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浙江工业大学硕士学位论文 高速快走丝电火花线切割机床数控系统设计与开发 摘要 电火花线切割加工具有无切削力，工件材料硬度对可加工性影响不大等优点，因此能 适合各种特殊性能的材料和各种复杂表面及微细、精密、薄壁以及低刚性零件，所以使用 非常广泛。随着制造技术的提升，要求电火花线切割机床具有高精度、高效率。所以研究 具有高附加值、应用性很强的c n c 控制系统的电火花线切割机床，提高产品的市场竞争力 势在必行。目前低端的电火花线切割机床的控制系统基本上是以单一c p u 为基础组成的控 制系统。这种以单c p u 为基础的控制器以d o s 系统为操作系统，控制器没有开放性，驱动 软件必须自行开发。且难以开发远程监控、诊断与维修等功能，软件的耦合性很强，因此 难以发展成为开放式人机界面和智能加工等自动化功能。基于上述目的，本文主要工作和 研究成果如下： 1 开发了多c p u 的开放式c n c 控制系统：以一台p c 机作为中央主控系统和以d s p 为 基础开发了电控系统。有利于电火花线切割机床控制软件的模块化和细化分工。以d s p 为基础的电控系统可以满足电火花线切割机床的即时控制要求。 2 开发了基于w i n d o w s 的开放式人机界面模块、基于d s p 的机械逻辑控制模块和运动 控制模块。控制系统开发成开放式结构，便于控制系统增加功能时的开发方便、远程监控 和智能化。 3 利用该控制系统，在杭州无线专用设备厂制造的d k 7 7 2 5 型电火花线切割机床上进 行了快走丝电火花切割加工试验。其结果表明：该控制系统电路输出控制信号稳定，可显 著提高工件表面质量。该控制系统可以有效的应用于电火花线切割机床床，提升机床的自 动化程度和加工精度。 关键词快走丝电火花线切割，控制系统，实验研究，d s p 浙江工业大学硕士学位论文 d e s i g na n dd e v e l o p m e n tt h ec o n t r o l s y s t e mo ft h eh s w e d m a b s t r a c t w e d mh a sa d v a n t a g e so fn oc u t t i n gf o r c ea n dl i t t l ee f f e c to n p r o c e s s a b i l i t y , w h i c hc a u s e d b yt h ew o r k p e i c em a t e r i a l sh a r d n e s s ，t h e r e f o r e ，i ti ss u i t a b l ef o rv a r i o u sm a t e r i a l s ，c o m p l e x s u r f a c ea n df r e e ，p r e c i s e ，t h i n - w a l l e da n dl o ws t i f f n e s sp a r t s ，a n dt h ea p p l i c a t i o ni sv e r y 晰d e a si m p r o v i n go fm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ，h i g hp r e c e s s i o na n de f f i c i e n c yo fw e d mi s n e e d e d t h e r e f o r e ，s t u d yo nt h ew e d m o fk g ha d d e dv a l u ea n ds t r o n ga p p l i e dc n cc o n t r o l s y s t e mt oi m p r o v et h em a r k e tc o m p e t i t i v e n e s si si m p e r a t i v e a tp r e s e n t ，t h ec o n t r o ls y s t e mo f l o w - e n dw e d mm a c h i n et o o li sb a s e do ns i n g l ec p u t h ec o n t r o l l e rw h i c hb a s e do nt h es i n g l e c p ur i s ed o ss y s t e ma so p e r a t i n gs y s t e m ，t h ec o n t r o l l e ri sn o to p e n , t h ed r i v e rs o f t w a r eh a st o s e l f - d e v e l o p e d i ti sd i f f i c u l tt od e v e l o pr e m o t em o n i t o r i n g ，d i a g n o s i sa n dr e p a i r , m o r e o v e r ，t h e c o u p l i n go fs o f t w a r ei sv e r ys t r o n g ，s ot h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i cf u n c t i o ns u c ha so p e n m a n m a c h i n ei n t e r f a c ea n di n t e l l i g e n tm a c h i n i n gi sv e r yd i f f i c u l t b a s e do nt h ea b o v ep u r p o s e ， t h em a i nw o r ka n dr e s e a r c hr e s u l t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 d e v e l o p e dt h eo p e n i n gc n c c o n t r o ls y s t e mo fm u l t i p l ec p u ：u s i n gap cc o m p u t e ra s c e n t r a lc o n t r o ls y s t e ma n dd e v e l o p e dt h ee l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mb a s e do nd s ei ti sb e n e f i c i a l t om o d u l a r i z a t i o na n dr e f i n e sd i v i s i o no fw e d ms o f t w a r e t h ee l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mt h a t b a s e do nd s pc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fi n s t a n tc o n t r o lo fw e d m 2 d e v e l o p e dt h eo p e n i n gh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c em o d u l ew h i c hb a s e do nw i n d o w sa n d m a c h i n el o g i cc o n t r o lm o d u l ea n dm o v e m e n tc o n t r o lm o d u l ew h i c hb a s e do nd s et h ec o n t r o l s y s t e mi sd e v e l o p e da so p e na r c h i t e c t u r e ，i ti sc o n v e n i e n tf o rt h ec o n t r o ls y s t e mt oi n c r e a s e f u n c t i o n , r e m o t ec o n t r o la n di n t e l l i g e n t 3 u s i n gt h i sc o n t r o ls y s t e m ，f a s tw i r ec u t t i n ge x p e r i m e n to fw e d mp r o c e s s i n gw a s c a r r i e do u t0 1 1t h ed k 7 7 2 5w e d mm a c h i n et o o lw h i c hi sm a d eb yh a n g z h o uw i r e l e s ss p e c i a l t i 浙江工业大学硕士学位论文 e q u i p m e n tf a c t o r y t h e s er e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h i s c o n t r o ls y s t e m so u t p u tc i r c u i ts i g n a li s s t a b l e ，c a l ls i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e dt h es u r f a c eq u a l i t yo fw o r k p i e c e t h i sc o n t r o ls y s t e mc a l lb e e f f e c t i v e l ya p p l i e dt ow e d mm a c h i n et o o l ，a n dp r o m o t et h ea u t o m a t i o n a n dm a c h i n i n g a c c u r a c yo fm a c h i n et 0 0 1 k e yw o r d s ：h s w e d m ，c o n t r o ls y s t e m ，e x p e r i m e n tr e s e a r c h , d s p 1 1 1 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者躲幻z 吼一年，月矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名：钿文 刷磁轹每形 ， vkov 日期：口哆年厂月矿日 日期：纠年厂月叫咱 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 随着中国成为制造业大国，世界知名的电火花线切割机床公司在中国设分公司，如日 本的s o d i c k 公司与苏州三光集团合作成立了苏州迪克三光机电有限公司，瑞士a g i e 公司在北京成立了阿奇工业电子有限公司，c h a r m i l l s 公司成立了北京夏米尔机电有 限公司，这些公司制造低价位的电火花线切割机倾销全世界，瓜分了我国的线切割机的大 部分市场。面临这一严峻的竞争趋势，开发高精密、高技术、高附加值的第二代c n c 电 火花线切割机，提高产品价值，提高市场竞争力势在必行1 1 1 。随着制造技术的日新月异和 工业生产的迅猛发展，电火花线切割技术已成为机械制造领域中一种重要的加工技术，它 是通过两电极间脉冲放电，用电蚀原理对工件进行加工【2 埘。线切割加工具有无切削力， 工件材料硬度对可加工性影响不大等优点，因此能适合各种特殊性能的材料和各种复杂表 面及微细、精密、薄壁以及低刚性零件，所以广泛应用于航空、电子、电器、汽车、家电、 轻工等领域( 参见表1 1 ) 【4 5 1 ，特别是在模具加工行业【6 ，刀，得到了广泛的应用。 表1 1 电火花线切割加工方法的应用范围 分类 适用范围 二维形状模具冷冲模( 冲裁模、弯曲模和拉伸模) 、粉末冶金、挤压模、塑料模 三维形状模具冲裁模落料凹模、三维型材挤压模、拉丝模 电火花加工用的电极加工形状复杂、微细通孔用的电极、加工带斜度型腔的电极 微细精密加工加工化学纤维喷丝头异形窄缝、槽微型精密齿轮及模具 工量具轮廓成形刀锯外形、样板凸轮及模板 试制品及零件加工试制品直接加工多品种、小批量的几何形状复杂的零件以及超大厚度的零件 特殊材料零件加工半导体材料、铁氧体材料、陶瓷材料、聚晶金刚石 模具行业的迅速发展，对电火花线切割机床提出了更高的要求，从而也进一步促进 了电火花线切割技术的发展，促使电火花线切割高新技术产品不断涌现，产量不断增长【羽。 浙江工业大学硕士学位论文 现在，国际市场每年销售的电火花线切割机床就达七千余台，其中瑞士占1 8 ，日本占 5 2 。我国电火花线切割机床的拥有量已达五万多台，居世界首位，其中9 5 为高速走 丝电火花线切割机床( h s w e d m ) ，它已在机械行业中起着重要的作用【7 胡。 1 2 国内外研究现状 目前国外生产和使用的绝大多数为高速快走丝电火花线切割机床，而我国生产和使用 的则主要为慢速单向走丝电火花线切割机床。两者相比，除了采用的工艺不同外，无论在 精度、功能、自动化程度、可靠性、加工稳定性和加工工艺指标方面，还是在外观等方面， 后者较前者线切割机床平均明显低一个档次。我国的电火花线切割机一般最大加工速度为 2 1 6 m m 2 n f i n ，国外已超过3 0 0 r a m 2 n f i n ，我们的尺寸精度一般在0 0 h n m ，国外达5um 2 岬；表面粗糙度( r a ) 我们一般为1 2 5 - 2 5um ，最好为0 6um l i im ，而国外则 r a 小于0 3i im 1 1 们。 国外电火花线切割机床各生产公司为提高本公司产品的品质不遗余力，对国内同行产 生了巨大的促进作用，近几年来，我国电火花线切割机也取得了迅速发展 i 1 , 1 2 】。 在结构方面，国内厂家均已普遍重视机床的刚性，已开始采用高强度耐磨铸铁，经过 二次低温回火，消除内应力，提高机床刚度【1 3 】。有些机床还采用了低床身设计，跨距可 调整线架，改进调节方式，提高了调节精度和线架自身的刚性，同时也使操作更为方便。 不少厂家开发了四联杆装置，不但上、下导轮可联动，而且可同步偏摆，使电极丝始终保 持在导轮槽对称平面内，不发生单侧刮擦，从而扩大了切割锥度的范围【1 4 1 。其切点变化 引起的加工误差，由计算机软件予以补偿，同步偏摆也使切割大锥度时，喷线切割液方向 始终与电极丝走向一致，例如成都无线电专用设备厂的d k 7 7 2 5 c t l 5 0 ，新火花公司的 s p k w 2 5 0 h 等，切割锥度都已达1 5 0 2 0 0 。 快走丝机床电极丝张力，直接影响到放电加工的稳定性及切割精度，杭州无线电专用 设备厂【1 5 1 、苏州三光公司、北京电加工机床厂、新火花公司等均采用了三导轮重锤式紧 丝器，可初步改善电极丝逐渐变松弛和丝筒上下不同处丝有松有紧的现象，提高了放电加 工的稳定性及切割精度。 对于快走丝时丝的振动可用加装电极丝定位限幅器的方法来隔离和缓解。例如深圳福 斯特公司的d k 7 7 2 5 机床，使用v 型块及红宝石圆棒组成定位限幅器，电极丝从中通过， 该装置在进行多次切割时尤为重要。北京市电加工研究所的d k 7 7 3 2 c 机床，采用金刚石 三块式可开合结构的定位限幅器，在工作时每块聚晶金刚石保持与电极丝虚接触，起到定 浙江工业大学硕士学位论文 位限幅作用。实验证明，使用该装置后，切割正八方棱柱体，对边尺寸精度由平均0 0 1 2 r a m 提高到0 0 0 8 r a m ，而且切割大厚度工件时不易断丝，但不能适用于大锥度的切割。 上海第八机床厂作为电火花线切割机的专业生产厂家，近几年来在新技术的应用、新 产品的开发上也做了不懈的努力，取得如下一系列成绩。 1 9 9 0 年研制成功d k 7 7 3 2 电火花线切割机【1 5 】，其控制柜采用x k 8 0 a a a 微型计算 机线切割机床控制系统，它由专用单板计算机、接口板、直流稳压电源、专用键盘、操作 控制键盘及屏幕显示器c r t 组成，并带有电报机头一台，步进电机驱动电源，可进行完 整的中文人机对话、自动编程【1 6 j 。它还具有钼丝校直、显示切割轨迹和坐标、间隙补偿、 缩放切割、自动定中心、短路回退、自动回原点、断电保护、检查和修改指令、旋转角度 等功能。其高频脉冲电源为上海市科技攻关获奖项目，各项加工工艺指标均达到了当时国 内先进线切割液平。机床采用可调升降式线架，并带有钼丝张紧机构，切割厚度达2 0 0 r a m 。 d k 7 7 3 2 电火花线切割机性能优异，操作方便，荣获1 9 9 0 年上海市优秀新产品三等奖。 1 9 9 1 年大批量投产。 1 9 9 1 年开发了d k 7 7 2 5 机床，其控制柜采用d k 7 7 3 2 的控制柜s b j c u t - 4 j ，机床采 用可调开档高线架结构，切割厚度大，直线滚动导轨和精密丝杠确保了传动的高精度1 1 8 】： 大理石工作台面绝缘性好，刚性高，热变形小，使加工更稳定，加工精度更高。1 9 9 2 年 底开始研制的控制柜s b j c u t - 6 ，它采用了先进的i b m p c 3 8 6 微机控制系统，c r t 彩显 可进行人机中文对话，操作极为方便，还具有钼丝校直，动态跟踪图形显示、局部视图具 有智能自动聚焦特性，全自动钼丝短路回退，动画显示x ， y ，u ， v 四座标值，间隙 补偿，旋转任意角度，正、反序切割，缩放切割等功能。其自动编程采用了荣获。9 3 中国 高新技术、新产品博览会银质奖的y h 绘图式线切割自动编程系统，只需按图纸标注尺寸 输入，即可自动编程，彻底摒弃了传统编程系统中顺圆、逆圆、拐点、相切、相交、走向 等需硬记的规则：只用鼠标器即可完成全部编程，实现了所见即所得。图形显示赏心悦目， 全中文提示，具有自动尖角平滑，非圆拟合，齿轮生成，大圆弧处理，跳步模自动生成， 加工面积自动计算，三维造型等功能。配用s b j c u t - 6 控制柜的d k 7 7 3 2 1 电火花线切割 机荣获了1 9 9 3 年上海市优秀新产品三等奖。 1 9 9 4 年整个机床行业处于不景气状态，功能优异价格高的机床受到了冷落，在江浙 一带广大的模具之乡迫切需要的是价廉而主要功能具备的经济型电火花机床。鉴于此种情 况，上海第八机床厂开始了经济型电火花线切割机d k 7 7 2 5 a 的研制【1 9 l ，床身采用了新型 结构，提高了刚性，降低了成木，控制部分采用单片机，机床电气实现无声换向，一切以 浙江工业大学硕士学位论文 主要功能齐全、价低廉、高可靠性为宗旨，终于在九月份研制成功，其样机早就被用户订 购。因其价格低于其它同类产品，在当时的线切割市场上获得了较高的份额。 国外电火花线切割机床的发展，在原则上离不开三大趋势，即高速化、高精度化( 包 括表面质量) 、高自动化，近年来经济型机床也是一个发展趋势【2 0 】。 高速化方面，日本走在前列，各厂家均有大加工速度在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 n m 2 m i n ，高速型d w c u 系列机床最高加工速度达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 r m 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 r n 2 m i n 。 目前的电火花线切割机床，几何精度与运动精度均已达到了极高的程度【2 l 】：全行程 定位精度2 3 1 m a ，重复定位精度2 1 x m ，加工精度2 - 3 r u m ，表面粗糙度r a 0 1 酽训，为 了保证这些精度长时间不变，各生产公司做了不懈的努力，采取了一系列的保护措施。 a g i e 公司的a c 系列机床，尽管功能差异较大，但机床的机械结构却大体相同。与 同类机床相比，其净重量约为其他机床的二倍，重量的增加主要是考虑机床结构的力学和 热学性能。a c 一2 0 0 d 机床采用框架式结构，以增加走丝机构的刚性。机床精度的变化对 加工精度的影响是不言而喻的，a g i e 公司采取了统一温度场措施，其机床装有两套冷却 温控系统，分别控制加工区与u 、v 轴的温度，以及电源箱、机床与室温的空气冷却。两 套系统通过温度计进行调整，使温差不超过l 。由于电极丝的滞后，在角度加工时会产 生塌角误差，特别在小角度与小圆弧切割时更为明显，a g i e 公司在这方面拥有称为p i l o t 的专利技术。它利用一套光学系统测量电极丝受力后的弯曲量，由c n c 系列进行补偿， 其分辨率为2 1 a m ，采样频率每秒1 5 次，这不仅提高了角加工精度，而且使加工速度比一 般的拐角对策提高6 0 ，现已运用到a c 2 0 7 0 系列机床上。 为保证加工的高精度，c h a r m i l l e s 公司的r o b o f i l 3 0 0 31 0 机床采用高质量的机床铸 件，滚柱轴承单程v 导轨，直流电机直接拖动，光栅位移全封闭。其进给系统设有超载 保护措施，此外还将运动轴全部移到立柱线架上，工件不动。这就有效地减少了因载荷位 置变化而可能引起的变形。另外机床基座采用人造花岗石，其绝缘阻抗高，不吸线切割液， 耐腐蚀，收缩率极小，弹性模量小而抗压强度高，谐振频率低，特别适合于精密机床的基 座。 s o d i c k 公司线切割机的重要部件如线臂支架、工作台面的定盘、工件支架、导丝机 构等均广泛采用精密陶瓷材料制作，实现了高刚性及极小的热变形。人造陶瓷由该公司陶 4 浙江工业大学硕士学位论文 瓷事业部开发生产，其电绝缘性极高，能长期维持线切割放电加工所要求的高绝缘阻抗， 稳定性非常好。三菱公司的机床也有类似的结构。由于电源小的电解作用，切割表面会产 生变质层，直接影响表面质量和加工精度。为了解决这个问题，s o d i c k 公司推出了b s 电源，既无电解作用的电源，可以提高工件表面的硬度，从而延长模具寿命。以上这些措 施均有效地保证了加工的高精度。 总之，为了保证加工的高精度，各公司无论是从机床本体的高刚性与稳定性结构、新 型材料的使用、温度的控制、拐角对策、无电解作用电源的应用，还是从微步驱动技术、 浸线切割液加工方式等方面均投入了巨大的人力物力，同时也取得了显著的效果。 在高自动化方面，3 2 位机的使用使运算速度大大提高，控制内容极为丰富【2 5 1 ，为用 户提供了更大的裕度。以三菱电机公司的机床为例，进给当量由0 5 1 a n 脉冲减至o 1 删 脉冲，控制轴由四轴增至六轴，程序存贮量由3 9 米纸带增至2 6 0 米纸带，程序号设定由 9 9 9 9 条增至9 9 9 9 9 9 9 9 条，等等。此外还增加了报警、起始孔计算、汉字显示、自动绘制 正在加工的图形、微小连接等2 0 个功能。另外，如a g i e 公司的a g i e p i c k 自动卸料机 械手，a a g i e j e t 自动预孔加工装量等附件的配备都使机床自动化更趋完善。 目前，国外线切割机还有向“不降低加工性能，降低造价”方向发展的趋势，如日本 兄弟公司的h s 3 6 0 0 型、f a n i j c 公司的o 【o a 型、s o d i c k 公司的3 0 0 w 型等机床，在这 方面都均有突出的成就【2 6 加。 电火花线切割机床技术的开发与研究日新月异，在日本、瑞士等高科技工业国家，均 对放电加工基础研究与技术发展投入大量的人力与研究费用，除了厂商自行研究外，并且 与大学中的放电加工研究者合作，例如瑞士c h a r m i l l e s 放电加工机制造厂商与比利时 卢文大学k r u t h 教授所领导放电加工研究团队的技术合作，日本s o d i c k 公司与日本东 京农业工业大学k u n i e d a 教授所合作的放电点检测的基础研究，西班牙o n a 公司与德国 亚琛工业大学机床研究所k l o k e 教授合作研发p v d 途层电火花线切割机床研发。 放电加工机床厂商、大学与研究单位的研究方向与研究主题主要如下： ( 1 ) 自动化结合c a d c a m 、c a p p 、人工智能与专家系统功能，实现智能型放电加工 机。 ( 2 ) 控制优化一新的加工电源与特殊电压、电流波形控制、适应控制和模糊与神经网络控 制，实现加工参数和加工条件等优化，提升加工效率与加工表面精度。 ( 3 ) 远程监控一局域网络监控、因特网远程监控与无线通信监控。 ( 4 ) 工作台精密化一主机本体结构的改进，采用热传导低、热膨胀系数小的材料，以及采 浙江工业大学硕士学位论文 用热对称结构、隔热和冷却补偿等措施，以减小热变形影响。 ( 5 ) 精密运动控制一采用线型电机直接驱动工作台，基于d s p 运动控制，具前反馈控制或 摩擦力补偿等精密定位或路径寻优控制。 ( 6 ) 放电加工特性研究一放电现象分析研究、断线检测与控制、放电热模式分析、线极振 动模式分析、隅角加工特性研究。 ( 7 ) 导电性陶瓷、难切削材料或新材料的放电加工。 ( 8 ) 微线切割放电加工、旋转工件线切割放电加工。 综合国内外控制器研究发展状况，未来控制器将朝向开放式、分布式框架发展，具有 高速、高精度运动控制能力、软件系统控制及网络远程监控功能与基于w i n d o w 或l i n u x 系统框架 5 , 6 , 2 8 1 。 1 3 研究主要目的 综合上述讨论，目前国产线切割放电加工机床c n c 控制器基本上是单c p u 框架， 在此种框架下所有控制器模块统一于单c p u 执行时，而且操作系统是d o s ，控制器发展 受到极大限制，目前国产线切割放电加工c n c 控制器有下列几项缺点： ( 1 ) 单c p u 控制器网络监控发展难度大。 ( 2 ) 单c p u 控制器受限于插值运算时间太长( 约5 1 0m s ) ，难以做到断线抑制。 ( 3 ) 软件各模块耦合性强难以发展开放式人机界面。 ( 4 ) 缺乏智能型监控与远程监控使得机器维护困难。 ( 5 ) 缺乏自动多重加工、自动隅角加工智能型加工等自动化功能。 对于智能型加工控制等自动化功能与远程监控等功能开发必须要一支持网络与实时 控制操作系统，目前国产线切割放电加工单c p u 控制器在系统发展上弹性受到限制，对 于线切割机而言，实时控制要求有运动控制、输入输出控制模块、放电状况监控与断线抑 制模块或放电电源控制模块，在单c p u 与w i n d o w s 平台下开发各模块功能会直接影响 实时控制性能，而且难以各别开发测试，w i n d o w s 操作系统上以此种单c p u 直接控制框 架开发第二代线切割控制器较为困难且限制新功能的研发。因此采用p c 与d s p 结合的 多c p u 控器最能符合新一代网络控制器需求，d s p 负责及时控制与信号检测。例如：运 动控制、输入输出控制、操作模式管理、图像信号处理或与加工有关的放电状况监控与断 线控制，可依据系统需要采取分布式控制，而具有w i n d o w s 操作系统的p c 则为系统主 要中心部份，负责网络监控、人机界面、工件程序解释。 浙江工业大学硕士学位论文 本文的目的在于开发基于d s p 机械逻辑接口控制与开放式人机接口，并结合实验室 已具备的操作模块与运动控制的技术，集成开发基于d s p 电火花线切割机床开放式框架 c n c 控制系统，此控制系统利用w i n d o w s 操作系统为基础，在友好性、自动化、整体 性人机接口设计开发一套容易操作且高性能的c n c 控制系统，进而提升机器的智能型监 控、远程监控与智能型加工控制等自动化功能。此c n c 控制系统系统包含开放式的基于 p c 机端中央监控系统与基于d s p 电控系统，主要功能特色有实时多任务窗口人机接口、 模块化软件框架、基于d s p 机电接口控制。 1 4 论文结构安排 本文的研究主题是基于d s p 电火花线切割机床c n c 控制系统的设计与开发。全文 共分为五章，第一章绪论介绍电火花线切割机床的c n c 控制器开发的重要性，并对本文 的研究目的进行说明和相关研究文献综述。第二章的内容为放电加工原理、电火花线切割 机床以及线切割放电加工的特性。第三章介绍电火花线切割机床c n c 控制系统、基于 d s p 机械逻辑控制接口模块的设计、开放式人机接口模块的设计与基于d s p 电火花线切 割机床c n c 控制器与整机系统的集成。第四章则说明实验设备与实验设计。基于d s p 电 火花线切割机床的整机测试，包含伺服系统测试、线切割液与线电系统控制、手动功能测 试以及加工实验。第五章就本文的研究内容总结，并提出展望。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章放电加工原理与电火花线切割加工机床 2 1 放电加工原理 雕模放电加工是将工具电极和待加工工件置于绝缘的线切割液中，以煤油为介质，并 在这两极端加上一直流电压( 近年为防电解作用与加工后工件锈蚀，已有交流的放电技术 出现) ，移动工具电极将两电极慢慢靠近，当两极问的间隙足够小的时候( 约5 - 5 0 l m ) ， 在两侧电极表面上的最接近的两个微小凸起点间，其电场强度最先超过线切割液的绝缘耐 压强度时，会在该处发生放电作用。线切割放电加工则是以去离子线切割液为媒介，并以 奎0 5 r a m 以下的黄铜、钨与钼等材料的金属线为加工电极，利用移动工作台将工件与电 极线慢慢靠近加工工件，当两极间的间隙足够小的时候( 约5 5 0 岬) ，在两侧电极表面 上的最接近的两个微小凸点间，其电场强度最先超过线切割液的绝缘耐压强度时，会在该 处发生放电作用 1 7 】。放电加工切削工件的方式则是利用此放电作用高频率的发生来产生 放电凹坑而达到加工的目的【3 0 1 。图2 1 为放电加工时在两极间所发生的放电效应口1 】： ( a ) 放电发生：放电开始时两极间充满绝缘介质液，由于电极渐渐接近，在两极加入的电 压，使电场强度增强导致线切割液绝缘耐压强度击穿，电子由阴极射出向阳极前进。此时 的瞬间极间距离即所谓的放电间隙。 ( b ) 电离作用：当运动中的电子撞到中性的绝缘液原子时，会将其最外层的电子激发出来 形成阳离子，是为电离作用。而电子数目将随之大为增加。 ( c ) 气化、熔融作用：由于电子、离子持续性的电离作用并向阴阳电极运动，当其与电极 撞击时，动能转换成热能，使电极产生高温而发生蒸发、熔融现象。 ( d ) 冲击压力产生，除去融屑：由于放电的高密度热能使极间线切割液激烈的气化膨胀， 其爆炸力冲击融屑，产生金属融屑去除效果。 ( e ) 放电痕的形成及极间恢复：放电后，关闭电极和工件间的外加电压，熔融屑被循环线 切割液排除，放电痕形成，间隙的绝缘耐压重新恢复，等待进行下一次的放电作用。 浙江工业大学硕士学位论文 口 _ 艘触燃 槛作用 冲击压力 的发生 屡 d ) j 哦缶压力的发生e ，敲电寂的形成 烙弛都飞敬除去及加工液复魇 图2 1 放电加工原理示意图( 上方表示阴极，下方表示阳极) 3 1 】 2 1 1 放电的基本转换过程 一般而言放电会有以下四种形式的转换过程1 3 0 3 2 】： 1 电晕放电( c o r o n ad i s c h a r g e ) 2 气体相放电( g a s e o u sd i s c h a r g e ) 3 金属相放电( m e t a l l i cd i s c h a r g e ) 4 电弧放电( a r cd i s c h a r g e ) 电晕放电和电弧放电在转换过程中是属于一种稳定放电，只要条件适当，可以连续维 持稳定而不改变，并且因为间隙的绝缘并未完全击穿，所以放电电流小，温度低，因此对 电极与工件不会造成太大的影响。气体相放电和金属相放电是属于过渡的放电现象，这两 种放电都是在间隙绝缘完全破坏时3 3 1 ，以过渡性质出现，而且仅以极短时间存在。随时 间的经过，则转变为稳定的电弧放电。电晕放电是由于间隙的绝缘耐压下降，但尚未完全 击穿，故放电电流小，温度亦低，因此对电极及工件并不会造成很大的影响，这就是霓虹 浙江工业大学硕士学位论文 灯的发光原理【刈。 随着放电时间的持续，放电转换为放电区域较宽的电弧放电，电流密度小、加工效率 下降，且加工粗糙度也较差。由上述现象可知，放电加工的放电要用气体相和金属相的短 时间过渡性放电，而尽量避免成长为电弧放电。因此现代电火花线切割机床( w i r e c u t e d m ) 通常使用晶体管动作开关的放电脉冲产生器的放电回路，可强制遮断电流，产生 高频的断续气体相与金属相放电避免转换为电弧放叫3 5 1 ，因此晶体管开关放电回路成为 放电加工的主要的加工电源。放电的四种转换过程如图2 2 。 图2 - 2 放电的四种转换过程 电 2 1 2 电火花的结构 放电火花是由阴极、阳极、电浆( p l a s m a ) 、阴极位降区和阳极位降区所组成。阴、 阳极位降区位于阴、阳极表面附近，而电浆则是产生在两位降区之间的气体，其中包含电 子、正离子和中性原子。其温度约在6 ，0 0 0 到1 0 ，0 0 0 c 左右。阴极供应电子，以便产生 电流。电子的产生有两种情形，一是阴极必须有足够的热量激发，另外一种是阴极附近正 离子的吸引以便使电子从阴极跑出。阴极释放电子，并与阴极附近的正离子形成一位降区， 此一位降区极薄，仅足够加速电子撞击阴极附近的原子，使之离子化。正离子和电子受电 场的影响而产生反向运动，最后分别撞击阴极和阳极，因能量传递的缘故，使放电点产生 高温而熔融或气化，不同材料特性在不同电流波形下有不同的能量密度函数，能量从电浆 通道( p l a s m ac h a n n e l ) 传入金属内部，在金属表面产生相位改变( 熔解与沸腾) 【3 6 l 。此 位降区的压降视材料而定，从铜的1 2 v 到石墨的2 5 v 不等。 当极间电流不大时，电子被阳极吸引且迅速吸收，因无法滞留在阳极附近，故不能与 阳极表面的正电荷形成位降区。然而当电流足够大时，阳极因温度升高而气化，此气化原 子会干扰电子进入阳极。这时，阳极位降区便可形成。气化的原子中有些被离子化。电子 浙江工业大学硕士学位论文 被阳极加速而撞击阳极，使阳极熔融或气化。阳极位降区的压降约在0 v ( 位降区不存在) 到4 0 v 之间，当施加的放电流较小时，电极应接阳极，工件则接阴极，我们可以控制电 流使阳极的位降为0 v ，使电极工具的消耗为零，或低消耗，此种接法称为正极性；当施 加的放电流较大时，电极应接阴极，而工件改接阳极，由控制电流的大小使阳极位降在0 v 到4 0 v 问，虽然电极会消耗，但却因而可控制加工物粗糙度，此种接法称为负极性， 电火花线切割机床的线电极是可消耗的，且大电流可以提高加工速度，故常采用此种接法。 关于放电电源的正负极性接法，极性的选择主要是以工件表面粗度、金属去除量等因 素考虑p 7 1 。一般而言，电火花线切割机床均采用负极工具电极( c a t h o d et o o le l e c t r o d e ) 方式，即电极接阴极，而工件接阳极。此和雕模式放电加工法大不相同。雕模式放电加工 法主要的加工性质中，电极消耗比为加工重要性能指针( 影响工件形状精度极大) ，尤其 两电极材质相同，如铜对铜或钢对钢的放电加工。因此一般雕模式放电加工采取正极工具 电极方式。 依据研究指出阳极电压降与电浆电流密度( p l a s m a c u r r e n t d e n s i t y ) 成正比，而电浆 区的电场梯度( g r a d i e n t ) 明显小于两位降区【3 煳，因此对电子的作用主要是来自两位降 区的影响，而利用两位降区的压降差异的特性，可达到电极低消耗的目的，即当施加的放 电流较小时，电极应接阳极，工件则接阴极，使电极为零或低消耗，此种接法称为“正极 性接法”；当施加的放电流较大时，阳极位降区产生0 v 到4 0 v 间的压降，因此电极应接 阴极，而工件改接阳极，则可以控制电流大小，因而可控制加工物粗糙度，虽然电极消耗 率高，但是工件去除量更高，此种接法称为“负极性接法”。通常，电火花线切割机床的 线电极是消耗性的，故常用此种接法以提高加工速度。图2 3 为放电火花的结构图。 阴 阴极压 一放电间隙宽度一 图2 3 放电火花的结构图 浙江工业大学硕士学位论文 2 2电火花线切割机床 一般而言，一部电火花线切割机床包含电箱( c n c 控制器与电源系统) 、工作台( 五 轴伺服电机与线电极系统) 与线切割液循环系统。如图2 - 4 所示，为方便明确各部份组 件，将本机床分为五大系统：即c n c 控制系统，工作台驱动系统，线电极系统，线切割 液循环系统及放电电源系统。 放 工作台驱动系统 图2 - 4 电火花线切割机床系统示意图 线切割液循环系统 2 2 1c n c 系统 电火花线切割机床控制器主要功能是执行加工路径的插补值演算，适时发出运动命 令，驱动各轴伺服系统与驱动器，同时在运动的过程中做进给误差的补偿。并通过人机接 口与操作者做加工设定。加工状态消息的沟通及交换。硬件设备主要包括中央处理器 ( c p u ) 、内存( r a m ，r o m ) 及运动控制输出输入控制轴卡三部分。 2 2 2 工作台驱动系统 c n c 控制器在计算出每一轴所需要的进给量及进给速率之后，将这些信息转换为一 连串的脉冲信号；脉冲的数目代表进给量而频率代表速率，并经由伺服驱动转换器，将此 一连串的脉冲信号转换为相对应的电压信号，再送到伺服电机以驱动电机运转，进而带动 工作台做轴向运动。 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 3 线电极处理系统 电火花线切割机床的线电极相当于一般机床的刀具。线电极驱动系统的目标是使线电 极能均匀稳定地向工件运动，以得到稳定加工的装置。其组成包括：供给线轴、滑轮、制 动轮、夹止轮、断线检测装置、导电块、线导引件及卷动轮等。主要功能有输送线电极、 供给线张力、断线检测、导引电能及拘束线电极。 2 2 4 线切割液循环系统 电火花线切割机床通常使用去离子线切割液作为线切割液，其作用有下列四种：( 1 ) 恢复两极间的绝缘；( 2 ) 产生气泡以喷出融屑；( 3 ) 冷却放电部位：( 4 ) 冲走加工屑。去离子 线切割液是将纯线切割液通过离子交换树脂，除去线切割液中的离子而得的【3 7 1 。一般以 比电阻值作为其纯化的度量。常用的比电阻值约在1 0 k 至1 0 0 k q e 册之间，其大小会影 响工件的放电间隙宽度、表面粗糙度及加工速度等，尤其是影响微细加工质量的重要因素。 一般微细加工时是要求线切割液的绝缘特性要较高，即高比电阻值m ，4 1 】。 线切割液循环系统主要组件有高压与低压泵、过滤器、纯线切割液器( 离子交换树脂) 、 比电阻控制及检测器、槽体及冷却器。为了提升加工精度，避免工件受线切割液温的影响， 需借助冷却器将线切割液温保持一定。 2 2 5 放电电源供应系统 放电加工代表性的放电回路有三种：( a ) 电容器放电回路；( b ) 附有晶体管控制的电容 器放电回路；( c ) 晶体管放电回路，由于晶体管放电回路稳定且容易控制放电作用时间， 因此此种放电电源控制方法应用较多【4 2 】。 电容器放电回路：该回路是通过充电电阻对电容器充电，再将电荷放电的加工方式， 由于无开关回路，且电源与电极间借着电阻相连，如若缩短放电间隔，则必须在先前放电 后，加快下一次再充电，如此容易因极间的绝缘未完全回复以前，电流再流入，造成电弧 放电，由于本身放电特性的限制，放电条件无法做大范围的变化，也是它的缺点。该回路 为早期放电火花所采用，就是俗称的r c 回路【4 3 1 。 附有晶体管控制的电容器放电回路：是将上述电容器放电回路的充电回路部分加入晶 体管开关组件，使电源与电极间可由开关回路予以隔绝，强制阻断放电电流，防止极间未 回复绝缘状态下电流流入，可减少电弧放电发生，并提高放电效率。 晶体管放电回路：是由直流电源通过开关用的晶体管与电流限制用的电阻连接于极间 浙江工业大学硕士学位论文 的回路，由于设有开关回路，可强制阻断放电电流，抑制电弧放电，并缩短放电间隔，而 且极间的绝缘回复j 可经由无负载电压的确认，提供为极间状态的检查，调整适宜的放电 停止时间，以提高加工效率。由于电容式回路的电流变动很大，很难如所需电流值进行加 工，加上近年来随着晶体管性能的提高，晶体管放电回路成为电火花线切割机床的电源主 流。 一般放电回路可以提供电压的范围是8 0 - 2 7 0 v 。若以放电持续时间区分，有以下两 种不同的电源供应型式4 5 1 。 等频率放电的电源：连续的放电皆具有相等的周期，也就是放电延迟时间( i g n i t i o n d e l a yt i m e ) 与放电持续时间( d i s c h a r g ed u r a t i o n ) 之和与放电间隔时间( p u l s ei n t e r v a l t i m e ) 是固定，即为等频率放电( i s o f r e q u e n c y ) ，此种