本科毕业论文开题报告——慢走丝自动穿丝机构.docx

华中科技大学毕业设计（论文）开题报告一、课题的来源本课题来源于广东省2011年省部（省院）产学研合作专项资金重大科技专项慢走丝精密线切割机关键技术及系列化装备研发。二、课题目的与意义电火花线切割加工方法自问世以来，得到了迅速的发展，现在已成为机械加工领域的一个极为重要且在某些方面不可替代的加工手段，在国防、医疗、化学、仪器仪表工业等领域得到广泛应用，目前国内外的线切割机床约占电加工机床的60%以上。电火花线切割加工分为快速走丝电火花线切割加工(WDEM-HS)和慢走丝电火花线切割加工(WEDM-LS)。快速走丝线切割机床是我国独创的电火花线切割加工模式，国外以慢走丝线切割机床为主。快速走丝具有结构简单，生产成本和使用成本低廉，有利于改善排屑条件，适合于大厚度和大电流高速切割，加工性能价格比优异等特点，在国民经济尤其是模具制造业发挥了巨大的作用；慢走丝具有加工精度高、效率高和表面粗糙度小的特点，适用于精密模具和精密机械零件的加工。随着科学技术的不断发展，复杂形状、难加工材料的精密机械零件不断出现，对此快走丝线切割机床因结构局限性不能满足高精度加工要求，必须用慢走丝线切割机床进行加工，国内市场对慢走丝线切割机的需求逐步增长。近年来，虽然我国在引进、消化、吸收的基础上，开发并生产了慢走丝电火花线切割机，但与国外还有一定的差距，必须加强对低速走丝线切割机的深入研究。走丝机构是电火花线切割加工的重要组成部分。加工时，走丝机构要保证电极丝运动过程中不发生断丝甚至振动，还要保证穿丝简单快速，满足高效生产的需要。走丝控制系统主要对电极丝运行速度和所受张力的稳定性进行控制，在加工时可以获得很高的加工精度和较高的表面质量。实践证明，当电极丝在切割加工过程中始终保持某一恰当的恒定速度和恒定张力，可使丝抖动最小，在其他加工条件不变的情况下可提高加工精度。三、国内外慢走丝线切割加工及走丝系统的发展现状慢走丝线切割加工技术国外研究比较早，技术也比较成熟，国外慢走丝线切割机床生产厂家著名的有瑞士的夏米尔和阿奇公司，日本三菱电机、牧野和沙迪克公司，他们自20世纪70年代研制成功并生产慢走丝线切割机床，现在基本占领了大部分国际市场。国外开发和生产慢走丝电火花线切割机床共分为顶级、高档和中档三个档次。顶级慢走丝电火花线切割机代表了目前的最高水平，如瑞士夏米尔公司的一系列、日本三菱电机公司的AP系列、日本牧野公司的UPJ-2等，这类机床的最大特点是加工精度很高。在走丝系统方面，电火花线切割行业一直进行丝张力控制的研究，瑞士Charmllies公司除了采用V形滚轮导丝器外，其它如在丝张力装置、丝传动装置、自动穿丝、三维找正等方面都采用了非常先进的技术，使走丝双丝系统的功能日臻完善。双丝切割是瑞士CharmllelS公司首先开发的高效加工技术，双丝切割机在自动断丝、自动换丝、自动穿丝技术的基础上开发的。LSWEDM的双丝切割技术在充分利用最大切割速度的基础上，可大幅度提高平均切割效率，总体可节省30%一50%的切割时间。目前，日本三菱电机的PA05S型超高精度电火花线切割机采用的直径仅为小0.02mm电极丝进行微细精加工，并开发出细电极丝的自动穿丝装置(AT)s及预防断丝的张力控制机构(T)s，闭环控制张力值，可以0.05N为单位改变张力。我国慢走丝线切割机床的研制与生产直到20世纪80年代才开始，生产厂家很少，代表性的厂家是苏州沙迪克三光机电有限公司、北京阿奇工业电子有限公司、苏州电加工机床研究所、汉川机床股份有限公司。苏州沙迪克三光机电有限公司生产的机床，在本体部分，采用工作台固定而立柱移动的形式，由于伺服电机的负荷变成了恒定负载，提高了运行的定位精度。运丝系统由日本进口的伺服马达、磁粉离合器、收丝马达等组成，可准确地调整因微小抖动而带来的走丝系统的不稳定，保证走丝系统的平稳。北京阿奇工业电子有限公司生产的慢走丝线切割机床主机刚性强，热稳定性好，自动冲液采用变频控制，切割效率高。汉川机床股份有限公司的线切割机的导轮由高精度宝石导轮和高精度球轴组成，导丝机构精度高，运丝平稳，工作液箱装有两级过滤网，实现精细过滤，走丝机构实现五级调速，能适应不同厚度的材料加工。但是，国内生产的慢走丝线切割机床，主要的核心技术仍需借鉴国外的技术，关键的零部件也要引进国外的零部件，目前在机床性能、加工精度、加工稳定性等方面与国外相比还有很大的差距。加工精度一般在5m，加工表面粗糙度Ra0.5m，加工效率一般在170-180mm2/min。在走丝控制系统方面国内也进行了一些研究，如清华大学的韩福柱等为了提高走丝系统的性能，设计了一种新型的恒张力走丝系统，设计方案采用DSP作为整个走丝系统的控制器，用直流伺服电机控制电极丝的张力，用角度传感器测量电极丝张力的变化，取得了较好的效果。四、课题内容、方案及措施慢走丝线切割机的走丝控制系统研究主要分为三部分:一是对速度轮电机的恒速度控制，在走丝系统中，速度轮电机的速度决定了电极丝的运行速度，因此要对速度轮电机进行恒速控制;二是对电极丝的恒张力控制，在慢走丝线切割机加工过程中，由于电极丝受放电作用力、静电引力、电磁力以及走丝过程中摩擦力等的影响，其张力值是有波动的，导致加工精度受到影响，因此电极丝的张力要保持一定，即对电极丝进行恒张力控制。三丝能在短丝后，走丝系统能自动穿丝，减小工人的劳动强度，提高机床的效率。其主要技术路线和技术方案如下:1）走丝控制系统研究在数控系统的平台上，结合数据采集卡来建立的功能模块为系统输入输出，以数字交流伺服电机为执行元件，以张力传感器的电压变作为张力反馈的闭环张力控制，以伺服电机的光电编码器输出脉冲变化作为度反馈的闭环速度控制系统。在走丝系统中，速度轮电动机以恒定速度运转，它的速度决定了电极丝的运行速度，因此对速度轮电动机的控制是恒速度控制，调速系统采用转速闭环系统。控制框图如下图1所示，其控制方式采用了PID控制。图1 走丝系统控制恒速控制框图电极丝的张力控制是通过对张力轮电动机的转速控制来实现的，张力轮电动机的控制是闭环控制，张力传感器的输出信号为电压信号，输出的电压与所受到的力成正比，检测值与张力给定值比较反映了电极丝张力的变化情况，因此，保持张力传感器的张力恒定即可实现对电极丝的恒张力控制。控制图如图2所示。图2 走丝系统恒张力控制框图2）机械、检测电路设计包括丝轴部分、张力轮机构、速度轮机构、导向轮部分和断丝检测机构等几部分组成的走丝系统的机械装置，设计适合走丝控制系统的多路稳压电源、继电器电路、断丝检测电路和可调恒流源电路等硬件电路部分。速度控制方案为交流伺服电机闭环控制;张力控制方案为双机转速差加载式。走丝控制系统组成原理如图3所示。使用PC机为控制系统，以高性能、高可靠性的数据采集卡建立的功能模块为系统模拟电压输出，以新型张力传感器的电压变化、交流伺服电机的速度反馈为输入，形成对系统速度张力的闭环控制。图3 走丝系统组成原理图走丝系统的恒速控制原理是速度轮上的交流伺服电机在转动过程中，伺服电机上的光电编码器就会发出脉冲，单位时间内发出的脉冲与电机的转速成正比，发出脉冲的数量由高性能、高速数据采集卡上的8253进行计数，通过计算即可知道转速，通过与设定的速度值进行比较，最后通过预定的算法程序由PC机系统发出速度指令，经过采集卡的D/A转换输出模拟电压信号到伺服驱动器，驱动速度轮上的数字交流伺服电机，控制速度轮的转速形成对电机转速的闭环控制。3)走丝控制软件编写用于走丝控制系统的A/D转换、数字滤波、PID调节、D/A转换等控制应用程序，开发走丝控制系统的控制软件。 走丝控制系统成功将复杂的系统模块化，建立了A/D模块、数字滤波模块、四则运算模块、PID调节模块、转速测量模块、D/A模块等。系统基本开发了PCI数据采集卡的功能，有利于走丝控制系统以后的升级。根据高中档慢走丝线切割机的特点、控制和加工要求，走丝控制系统软件应具备如下图4所示的功能。图4 走丝控制系统软件框图(1)走丝。走丝状态是加工状态，也是程序执行时间最长的状态，是主要执行程序。(2)穿丝。当发生断丝或加工有穿丝预孔的工件时，都需要按走丝路线重新穿好电极丝。(3)停止。在这种状态下，系统可以从走丝和上丝状态退出，并且保持伺服电机锁死，以及磁粉制动器的制动，为下一步工作做准备。(4)断丝。检测切割加工过程中，有时因为脉冲电源电流过大，加工短路，或其他异常状况，都会引起断丝，断丝后，首先执行中断，切断脉冲电源，停止伺服进给运动，停止走丝，保存断点数据，以便重新启动后程序从断点运行，并发出报警信息。走丝控制系统除了能完成上述功能外，还要协调整个控制，需要把整个系统连接起来，成为一个有机的整体，这样才能采集外面的数据来控制伺服电机实现恒速恒张力的控制，并实现数据的存储和输出。4）自动穿丝机构研究一种以高压气体为引导媒介的自动穿丝机构，并利用空气动力学理论对该机构的工作原理进行分析。通过应用流场的基本压力、速度分布公式来求解电极丝在流场中的受力情况，进而得出电极丝保持水平运动方向而不会触及管壁的条件。再用流体仿真软件进行仿真，并通过对数据的处理，分析了高压气体引导穿丝的可行性和内在规律。自动穿丝机构主要包括：送丝轮、高压气体喷管、喷嘴、夹丝带轮、拉丝轮。穿丝过程描述为：穿丝轮驱使电极丝通过高压气体喷嘴进人工件孔，锥形喷嘴中产生高压高速气体引导电极丝通过工件孔，再由夹丝带轮将电极丝送到拉丝轮完成整个穿丝过程。在穿丝过程中，电极丝在送丝轮的作用下，进入工件孔中。锥形喷嘴产生的高速气流环绕在电极丝周围，包裹电极丝以防止其接触到工件孔发生卷曲。电极丝由于重力作用会发生弯曲，造成与弯曲电极丝接触部分气流速度降低，从而导致该处静压升高，产生上下表面的压力差，在该压力差的作用下重新使电极丝回到工件孔中心的平衡位置，并维持动态平衡，最终达到保证电极丝通过工件孔而不会与工件孔壁接触的目的。图5 走丝控制系统流程图5）试验改进通过对走丝实验系统进行测试，提高整个五、课题任务要求1、学习慢走丝线切割加工原理和方法，开展调研工作2、查阅相关中外文献，完成翻译任务，写出论文综述3、完成总体方案图和方案优化4、完成慢走丝线切割机走丝系统的装配图、零件图5、完成毕业论文六、课题研究进展计划上学期：18-19周 明确设计任务及要求，现场参观学习18-20周 查阅文献资料