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线切割机数控系统的设计与实现 摘要 电火花线切割技术经过半个多世纪的发展，已经成为一种高精度和高自由 度的加工方法，它主要应用于常规加工无法实现的领域。电火花线切割技术是 一种直接利用电能和热能进行加工的工艺方法，目前己经广泛应用于机械、宇 航、航空、电子、电机、仪器仪表、汽车、轻工等行业。电火花加工不仅是一 种有效的机械加工手段，而且已经成为在某些场合不可替代的加工方法。 线切割机( w i r ec u te 1 e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i l l i n g ，简称w e d m ) 的 控制系统包括硬件和软件两部分。硬件部分主要涉及c p u 及其接口电路、电机 驱动电路、变频取样电路、脉冲电源等。软件部分主要涉及加工程序代码生成 与编译、通讯、人机操作与显示、插补与系统管理程序等。本文对国内外线切 割机床的发展状况进行了讨论，结合某企业现有线切割机系统的不足，对其进 行改进。 首先对c p u 进行了升级，其次加入了文件存储系统、图文液晶显示和丰富 的键盘操作。设计了通讯接口，使单片机系统能与p c 机相连接，方便程序下载 和在线调试。 为了线切割机控制系统能够脱离上位p c 机运行，需要存储一定量的加工程 序，论文在分析各种存储方式的基础上，设计了二级树形目录组织的文件系统。 该文件系统不仅能够使文件的存储和删除方便快捷，而且空间利用率高。系统 增加了液晶显示，并通过编程实现了二级菜单，可以实现仿真、加工、文件和 手动等多种功能，且操作方便。通过仿真和实时加工轨迹的显示，丰富了系统 的人机交互功能，便于操作人员掌控当前的加工状态。上述内容已形成实验样 机。 关键词：线切割机，文件系统，菜单显示，3 b 代码编程，滚屏 w e d mc n cs y s t e md e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n a b s t r a c t e d mt e c h n o l o g yt h r o u g hh a l fac e n t u r yo fd e v e l o p m e n th a sb e c o m ea h i g h - p r e c i s i o na n dh i g h - d e g r e eo ff r e e d o mp r o c e s s i n gm e t h o d i ti sm a i n l yu s e di n t h ef i e l dw h i c hc a nn o tb ep r o c e s s e db yc o n v e n t i o n a lm a c h i n i n g e d mt e c h n o l o g y i sap r o c e s sm e t h o dw h i c hd i r e c tp r o c e s s i n gb ye l e c t r i c i t ya n dh e a t n o wi th a sb e e n w i d e l y u s e di n m e c h a n i c a l ， a e r o s p a c e ， a v i a t i o n ，e l e c t r o n i c s ，e l e c t r i c a l ， i n s t r u m e n t a t i o n ，a u t o m o t i v e ，l i g h ti n d u s t r ya n do t h e ri n d u s t r i e s e d mi sn o to n l ya n e f f e c t i v em e a n so fm e c h a n i c a l p r o c e s s i n gm e t h o d ，b u t a l s oh a sb e c o m e i r r e p l a c e a b l ep r o c e s s i n gm e t h o d si ns o m ec a s e s t h ec o n t r o ls y s t e mo fw e d mi sc o m p o s e do fh a d r w a r ea n ds o f t w a r e t h ep a r t o fh a r d w a r er e f e r st oc p ua n dc p ui n t e r f a c e c i r c u i t ，m o t o rd r i v i n g c i r c u i t ，v o l t a g e f r e q u e n c yt r a n s f o r mc i r c u i t ，p u l s ep o w e ra n ds oo n t h ep a r to f s o f t w a r er e f e r st op r o c e s s i n gc o d eg e n e r a t i o na n dc o m p i l a t i o n ，c o m m u n i c a t i o n ， h u m a n - m a c h i n e o p e r a t i o na n dd i s p l a y , i n t e r p o l a t i o na n ds y s t e mm a n a g e m e n t p r o c e d u r e s a n ds oo n i nt h i s p a p e r t h e d e v e l o p m e n t o fw e d mi s d i s c u s s e d c o m b i n e dw i t ht h ec u r r e n ts h o r t a g eo fw i r ec u t t i n gs y s t e mo fs o m e e n t e r p r i s e ，t h ec o n t r o ls y s t e mo fw e d m h a sb e e nm a d ei m p r o v e d f i r s t ，c p uh a sb e e nu p d a t e d ；s e c o n d ，w e d mc o n t r o ls y s t e mi s a d d e df i l e s t o r a g es y s t e m ，g r a p h i c l c dd i s p l a ya n dr i c h k e y b o a r d i t a l s oh a sa c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，w h i c hm a k e sm i c r o c o n t r o l l e rc o n n e c t e dw i t ht h ep c s o i t se a s yt od o w n l o a da n do n l i n ed e b u g g i n gp r o g r a m t ow e d mc o n t r o ls y s t e mc a nr u ni n d e p e n d e n t l yf r o mt h eh o s tp c ，i tn e e d st o s t o r eac e r t a i na m o u n to fp r o c e s s i n gp r o g r a m s ，s ot h i sp a p e ra n a l y z e st h ev a r i o u s s t o r a g em e t h o d s ，a n dd e s i g n st w ot r e ed i r e c t o r yo r g a n i z a t i o no ff i l es y s t e m t h ef i l e s y s t e mc a nn o to n l ys t o r ea n dd e l e t ef i l e sc o n v e n i e n t ，b u ta l s oh a v et h eh i g hs p a c e u t i l i z a t i o n t h es y s t e mi n c r e a s e st h el c d ，a n dr e a l i z e st h es e c o n d a r ym e n ub y p r o g r a m m i n g s oi ta c h i e v e sav a r i e t yo ff u n c t i o n s ，s u c ha ss i m u l a t i o n ，p r o c e s s i n g ， f i l ea n dm a n u a lf u n c t i o n s ，a n de a s yt oo p e r a t e t h r o u g hs i m u l a t i o na n dr e a ld i s p l a y p r o c e s s i n gt r a c k ，t h es y s t e me n r i c h e st h ei n t e r f a c ef u n c t i o nb e t w e e nm a c h i n ea n d h u m a n ，a n dc o n v e n i e n to p e r a t o r st ou n d e r s t a n dt h ec u r r e n ts t a t eo fp r o c e s s i n g t h e f e a t u r e so fa b o v ea l lh a sb e e nt h ef o r m a t i o no fe x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e k e y w o r d s ：w e d m ；f i l es y s t e m ；m e n ud i s p l a y ；3 bc o d ep r o g r a m m i n g ；s c r o l l 插图清单 图2 1 电火花线切割分类6 图2 2 电火花线切割机床结构原理图7 图2 3 高频分组脉冲电源波形9 图2 4 高频分组脉冲原理图9 图2 5 控制系统原理图1 0 图3 1 高速走丝线切割机的结构1 2 图3 2 线切割机控制系统硬件结构图1 4 图3 3 线切割机控制系统软件结构图1 4 图4 1 系统总体设计图1 6 图4 2m s p 4 3 0 工作模式状态图l8 图4 3m s p 4 3 0 系列单片机的命名规则1 9 图4 4m s p 4 3 0 f 2 6 1 8 引脚图2 0 图4 5 ，2 c 总线连接示意图一2 1 图4 61 2 c 总线上数据有效性的示意图2 2 图4 71 2 c 起始条件和停止条件示意图2 3 图4 8 主机向从机发送数据的基本格式2 4 图4 9 主机从从机接收数据的基本格式2 4 图4 10 主机向从机发送l 字节数据的时序图2 5 图4 1 l 主机从从机接收l 字节数据的时序图2 5 图4 1 2 主机向从机连续发送多个字节数据的时序图2 5 图4 1 3 主机从从机连续接收多个字节数据的时序图2 5 图4 1 4 带有重复起始条件的多字节数据传输格式示意图2 6 图4 1 5a t 2 4 c 5 1 2 引脚图2 6 图4 1 6a t 2 4 c 5 1 2 地址控制字：2 7 图4 1 7 采用2 个a t 2 4 c 5 1 2 时的连接图3 4 图4 1 8z l g 7 2 9 0 引脚图3 4 图4 1 9z l g 7 2 9 0 使用图3 9 图4 2 0 按键连接图3 9 图4 2 l 液晶接口示意图4 2 图5 1 加工直线时计数方向的确定4 4 图5 2 加工圆弧时计数方向的确定4 4 图5 3 加工直线的指令范围图4 4 图5 4 加工圆弧的指令范围图4 4 图5 5 文件、记录和数据项之间的层次关系4 5 图5 6 磁盘空间的连续分配4 5 图5 7 磁盘空间的隐式链接分配4 6 图5 8 磁盘空间的显示链接分配4 7 图5 9 索引分配方式4 7 图5 1 0 文件系统的二级树形目录图4 9 图5 1 1 存储文件的程序框图5 0 图5 1 2 字模示意图5 4 图5 1 3 液晶显示菜单图5 5 图5 1 4 菜单程序流程图5 7 图5 15 反色显示5 8 图5 1 6 三个分区层叠显示原理5 8 图5 1 7 屏幕合成效果5 8 图5 1 8 屏幕显示数据在r a m 中对应的地址6 0 图5 19 向上滚屏一行6 0 表格清单 表2 1 脉冲电源的分类8 表4 1 各种工作模式、各控制位及时钟的活动状态1 9 表4 2m s p 4 3 0 f 2 6 18 引脚功能表2 0 表4 3z l g 7 2 9 0 引脚功能表3 5 表4 4s e l l 和s e l 2 类型选择4 1 表5 13 b 程序格式4 3 表5 2 一级、二级菜单目录图5 5 表5 3 屏幕合成方式5 8 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，也不包含为获得金筵：e 些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同 ：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：缓 签字日帕口f r 。年午月哲日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥蟹互些厶堂有关保留、使刚学位论文的规定，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。本人授权盟 ：e 些厶堂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，可以采用影印、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) 学位论文作者毕业后去向： r 作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：少，年仁月必日 电话： 邮编： z w 牧哪 名 年 签 b 者 夕 睹 p 文 期 论 日 位 字 学 签 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、于海滨，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，感谢研究生班上的同学，他们在我遇到困难时，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：毕磊 2 0 l o 年4 月1 0 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【l 】。【4 1 。 1 2 线切割机数控系统的发展现状 自从1 9 5 6 年前苏联生产出第一台电火花切割机床至今已有5 0 多年。在此 期间无论是国内还是国外电火花线切割机都经历了巨大的变化，从最初的靠模 电火花线切割机床，到光电控制电火花线切割机床，再到数控电火花，线切割 机床已经经历了加工技术、工艺方法的改进，使得电火花线切割加工已经成为 目前应用最为广泛的特种加工方法，并且愈来愈引起人们的关注和重视。因此， 从诞生到现在，电火花线切割技术经历了许多次的更新换代，其技术和工艺水 平已经达到了一定的高度，从最初的每分钟只能切割几十平方毫米的面积，到 现在的每分钟最多能切割五百平方毫米的面积中能看出，其发展可谓是日新月 异【5 】- 【8 1 。 目前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 ) 。其中国外使用的主要是低速走丝线切割机床，而国内使用的主 要是高速走丝线切割机床。 1 2 1 国外发展现状 由于起步比国内早，国外的电火花线切割机床相对于国内来讲，一直处于 领先地位。国外的一些公司，例如瑞士c h a r m i l l e s 公司、瑞士a g i e 公司和日 本s o d i c k 公司等，很早就从事电火花线切割机床的研究，并且一直致力于研 究低速走丝线切割机床。近年来，由于电子芯片、前端技术和现代工业等的迅 猛发展，为低速走丝线切割机床的发展提供了基础和动力。 近年来国外低速走丝线切割机床( w e d m l s ) 突出的技术特点如下： ( 1 ) 加工速度的提高 对于w e d m l s 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 2c 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w e d m l s 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 w e d m l s 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 2 2 国内发展现状 国内的电火花线切割技术虽然比国外起步的晚，但是在8 0 年代的时候，还 是基本能与国外的水平持平。不过由于没有国外长时间积累的基础，并且随着 国外的电子业和制造业的迅猛发展，国内的高速走丝线切割机在很多方面就慢 慢落后于国外的低速走丝线切割机，主要体现在加工精度上，其加工精度比国 外的低速走丝线切割机相差一个数量级。但是国内使用的高速走丝线切割机也 有自身的优点，比如走丝速度快、成本低廉等。在很多对加工精度要求不是很 高的情况下，国内的快走丝线切割机床就能充分体现出其加工速度快的优势。 但是，由于走丝速度快，并且加工用的金属丝是反复利用，使得金属丝不能固 定，并且金属丝直径在反复使用后会发生变化，所以加工精度很难提高。而国 外的低速走丝线切割机，加工速度慢，并且金属丝不会反复使用，所以能保证 其加工精度。 随着现阶段先进制造技术的的迅猛发展，我国不能一直依赖从国外进口加 工精度高的低速走丝线切割机，这不利于满足一个国家自给自足的要求。因此， 国内高速走丝线切割机加工精度低从而不能满足生产发展需要成为了当前的主 2 要矛盾。所以，进一步研究电火花线切割机的理论，在保留我国高速走丝电火 花线切割机加工速度快的基础上，逐步提高加工精度是今后国内线切割机的主 要研究方向【9 】【l5 1 。 1 3 线切割机发展趋势 电火花线切割机从发明到现在已经经历了半个多世纪，随着材料、电子、 机械等各个方面的发展，其经历了许多次演变。从最初的采用小规模集成电路， 到今天的嵌入式系统的使用，都表明了电火花线切割机的发展趋势1 6 】【17 1 。在该 行业处于领先地位的是瑞士、日本。目前国外的线切割机床的控制平台已经从 d o s 平台移植到w i n d o s 平台上，p c 机的性能也越来越高档。我国高速走丝线 切割机在加工精度上与国外相比有很大差距，因此，如何提高高速走丝线切割 机的加工精度是我国线切割机以后的重要发展方向。为此，中国机械工程学会 特种加工分会在上海举办了“w e d m 数控系统专题研讨会【”】。 目前，电火花线切割机发展的一个重要趋势就是采用开放式数控系统 1 18 1 1 9 】。开放式数控系统的优点是选件范围广，能方便使用者为控制系统选择器 件，并且具有很强的扩展功能。同时将p c 机的一部分功能添加到线切割机床 上也是一种趋势。使切割机机能够脱离p c 机独立运行，或者是一台p c 机能同 时控制很多机床，而不是原来的一台p c 机对应一台切割机2 0 】【2 1 1 。 1 4 本文研究的目的与意义 1 4 1 研究目的 低速走丝电火花线切割机床从理论设计到实际生产都十分复杂，它代表了 加工制造业的最高领域，因此在很多方面都还没有完善。但是随着现代制造业 的迅猛发展，低精度的高速走丝电火花线切割机已经不能满足当前的需求，而 低速走丝电火花线切割机凭借其优秀的加工精度，成为未来制造加工业各个厂 家所必须要掌握的技术。可以说只要掌握了低速走丝电火花线切割技术，就能 在未来的发展中掌握先机。 另一方面，航空航天制造技术和生产能力是国家制造实力和国防科技工业 现代化水平的综合体现，在国民经济和国防现代化中有着举足轻重的地位和作 用。低速走丝电火花线切割作为精密制造技术的一种，特别适于对常规方法难 以加工的材料( 如钛合金、高温合金等) 和结构复杂工件的加工，并且可以到 达较高的加工精度，因此在航天航空制造业中得到了广泛的应用。但目前我国 高精度的低速走丝电火花线切割机床主要依赖从国外进口，一些关键技术各个 生产厂商对外也严格保密，随着我国航天航空制造业的飞速发展以及模具行业 的迅速崛起，这一状况必须得到改变，开发具有自主知识产权的高精度慢走丝 电火花线切割机床已成为国内电加工的共识。 但是，由于低速走丝电火花线切割机床的确相当复杂，可以说是电加工中 3 最项级的领域，并且国内现在主要是以快走丝电火花线切割机床为主，要一次 性直接过渡到慢走丝电火花线切割机床有很大的难度，因此需要一个过渡阶段。 本文旨在设计出一种介于低速与高速走丝切割机之间的一种过渡型电火花 切割机。在现有的切割机水平基础上，改善控制策略和硬件系统，将切割机硬 件的各个部分高度集成，脱离p c 机的控制而独立运行。在融入了存储芯片、 液晶显示和丰富的按键基础上，设计出方便用户操作的友好人机界面和文件系 统，能够存储大量的文件，因此在加工不同零件的时候不需要反复输入程序， 大大简化了操作难度。 1 4 2 本文研究的意义 由上述可见，在国内快走丝电火花加工应用中，面对改善加工效率、效果 的迫切需求，需要在先进制造技术理论和实践的指导下，积极利用计算机辅助 工艺管理技术，结合创新设计和控制技术，建立有效解决加工速度、稳定性、 精度等问题的系统化方法。这一举措是适应技术进步和市场发展需求的： 节约成本。由原来的l 台电脑控制一台切割机变为现在的一台p c 机控制 多台切割机甚至切割机能脱离p c 机独立运行。 ( 2 ) 易操作性。由于液晶屏和存储的引入，设计出友好人机界面和文件系 统，方便用户操作。 ( 3 ) 高可靠性。采用模块化结构，使故障影响范围减小。 ( 4 ) 适应市场发展的需要。随着市场对产品的需求越来越个性化、多样化、 小批量的生产，为此，系统功能模块必须开放化，性能机动灵活。 1 5 本文研究的内容及主要工作 本文通过对国内外电火花切割机床特点的分析，了解了国内快走丝线切割 机床的不足，以及市场对电火花线切割机床的需求，对目前线切割机床进行了 一系列的改造。 在研究了目前切割机控制电路的基础上，首先对控制电路c p u 进行了升 级，并添加了大容量存储器、液晶显示和丰富的键盘，同时设计了通讯接口， 使单片机系统能与p c 机相连接，方便程序下载和在线调试。对每个部分编写 驱动程序，并通过了实验验证，使各个部分能够正常运行。 由于要存储大量的切割程序，因此设计了文件系统。通过分析了各种分配 方式的优缺点，采用了二级树形目录组织的文件系统。该文件系统能够方便存 储和删除文件，而且空间利用率高。同时画出了文件系统软件设计流程图，并 给出了存储器物理地址换算公式。 本文还使用了液晶显示代替传统的数码管显示。设计并编写了二级菜单， 能够实现仿真、加工、文件和手动等功能。不仅能够实现反色显示，而且在显 示加工文件时，如果加工文件过长，一个屏幕显示不完，还能通过滚屏使显示 4 的文件数据上下滚动，以实现数据的完整显示，方便操作人员查询。 第二章线切割机基本原理介绍 电火花切割分类见如图2 1 所示【2 2 1 ： 丽两蔗 图2 1 电火花线切割分类 2 1电火花加工的基本原理 电火花加工又称放电加工( e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ，简称e d m ) ，是 一种直接利用电能和热能进行加工的新工艺。电火花加工与金属切削加工的原 理完全不同，在加工过程中，工具和工件并不接触，而是靠工具和工件之间不 断的脉冲性火花放电，产生局部、瞬时的高温，把金属材料逐步蚀除掉。由于 放电过程中可见到火花，故称之为电火花加工【23 1 。目前这一工艺技术已广泛用 于加工淬火钢、不锈钢、模具钢、硬质合金等难加工材料，已经用于加工模具 等具有复杂表面的零部件，在民用和国防工业中获得愈来愈多的应用，已成为 切削加工的重要补充和发展【5 】【2 4 】- 【2 9 1 。 2 2 线切割机的工作原理 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，利用两级问脉冲放电的电蚀作用对工件进行切割加工。由 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”。 6 一一一一一一一一一一 一一一一一 图2 - 2 为高速走丝电火花线切割工艺及装置的示意图。 76 图2 2 电火花线切割机床结构原理图 l 一绝缘底板；2 一工作台；3 一工件；4 一脉冲电源；5 一钼丝：6 一导向轮；7 一支架：8 一 贮丝筒 利用细钼丝( 5 ) 做工具电极进行切割，储丝筒( 8 ) 使钼丝作正反向交替 移动，加工能量由脉冲电源( 4 ) 供给。在电极丝和工件之间浇注工作液介质， 工作台在水平面两个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，把工件切割成型。 2 3 线切割机加工的特点 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 ) 不像电火花成型加工那样制造特定形状的工具电极，而是采用直径不 等的细金属丝( 铜丝或钼丝等) 作工具电极，因此切割用的道具简单，大大降 低生产准备工时。 ( 2 ) 利用c a x a 或c a d 等软件，可以通过计算机直接生成复杂零件的加 工指令。 ( 3 ) 电极丝在加工中是移动的，不断更新( 低速走丝) 或往复使用( 高速 走丝) ，因此电极丝的损耗可以忽略。 ( 4 ) 对于粗、中、精加工，只需调整电参数即可，操作方便，自动化程度 高。 ( 5 ) 加工对象主要是平面形状，台阶盲孔型零件还无法进行加工。但是当 机床加上能使电极丝作相应倾斜运动的功能后，可实现锥面加工。 ( 6 ) 当零件无法从周边切入时，工件上需钻穿丝孔。 2 4 线切割机的组成部分 l 、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 7 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板作x 、y 方向移动，从而获得指定工件加工 轨迹。 ( 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、贮丝筒和 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，并保持电极丝与工作台面成一定的 角度，以达到各种不同的加工要求。常用的丝架有固定式、升降式和偏移式3 种类型。 ( 4 ) 床身 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 ) i 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 由工作液箱体、工作液泵、过滤器、流量控制阀、进液管和回液管组成。 2 脉冲电源 电火花加工用的脉冲电源的作用是把工频交流电流转换成一定频率的单向 脉冲电流，以供给火花放电间隙所需要的能量来蚀除金属。脉冲电源对电火花 加工的生产率、表面质量、加工速度、加工过程的稳定性和工具电极损耗等技 术经济指标有很大的影响，应给予足够的重视。 关于电火花加工脉冲电源的分类，目前尚无统一的规定。按其作用原理和 所用的主要元件、脉冲波形等可分为多种类型，见表2 1 【2 3 】： 表 按主回路中主要元件种类 ；拭输出脉冲波形一 t 按间隙状态对脉冲参数的影响 l 按工作回路数目 l 蕉功能一一 i ， 2 1 脉冲电源的分类 弛张式、电子管式、闸流式、脉冲发电机式、 晶闸管式、晶体管式、大功率集成器件i 矩形波、梳状波分组脉冲、三角形波、j 阶梯波、正弦波、高低压复合脉冲 非独立式、独立式 单回路、多回路 等电压脉宽、等电流脉宽、模拟量、 数字量? 微机控制! 一适应控制j 智能化一一j 8 为了满足不同表面粗糙度的加工需要，有些脉冲电源既能提供矩形波，又 能提供分组波。一般情况下使用矩形波加工，矩形波脉冲电源对提高切割速度 和改善表面粗糙度这两项工艺指标是相互矛盾的。即当提高切割速度时，表面 粗糙度变差。要获得较好的表面粗糙度，就得采取较小的脉冲宽度，使得切割 速度下降很多。而高频分组波在一定程度上能解决这两者之间的矛盾。高频分 组波在一定程度上具有高频脉冲加工表面粗糙度值小和低频脉冲加工速度高、 电极损耗低的双重优点，从而得到普遍的重视。波形如图2 3 所示【2 3 】： 12 图2 3 高频分组脉冲电源波形 1 高频脉冲；2 分组间隔 脉冲形成电路是由高频脉冲发生器、低频分组脉冲发生器和门电路组成。 原理图2 4 所示： 电极丝 工件 图2 4 高频分组脉冲原理图 为了满足电火花线切割加工条件和加工工艺指标的要求，电火花线切割机 床采用的脉冲电源应满足以下要求： ( 1 ) 效率要高，损耗要小。即对工件材料有最大的腐蚀率，而对电极材料 有最小的损坏率。 ( 2 ) 脉冲应该为单向。即没有负半波或负半波很小，这样才能最大限度的 利用极性效应。 ( 3 ) 脉冲电源的主要参数如电流幅值、脉冲宽度、脉冲间隔能在较宽的范 围内调节，以满足不同工艺需要。 ( 4 ) 采用自适应技术。 3 控制系统 控制系统的主要作用就是控制电机旋转，使工件按照预定的加工路径运动， 9 同时通过电极丝与工件的相对运动，来实现切割加工。 如图2 5 所示，线切割加工就是首先应用编程系统，将待加工零件通过一 定方式转化为加工数据文件( 切割指令) ，然后通过控制系统，将数据文件读入， 并将其转换成线切割机步进电机的步进信号来控制机床加工工件，同时控制系 统还要对加工过程中的各种状态信号进行检测，根据得到的检测信号进行相应 的处理，达到自动控制的目的。此外，为使机床的操作更灵活，方便，控制系 统还要提供手动操作方式。 图2 5 控制系统原理图 2 5 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 使得钼丝运动，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，然后通过功放驱动步进电机， 使机床工作台按照预定的轨迹进行加工。钼丝经过机架上的导向轮与工件接近， 小到一定距离时，钼丝与工件之间进行放电加工，高频脉冲电源产生连续高频。 步进电机每走一步，就使钼丝与工件产生一次放电加工。根据钼丝和工件的间 隙大小，将检测信号送入变频电路，再由变频电路产生的频率大小来控制步进 电机的进给速度。当间隙增大时就加快进给速度，当间隙减少时就减慢进给速 度，以保持均衡的放电间隙，从而也维持了一定的加工电流【3 0 】【3 1 1 。 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 ) 极间介质的电离、击穿，并形成放电通道。 自动调节装置控制钼丝向工件缓慢靠近，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( 通常为几微米到几百微米) 时，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，工作液介质中的杂质( 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。 l o ( 2 ) 介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀。 钼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 内负电子高速奔向阳极，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，以致局部金属材料瞬间熔化和气化。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、高压使气化了的气体体积不断向外膨胀，同时带着熔 化、气化了的金属材料抛向工作液中。 ( 4 ) 通道间介质的电离消除。 ( 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的开始，并及时排出被腐蚀下 来的金属颗粒、碳粒子和气泡等。 第三章线切割机数控系统分析及总体设计 3 1 控制系统分析 电火花线切割机的控制系统要完成的主要功能是根据加工指令来控制线切 割机床的加工，并且还要对机床进行检测，根据检测得到的各种反馈信号来对 机床进行相应的控制。 电火花线切割机床对零件进行加工时，是通过输入待加工零件的轨迹到p c 机，在p c 机上生成切割指令，并发送给控制系统，然后在控制系统中通过插 补算法最终生成步进电机驱动信号来控制步进电机的运动，以达到按照预定的 轨迹对零件进行加工的目的。 本文的控制系统由于有键盘、液晶和存储的引入，使得控制系统可以脱离 一部分p c 机的功能，而单独运行。在设计出友好人机界面的基础上，通过键 盘可以实现加工、仿真等操作，并且可以存储大量的加工指令。作为一个系统， 为使操作更加灵活方便，还提供了一些其他的辅助功能。除了控制加工、仿真 和存储外，还提供了手动操作方式，在必要的情况下可以使用手动的方式来控 制步进电机的运动；为了方便工件的加工，系统还能提供旋转、镜像等功能， 可以使操作人员在不重新编程的情况下可以根据不同的情况选择合适的进刀方 向。 高速走丝线切割机的结构如图3 1 所示。此图显示的是切割二维零件时的 加工图。由图可以看出，此时电极丝不动，而零件固定在工作台上沿x 、y 方 向运动。 嗣耸p 缱占 图3 1 高速走丝线切割机的结构 在线切割加工过程中，通过控制机床各个轴步进电机的运动，就能实现对 零件的加工。同时还要对一些信号进行监控，如加工电流、控制电路电压等。 控制系统提取存储芯片中的加工文件，通过译码，变换得到脉冲信号，并发送 给步进电机，从而控制步迸电机按照预定的要求运动。 电火花线切割机控制系统包括以下功能：文件编译、插补运算、连续和单 段加工、状态检测、短路回退、参数设置等。 1 2 3 2 控制系统总体目标 传统的线切割机由于采用了数码管显示，不能直观的显示图形仿真、加工 进度和文件数据等，而且存储的加工文件有限，加工不同的零件时需要重新输 入文件数据，使操作不便。所以很多功能不能在切割机上实现，就需要频繁利 用p c 机。 本文总结了线切割机的优缺点和发展趋势，在设计时主要以改进上述提及 的缺点为目标。因此系统改进的具体目标如下： ( 1 ) 为了使切割机在切割不同文件的时候不用频繁输入加工文件数据，给 切割机控制电路引入存储器，并编写文件系统，在能存储大量文件的同时，还 方便文件的管理。 ( 2 ) 给切割机引入大屏幕液晶显示。通过液晶显示出图形仿真和加工进度 等，将一部分p c 机的功能移植到切割机上。 ( 3 ) 缩减成本，并使用户操作方便。 3 3 控制系统总体方案选择 目前国内外生产的电火花线切割机床的控制系统大都是以单片机为核心。 采用这种方案有其自身的优点： ( 1 ) 电路结构简单，开发周期短； ( 2 ) 单片机芯片价格低廉，开发成本低； ( 3 ) 对开发人员的技术要求不高，节省人力资本； ( 4