运动，从而完成轨迹加工。在目前大多 数数字控制系统中，插补是由软件来实现的。 3 23 b 代码编程 3 b 代码编程格式是数控电火花线切割机机床别是高速线切割机上最常用 的程序格式，具体格式如表3 1 所示。 表3 13 b 程序格式 bxbybjg z 分隔符号x 坐标值分隔符号y 坐标值分隔符号计数长度 计数方向指令类型 其中，b 分隔符，用作将x 、y 、j 数值分开： x 、y 相对坐标值： j 加工线段的计数长度： g 加工线段计数方向： z 加工指令类型； 例如： b 2 0 0b 1 0 0 0 b 3 0 0g yl 2 加工轨迹直线 b 0b 7 5 0 0b 7 8 3 9g ys r 2 加工轨迹顺圆 b 7 9 9 2 b 7 5 0 0 b 7 8 3 9g yn r 2 加工轨迹逆圆 1 、坐标系与坐标值x 、y 的确定i l l l 平面坐标系是这样规定的：面对机床操作台，工作台平面为坐标系平面， 左右为x 轴，且右方向为正；前后方向为y 轴，前方为正。编程时，采用相对 坐标系，即每一条轨迹的坐标原点随每条指令轨迹的变化而变化，直线段的坐 标原点为本线段的起点，圆弧的坐标原点为本段圆弧的圆心。加工直线段时， 程序的x 、y 为终点坐标相对于该直线段起点的坐标值；加工圆弧时，x 、y q 为圆弧起点相对于圆心的坐标值，单位均为；i m 。坐标值的负号不写。 2 、数方向g 的确定 程序中加工直线与圆弧的计数方向均按其终点的位置来确定。在确定方向 时，以4 5 。直线为分界线，对于直线段，终点靠近何轴，则记数方向取该轴， 记作：g x 或g y ，如图3 1 ( a ) 所示；对于圆弧，终点靠近何轴，则记数方向 则取另轴，记作：g x 或g y ，如图3 1 ( b ) 所示；加工与坐标轴成4 5 。角的 线段时，记数方向取x 轴、y 轴均可。 y ? 汽。一 g x么 狱磁么 ，。 汽。一 狱。西 g y 磁 ( a ) 加工直线时计数方向的确定 ( b ) 加工圆弧时计数方向的确定 图3 。i 计数方向确定 3 、计数长度j 的确定。 记数长度是根据记数方向来确定的。记数长度是指被加工的轨迹从起点至 终点在计数方向坐标轴上投影的总距离。如图3 2 所示。 j- i a l 。 0 r b 1 吼厂 、。 o 。 。 n x ( a ) 加工直线时计数长度的确定 ( b ) 加工圆弧时计数长度的确定 图3 - 2 计数长度的确定 4 、加工指令z 的确定。 加工指令共有1 2 种，加工直线时有四种加工指令：l l 、l 2 、l 3 、l 4 。如 图3 - 3 ( a ) 所示，当直线在第一象限( 包括x 轴而不包括y 轴) 时，加工指 令记作l 1 ，l 2 ，l 3 ，l 4 依次类推。 加工顺时针圆弧时有四种加工指令：s r l 、s r 2 、s r 3 、s r 4 。如图3 3 ( b ) 所示，当圆弧的起点在第一象限( 包括y 轴而不包括x 轴) 时，加工指令记作 s r l ，s r 2 ，s r 3 ，s r 4 依次类推。 l o 加工逆时针圆弧时有四种加工指令：n r l 、n r 2 、n r 3 、n r 4 。当圆弧的 起点在第一象限( 包括x 轴而不包括y 轴) 时，加工指令记作n r l ，n r 2 ， n r 3 、n r 4 依次类推。 j y t 鼽 只，进给方向为+ x 和+ y 方向。 ( 1 ) k l 时，如图3 - 6 ( a ) 当巧0 ，有薯+ l = + 1 ，以+ l = 以+ l ，e + l = f + 出一砂，即向+ x 、+ y 方向进 给； 当e 0 ，有薯+ l = 薯，咒+ i = m + 1 ，f + l = 鼻+ 出，即+ y 方向进给。 ( 2 ) i k i 1 时，如图3 - 6 ( b ) 当鼻0 ， 有x t + l = x e + 1 ，儿l = 乃，f + l = e d y ，即向+ x 方向进给； 当f 0 ，有一+ l = 一+ 1 ，咒+ l = 乃+ 1 ，f + l = 巧+ 出一d y ，p , p 向+ x 和+ y 方向 进给。 1 3 0瓴，)x 0 瓴，儿) x ( a ) 改进逐点比较法直线插补( b ) 改进逐点比较法直线插补 图3 6 改进逐点比较法直线插补示意图 改进逐点比较法直线插补其余情况的偏差计算公式如表3 2 所示。 表3 2 改进逐点比较法直线插补偏差计算公式和进给方向 插补类型斜率偏差计算进给方向 e 0f 0 k 1 x j + i = 一+ l ，以+ l = 只+ 1再+ l = x j ，y i + l = 只+ 1