电火花线切割机运丝机构及控制讲解

1 绪论
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(Wire Electrieal Diseharse Machining)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
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)。

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
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。

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
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。

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，使线电极沿加工图形的轨迹运动对工件进行切割加工。

线切割机床通常分为两类:快走丝和慢走丝。

前者是电极细钼丝作高速往复运动，走丝速度为8m/s~10m/s，国产的线切割机床多是此类机床。

慢走丝机床的电极做低速单向运动，一般走丝速度低于0.2m/s。

图2.1是快走丝切割加工的示意图。

工具电极细相丝5穿过工件2上预先钻好的小孔，经导轮由储丝筒4带动作往复交替移动，工件通过绝缘板1安装在工作台上，工件台在水平面X、Y两个坐标方向各自按给定的控制程序移动而合成任意平面曲线轨迹。

脉冲电源3对电极丝与工件施加脉冲电压，电极丝与工件之间绕注一定压力的工作液，当脉冲电压击穿电极丝与工件之间的间隙时，两者之间产生火花放电而切割工件。

图2.1快走丝切割加工的示意图
线切割的加工精度可达士0.01mm，表面粗糙度Ra为1.25μm~2.3μm 。

线切割机床的控制方式有靠模仿型控制、光电跟踪控制、数字程序控制等方式，但目前国内外95%以上的线切割机床都己数控化，采用不同水平的数控系统: 单片机、单板机和微机。

线切割加工属于电火花加工，但由于采用细金属丝做工具电极，无需制作成型工具电极，大大降低了成型工具电极的设计、制造费用，缩短了生产准备时间，而且细的电极丝可以加工细微的异形孔、窄缝和复杂的工件。

由于采用移动的长电极丝进行加工，单位长度电极丝的损耗较小，从而对加工精度的影响较少。

线切割加工广泛应用于加工各种硬质合金和淬火钢冲模、样板、各种外型复杂的精细小零件、窄缝等，并可多件叠加起来加工，能获得一致的尺寸，因此线切割机床是模具制造企业必不可少的设备。

对于多品种少批量的零件、特殊难加工材料的零件、材料实验样件、各种孔型、特殊齿轮、凸轮、样板、成型刀具等零件的制造，线切割加工也具有极大的优势。

由于不需要制造模具，在新产品试制中可以大大缩短制造周期、降低成本。

四轴联动的线切割机还可以加工锥体、上下异形体等复杂形状零件。

总之，线切割加工已经成为了一种非常普及的特殊加工工艺。

2.2电火花线切割机的基本组成与结构
快走丝线切割机床主要由机床本体、脉冲电源、数控系统三个部分组成，如图2.2所示：
图2.2线切割机床的组成
2.3机床主体
机床主体主要由坐标工作台、高速走丝机构、丝架导轮机构、工作液系统、脉冲电源五部分组成，X、Y坐标工作台是用来装夹被加工工件，X轴、Y轴由控制器发出进给信号，分别控制两步进电动机，运行预定的轨迹。

2.3.1床身
床身是支撑和固定坐标工作台、走丝机构等的基础。

一般采用箱式结构，床身里面可以放置脉冲电源、工作液循环装置和机床电气设备等。

床身上安装有机床电气的操作面板，面板上有开关、指示仪表、调节旋钮等。

因此，要求床身有一定的刚度和强度。

床身的台面必须有足够的面积以便安装坐标工作台和走丝机构等。

如果将工作液循环装置、机床电气和脉冲电源等放置在床身的内部，那么床身的内部应有足够的容积来安装。

现在的机床一般采用电气系统独立安装在控
制箱柜内。

2.3.2坐标工作台
X、Y坐标工作台用来装夹工件，X轴和Y轴由控制台发出进给信号，分别控制两个步进电机，进行预定的加工。

坐标工作台由滑板、导轨、丝杠运动副、齿轮传动机构四个部分组成。

如图2.3所示：
图2.3坐标工作台
（1）滑板滑板主要由上滑板1、中滑板2、下滑板3组成。

通常下滑板与4床鞍固定连接，中滑板置于下滑板之上，运动方向为坐标X方向；上滑板置于中滑板之上，运动方向为坐标Y方向。

其中上、中滑板一端呈悬臂梁形式，以放置步进电动机。

为在减轻质量的条件下，增加滑板的结合面，提高工作台的刚度和强度，应使上滑板在全行程中不伸出中滑板，中滑板不伸出下滑板。

这种结构使坐标工作台所占面积较大，通常电动机置于滑板下面，增加了维修的难度。

（2）导轨坐标工作台的纵、横滑板是沿着导轨往复移动的。

因此，对导轨的精度、刚度和耐磨性有较高的要求。

此外，导轨应使滑板运动灵活、平稳。

此次设计的线切割机选用滚动是导轨，因为滚动导轨可以减少导轨间的摩擦力，便于工作台实现精确和微量的移动，且润滑方法简单。

缺点是接触面之间
不易保持油膜，抗震能力较差。

滚动导轨有滚珠导轨、滚柱导轨、滚针导轨等几种形式。

在滚珠导轨中，滚珠与导轨是点接触，承载能力不能过大。

在滚柱导轨和滚针导轨中，滚动体与导轨是线接触，因此有较大承载能力，因此被选用。

为了保证导轨精度，各滚动的直径误差一般不应大于0.001mm。

在相切割机床中，常用的滚动导轨还有一下两种：
①力封式滚动导轨力封式是借助运动件的重力将导轨副封闭而实现给定运动的结构形式。

图2.4是力封式滚动导轨结构简图。

承导件有两根V形导轨，运动件上两根与承导件相对的导轨中，一根是V形导轨，另一根是平导轨。

这种机构具有较好的工艺性，制造、装配、调整都比较方便；同时，导轨与滚珠的接触面也比较大，受力较均匀，润滑条件较好。

缺点是滑板可能在外力的作用下向上抬起，并因此破坏传动。

当搬运具有这种形式的机床时，必须将移动件加紧在机床上。

图2.4 力封式滚动导轨结构简图图2.5 自封式滚动稻谷结构简图
②自封式滚动导轨图2.5是自封式滚动导轨结构简图。

自封式是指有承导件保证运动件按给定要求运动的结构形式。

其优势是运动不易受外力影响，防尘条件好。

但结构复杂，每个V形槽两侧面受力不均，工艺性也较差，一般很少采用。

工作台导轨一般采用镶件。

由于滚柱与导轨是线接触，导轨单位面积上承受的压力很大，同时滚柱硬度较高，所以导轨应具有较高的硬度，为了保证运动件运动的灵活性和准确性，导轨的表面粗糙度Ra值应在0.8um以下，工作面的平面度应为0.05/400mm。

导轨的材料一般采用合金工具钢。

为了最大限度的消除导轨在使用中变形，导轨应进行冰冷处理和低温时效。

（3）丝杠传动副丝杠传动副的作用就是将传动电动机的旋转运动变为直线运动。

要使丝杠副传动精确，丝杠与螺母就必须精确，一般应保证IT11级和高于
IT11级的精度。

丝杠副的传动螺纹一般分为三角普通螺纹、梯形螺纹和圆弧螺纹三种。

三角普通螺纹和体形螺纹结构简单，制造方便，精度易于保证。

因此，在中、小型线切割机床的丝杠传动副中运用的比较广泛，但这种丝杠副传动为滑动摩擦，传动效率较低。

大、中型线切割机床常用圆弧形螺纹滚珠丝杠。

在此选用圆弧形滚珠丝杠，如图2.3所示，滚珠丝杠能传动副能够有效的消除丝杠与螺母间的配合间隙，可使滑板的往复运动灵活、精确。

丝杠与螺母之间不应有传动间隙，以防止转动方向改变时出现空程现象，造成加工误差，所以，一方面要保证丝杠和螺母牙形与螺距等方面的加工精度；另一方面要消除丝杠间的配合间隙，通常有以下两种方法：
①轴向调节法利用双螺母、弹簧消除丝杠副传动间隙的方法是简便易行的，如图2.6所示。

当丝杠正转时，带动螺母1和滑板一起移动；当丝杠反转时，则推动副螺母4，通过弹簧2和螺母1，使滑板反向移动。

装配和用背帽调整时，弹簧的压缩状态要适当。

弹力过大，会增加丝杠对螺母和副螺母之间的摩擦力，影响传动的灵活性和使用寿命；弹力过小，在副螺母受丝杠推动时，弹簧推动不了滑板，不能起到消除间隙的作用。

从图2.3中可以看出本设计选用的间隙调节方法也属于轴向调节法。

图2.6双螺母弹簧消除间隙的结构
②径向调节法图2.7为径向调节丝杠副间隙的结构。

螺母一端的外表面呈圆锥形，沿径向铣三个槽，劲部壁厚较薄，以保证螺母在径向收缩时带弹性，圆锥底部处的外圆柱面上有螺纹，用带有锥孔的调整螺母与之配合，使螺母三爪径向或离开丝杠，消除螺纹的径向和轴向间隙。

图2.7径向调节丝杠副间隙的结构
（4）齿轮——传动机构从2.3图中可以看出步进电动机与丝杠间的传动采用齿轮副来实现，由于齿侧间隙、轴与轴承之间的间隙及传动链中的弹性变形的影响，当步进电动机主轴上的主动齿轮改变转动方向时，会出现传动空程，为了减少和消除齿轮传动空程，应当采取以下措施：
①采用尽量少的齿轮减速级数，力求从结构上减少齿轮传动精度的误差。

②采用齿轮副中心距可调整结构，也可通过改变步进电机的固定位置来实现。

③将从动齿轮或介轮沿垂直于轴向剖分为双轮形式，如图2.8所示。

装配时应保证两轮齿廓分别与主动轮齿廓侧面接触，当步进电动机变换旋转方向时，丝杠能迅速得到相应反映。