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第1页共65页1绪论图2/3///9/4/4//14/8/8/5//1.1前言电火花线切割机床是一类在模具制造等行业中广泛应用的典型数控机床。电火花割加工技术WEDM(WireElectriealDiseharseMachining)自问世以来，得到了迅速的发逐步成为机械制造领域中的一个重要组成部分。高速走丝电火花线切割机床是通过线具电极，对工件进行脉冲性放电加工的。工作时脉冲电源的正极接工件，负极接电极电极丝由储丝筒带动往复移动，通过控制工件的运动轨迹和速度，从而切割出符合技求的工件。由于其加工性能与被加工材料无关，而且在加工过程中无切削力，从而容工复杂、精密和高硬度的零件，特别是对薄壁、窄缝零件的加工更具有优势。工材精密复杂零件、微细零件的加工中占有极其重要的地位。近年来，在电机模具行业，模具工业的增长，高速冲硬质合金模具的不断推出，模具的大型化和精密化，采用电线切割来加工模具逐渐被广泛认可。目前国内外的线切割机床约占电加工机床的60％，在低速走丝线切割机床诞生后不久，我国也自行研制出具有首创性的高速走丝线机床。数十年来，这种机床对我国的制造业发展做出了很大贡献。由于其价格低廉、比高，因而受到国内许多中小型企业和工厂的青睐，广泛应用于仪器仪表、家用电器车和电机等行业，尤其在加工制造方面发挥了巨大作用。据统计，目前我国数控高速线切割机床约有10余万台，居世界第一位，2002年国内线切割机床产量1。5万台，其大部分是高速走丝的线切割机床。近年来，随着电子技术、计算机技术和控制技术的高速发展，电加工机床的数控也不断地取得了长足的进步。传统的CNC技术由于通用性差、通讯能力弱以及不便于功能等缺点，已逐渐不适应现代制造业发展的要求。因此，目前数控技术正在向通用放式实时动态全闭环控制的模式发展，开放式的数控系统已逐渐成为新一代数控系统流。尽管我国的高速走丝电火花线切割机床与慢速走丝机床相比，在结构、工艺和数术等方面仍有一定差距，但是仍非常适合于加工中等精度和表面粗糙度的零件或模具此提高线切割加工设备的性能(如：实现高速走丝电火花多次切割技术、角度旋转、尖理等功能)对加快我国制造业的发展有着重第2页共65页要意义。当前发达国家正在紧锣密鼓地进行着开放式数控系统的研究，正为我国数控产业展提供了良好的契机，开发我国自主版权的开放式数控系统平台是赶超发达国家的历遇。我国控制器硬件由于受制造业水平的影响可靠性差，成为制约我国数控产业发展颈。借用PC硬件和建立开放式控制系统软件平台就完全可以绕开这个问题。数控技开放式道路，将我国同世界上发达国家的数控研究摆在了同一起跑线上，我们只有抓个机遇，才能开发出具有中国自主版权的高性能数控系统，独立自主地发展我们自己控产业，打破国外对我国的技术垄断。此外，现有文献数据采样插补算法存在着许多点和不足之处。有鉴于此，本课题“电火花线切割加工机运丝机构及数控工作台机电系统设计”针对培养数控系统模块化设计指导思想、提高高速走私线切割加工设备的性能而提出的。1.2国内外动态1.2.1国外电火花线切割加工技术的发展及现状1943年，原苏联学者拉扎连科夫妇研究电火花放电时开关触点受腐蚀损坏的现象和原因，发现电火花的瞬时高温可使局部的金属熔化、气化而被蚀除掉，从而开创和发明了电火花加工方法。电火花线切割加工(WEDM)是在电火花加工的基础上于50年代末最早在原苏联发展起来的一种新的工艺形式，是用线状电极靠火花放电对工件进行切割，故称为电火花线切割。电火花线切割加工以获得广泛的应用。目前国内外的线切割机床约占电加工机床的60%以上。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、生产效率高以及工具电极的设计和制造大大简化等特点，同时还可节约一部分材料。因此，线切割加工方法自问世于前苏联以来，得到了迅速的发展。近20年来，电火花线切割机床的价格下降了六倍多，加工速度提高了十几倍，工件的最大尺寸增加了十四倍，可加工的工件锥度达到80º。目前慢走丝线切割机床最小驱动单位达0.lum，加工精度已接近或达到精密磨削的精度，最大切削速度超过3O0mm2/min，标志着WEDM总的加工速度有了明显的提高，微精加工脉冲电源的开发，使精加工表面粗糙度可达到Ra0.l~0.2μm(多次切割)。第3页共65页线切割加工水平的提高使它从“特种加工”进入到常规加工的行列。线切割加工水平的提高不仅归功于机械结构和工艺方法的改善，更得力于先进技术的应用和计算机软件的发展。欧美和日本等国研究的数控低速走丝电火花线切割机床，采用闭环数字交(直)流伺服控制系统，动态性能好、定位精度高。同时机床具有数字自适应控制电源，并具有自动走丝、自动卸除废料、短路自动回退等自动化技术，对电极丝张力和工作液压力也可进行控制。同时，集以D、以PP、CAM及仿真于一体的自动编程系统不断发展和成熟，目前基于PC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。从2002年美国芝加哥国际机床展展出的线切割机床可以看出当前国外WEDM的技术特点与发展动向：(l)提供不同档次的系列产品，供用户选择(2)改进了走丝系统，使运丝更平稳，张力更稳定(3)自动穿丝与自动重穿丝技术该功能虽然是国外WEDM普遍配备的，但近年来的改进重点在提高可靠性和穿丝速度上。(4)减少机床的热变形，提高热稳定性(5)高精度的锥度切割(6)直线电机的应用(7)联网这是一个在适应网络时代的到来而开拓的新功能。虽然与外部计算机的通信并不是新鲜事，按任务的要求可以把外部计算机看成是机床数控系统的外围设备，也可以把机床看成是外部计算机的一个终端。这一功能尽管目前的实用性还不够明显，但无疑是今后的一个发展方向。(8)拓展在零件加工中的应用(9)高速度加工高速度化一直是国外厂商追求的目标。在这方面，日本厂商一直走在世界的前列。例如，三菱电机公司的标准型DWCH系列机床，由于采用G25电源，最高生产率达250mm2/min，其经济型DWCC2系列机床也是250mm2/min。著名的Sodick第4页共65页公司的A500—E型电火花线切割机的电源数控柜由于采用32位CPU，使加工速度大幅度提高，同样可以达到300mm2/min。快走丝电火花线切割技术最初是在我国发展起来的一种电火花加工方法，它与慢走丝电火花线切割技术无论从加工方法还是加工装置上都有很大区别。因此，我国的电火花线切割技术的发展主要体现在快走丝线切割技术的进步上。相对而言，我国的慢走丝电火花线切割技术起步较晚，其水平与国外同类产品相比还存在较大的差距。1.2.2我国电火花线切割技术的发展及现状1、机床品种多样化，年产量稳步增长多年来，我国生产的数控电火花切割机一直是单一的高速走丝线切割机。随时间推移，为了满足市场需求，又开发生产了自旋式电火花线切割机、走丝速度可调的电火花切割机(含高低双速走丝电火花线切割机)以及低双速走丝电火花线切割机等。机床品种的多样化可以满足用户的需要，扩大数控电火花线切割机加工的应用范围。高速走丝电火花线切割机是我国当前发展的主要产品，广大的科技工作者为了进一步提高它的工艺性能及自动化程度做了大量开发工作，并开发生产了2000mm×1200mm×500mm及1000mm×630mm×1000mm等超大型高速走丝电火花线切割机床，扩大了它的应用范围，满足了用户的各种需要，使其年产量稳步增长，至今以达到了12000台/年，并有约300台/年出口到世界各国。低速走丝电火花线切割机过去曾是“进口机”的代名词，现在已有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，汉川机床厂等多家制造厂商自行开发生产，年产量达300多台。这些机床性能好，价格不到进口机的一半，深受国内用户的欢迎。自旋式电火花线切割机和走丝速度可调的电火花线切割机目前虽处在开发和完善阶段，产量也不大，但开发思想都是企图借鉴高速走丝和低速走丝二者的优点创造一种新型的电火花切割方法。它的成功不仅能为我国的电火花线切割增加一个新品种，并以它的性能价格比好以及加工消耗低的特点找到它自身的应用范围，而且为高速走丝的电火花线切割机的多次切割工艺奠定基础。第5页共65页2、高速走丝系统日趋完善高速走丝有助于工作液进入窄小的加工区，改善排屑条件，这对于切割大厚度工件以及提高切割速度都是很有作用的。同时，电极丝的往返运动可使电极丝重复使用，减少电极丝的消耗，降低切割加工的生产成本。然而，高速走丝也会造成导向器(导轮、导向块等)的磨损和系统的振动，加上电极丝的张力不容易控制，它将给加工稳定性、加工精度及表面质量带来严重影响。为了解决高速走丝所存在的问题，完善高速系统，广大科技工作者己做了大量的开发研究工作，并获得了明显的效果。上海大量电子设备有限公司已于1999年开发生产了数字程序控制短程往返走丝系统，根据加工条件设定正向移动和反向移动的时间，以消除高速走丝的换向切割条纹，改善加工表面质量。北京阿奇工业电子有限公司根据高速走丝正向和反向移动张力不一的缺点，开发了新型的恒张力高速走丝机构。这种新型的恒张力高速走丝机构。这种新型机构不仅可以紧丝，而且可以保证正向和反向移动时电极丝的张力基本一致。因此，走丝系统上、下丝架的导轮是对称设置的，可以保证正、反向移动时产生摩擦阻力相近，使电极丝的张力在整个过程中恒定。电极丝的张力直接影响电极丝的振动和频率，并影响线切割加工的效果，为了使高速走丝系统的电极丝的张力恒定，华中理工大学开发了一种高速走丝线切割机铝丝恒张力伺服系统。这种控制系统的实际使用虽然存在不少问题，但他们的开发思路是积极的。为了提高丝架的刚性，南昌江南电子仪器厂开发了龙门式丝架，非常适合于大中型电火花线切割机，且锥度切割不受偏移量限制。苏州沙迪克三光机电有限公司开发生产的锥度切割装置可以稳定切割720的锥型零件，而苏州金马机械电子公司的DK7740B机床能在200mm厚的工件做300锥度的切割，表明近几年来我国高速走丝WEDM机床的加工范围有了较大发展。1.3课题的提出意义与目的通过上文的介绍，我们已经对国内外电火花线切割机床的发展有了一个基的认识。线切割加工主要用于模具制造，随着市场竞争的日益激烈，模具开发术第6页共65页难度越来越大，加工要求也越来越高，时间和成本估算要求越来越严格，谁快速提供市场和客户可以接受的产品，缩短产品研制、上市的时间，谁就赢得市场竞争的主动权。深圳福斯特数控机床有限公司生产的数控电火花线切割机床的数控系统是90年代初研制的产品，采用单板机作为主机。这种基于单板机有存储器容量小，以实现掉电保护、接口电路扩展不方便、抗干扰性能较差等不足之处。近10年来电子技术有了很大的发展，各种芯片的价格越来越低，功能越来越强。为可赢得市场，该公司需要开发一套针对中小型用户的经济型电火花线切割机床的数控系统，要求用单片机系统实现32位工控机所具有的大锥度切割功能并且具有较低价位。由于单片机在集成度、面向控制、可靠性和多机通信等方面优于单板机，机电一体化系统中的理想控制部件。90年代以来，许多WEDM便采用了单片机作控制器。该类控制器运行可靠、价格低、体积小。从软件角度来看，该类控制系统一般具有监控和加工两种运行状态。在监控状态下，可输入加工程序，可进行程序编辑、检查、修改、删除和插入。在加工状态下，可执行快速较零、空走、正割、逆割、短路回退、断丝归零、对中；可进行图形变换，如比例缩放、任意角度旋转、对称及循环平移。系统软件由主程序、显示、监控状态键盘处理、加工状态键盘处理、通信、运算与交换、变频中断服务、短路检测及处理、对中心与对端面、时钟中断服务、掉电中断服务等模块组成。第7页共65页2电火花线切割机的原理与结构2.1电火花线切割加工的基本原理电火花线切割加工是电火花加工的一个分支，是一种直接利用电能和热能进行加工的工艺方法，线切割加工的基本原理与电火花成形加工相同，但加工方式不同，它是用细金属丝作电极。线切割加工时，线电极一方面相对于工件不断地移动，另一方面，装夹工件的十字工作台，由数控伺服电动机驱动，在x、y轴方向实现切割进给，使线