基于PIC的线切割机控制部分设计

1、基于基于 PICPIC 的线切割机控制部分设计的线切割机控制部分设计 design of the Control system of Wire cutting machine based on PIC 江苏科技大学苏州理工学院本科毕业设计（论文）I摘要摘要 随着对产品性能和加工精度要求的不断提高，线切割加工在机械加工领域中的地位口益突出。而 PIC 控制系统是线切割机床的核心部分，其性能直接影响机床的加工质量和加工稳定性。而我国在线切割加工数控技术的研究与开发方面尚处于起步阶段，国内的线切割机床与国外先进的低速走丝机床相比，在结构、工艺和数控技术等方面仍有一定差距，但仍非常适合于加工中等精度和

2、表面粗糙度的零件或模具。因此提高线切割加工性能的研究对加快我国制造业的发展有着重要意义。线切割加工具能适合各种特殊性能的材料和各种复杂表面工件的加工，本文在参考大量文献的基础上，对线切割机加工工艺的背景及其意义做了各方面的了解，简要的介绍了线切割精密、薄壁以及低刚性零件的加工。本课题属于企业技术制造项目。根据课题要求，提出了应用单片机实现对线切割机对工件进行切割的控制，完成了各种硬件电路的设计。本文在总结实践的基础上对加工工艺的基本组成、工作原理进行分析，并对脉冲电源的软硬件进行设计，以及实现 PIC 对线切割机的控制。关键词：关键词：线切割机 PIC 江苏科技大学苏州理工学院本科毕业设计（论

3、文）IIABSTRACT As the unceasing of product which performance and machining precision requirement enhancement, wire-cutting processing became prominent in the field of mechanical processing. PIC is a central part of wedm control system, its performance directly affect the machining quality and the stab

4、ility of the machine tool. ,But our country numerical control technology research and development is still in its infancy in terms of wire-cutting processing. here is still a certain gap comparing with foreign advanced low-speed wedm wire walking machine, in such aspects as structure, process and CN

5、C technology t, but still is very suitable for secondary machining precision and surface roughness of parts or moulds. So wedm research still has important significance to accelerate the development of Chinese manufacturing industryWire-cutting processing is suitable for various special properties o

6、f the materials and all kinds of complex surface and subtle, precision parts, thin wall and low rigidity. This topic belongs to the program of enterprise manufacturing technology . According to project requirements, The application of single chip microcomputer was used to realizes the control of the

7、 line cutting machine for cutting workpiece, completing the hardware control circuit board production.this paper basis on the practice and summary which reference large number of literature in the wire cutting machining process and the background as well as the significance of all aspects of underst

8、anding, wedm processing technology And a working principle as well as PIC single chip microcomputer system structure, was introduced briefly . this paper focuses on analyzing the composition of control system, and realize the PIC control of wire cutting machine.Key words：WEDM PIC 江苏科技大学苏州理工学院本科毕业设计（

9、论文）III目录目录 第一章第一章 绪论绪论-11.1 课题研究背景及意义-11.2 国内外研究现状及发展方向-1 1.2.1 国外发展现状-11.2.2 国内研究现状-41.2.3 我国线切割加工机床的主要任务及发展趋势-61.3 本文主要研究内容-7第二章第二章 电火花线切割机床电火花线切割机床-82.1 线切割机基本组成部分-82.2 线切割机分类-82.2.1 按照加工轨迹的控制方法分类-82.2.2 按照电极丝移动方式分类-92.3 线切割机加工特点-92.4 线切割加工的基本原理-102.5 线切割加工物理过程-11第三章第三章 线切割加工的基本规律线切割加工的基本规律-133.1

10、 影响切割速度的主要因素-133.1.1 脉冲参数对切割速度的影响-133.1.2 非脉冲参数对切割速度的影响-143.2 影响加工精度的主要因素-153.3 影响加工表面质量的主要因素-163.3.1 影响加工表面粗糙度的主要因素-163.3.2 影响切割条纹的主要因素-173.4 影响电极丝损耗的主要因素-183.4.1 脉冲参数-183.4.2 脉冲波形-19第四章第四章 线切割控制部分硬件设计线切割控制部分硬件设计-214.1 单片机系统的硬件设计-214.2 功率输出电路设计-25第五章第五章 线切割控制部分软件设计线切割控制部分软件设计5.1 MPLAB IDE 简介-275.2

11、单片机程序设计-275.3 部分主程序 -28江苏科技大学苏州理工学院本科毕业设计（论文）IV第第 6 6 章章 结论结论-356.1 课题总结-356.2 课题展望-35致谢致谢-36参考文献参考文献.37江苏科技大学苏州理工学院本科毕业设计（论文）1第一章第一章 绪论绪论1.11.1 课题研究背景及意义课题研究背景及意义 线切割加工，简称 WCEDM，它是于 50 年代末在电火花加工基础上，并在前苏联之后发展起来的新工艺。半随着中国成为世界的制造业大国，知名线切割机床公司在中国设立了分公司，比如瑞士 AGIE 公司在北京成立的阿奇工业电子有限公司，日本 SODICK 公司和苏州三光集团合作

12、而成立的苏州迪克三光机电有限公司，CHARMILLS 公司成立的北京夏米尔机电有限公司，这些公司制造出来的线切割机价位低，几乎占据了我国的线切割机的全部市场。在这一严峻的竞争趋势下，开发具有精度和技术含量高的高附加值第二代线切割机势在必行，同时提高产品价值，和产品在市场中的竞争优势。随着工业生产的迅速发展和制造技术的日新月异，线切割技术机技术已经成为机械制造等领域的一种重要材料加工技术。线切割技术是通过正负极两电极间的脉冲放电，利用电蚀原理来对工件材料进行加工的。线切割加工本身具有无切削力和工件材料的硬度对材料的可加工性的影响不太大等优点，所以线切割适合各种各样的特殊性能的材料以及各种复杂的表

13、面及微细、精密、薄壁的低刚性材料零件，所以它可以广泛的应用于航空、家电、电子、轻工、汽车、电器等领域，特别在模具的加工行业中也得到了广泛的应用。随着模具行业的迅猛发展，这对线切割技术有了更高的要求，从而这也使得电火花线切割技术在这一环境下得到进一步发展，也使得线切割的高新技术产品能够不断的涌现出来，带动产品的产量数量和质量不断的增长。现在，在国际的市场中线切割机的销售数量大约 8000 余台，这其中瑞士生产的线切割机占 18%，日本占为52%。而随着我国生产的不断发展，线切割机床拥有量已达到了五万多台，处在世界首位。这其中大约有 90%是高速走丝线切割机床(HS-WEDM )，它已经对推进我国

14、机械行业的发展起到至关重要的作用。1.2 国内外研究现状及发展方向国内外研究现状及发展方向1.2.1 国外发展现状国外发展现状江苏科技大学苏州理工学院本科毕业设计（论文）2一些代表国外低速走丝线切割机床的制造商家主要包括瑞士的 Charmilles 和Agie 公司以及日本的 Sodick 公司等等,自 20 世纪 70 年代他们研制成功并且生产了低速走丝线切割机床以来，现在这些公司已经基本上占居了大部分的国际市场。作为生产领域的需求与日俱增的线切割加工技术,近年来国外线切割机床加工的步行系统,自动化和人工智能技术,微电火花线切割加工等关键技术取得了很大的新进步。国外低走丝线切割加工零件速度的

15、最高值一般可达到 315-345mm/min，工件的加工精度约为 2um，加工工件的表面粗糙度小于 0.3um，这是随着产业链不断完善与技术的不断革新取得的成果。三菱电机公司对外声称在加工工件时稳定的处理速度是 325 /分钟;因此国内的低速走丝线切割机床加工工件的速度与国外的相比仍然存在相当大的差距，,比如北京,夏天轧机 WE1 机床公司,它的处理速度是每分钟 150 - 210mm。为了达到高速度和高精度的低速线切割机的标准,夏米尔公司又推出了Robof1l2030si 型号的自动转换的线切割机床,并且它也是自动切换的双走丝系统的线切割机，粗加工的金属丝直径为 0.25 毫米和峰值电流较高

16、的脉冲电源进行切削;精加工是一个直径为 0.1 毫米的金属丝,他是精规准高精度与低粗糙度配合起来切割的、让两套走丝系统其各自独立运行,在粗加工完成以后,自动断线熄灭,精加工系统穿丝绸总共用了 45 秒来完成整个过程,据介绍加工效率总共提高了 200%。节省了大约 30%的穿丝绸时间，而且它还可以切割工件直径为 0.06 毫米的小拐角零件。虽然双走线切割机结构相对复杂,机器 5 -10%的投资增加,但效果是非常显著的,能够很快得到回报。目前低速度线切割机自动送丝的成功率几近 100%,一般采用把电极丝的端头拉长变细变硬和添加高压水炮的措施来使得金属丝的直径为 0.03 毫米,其穿丝孔的直径为 0

17、.05 mm 也可以进行穿丝绸,比如日本沙迪克公司的高速自动机线切割穿丝装置、循环穿丝的时间也仅仅只是 13 秒而已,且其成功率几近 100%,并且带有必须的穿丝张力传感器用来检测，避免出现意外走线穿丝的情况。日本的三菱电机公司的线切割机穿丝装置其自动穿丝时间大约为 10 秒钟,也能够进行线切割断点穿丝,和直径为0.03 mm 的穿丝。日本的沙迪克公司集中了从成立以来的积累的主要技术研发，在第七届北京的国际机床展览会上在,推出了 aqssol 线性电动机控制低速线切割机床,因为它与主轴直江苏科技大学苏州理工学院本科毕业设计（论文）3线电机驱动在同一部位,没有用螺丝连接,也没有反弹,准确性高，实

18、现了移动高响应、高跟踪效率和高精度的位置控制,防止断丝现象的出现,它因此可以保持稳定的最佳放电加工状态和提高放电加工效率以及加工精度,克服在线切割时在工件表面出现过多条纹。迪克公司成功研制了直线电机驱动的数控线切割线切割加工机床如图 1.2.1 所示,生产具有高速度与高精度为一体，高的稳定性的实用型机床。采用便于操作处理CaoMen 滑动式和连接的时间只有 9 秒左右的超高速 AWT 装置,赢得了广大客户们的广泛好评,在线切割机的销售中成为最好的销售机型。这台机器是世界上居于领先地位的线切割机，与线性伺服电机的滚珠丝杆传动机构相比,它实现了具有高响应能力以及定位精度的优点。由于它没有失贞也没有

19、磨损,是“LN1W”,实现高速度与高精度加工的有效。使得线性伺服电机具有很高的响应能力,提高了两次加工时对象工件表面的粗糙度，以此充分的实现了精加工工件中的高真圆的效果。独特的线切割机的张力伺服机制有效的实现了自动连接，时间为 9 秒，它的周期为 14 秒。图 1-1 数控线切割机床该种机床具备了自动穿线和自动剪线以及坐标旋转、多次切割的众多功能，从而成为了具有世界上最先进水平的高性能的慢走丝线切割机床。除此以外，该机床还具有直线电机驱动的准确定位系统，从而可以有效的提高线切工件的过程中的接线率。这种线切割机在国内还尚未广泛使用，因为其话费的成本相对于快走丝切割机的价格高出许多。 在国外,具有

20、低速的钢丝切割机床自动控制功能强而且其控制内容非常丰富,简单的输入值也变得越来越简单化,比如智能控制以及模糊控制系统等等,他们包括了自动选择和自动编程的处理功能,能够自动寻找，且垂直自动送丝的能力，以及穿丝后自江苏科技大学苏州理工学院本科毕业设计（论文）4动寻找正垂直度和加工工件的中心的位置，在切割时能跟踪检测切割的工件时消除切割工件的拐角处电极丝滞后以及弯曲等,操作员只需要输入被切割工件材料的厚度以及工件加工形状尺寸、粗糙度等。它就可以自动的生成加工工艺的电规准,自动化处理；有的还可以用图形扫描输入，比如夏米尔公司和阿奇公司的穿丝导套,不但不会改变铜丝直径变化而且还可以调节以及自动校准后就自

21、动打开穿丝垂直度和加工中心,也可以跟踪检测出切割、消除电极丝切割和弯曲的角落,以此来保证滞后切割效率和质量,一般可以采用调整电极丝张力以及改变切割的轨迹等措施。例如三菱电气公司的线切割机床的切削厚度（切割、裁剪、步骤等)变时化,可以自动的调整参数,提高了切削的效率,削减了角落控制方法相结合的位点和能源。1.2.2 国内研究现状国内研究现状(1) 机床品种多样化。 多年来我国产生的数控线切割机一直都是单一的高走丝线切割机，近期为了满足市场的需求，也开发了自动旋转式电火花线切割机，电走丝速度可调的电火花线切割机，以及低走丝线切割机等。机床品种的多样化可以满足广大用户的需求。高走丝线切割机是我国发展

22、的主要产品，广大科研工作者为了进一步提高工艺水平并开发了能实现多次切割的中走丝线切割机，满足了广大用户的需求，其年产量稳步增长，至 2007 年已经突破每年 3500 台。并且有每年 500 台出口国外。 低走丝线切割机过去完全靠进口，现在已经有苏州的三光科技有限公司，以及苏州的电加工机床研究所和上海通用控制自动化有限公司等多家制造厂自行开发。年产量大 800 多台。自旋式电火花线切割机和低走丝速度可调的电火花线切割机目前虽然处在开发阶段，产量也不大，但是他们的开发思想是借鉴高低走丝二者的优点来创造一种新型的电火花线切割机。他可以像高走丝那样在乳化中细钼线在切割加工区往返运行加工，保留其排削条

23、件好的优点，同时又能像低走丝那样平稳的运行，获得更光滑的切削表面。这是一件十分有意义的事，它不仅能够为我国电火花线切割机增加一个新的品种并以它性价比好以及加工消耗低的特点找到他的自身适用范围。(2) 高走丝系统日趋完善高走丝系统有助于工作液进入狭小的加工区，改善排泄条件，这对于加工大工件及提高切割机的加工速度具有很重要的意义；同时，电极丝的往返运动可以使电江苏科技大学苏州理工学院本科毕业设计（论文）5极丝重复使用，减少电极丝的消耗，降低切削加工的成本。然而高走丝电火花线切割机也有可能造成导向器的磨损和系统的震动，加上电极丝的张力不容易控制，它将给加工工件的精度和表面的质量带来重要的影响。为了解

24、决高走丝所存在的问题，以及完善高速系统，广大的工作者已经做了大量的研发工作，并获得了明显的效果。电极丝的张力也直接影响电极丝的振动频率，从而影响线切割的加工效率。为了使高速系统更加恒定，华中理工大学开发了一种高走丝线切割机，而且可以保证和反向移动时电极丝的张力基本一致。因此走丝的上下支架的导轮是一致的。(3) 数控技术的进一步发展 我国高走丝线切割机在完善单片机和单板机控制系统的基础上开发生产了基于 PC 机的数控系统，近几年已经有不少厂家在市场上推出了自己开发的系列化 PC机控制的电火花线切割机。 基于 PC 机的数控系统不仅具有自动编程的能力而且都采用了 ISO 和 3B 兼容的代码格式，

25、有助于向国际化标准靠拢，提高我国线切割机在国际上的竞争力。 绘图式自动化编程已经得到了广泛的应用。目前所采用的自动化编程系统，只要按照图纸的标准尺寸输入，就可以自动生成电火花线切割加工程序，系统本身具有图形编辑，几何求解以及丝径补偿等功能。广东高成公司以及长沙二机床的产品还可以配备激光扫面作为图像输入装置，对图像复杂的零件输入特别方便。PC 机的内存容量很大，运行速度快速，为广大数控系统功能创造了条件。目前国内几家有影响力的线切割制造厂商都配有数字脉冲电源，并建立了工艺数据库，还有的可以实现一定程度的智能控制，有助于实现加工的稳定性更好的发挥机床性能。(4) 现在制造技术在电火花加工中的广泛应

26、用。 激光作为一种现代技术，目前在电火花线切割领域用于加工表面激光热处理和编程时的图形输入扫描，有的已经用于精密的丝杠测量。激光测试精度高，不仅提高切割机的制造精度，还可以用激光测量所获得的数据与数控相结合进行丝距随机补偿。 线切割加工过程控制，历来都是根据传统的控制理论建立一个输入量与输出量的函数关系来进行控制。但由于电火花线切割是一个复杂的系统，就其加工效果而言，就受到的脉冲数和机床的几何精度及走丝系统的稳定性，工作液的成分及注入江苏科技大学苏州理工学院本科毕业设计（论文）6方式，工件材料的物理性及厚度等多种因素影响，其随机性很大，因而难以用一个精确函数关系式来反映输入量与输出量 线切割加

27、工的 CADCAM 技术得到进一步完善。经过多年的研究，我们的线切割已经能够利用计算机进行零件的绘图以及自动编程。近年来有把 CAD 与 CAM 各个模块集中在一起，形成了一个从图形输入到加工过程控制的 CAD/CAM 系统。1.2.3 我国线切割加工机床的主要任务及发展趋势我国线切割加工机床的主要任务及发展趋势 随着国民经济的不断发展和科学技术的不断进步，社会对各类产品的需求量日益增大，对制造业也提高了要求。我国线切割机将来必将有大好的发展机会，积极采用现代研究手段和和先进的技术进行开发研究，使我国切割技术向信息化和智能化方面发展，以满足市场的需求。未来的发展主要有一下几个方面：(1) 在稳

28、步发展高速走丝机的同时，重视低走丝电火花线切割机的发展。 高走丝仍然稳步发展。由于高走丝有利于改善排泄条件，和适用于大厚度和大电流高速切割，加工性能价格比较优异，身受广大用户的欢迎，因此未来较长一段时间高走丝电火花机床仍然是我国发展的方向。今后发展的重点是调高高速走丝电火花线切割的质量和加工稳定性，扬长避短。根据市场发展的需求，一方面高速走丝线切割工艺水平必须相应提高，另一方面同时重视低走丝电火花切割的发展方向。(2) 完善机床设计，改善走丝结构 为了使机床结构更加合理，必须用先进的技术手段对机床总体结构进行分析。这方面的研究将涉及到运用先进的计算机软件对机床进行力学与热稳定性分析。为了更好的

29、参与国际市场竞争，还应该重视造型设计，在保证机床性能和清洁加工的前提下，使机床结构合理，方便操作。 机床上的坐标工作台大多为十字滑板结构，除了考虑热变形和先进的向导结构外还应该采用螺距误差补偿技术，以提高机床的误差精度。对于大型的切割机来说，使用十字滑板工作台的结构不合理。而龙门式工作台制作 Y 方向运动，X 方向运动在龙门架上完成，上下导轮挂于横架上，可以分别控制。这不仅增加了丝架的钢性而且工作台只在 Y 方向上运动省去了 X 方向滑板。高走丝电火花线切割机走丝机构，是影响其加工质量和加工稳定性的关键部件，目前存在的问题也较多，必须认真研究，加以改进。目前已经开发的恒张力装置和可江苏科技大学

30、苏州理工学院本科毕业设计（论文）7调速的走丝系统，能在进一步的基础上推广应用。 支持新技术开发研究。目前所开发的自旋式电火花线切割机和高低双走丝电火花线切割机以及走丝速度连续可调的线切割机，在机床结构和走丝方式上都有创新。尽管它不够完善，但这类的开发研究工作都有助于电火花线切割技术的发展，必须积极支持并予以帮助。1.3 本文主要研究内容本文主要研究内容 本文首先了解了线切割机的基本组成与分类。同时介绍了线切割机的放电加工原理及过程和电参数对电极损耗的影响。关键对脉冲电源的设计进行了更多了介绍，比如第四章脉冲电源的硬件设计以及第五章的软件设计，这也是本文的重点。由于设计脉冲电源时用到 PIC 单

31、片机，所以也涉及到 PIC 单片机方面的相关知识及利用PIC16F877 进行程序设计，除此之外还绘制了各种电路原理图。 第二章第二章 电火花线切割机床电火花线切割机床江苏科技大学苏州理工学院本科毕业设计（论文）82.1 线切割机基本组成部分线切割机基本组成部分DK7740机床组成机床主题脉冲电源控制部分床身运丝机构工作液循环系统丝架微机控制工作台高频电源移位控制机床主体图 2-1 线切割机基本组成2.2 线切割机分类线切割机分类2.2.1 按照加工轨迹的控制方法分类按照加工轨迹的控制方法分类 线切割机按照其轨迹控制方法可分为靠模仿形线切割机和电光跟踪切割机以及数控线切割机三大类：(1) 靠模

32、仿形控制线切割机 靠模仿形控制线切割机是最初采用的电火花线切割机，他是利用一块薄板做成并与被加工零件尺寸大小完全一致的模板，加工时粘贴在工件表面，中间衬垫一块绝缘薄板。电极丝与模板之间加直流电压，当电极丝在切割过程中一旦与靠模板接触控制系统立即获得信号，使电极丝离开靠模板。电极丝及时在这种控制系统作用下沿着这块靠模板边缘时而接触时而离开。这种控制系统结构简单，应用十分广泛。江苏科技大学苏州理工学院本科毕业设计（论文）9(2) 光电跟踪控制原理线切割机 光电跟踪控制原理线切割机是利用光电头把放大的图纸信号转化成电信号，使加工轨迹按照图纸的轨迹运行。这种加工方式不受工件复杂程度限制，工作可靠，适合

33、加工尺寸小且难以用 CNC 编程的复杂工件。光电跟踪线切割的控制方式，根据光源的结构形式及跟踪原理不同又分为通量比较法和光电脉冲相位法。(3) 数控线切割控制系统切割机 数控电火花线切割控制系统是由一台专用计算机控制的。它根据使用者预先编好的加工程序来自动控制电火花线切割加工过程，可以切割 XY 两个平面上由直线和圆弧组成的图形，在一定程度上可用若干直线或圆弧来近似加工非圆曲线或列表点曲线。2.2.2 按照电极丝移动方式分类按照电极丝移动方式分类(1) 高走丝线切割机高走丝线切割机是我国 60 年代研制成功的。由于他的结构简单，性价比较高，深受广大用户的喜欢。切割速度为 6-11m/s 这类机

34、床的电极丝是绕在储丝上的，以高速往返运行，一直使用到电极丝磨损坏不能使用为止。工作液以去离子水为主。由于电极丝高速移动能将工作液带进切缝内的加工区域，起到介质和冷却作用同时还能够将加工区的电蚀产物带出切缝以确保加工的稳定性。(2)中走丝线切割机 中走丝线切割机，属往复高速走丝线切割机床范畴，是在高速往复走丝线切割机上实现多次切割功能，被俗称为“中走丝线切割”。他是复合走丝线切割机床，即走丝原理是在粗加工时采用高速（8-12m/s）走丝，精加工时采用低速（1-3m/s）走丝，这样工作相对平稳、抖动小，并通过多次切割减少材料变形及钼丝损耗带来的误差，使加工质量也相对提高，加工质量可介于高速走丝机与

35、低速走丝机之间。(3) 低走丝电火花线切割机 低走丝电火花线切割机走丝系统以低速（小于每分钟 15 米）通过切缝加工区单向移动，其收丝筒控制电极丝移动速度，供丝筒控制电极丝的张力，电极丝为黄铜丝或钼丝直径约为 0.15-0.35mm，微细加工时也用直径是 0.03mm 的金属丝。工作液用去离子水或煤油。2.3 线切割机加工特点线切割机加工特点江苏科技大学苏州理工学院本科毕业设计（论文）10(1) 加工与工件材料的力学性能无关 (2 ) 加工过程电极丝与工件不直接接触 (3) 不需要制作复杂的成型工具电极 (4) 加工过程工件材料被蚀除量很少 (5) 电极丝径损耗对加工精度影响小 (6) 自动化

36、程度高，操作方便(7) 能获得较小的工艺效果2.4 线切割加工的基本原理线切割加工的基本原理 线切割加工与电火花成形加工一样，都是基于电极之间脉冲放电时的电蚀现象。所不同的是，电火花成形加工必须事先将工具电极做成所需要的形状及尺寸精度，在电火花加工过程中将它逐步复制在工件上，所获得所需的零件。加工则不需要成形的工具电极，而是一根长长的金属丝做工具电极，并以一定速度沿电极丝轴线方向移动（低走丝是单向的，高走丝是双向往返移动的） ，它不断的进入和离开缝内的放电区。加工时，脉冲电源的正极接工件，并在点走丝与工件切缝之间喷射液体介质;另外，安装工件的工作台，则由控制装置根据预定的切割轨迹控制伺机驱动，

37、从而加工出我们所需要的零件。图 2-2 线切割加工原理图 1-线电极 2-导轮 3-工件 4-储丝筒 5-丝架 控制加工轨迹（加工的形状尺寸）是由控制装置来完成的。根据控制方式不同，控江苏科技大学苏州理工学院本科毕业设计（论文）11制装置又可分为靠模仿形及光电跟踪和数字控制三种。随着计算机技术的发展，目前电火花线切割机大多采用计算机控制（CNC）的控制装置。2.5 线切割加工物理过程线切割加工物理过程 线切割加工物理过程是非常短暂而复杂的，根据大量资料的分析来看，每次腐蚀的微观过程是点动力，电磁力以及热动力及流体动力等综合作用的结果。并大致可分为介质击穿和通道形成，能量转换和传递及极贱电介质消

38、电离等几个阶段。 线切割加工实际上是一个重复脉冲放电过程，前一个脉冲放电所形成的电蚀产物及放电凹坑必定会影响后一个放电脉冲的放电过程，因而实际加工时的放电过程会比单个脉冲加工过程复杂的多。但单个脉冲放电毕竟是研究电火花线切割加工机理基础，所以有必要了解买充放电的微观过程。(1) 单个脉冲瞬时击穿放电过程线切割机一般都是在工作液中进行的。当脉冲电压在施加在电极丝与工件之间，极间电场将会因电极表面的微观不平而变得极不均匀，极间介电液中的杂质以及弱电解质的极间分子都会在极间电场的作用下向电场较强的方向集中。当极间距离逐步缩小或或是脉冲电压不断升高时，极间某处的电场强度将会超过极间介电液的介电强度，使

39、介电液发生雪崩式的碰撞电离，并形成极间放电通道。此时刻极间电阻将会在很短时间内从绝缘状态下降到数欧姆以下，而电流随即上升,极间电压下降到火花电压以下。极间电压放电消除受到周围液体的收缩作用而且还受到自身电磁场匝数效应，因而气泡会在放电过程中与放电通道界面分离并继续扩张，形成细小的通道。放电通道都是有数量大体相同的带有正电和负电离子的中性离子组成的等离子体。通道中的正负带电离子在极间带电离子的作用下高速运动，将放生高速运动时剧烈碰撞，并产生大量的热量。这样在两极之间将放电通道形成一个瞬时高温热源。 (2) 放电时的能量转换 极间介质一旦被击穿放电，脉冲电源就将通过放电通道瞬时释放能量，并把电能转

40、换成动能，热能，光能磁能等。其中大部分转换成热能用于加热两极电极间放电通道，使两极放电点的局部融化或气化。脉冲放电的最初阶段会有大量的高速电子轰击阳极表面，而正离子因质量惯性大，加速度小，在短时间内无法获得高的速度。所以用高频脉冲电源的线切割加工，都应选用正极性加工，即工件接电源正极，以江苏科技大学苏州理工学院本科毕业设计（论文）12充分利用电子的轰击来提高切割速度。 江苏科技大学苏州理工学院本科毕业设计（论文）13第三章第三章 线切割加工的基本规律线切割加工的基本规律3.1 影响切割速度的主要因素影响切割速度的主要因素每次脉冲放电都会形成一个高温热源蚀除工件，脉冲放电 W 越大，传递的热量越

41、多，并与蚀除的材料成正相关性，蚀除材料的体积 ： kwvt （3-1）则一分钟重复放电的蚀除量就是： fkwV60 （3-2）单个脉冲释放的能量取决于极间电压 U(t)，放电电流 I(t),以及脉冲放电持续时间 T即：dttItUWT0)()( （3-3）3.1.1 脉冲参数对切割速度的影响脉冲参数对切割速度的影响(1) 峰值电压 i 的影响在其他条件不变的情况下，提高脉冲峰值电压可以按照比例相应提高脉冲放电的能量因此也可以提高线切割速度。0 0. .1 18 80 0. .1 12 20 0. .0 08 8切切割割速速度度m m/ /m mi in n1 15 50 01 10 00 05

42、 50 0峰峰值值电电流流i i( (A A) )4 40 03 30 02 20 01 10 0图 3-1 峰值电流与切割速度江苏科技大学苏州理工学院本科毕业设计（论文）14 在一定范围内，切割速度虽脉冲峰值电流的增大而增大 当峰值电流增大到一定程度时，电流增大，电蚀产物增多，会影响加工稳定性从而影响切割速度。 较粗的电极丝在较大的峰值电流情况下扔能稳定工作。(2) 脉宽 t 对切割速度的影响 其它条件不变的情况下，切割速度随脉宽的增加而增加，当脉宽增大到一定范围时，切割速度偏离正比关系。另外，脉冲宽度过大还有可能使正常的脉冲放电状态转变为瞬间电弧放电状态。一般低速走丝排屑条件较差，所以不采

43、用增加脉宽的方法提高切割速度。(3) 脉冲间隔对切割速度的影响 脉冲间隔减小会使脉冲放电频率增加，从而提高切割速度。3.1.2 非脉冲参数对切割速度的影响非脉冲参数对切割速度的影响(1) 电极丝及其移动速度对线切割速度的影响电极丝的直径通常保持在 0.03 - 0.05mm；高走丝电火花线切割机与低走丝电火花线切割机在不同的材质下所获得的速度都是不一样的，一般钼丝和钨丝是较常用的两类金属丝；电极丝的张力越大，在加工时发生的振动振幅则都会变小，因而切缝变窄，加工精度高。张力主要来自于切割时的各种阻力， 速度越大阻力也就越大越久越容易引起断丝现象。另外，走丝的速度会影响工作液带入切缝加工区的速度及

44、电蚀产物的排泄速度，很明显走丝越快，切缝放电区温度升高就越小，工作液带入切缝加工区的速度及电蚀产物的排泄速度也就越快，从而提高切割速度。(2) 工作液对切割速度的影响工作液的种类。电火花线切割工作液的种类有煤油，去离子水和皂化油乳化液三大类。煤油加工的精度较高但由于放电电流较大，放电易分解大量的碳粒，使加工区状态恶化，降低加工速度，甚至引起烧丝。去离子水切割效率较高，是低走丝电火花线切割机常用的工作液。乳化液的成分和浓度。喷液方式压力(3) 工件材料对切割速度的影响江苏科技大学苏州理工学院本科毕业设计（论文）15表 3-1 工件材料对切割速度的影响 材料硬质合金 石墨碳钢磨具钢铝切割速度（mm

45、/min）25354055220 3.2 影响加工精度的主要因素影响加工精度的主要因素 电火花加工时，电极丝与工件间存在间隙，并且放电间隙的大小是变化的，并且受脉冲电压及单个放电能量和电极丝振动等机械因素影响，其关系式是：mrniinAWKTKUK4 . 0 （3-4）实际实践中直接检验单向放电系的变化比较困难，而是检测电火花线切割加工时的切缝宽度： b=d + 2 （3-5）S 其中 d 为电极丝的直径；是单向阀放电间隙；b 为切缝宽度下面研究放电间隙变化对加工精度的影响(1) 脉冲电压 U. 脉冲电源电压越高，极间空载电压也高，切缝就宽；空载电压降低，切缝宽度也随之降低，由下图可知，电压的

46、变化会影响切缝宽度的变化，也影响加工尺寸的精度。如图 图 3-2 所示1 10 00 00 0. .6 60 0. .5 50 0. .4 40 0. .3 30 0. .2 20 0. .1 13 30 00 02 20 00 0切切缝缝宽宽（m mm m）空空载载电电压压（V V）图 3-2 电压与切缝宽度的关系(2) 平均加工电压。极间电压升高也会导致切缝宽度的增加，在低速走丝电火花切割机上用直径是 0.2mm 的黄铜丝加工厚度为 10mm 的钢板，工作液为离子水，分别以每分 0.7mm 和每分钟 1.2mm 的速度恒速给进，两种给进速度都是电压越高，江苏科技大学苏州理工学院本科毕业设计

47、（论文）16切缝宽变化率也相应较快，所以电压影响切缝宽。如图 3-3 所示切缝脉宽与加工电压的关系：8 80 00 0. .3 33 30 0. .3 32 20 0. .3 31 10 0. .3 30 00 0. .2 29 90 00 0. .2 28 80 01 10 00 09 90 0切切缝缝宽宽（m mm m）0 0. .7 7m mm m/ /m mi in n1 1. .2 2m mm m/ /m mi in n平平均均加加工工电电压压（V V）图 3-3 切缝脉宽与加工平均电压的关系 (3) 单脉冲能量加工给进速度工作液电阻率以及工件厚度及电阻丝振动都影响加工精尺寸度。3.

48、3 影响加工表面质量的主要因素影响加工表面质量的主要因素3.3.1 影响加工表面粗糙度的主要因素影响加工表面粗糙度的主要因素 线切割加工表面是由无数个放电小坑组成的，但耐磨性和润滑性一般都比机械加工的光滑度要好，而影响工件表面光滑度的主要因素是脉冲参数，此外工件种类和工件材料也有一定的影响。 脉冲参数对加工表面粗糙度的影响如图 3.3.1a 和 3.3.1 b 所示，由图可以看出无论是增大脉冲峰值电流还是增加脉宽，都会因为增大了能量而使得加工表面的能量增大，电火花成形一般都认为脉冲间隔的变化对加工表面的粗糙度没有影响，但在切割工件时，脉冲间隔的影响是不可忽略的。江苏科技大学苏州理工学院本科毕业

49、设计（论文）172 20 06 65 54 43 32 21 16 60 04 40 0R Ra a( (u um m) )脉脉宽宽（u us s）图 3-4 脉宽与表面粗糙度的关系4 46 65 54 43 32 21 11 12 28 8R Ra a( (u um m) )峰峰值值电电流流（A A）图 3-5 峰值电流与表面粗糙度的关系 3.3.2 影响切割条纹的主要因素影响切割条纹的主要因素 放电小凹坑的深度直接影响加工表面的粗糙度。电火花线切割加工表面还会呈现许多条纹。影响条纹深度的因素有很多，包括脉冲参数及走丝方式和其稳定性等等，下表可以看出，切割条纹深度要远远大于表面粗糙度，欲提高

50、切割质量就必须减少切割条纹。 江苏科技大学苏州理工学院本科毕业设计（论文）18表 3-2 不同影响因素的条纹最大深度工作液条纹最大深度（um）试件序号设备型号电 极 丝材料 走丝方式走丝速度（m/min）加工电压（V）加工电流（A）种类电阻率11.726.521.217.53高速 走丝 钼丝 快速 500 750.5DX-1 25015.5445.522.5534.516.56低速走丝 黄铜丝 慢速0.8 600.3去离子水 4000015.03.4 影响电极丝损耗的主要因素影响电极丝损耗的主要因素在线切割加工中电极丝损耗也是一项重要工艺，它直接影响加工工艺的效果。低走丝电极丝损耗对精度影响不

51、大，但对加工的平直度影响是不可忽略的；高速走丝对加工精度的影响较为明显，因为整个过程反复使用，电极丝的直径会损耗减小，使切缝变窄，从而影响加工精度。3.4.1 脉冲参数脉冲参数 在讨论影响切割速度的主要因素时，增大单脉冲能量，增大脉冲宽度和峰值电流以及提高电流电压有利于提高切割速度，对降低电极丝损耗增大脉冲宽度更有效。如图 3-6 所示，一般来说，增大脉冲峰值会使电极丝损耗增大，但只要适当的控制电流的上升速度就会使电极丝的损耗增加变缓。但峰值电流的增加有利于提高切割速度，熟练地切割操作者必须根据加工的侧重，合理配置脉冲。江苏科技大学苏州理工学院本科毕业设计（论文）192 20 06 65 54

52、 43 32 21 16 60 04 40 0电电极极丝丝损损耗耗( (u um m) )脉脉冲冲宽宽度度（u us s）图 3-6 脉冲宽度对电极丝损耗的影响3.4.2 脉冲波形脉冲波形 (1)脉冲电流上升速度 增大脉冲电流的上升速度会增大电极丝损耗，且上升速度越快，电极丝损耗也就越大，图 3-7 是低走丝电火花线切割加工的脉冲峰值电流对电极丝损耗的影响试验曲线。图 3-8 是高速走丝电火花线切割脉冲前沿对电极丝损耗的实验曲线，从而知道，脉冲前沿时间并非越长越好，而是有一个最佳值。2 20 00 0. .3 30 0. .2 25 50 0, ,2 20 0. .1 15 50 0. .1

53、10 0. .0 05 56 60 04 40 0电电极极丝丝损损耗耗( (u um m) )脉脉冲冲峰峰值值电电流流（A A）0 0. .3 35 5m mm m0 0. .3 30 0. .3 3m mm m走走丝丝方方式式：单单向向一一次次走走丝丝走走丝丝速速度度：1 12 2m m/ /m mi in n图 3-7 低速走丝脉冲峰值电流江苏科技大学苏州理工学院本科毕业设计（论文）203 36 65 54 43 32 21 19 96 6电电极极丝丝损损耗耗( (u um m) )脉脉冲冲峰峰值值电电流流（A A）1 10 0u um m3 30 0u um m2 20 0u um m精

54、精度度切切削削速速度度损损耗耗图 3-8 高速走丝脉冲前沿(2) 脉冲电流波形 脉冲电流的下降率也对电极丝的损耗有一定的影响。为了降低损耗，许多不同的波形被开发，包括电流逐渐上升的三角波和电流逐渐下降的倒三角波及梯形波等。近年来除了随着数字技术的发展，出现了数字分频式脉冲电源，采用数字分频技术优化脉冲组合对降低线切割电极丝的损耗具有重要意义。 江苏科技大学苏州理工学院本科毕业设计（论文）21第四章第四章 线切割控制部分硬件设计线切割控制部分硬件设计4.1 单片机系统的硬件设计单片机系统的硬件设计 硬件系统由电源部分，按键部分，数码管显示部分，前置功放电路，时钟电路和脉冲分路输出组成。其结构框图

55、如下图所示。单片机选用 PIC 系列的单片机。 按按键键部部分分前前置置功功放放数数码码管管显显示示部部分分时时钟钟脉脉冲冲脉脉冲冲分分路路输输出出单片机图 4-1 单片机系统的结构图(1) 时钟和调试接口电路设计 一个高增益的反相放大器在 PIC 单片机片内，为了能够构形成稳定的自激振荡器，它的输入端和输出端连接 4M 石英晶体振荡器，微调电容，发射的脉冲进入单片机的时钟电路。 Y14MC1722pfC1822pfVCCC19104MCLR/VPP1RA0/AN02RA1/AN13RA2/AN2/VREF-/CVREF4RA3/AN3/VREF+5RA4/T0CKI/C1OUT6RA5/AN

56、4/SS/C2OUT7RE0/RD/AN58RE1/WR/AN69RE2/CS/AN710VDD11VSS12OSC1/CLKI13OSC2/CLKO14RC0/T1OSO/T1CKI15RC1/T1OSI/CCP216RC2/CCP117RC3/SCK/SCL18RD0/PSP019RD1/PSP120RD2/PSP221RD3/PSP322RC4/SDI/SDA23RC5/SDO24RC6/TX/CK25RC7/RX/DT26RD4/PSP427RD5/PSP528RD6/PSP629RD7/PSP730VSS31VDD32RB0/INT33RB134RB235RB3/PGM36RB437

57、RB538RB6/PGC39RB7/PGD40U19PIC16F877AMCLKVCCGNDPGDPGCMCLKCCP1PGDPGCS1S2S3TD1TD2TD3DL1DL2DL3JDQDINCLKLOADKEY0KEY1KEY2KEY3KEY4KEY5KEY6KEY7KEY8KEY9KEY10123456J1Header 6图 4-2 时钟和调试接口电路(2)按键部分电路设计按键和显示模块用于人机交换，按钮电路总共由 10 个按键组成，根据按键开关江苏科技大学苏州理工学院本科毕业设计（论文）22状的不同可实现功率脉间脉宽功率和电流的增减。MCLKC8104VCCS1RST123456789R

58、P1排 排 10K*8S2RSTS3RSTS4RSTS5RSTS6RSTS7RSTS8RSTKEY0KEY1KEY2KEY3KEY4KEY5KEY6KEY7VCCS9RST123456789RP2排 排 10K*8S10RSTS11RSTKEY8KEY9KEY10TD1TD2TD3图 4-3 按键部分电路(3) 数码管显示部分电路设计MAX7219 是一种集成化的串行输入输出共阴极显示驱动器，它连接微处理器与8 位数的 7 段数字 LED 显示，也可连接条 64 个独立的 LED。其上包括一个 BCD 编码器和多路扫描回路，而且还有一个 8*8 的静态 RAM 用来存储每一个数据。键盘及显示模

59、块用于人机交互，显示电路由 8 个数码显示管组成，可对功率、脉间、脉宽、电流等档位的显示。它的功能特点有： 10MHz 连续串行口；独立的 LED 段控制； 数字的译码与非译码选择；150A 的低功耗关闭模式；亮度的数字和模拟控制；高电压中断显示；共阴极 LED 显示驱动；限制回转电流的段驱动来减少EMI（MAX7221） ；SPI, QSPI, MICROWIRE 串行接口（MAX7221） ；24 脚的 DIP和 SO 封装。下图为数码管显示部分电路部分：江苏科技大学苏州理工学院本科毕业设计（论文）23abcdefgdpCOM0COM1COM2COM3COM4COM5COM6COM7DIN

60、1DIG02DIG43GND4DIG65DIG26DIG37DIG78GND9DIG510DIG111LOAD12CLK13SEG A14SEG F15SEG B16SEG G17ISET18V+19SEG C20SEG E21SEG DP22SEG D23DOUT24U20MAX7219CLKDINLOADVCCC2010410KR20COM0abcdefgdpCOM4abcdefgdpCOM1abcdefgdpCOM5abcdefgdpCOM2abcdefgdpCOM6abcdefgdpCOM3abcdefgdpCOM7abcdefgdpf9g10e1d2A3c4DP5b6a7A8DS1D