（控制理论与控制工程专业论文）电火花线切割机增强功能算法的开发与研究.pdf

电火花线切割机增强功能算法的开发与研究 摘要 本论文主要介绍电火花线切割机床( w e d m ) 控制系统的研制、开发，分析了 影响机床工艺指标的因素，介绍了数控系统软件设计思想，阐述旋转、对称、 逆割算法，详细论述了锥度加工算法在机床中的应用。 电火花线切割机床控制系统包括硬件和软件两部分。硬件部分主要包括键 盘驱动电路、液晶显示电路、存储器接口电路、步进电机驱动电路、短路检测 电路、电源掉电检测电路、脉冲电源。软件部分包括驱动程序、文件系统、插 补算法、升降速控制、刀具补偿、电流跟踪、来电继续加工和各种增强功能算 法等。 本课题所做的改进和创新主要有：动态显示加工轨迹，丰富了系统的人机 交互功能，便于操作人员了解当前加工状态；增加旋转、对称、逆割功能，减 小操作人员编程工作量，提高机床加工效率：开发了一套锥度加工算法，将等 锥度加工和变锥度加工统一起来，解决上下异形面加工，并完成切割的加工参 数转换。各种算法可以应用于用单片机、工控机等控制的数控系统，扩大了电 火花线切割机控制器选型范围。 本文尽量简化硬件设计，软件能实现的功能尽可能由软件来完成。 关键词：插补；轨迹跟踪；四轴联动；锥度加工 t h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hf o rw e d m o fe n h a n c e df u n c t i o na l g o r i t h m s a b s t r a c t t h e p a p e rm a i n l yi n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho fw e d m s ( w i r e c u te l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ) c o n t r o ls y s t e m ，a n a l i z e st h ef a c t o r st h a ta f f e c t t h em a c h i n et o o l t e c h n o l o g yi n d e x ，d e s c r i b e st h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m s o f t w a r e d e s i g ni d e a sa n dr o t a t i o n 、s y m m e t r y 、r e v e r s ec u t t i n ga l g o r i t h m s ， d i s c u s s e sa p p l i c a t i o no ft a p e rm a c h i n i n ga l g o r i t h mi nt h em a c h i n et o o li nd e t a i l t h ec o n t r o ls y s t e mf o rw e d mi sc o m p o s e do fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e t h e p a r to fh a r d w a r ei n c l u d e sk e y b o a r dd r i v e rc i r c u i t ，l c dd i s p l a yc i r c u i t ，m e m o r y i n t e r f a c ec i r c u i t ，s t e p p i n gm o t o rd r i v ec i r c u i t ，s h o r tc i r c u i td e t e c t i o nc i r c u i t ， p o w e rb r o w n o u td e t e c t i o nc i r c u i t ，p u l s ep o w e r s o f t w a r ec o n t a i n sd r i v e r s ，f i l e s y s t e m ，i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m ，s p e e d u p a n d s p e e d - d o w nc o n t r o l ，t o o l c o m p e n s a t i o n ，t h ec u r r e n tt r a c k ，c o n t i n u o u sr o a c h i n ga f t e rp o w e ro na n dv a r i o u s e n h a n c e da l g o r i t h m s t h ei m p r o v e m e n ta n di n n o v a t i o na r em a d em a i n l yi nf o l l o w l i n ga s p e c t s ： d i s p l a yt r a j e c t o r yd y n a m i c a l l y ，e n r i c hm a n - m a c h i n ei n t e r a c t i v ef u n c t i o no ft h e s y s t e ma n df a c i l i t a t eo p e r a t o r 。su n d e r s t a n d i n go ft h ec u r r e n tm a c h i n i n gs t a t u s ， i n c r e a s ef u n c t i o ni n r o t a t i o n ，s y m m e t r y ，r e v e r s ec u t t i n g t or e d u c et h e p r o g r a m m i n g w o r k l o a do ft h e o p e r a t o r a n di m p r o v em a c h i n i n g e f f i c i e n c y ， d e v e l o p eas e to ft a p e rm a c h i n i n ga l g o r i t h m ，i n t e g r a t ec o n s t a n ta n dv a r i a b l et a p e r m a c h i n i n g ，s o l v et h et a p e rm a c h i n i n gp r o b l e mo fw o r k p i e c ew i t hd i f f e r e n ts u r f a c e s h a p eb e t w e e nt o pa n db o t t o m ，c o m p l e t em a c h i n i n gp a r a m e t e r s c o n v e r s i o n v a r i o u sa l g o r i t h m sc a nb eu s e di nc n cs y s t e m sw h o s ec o n t r o l l e r sa r em c u ，i p c a n ds oo n t h i sa r t i c l et r i e st os i m p l i f yt h eh a r d w a r ed e s i g n f u n c t i o n sc a nb er e a l i z e db y s o f t w a r ea sm u c ha sp o s s i b l e k e y w o r d s ：i n t e r p o l a t i o n ；t r a j e c t o r yt r a c k ；f o u r - a x i ss i m u l t a n e o u sm o t i o nc o n t r o l ； m a c h i n i n gt a p e r 图2 1 图2 2 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 插图清单 电火花线切割机床结构原理图一9 一 线切割加工工艺设计流程图一1 2 一 直线插补原理一1 5 一 直线插补流程图一1 6 一 圆弧插补原理一1 7 一 圆弧插补流程图一1 8 一 确定计数长度、计数方向一1 9 一 直线加工指令一1 9 一 圆弧加工指令一2 0 一 加工零件流程图一2 1 一 插补初始化流程图一2 2 一 插补流程图一2 2 一 发脉冲流程图一2 3 一 计算圆弧坐标变化范围一2 5 一 搜索定位点流程图“：一2 6 一 计算图形在l c d 上起点坐标一2 7 一 坐标对应原理图一2 8 一 坐标变化趋势一2 9 一 a b sx 不断增大一3 0 一 计算临界值一3 0 a b sx 不断减小一3 0 l c d 绘制图形流程图一3 1 一 工件图纸、l c d 绘图结果对比一3 1 一 旋转示意图一3 2 一 圆弧旋转示意图一3 3 一 旋转实验结果一3 4 一 关于y 轴对称一3 4 一 关于x 轴对称一3 5 一 关于x 轴对称实验结果一3 5 一 逆割一3 5 一 常见圆锥体一3 6 一 u v 按比例随动控制法一3 7 一 四维轨迹线性联动控制方法一3 8 一 圆弧和圆弧加工俯视图一3 8 一 圆弧和圆弧实验结果一3 9 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图5 1 8 图5 1 9 图5 2 0 图5 2 1 图5 2 2 图5 2 3 圆弧长度大于直线段长度加工俯视图 圆弧长度大于直线段长度实验结果 直线段长度大于等于圆弧长度加工俯视图 直线段长度大于等于圆弧长度实验结果 直线段和直线段加工俯视图 直线段和直线段实验结果 锥度加工剖视图 圆弧和圆弧加工俯视图 圆弧长度大于直线段长度加工俯视图 直线段长度大于等于圆弧长度加工俯视图 直线段和直线段加工俯视图 一4 0 一 一4 l 一 一4 1 一 一4 2 一 一4 3 一 一4 4 一 一4 5 一 一4 5 一 4 6 一4 7 一 一4 8 表格清单 表4 - 1坐标变化范围2 5 一 表4 a b s x 、a b s y 变化趋势- 2 9 独创性声明 本人卢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，也不包含为获得金月垦工些塞堂 或其他教育机构的学位或证 5 而使用过的 材料。与我一同j 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： f l 签字日期乒d 钷筝且沾日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金a 巴工些厶堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部i j 或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被奄阅和借阅。本人授权地 j f ：业火学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，可以采川影印、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 5 ) 学位论文作糙轹椰 签字日期：列。年牛月蝴日 学位论文作者毕业后去向： i ：作单位： 通讯地址： 聊繇能嶝 签字日期：少，年仁月必日 电话： 邮编： 致谢 在研究生生活即将结束、硕士毕业论文即将完成之际，我将我的感谢诉诸 笔端，借此表达我对那些曾经给予我无私帮助和关怀的人们最诚挚的感谢和祝 福。 我首先感谢母校合肥工业大学给我提供了宝贵的读研机会。接着，衷心感 谢导师肖本贤教授对我的指导和帮助。在课题研究期间，导师从选题、论文撰 写、审稿以及生活各方面都给予了极大的关心和支持，在学习和科研上经常和 我们交流。导师严谨的治学态度、务实的工作作风、高深的学术造诣令人敬仰。 从肖老师那里所学的知识和所受的熏陶使我终身受益。值此论文完成之际，谨 向肖老师致以衷心的感谢和崇高的敬意。 在论文撰写完成之际，还要感谢李善寿大师兄、刘刚师兄、陆诚师兄、李 艳红师姐在项目前期对我的指导，帮助我尽快入门；感谢余雷师兄在我东南大 学一行中提供了大量的帮助；感谢毕磊同学、于海滨同学，丰富了我的读研生 活；感谢二年级陶运超、肖军，一年级张兴鹏、王萍、赵梅玲，和他们讨论、 交流让我受益匪浅；感谢室友任磊、程张凡，是他们让我感受到了友谊的可贵。 特别感谢我的父母、家人。谢谢他们多年来为我无私的付出，自始至终给 我信任和鼓励，正是来自亲人的爱和关怀，让我克服一切困难，达到自己的目 标，并将不辜负大家的期望而继续努力。 最后，再次诚挚感谢所有给予我理解、关心、支持和帮助的老师、朋友。 作者：郁伉 2 0 10 年2 月4 日 1 1引言 第一章绪论 电火花线切割加工技术自诞生以来，获得了迅速的发展，逐步成为一种 高精度和高自动化的加工方法，它主要应用于常规加工方法无法加工的领域。 由于线切割加工用金属丝作为电极，加工时与被加工材料的硬度无关且无宏观 切削力，易于加工复杂、精密和高硬度的工件，特别是薄壁、窄缝工件，所以 被广泛应用于模具、成型刀具、精密复杂零件的加工制造。 1 9 4 3 年，原苏联学者拉扎连科夫妇研究开关触点受火花放电腐蚀损坏的 现象，发现电火花的瞬时高温可使局部金属熔化、气化而被腐蚀掉，从而发明 了电火花加工方法。电火花线切割加工( w e d m ) 是在电火花加工的基础上于5 0 代末最早在苏联发展起来的一种新工艺形式，是用线状电极靠电火花放电对工 件进行切割，故称为电火花线切割。电火花线切割己经获得广泛的应用。目前 国内外的线切割机床约占电加工机床总量的6 0 以上。电火花线切割加工与电 火花成型加工方法相比，线切割加工方法具有设备成本低、生产效率高、工具 电极设计和制造大大简化等特点，同时还可以节约部分材料。因此，电火花线 切割加工方法自问世于前苏联以来，得到了迅速的发展1 。 我国是较早研究电火花线切割加工方法的国家之一，几乎在低速走丝线 切割机( l s w e d m ) 诞生的同时，我国也研制出自己独创的高速走丝线切割机 ( h s w e d m ) 。至2 0 0 8 年底，全国年产量已超过4 万台，约占世界电火花线切割 机床总产量的7 0 。高速走丝线切割机的最大优点是结构简单、成本低廉且在 普通工件加工中具有很高的适应性n 1 。虽然这类机床精度低、自动化程度相对 低速走丝线切割机也低的多，但机床价格便宜，适合中小企业的需求。经过几 十年的发展，高速走丝线切割机在工艺装备和自动化方面都有了很大的提高， 但由于研发力量薄弱，在机床硬件和配套软件方面还不完善，因此与国外低速 走丝线切割机相比还有很大的差距。在我国的“改进快走丝机，发展慢走丝机” 1 的战略指导下，很多单位在低速走丝线切割机的自动编程、数控系统、机床 制造、加工工艺等方面进行了研究。目前，高速走丝线切割机在国内拥有广大 的用户，而且近年来机床还远销东南亚及中东一些国家，因此研究高速走丝线 切割机的数控技术相当重要。 线切割技术水平较高的国家是瑞士、日本。由于数控技术、脉冲电源、 机床设计等方面的不断进步，线切割加工技术指标逐年提高。在机床自动化方 面，科研工作者对自适应控制、模糊控制、自动穿丝等现代技术进行了深入的 研究阳引；在机械结构方面，采用三点吸振支撑和稳定的c 型结构；在精度 控制方面，采用直线光栅尺和编码器双位置检测反馈伺服系统。以上技术都已 经应用到线切割机床上。 1 2 国外电火花线切割加工技术的发展及研究现状 1 9 5 8 年，前苏联研制出靠模仿型控制的w e d m 机床，主要用于电真空器件 加工。同年，捷克研制出光电跟踪w e d m 机床。2 0 世纪7 0 年代是w e d m 机床数 控化阶段。1 9 7 2 年，国际上首次展出了c n c w e d m 机床。1 9 7 3 年，又展出了 d n c w e d m 机床。2 0 世纪8 0 年代，w e d m 数控功能及脉冲电源日益完善，电火 花加工中心、计算机辅助设计等也有了研究和应用 儿引。 数控技术是电火花线切割机的核心技术，它集微电子、计算机、信息处理、 自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率等特点，对制造 业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。在自动化基础上， 机床加工过程中可以自动修正、调节、补偿各项参数，实现了在线诊断和智能 化故障处理；在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化 基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术。 机床数控系统的设计已普遍朝着标准化、规范化和开放型的方向发展 阳1 0 1 。这一发展趋势将迅速使电火花线切割机床在通用化、柔性化和网络化方 向发展。因此许多国家纷纷采取措施，进行新一轮的数控系统研究工作。如美 国科学制造中4 , ( n c m s ) 与空军共同领导的“下一代工作站机床控制器体系结 构”n g c ( t h en e x t g e n e r a t i o nw o r k s t a t i o n m a c h i n ec o n t r 0 1 ) ，欧盟的“自动化 系统开放式体系结构 o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw i t h i n a u t o m a t i o ns y s t e m s ) ，日本的o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e r ) 雄能【9 】 i l 】 寸可 。 进入9 0 年代之后，随着i n t e l 体系c p u 的发展与普及，j a m e s c h a ll e n g e r 提出“w i n d o w s 和嵌入式计算机技术相融合 ，数控系统的设计发生了历史性 的变化。将嵌入式和开放性结合在一起，比较好的解决了数控系统的设计问题， 并得到了实际应用，如瑞士夏米尔公司千禧版的c n c 系统就是基于w i n d o w s n t 操作系统n 引。 欧美和日本等国研究的低速走丝电火花线切割机床，采用闭环数字交流 伺服控制系统，动态性能好、定位精度高。机床还配备数字自适应控制电源、 电极丝张力自动调节装置，具有自动走丝、自动卸除废料、短路自动回退等自 动化技术。同时，集c a d 、c a p p 、c a m 及仿真于一体的自动编程系统不断发展 和成熟，基于p c 机的图形交互式自动编程系统成为线切割自动编程系统的主 流n 引i t4 。目前，国外电火花线切割技术特点与发展动向如下引： ( 1 )高速度化 在高速度化方面，日本走在前列，各厂家均有加工速度在 2 5 0 3 0 0 m m 2 m i n 的机床。例如三菱电机公司的标准型d w c h 系列机床，经济 型d w c c 2 系列机床加工速度均为2 5 0 r a m 2 m i n ，高速型d w c u 系列机床加工速 度达3 0 0 m m 2 m i n 。8 0 年代后期，瑞士a g i e 公司配备h m c 电源的a c s p r i n t 系 列机床，9 0 年代初c h a m i i l l e s 公司的r o b o f i l l 0 0 0 系列机床最大加工速度均 达到3 0 0 m m 2 m i n 。 ( 2 )高精度化( 包括表面质量) 目前的电火花线切割机，几何精度与运动精度均已达到极高的程度。瑞 士阿奇的a g i e c u t v e r t e x 系列机床，加工工件的轮廓精度达+ _ l u r e ，表面粗糙 度r a 为o 0 5 u m ，加工表面无变质层；瑞士夏米尔的r o b o f i l 2 0 5 0 t w 、6 0 5 0 t w 双丝切割机床，最高加工精度达+ l u m ，r a 为o 0 5 u m ，具有完美的加工表面质 量；还有如日本三菱、牧野、沙迪克生产的相关机床。 ( 3 )高自动化 电极丝自动交换技术( 多工位自动穿丝、双丝切割自动换丝) ，进一步实 现工件自动交换( a w e ) ，自动完成全部加工过程，减少人的干预，以达到预定 的加工目标。例如，瑞士阿奇的a g i e v i s o n c n c 系统与网络功能相配合，组成 智能化的制造系统；美国c h e l a r 模具公司的e v o l u t i o n 3 l s w e d m ，配备能安装 1 0 个工件托盘的s d l 0 型机械手及p r o w n & s h a r p e c m m 测量机后，实现全自动无 人看管运行，机床年运行工时已达6 8 0 0 h ；a g i e 公司的a g i e p i c k 自动卸料机 械手、a g i e j e t 自动预孔加工等附件的配备都使机床自动化更趋完善。 1 3国内电火花线切割技术的现状 5 0 年代中期，我国工厂己设计研制出电火花穿孔机床、电火花表面强化 机床。5 0 年代末营口电火花机床厂开始成批生产电火花强化机床，成为我国 第一家电加工机床专业生产厂。随后，上海第八机床厂等也生产电火花加工机 床印n ”。6 0 年代初，我国电火花成型加工开始广泛使用晶闸管脉冲电源和液 压主轴头，使冲模电火花加工实用化。中国科学院电工研究所研制成功我国第 一台靠模仿型控制的电火花线切割机床。后来，新型脉冲电源、平动头、石墨 电极开始采用，又使成型e d m 机床逐步完善、可靠，走向实用化。6 0 年代中 期，研制成功光电跟踪w e d m 机床。1 9 6 8 年，研制了e d m 自适应控制系统。19 6 9 年，开始推出n c 和c n c 电火花线切割机床n 们n9 l 。1 9 7 9 年，我国成立了全国性 的电加工学会。1 9 8 1 年，高校间成立了特种加工教学研究会，这对电加工和 特种加工的普及、提高起了很大的促进作用。 近年来，高速走丝电火花线切割机床产量由过去的年产量2 3 千台上升 到1 万多台，其次在性能价格比上亦有了很大的提高。具体来说，主要反映在 以下几个方面： ( 1 )大锥度切割技术发展迅速，并逐步完善、成熟。其中，锥度加工时 电极丝跟随倾斜，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；控制技术的改进，采用多种补偿，有效地提高了锥度加工的 精度；工作液喷流方式的改进，改善了大锥度切割时加工状态。随着大锥度切 割技术的进步，变锥度、上下异形的切割加工也取得了很大的进步。 ( 2 )大厚度切割不断进步，其它工艺水平同步提高。大厚度切割是高速 走丝电火花线切割机的工艺特长，与低速走丝电火花线切割机相比，它具有明 显的优势。近年来，大厚度切割的推广和提高，扩大了高速走丝电火花线切割 机的应用范围，促进了其发展。 ( 3 )多次切割工艺的探索取得了一定的进展。虽然多次切割现在还不成 熟，但经多方采取有益的探索、试验和部分应用，已有了良好的开端。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 ，最 佳表面粗糙度r a = 0 8 u r n ，平均加工速度5 0 m m 2 r r f i n ，最大切割速度达 1 9 0 r a m 2 m i n ，并且工件表面光泽，无切割条纹；上海大量t p 系列多次切割 h s w e d m ，在进行三次切割后r a 1 o u m ，加工精度6 u r n 。 ( 4 )工艺指标及工艺水平得到了提高。各具特色的运丝、走丝机构使加 工“条纹”得到了改善；多种变频控制方式的探索，利用神经网络、模糊控制 等自适应控制，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，使切割速度己 由原来的6 0 8 0 m m 2 m i n ，普遍提高到l o o m m 2 m i n 。 ( 5 )机床结构取得了新的进展，不再是单一的音叉结构，无论在外观造 型，还是在性能指标上都有了较大改善。另外，大型龙门式电火花线切割机、 高低双速走丝线切割机、走丝速度连续可调的电火花线切割机、自旋式电火花 线切割机，在机床结构和走丝方式上都有所创新，有助于电火花线切割加工技 术的发展。 ( 6 ) 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p c 机，并不断随主芯片的升级而升级，功能不断增加，可靠性日益提高，兼容 i s o 代码已成趋势。 总体看来，高速走丝线切割加工机床结构简单、操作方便、可维护性好、 使用费用低、占地面积小、性能价格比高心，适合国内的大多数需求，在中低 档模具和零件加工中适用性好，尤其在大厚度、变厚度加工中更显优势。 然而与低速走丝电火花线切割加工技术相比，高速走丝电火花线切割加 工技术发展缓慢，加工品质较差。对此国内的研究所、生产企业早在十多年前 就纷纷研究生产低速走丝电火花线切割机。经过多年努力，近几年有所突破。 2 0 0 0 年国内最大的低速走丝线切割机床生产单位年销售量仅为几十台( 约占 全国市场的九分之一) ，而到2 0 0 2 年其年销售量已达一百多台( 约占全国市场 的五分之一) ，并且这些企业通过合资引进技术，使产品水平跨越了一个台阶， 达到了国际2 0 世纪9 0 年代初的水平。譬如切割速度可达2 0 0 m m 2 m i n ，加工 精度达5 u m ，表面粗糙度r a 达零点几个微米，其价格仅为5 0 万元左右( 约为 同类进口机床的二分之一) ，取得了良好的开端，具有广阔的前景。国内低速 走丝线切割机床的年市场量已从2 0 0 0 年的3 0 0 台左右上升到2 0 0 2 年7 0 0 台左 右，随着模具行业的迅速发展，精密零件加工需求增加，低速走丝线切割机床 及使用耗材价格迅速下降，加之人们对低速走丝线切割加工认识的逐步深入， 预计其年销量将不断扩大，国产低速走丝线切割机的占有率也将进一步上升， 并且有望出口国际市场。 1 4 电火花线切割机的发展策略 1 4 1 高速走丝线切割机的发展策略 ( 1 ) 多次线切割加工实用化。多次加工是高速走丝线切割机的一个重要 发展方向。无论是金属切削机床还是低速走丝线切割机，一次加工都无法得到 良好的加工效果，高速走丝线切割机也一样。为了提高高速走丝线切割机的加 工品质，必须进行多次加工的研究。高速走丝线切割多次加工的实验性研究已 开展多年，并经证明是切实可行的。今后的重点是把实验性的多次加工研究转 化为商品化的用户可实用的多次加工技术。从目前高速走丝线切割的发展状况 来看，脉冲电源、电机进给策略( 变频系统) 、电极丝的速度和张力控制都是 粗放式的，难以适应多次加工中精加工的要求，因此必须改造脉冲电源、进给 策略和丝的控制，才有可能实现多次加工。为了保证多次加工的效率，必须提 高一次加工速度，第一次加工的速度应稳定在l o o m m 2 m i n 以上。 ( 2 )改进和完善运丝系统，保持电极丝状态相对稳定。电极丝对于高速 走丝线切割机来说，好像是金属切削机床上的刀具，刀具状态是否稳定直接影 响加工质量的好坏。从目前状况来看，电极丝在加工区的张力变化很大，高速 运行的电极丝使导轮磨损很快，丝的振动也随之加剧，直接影响了加工品质和 加工的稳定性，因此应加强对走丝机构的研究，同时积极采用新材料，保证加 工区电极丝状态的稳定。 ( 3 ) 加强机床本体的研究，进一步提高机床本体精度心引。目前高速走丝 线切割机几乎都采用开环方式，它的主要优点是结构简单，成本低，但限制了 机床本体精度的进一步提高。随着计算机技术的发展，加入螺距补偿已是轻而 易举的事，同时成本增加不多，这应是提高机床本体精度的一条捷径，同时有 条件的机床可以采用半闭环方式甚至全闭环方式，进一步提高机床的精度。 ( 4 ) 扬长避短，发挥高速走丝线切割的独特优势。高速走丝有利于排屑， 对大厚度工件的加工具有得天独厚的优势，因此应该加强高速走丝线切割机床 对大厚度工件加工的研究。 ( 5 )完善和规范i s o 代码。3 b 代码可以说是分离元件控制的产物，它具 有结构简单，实现方便的优点，但它无法实现一些复杂的功能，而i s o 代码是 国际上流行的数控代码，功能齐全，也有利于控制精度的提高。随着p c 机在 高速走丝线切割机上的广泛应用，i s o 代码有了实现的硬件基础。目前国内有 的生产厂家已采用了i s o 代码，有了良好的开端，应该在进一步完善和规范的 基础上尽快过渡到统一的i s o 代码格式。 ( 6 ) 加强周边器材的开发与研究。电极丝、导轮、工作液等都影响着加 工品质。在低速走丝线切割机上，有不同特性的电极丝可供选择，来满足机床 不同加工要求。在高速走丝线切割机上，也应该开发不同特性的电级丝来满足 不同的加工需求。另外，工作液的品质也影响着加工的质量，工作液的处理也 应该适应环保的要求。 ( 7 )加强对各类标准的研究，提高贯标率。各项标准都是前人经验的总 结，标准的贯彻与机床性能的提高应该是统一的。对于机床出口来说，标准的 贯彻更是必不可少的，是进入国际市场的通行证。随着w t o 的加入及进一步改 革开放，贯彻标准更显重要。 1 4 2低速走丝线切割机的发展策略 ( 1 ) 走引进、消化、吸收、创新的道路。首先要承认差距、正视差距。 国外低速走丝线切割机已发展成高速度、高精度、高自动化，切割速度达 5 0 0 m m 2 m i n ，加工精度达1u m ，加工表面变质层小于lu m 。我们在高速走丝 线切割加工上花的时间、人力、物力、财力远远大于花在低速走丝线切割加工 上，对我们而言，低速走丝线切割是较生疏的。我们只有振奋精神、虚心学习， 通过合资、合作、交流等引进技术，少走弯路，缩小差距，并在此基础上消化 吸收创新，真正拥有自己的低速走丝线切割加工技术，生产出适应国内以至国 际市场的低速走丝线切割机床。 ( 2 ) 研究开发先进的控制系统他们心5 1 。现代计算机技术发展迅猛，我们应 充分利用其技术，利用p c 机平台、w i n d o w s 平台及l i f l u x 平台发展易于操作、 便于维护、标准化、模块化、智能化的控制系统。同时控制系统应融合c a d c a m 软件，并具备完善的工艺数据库，满足不同用户的加工需求。 ( 3 )开发高效率、高加工质量的脉冲电源。目前高速走丝线切割机的脉 冲电源用于低速走丝线切割机显然是不行的，要发展高峰值电流、窄脉宽、智 能化控制的交流脉冲电源，提高加工速度，改善加工表面质量。 ( 4 )加强宣传、培训、交流、推广，使用户了解、熟悉、正确使用低速 走丝线切割机，扩大市场份额。 总之，加快低速走丝切割机的发展，缩小与国际先进水平的差距，迎头 赶上，加强高速走丝线切割机的创新突破，走一条高速走丝线切割机和低速走 丝线切割机相结合、取长补短、互相促进、共同发展的具有中国特色的电火花 线切割加工发展之路，新世纪我国的电火花线切割加工必将更加繁荣昌盛。 1 5课题研究的目的和意义 目的： 1 ) 实现切割机基本加工功能。 2 ) l c d 替代原来的l e d 界面，提高系统的可视化程度、易操作性。 3 ) 开发旋转、对称、逆割加工算法，减小用户编程工作量。 4 ) 开发锥度加工算法。 意义： 电火花加工不仅是一种有效的机械加工手段，而且已经成为某些场合不可 替代的加工方法。特别是高速走丝电火花线切割机床具有结构简单、造价低廉、 维护方便、电极丝可重复利用、可加工大厚度工件等优点，同时也是我国电火 花加工机床中数量最多的机床。因此，完善电火花线切割机床的功能，对我国 数控机床事业的发展具有突出意义。 1 6 研究内容简介 (1 ( 2 (3 ( 4 直线和圆弧插补算法。 加工轨迹动态显示。 旋转、对称、逆割算法。 锥度加工算法。 第二章电火花线切割机床的原理、加工过程和工艺 2 1电火花线切割机床加工原理 2 1 1电火花加工技术 把电极和工件作为两个电极，并使两极之间有一定的间隙距离，当电极和 工件表面间达到火花放电间隙时，在外加电源电场能量作用下，电子就会穿透 两个电极间的绝缘层介质，从一个电极奔向另一个电极，使两极间导通，产生 极间隧道电流，并伴随着火花及爆炸声。火花放电时产生瞬时高温、高压及辐 射波等，可使金属熔化、气化腐蚀掉，这就是金属的电火花加工。 2 1 2电火花加工技术的产生 十九世纪初人们发现电器开关触点开、闭时，会产生放电现象而使触点部 位烧蚀损坏，这种由于放电所引起的电极烧蚀现象，通常称为电腐蚀现象。人 们为了克服这种现象进行了大量研究，并提出许多有效的抗腐蚀方法。但事物 总是一分为二的，在掌握它的规律后，坏事可转化为好事，把有害变为有用。 十九世纪末，美国人发明了用低压大电流施加在电极与工件之间来刻印文字和 花纹。l9 4 3 年，前苏联拉扎连科夫妇成功地利用铜丝在淬火钢上加工出小孔， 实现用软质工具加工高硬度金属材料，首次摆脱了传统的切削加工方法，创立 了电火花加工方法旧引。 电火花加工方法经过半个世纪的研究和发展，借助其独特的加工优点，应 用领域日渐扩大，在机械、宇航、汽车、电子仪器等领域获得了广泛的应用， 并随着计算机技术和自动控制技术不断进步而飞速发展乜 。 2 1 3电火花线切割机床的工作原理 电火花线切割加工是通过线状工具电极与工件的相对运动，对工件进行脉 冲放电加工。脉冲电源阳极接工件，阴极接电极丝。电极丝以一定的速度相对 工件移动，并在电极丝与工件切缝之间喷射工作液，也可以将电极丝和工件全 部浸泡在工作液中加工。控制安装工件的工作台，使其按一定的轨迹作纵向和 横向进给运动，切割出一定形状和尺寸的工件。 电火花线切割机床结构如图2 1 所示。电极丝5 绕在贮丝筒8 上，通过丝 架上的导向轮形成锯弓状。储丝简装在走丝溜板上，电动机带动储丝筒做周期 正、反转运动。用两台步进电机控制工作台2 在水平面上沿x 、y 方向移动合 成指定的直线轨迹或圆弧轨迹，利用电极丝和工件之间脉冲放电产生的电腐蚀 作用对工件进行加工，从而将工件3 切割成指定形状。加工能量由脉冲电源4 供给。 8 76 图2 1电火花线切割机床结构原理图 1 一绝缘底板；2 一工作台；3 一工件：4 一脉冲电源；5 一电极丝；6 一导向轮；7 一支架； 8 一贮丝筒 2 2电火花线切割机床的加工过程 电火花线切割机床在收到加工命令后，首先启动乳化液泵和运丝电机。乳 化液泵将线切割机专用乳化液通过喷嘴喷入到工作切口上，以使电极丝得到充 分冷却。同时运丝电机带动储丝筒，通过行程开关使储丝筒做往复运动，从而 使得电极丝运动，高速运动的电极丝有利于不断往放电间隙中带入新的工作 液，同时也有利于把电蚀产物从间隙中带出去。最后开始运行程序，通过控制 系统进行插补运算，每运算一次发出一个进给脉冲，然后通过功率放大电路驱 动步进电机，使机床工作台按照预定的轨迹进行加工。根据电极丝和工件的间 隙大小，将检测信号送入变频电路，再由变频电路产生频率来控制步进电机的 进给速度，该过程也可由软件来实现。当间隙增大时就加快进给速度，当间隙 减小时就减慢进给速度，以保持均衡的放电间隙，从而也维持了一定的加工电 流。 以上是电火花线切割机床加工的宏观过程，其电腐蚀是一个非常复杂的微 观过程，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 )极问介质的电离、击穿，并形成放电通道。 控制系统控制电极丝向工件缓慢靠近，两极间形成的电场随着距离的减 小逐步增大，当两极间的距离达到合适的放电间隙时( 通常为几微米到几百微 米) ，由于两电极微观表面是凹凸不平，其电场分布不均匀，离得最近凸点处 的电场强度最高，工作液中的杂质( 如金属微粒) 及自由电子在强大电场的作 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 道内电子高速奔向阳极，正离子奔向阴极，粒子间相互碰撞产生大量热能，使 通道中心温度达到1 0 0 0 0 度以上，以致局部金属瞬间熔化和气化。高温热膨胀 形成的高压( 达数十兆帕) 产生强烈的冲击波向四周传播，同时伴随着热效应、 光效应、声效应和电磁辐射，形成肉眼可见的火花向四处溅射。 ( 3 )电极材料抛出。 通道间形成的高温、高压使气化的气体体积不断向外膨胀，同时带着熔化、 气化的金属材料抛向工作液中。 ( 4 )通道间介质电离消除。 ( 5 )一次脉冲放电结束后，保留一段间隔时间，使通道间的介质电离 消除，带电粒子恢复为中性粒子，等待下一次脉冲电压开始，并及时排出被 腐蚀下来的金属颗粒、碳粒子和气泡等。 2 3电火花线切割加工的主要特点 传统的切削加工方法主要依靠机械能来切除金属材料或非金属材料，电火 花线切割加工是依靠电能去除金属材料，这是它与传统机床的主要区别。由于 加工过程中电极和工件并不接触，因而几乎没有宏观切削力，对电极材料的硬 度没有要求，可以用硬度低的电极去加工硬度高的工件。 这种加工方法还适合于加工特殊及复杂形状的零件，由于没有机械加工中 的宏观切削力，它非常适合于微细加工。 电火花线切割加工具有以下优点： ( 1 )采用水基乳化液，而非煤油，因此安全度高，加工成本低。 ( 2 )一般没有稳定电弧放电状态，尤其是快走丝电火花加工。因此线 切割加工间隙状态可以认为是由正常火花放电、开路和短路三种状态组成。 ( 3 )电火花线切割的工具电极为电极丝，电极丝为标准化部件，可以 直接向市场购买，不需要制造成型电极，缩短了生产准备时间，降低了成本。 ( 4 )电极丝非常细小，能方便地加工小孔、窄缝和复杂形状的工件。 ( 5 )采用长金属丝作为电极，单位长度的电极损耗小，加工精度高。 ( 6 )加工过程中电流较小，脉冲宽度较窄，而窄脉冲加工精度高，所 以采用“正极性”接法，即脉冲电源的正极接工件、负极接电极丝。 电火花线切割加工也有其局限性，它主要用于加工金属等导电材料，一般 加工速度较低，存在电极损耗，并且难以加工有棱角的工件。 2 4电火花线切割加工工艺及其影响因素 2 4 1线切割加工的工艺参数 线切割加工工艺参数分为电参数和机械参数两类。电参数是指脉冲宽度、 脉冲间隙、脉冲频率、峰值电流、开路电压等。机械参数则包括进给速度和走 丝速度。 脉冲宽度是指脉冲电流持续的时间。在其它加工条件相同的情况下，切割 速度随着脉冲宽度的增加而增加，但电蚀物也会随之增加。当脉冲宽度增加到 使电蚀物来不及及时排出时，加工就会不稳定、表面粗糙度增大，反而使切割 速度降低。 其它条件不变，减少相邻两个脉冲之间的脉冲间隙，相当于提高了脉冲 频率，增加单位时间内的放电次数，使切割速度提高。但是，当脉冲间隙减少 到一定程度之后，电蚀物不能及时排出，加工间隙的绝缘强度来不及恢复，破 坏了加工的稳定性，也会使切割速度下降。 峰值电流是指放电电流的最大值。峰值电流对切割速度的影响也就是单 个脉冲能量对加工速度的影响，它和脉冲宽度对切割速度和表面粗糙度的影响 相似，但程度更大些。因此，合理增大脉冲电流的峰值，对提高切割速度最为 有效，但电极丝的损耗也随之增大，容易造成断丝。 在一定范围内，随着走丝速度的提高，加工速度也提高。提高走丝速度 有利于电极丝将工作液带入较厚的放电间隙中，有利于电蚀物的排出和放电加 工的稳定。但走丝速度过快，将加大机械振动、降低精度和切割速度，表面粗 糙度恶化，并容易断丝。高速走丝切割的走丝速度一般小于l o m j 。 因此，要综合考虑各参数对加工成本的影响，合理选择工艺参数，在保 证工件加工精度的前提下，提高生产率、降低生产成本。 2 4 2线切割加工的工艺指标 线切割加工的工艺指标主要有切割速度v 、工件表面粗糙度、电极丝损耗 量和加工精度四个方面。 单位时间内切割工件的面积称为线切割的切割速度，单位m m 2 r r f i n ，也 有用电极丝沿加工轨迹的进给速度作为线切割的切割速度。它是一个生产指 标，常用来估算工件的切割时间，以便安排生产计划和估算成本。因此线切割 机床加工工件的价格基本上按切割面积计算，综合考虑工件的质量要求。切割 速度v 与进