毕业论文基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究

毕业论文基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究内容摘要：

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、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 DK7725 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 DK7732C 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． 012mm 提高到 0． 008mm，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。 ● 1990 年研制成功 DK7732 电火花线切割机，其控制柜采用 XK80AAA 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 CRT 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。 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水平。 机床采用可调升降 第 11 页 共 61 页 式线架，并带有 钼 丝张紧机构，切割厚度达 200mm。 DK7732 电火花线切割机性能优异，操作方便，荣获 19%年上海市优秀新产品三等奖。 1991 年大批 量投产。 ● 1991 年开发了 DK7725 机床，其控制柜采用 DK7732 的控制柜 SBJcUT4； 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 ； 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。 ● 1992 年底开始研制的控制柜 SBJCUT6，它采用了先进的 IBMPC386 微机控制系统， CRT 彩显可进行人机中文对话，操作极为方便，还具有相丝校直，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 ． 93 中国高新技术、新产品博览会银质奖的 YH 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 SBJCUT6 控制柜的 DK77321电火花线切割机荣获了 1993 年上 海市优秀新产品三等奖。 ● 1994 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 DK7725A 的研制，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。 就国外电火花线切割 机制造厂家而言，目前已进入了一个比较稳定的成长期，线切割的加工速度在目前这种加工方式和条件下再要大幅度提高比较困难，但可以预见现时的加工精度、速度、粗糙度及操作性能、机床的功能等都不会就此止步。 为了赶上国外电火花线切割机床的发展水平，改变我国落后的局面，应第 12 页 共 61 页 该以优先发展数控系统，大力加强系统的工艺基础研究工作，努力开拓新工艺领域，以及重视技术队伍建设入手，经过一代人甚至几代人的努力，我们定能在全球范围内缩小电火花加工工业的差距 [18]。 本课题研究的内容和意义 研究高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝 控制系统，可以在几乎不增加 改造成本的前提下，可以显著地提高工件的表面粗糙度，这对我国大量的高速快 走丝线切割机床进行技术改造具有重要的意义。 高速快走丝线切割机床的概况 高速快走丝线切割机床具有鲜明的中国特色，在国内电加工机床中占据非常 大的比例，约占全国线切割机床总量的 95%，而且这种情况在短时间内不会改变。 与低速走丝线切割机床相比，高速快走丝机床的优势体现在以下几个方面。 机床价格低，性价比高。 高速快走丝线切割机床的价格一般为 10 万以下，比慢走丝线切割机床要便宜得多，而且维护成本较低。 首 先 钼 丝价格便宜，并且是循环往复使用 ； 乳化液成本也较低。 而低速走丝机床运行成本很高，铜电极一次使用，工作液是要求很高的去离子水。 高速快走丝线切割机床操作相对简单，操作人员容易培训。 而低速走丝机床对使用人员的操作技能要求较高。 高速快走丝线切割机床由于运丝速度快，放电间隙内的切屑容易排除，在大厚度工件切割时效果非常明显，可以切割的厚度远远大于低速走丝机床。 目前国内很多厂家的高速走丝线切割机床可以切割厚度 500mm 以上的工件，最大可切割厚度可达 1000mm，低速走丝机床的则较差，最大切割厚度不到 300mm。 高速快走丝线切割机床面临的压力 几十年来，高速快走丝线切割机床对我国的工业发展作出了重要贡献，但随 着科技的发展，现代制造技术对机床性能的要求越来越高，高速快走丝线切割机 床的发展如果能满足生产中不断提出的新的要求，市场竞争力无疑会更强 ． 目前 WEDMHS 的发展面临着极大的挑战。 第一，生产实际带来的压力。 生产中有大量异形且高硬度零件需要加工，同 时模具的形状越来越复杂，精度要求越来越高，用量越来越大，制造周期要求越 第 13 页 共 61 页 来越短，所有这些，均对电火花线切割提出了更高的要求。 如果线切割方法不能 满足这 些要求，必然会不断出现的新的加工方式所代替。 高速快走丝电火花线切 割机床目前较大的缺陷就是加工精度和表面精糙度较低，虽然有的产家对机床进 行了一定的结构和设备改造，但往往要增加较大的改造成本。 第二，与低速走丝线切割机床的竞争压力。 中国加入世贸以后，低价位的低 速走丝电火花线切割机床将对高速走丝电火花线切割机床市场带来极大的冲击。 过去低速走丝电火花线切割机床面对的市场主要是高效率、高精度、高表面质量 的模具加工 ． 但随着国外低速走丝电火花线切割机床生产厂家进入国内的线切割 行业，通过与国内厂家以合资、合作的 方式进入国内市场，低价位的低速走丝电 火花线切割机床正在投入市场，高速快走丝电火花线切割机床的价格优势正在减 弱，低速走丝电火花线切割机床正越来越多地进入过去高速快走丝电火花线切割 机床的加工领域。 高速快走丝电火花线切割机床的价格优势在削弱，与此同时，低速走丝电火 花线切割机床在加工指标上的优势却是越来越大。 从 IMTS2020 上展出的低速走丝线切割机床可以了解到近年低速走丝电火花线切割机床发展水平。 瑞士夏米尔ROBOFIL240CC/440CC 采用 “ Clean Cut” 电源，最高效率可达 400mm^2/min。 阿奇 VERTEX 型机床加工的工件精度可达 0． 5μ m． 表面粗糙度可达 Ra0． 05。 总的说来，目前低速走丝线切割机床的发展水平为 ： Tkm（ 平均表面轮廓度 ） 达2~4μ m， Ra0． 2，切割尖角和小圆弧精度落 3’，加工硬质合金没有微观裂纹，没有变质层，可直接进行精密模具加工，模具寿命明显提高。 与之相比，高速快走丝电火花线切割机床达到的加工效率、加工精度和表面 质量存在数量级的差距， WEDMHS 目前的发展水平是 ： 最大切割效率260mm^2/min，最高加工精度 7μ m，最好表面粗糙度 Ra0． 7。 国产高速快走丝电火花线切割机床在机床精度、功能、可靠性以及加工稳定性等方面都有较大的差距，而根据机械部电加工产品质量监督检测中心对国内三十个企业的产品抽样检验的结果，国内许多厂家线切割机床加工指标并没有达到广告宣传的指标。 可以说，高速快走丝机床面临的挑战非常严峻，因此，高速快走丝线切割机 床必须相应提高加工过程中的精度指标，提高机床加工的稳定性、可靠性 [19]。 第 14 页 共 61 页 课题的任务与研究内容 提高加工表面粗糙度的方法很多，其中短循环走丝方式对加工表面粗糙度的 影响是近年来许多线切割机床使用者的经验总结。 因此许多厂家相应地采取了很 多方式对走丝过程进行短循环控制，如行程开关控制，步进电机控制等。 但相应 的增加了不少生产成本或设备改造成本。 本课题来自金华市信达机械制造有限公司，该公司是一家在金华市模具制造 行业颇有影响的模具制造企业，拥有各种类型高速快走丝线切割机床 23 台，常年对外进行模具钢的线切割服务和模具制造工作。 为了提高其产品在市场上的竞争力，针对市场的需要，对机床的走丝方式进行研究，为此提出了更经济更有效的高速快走丝线切割机床的短循环走丝控制方式。 本课题研究工作就是结合该任务而进行的，主要工作内容 ，包括如下几个方面 ： 1． 电火花线切割的原理及规律 ； 2． 对几种走丝方式的优缺点进行比较 ； 3． 设计单片机控制系统的程序 : 4． 设计制作控制短循环走丝方式的电路 ； 5． 新型短循环走丝方式的加工实践及数据分析。 本论文根据研究内容分六章撰写，第一章为绪论，介绍电火花线切割机床的 应用范围发展现状 ； 第二章介绍了高速走丝线切割机床的原理、组成及规律 ； 第 三章阐述了线切割加工中运丝长度对表面粗糙的影响，针对现有运丝长度控制方 法的不足，提出了用单片机实现短循环换向控制 方法 ； 第四章详细介绍了短循环 走丝方式的电路和单片机控制的软件设计要点 :第五章介绍了新型的短循环走丝 控制系统，投入生产进行加工实践的情况。 最后一章对研究内容进行了总结，并 提出了今后工作的展望。 第 15 页 共 61 页 第二章 高速快走丝电火花线切割概述 电火花加工是指在工具电极和工件间施加脉冲电压，用电蚀原理对工件进行 加工的一种电加工方式。 高速快走丝电火花线切割机床是电火花加工机床的一种，电火花线切割加工无需专门制作电极，而是采用细金属丝作为工具电极，通过对工作台的驱动，移动工件使之沿着给定的轨迹运行、放电，从而加工 出相应几何图形的工件。 高速快走丝电火花线切割机的组成部分及作用 目前，大部分高速快走丝电火花线切割机一般由机械系统、脉冲电源、控制 系统、工作液循环系统等构成 [20]。 机械系统 作为机床主机的机械系统，主要由床身，坐标工作台，走丝机构 (含电机、 丝架、储丝筒、导向机构 )等组成，如下图所示。 图 21 线切割机床结构示意图 fig． 2ldiagrammatic drawing of HSWEDM 床身是支承坐标工作台、走丝机构和丝架的基体，它应具有一定的刚度和强 第 16 页 共 61 页 度。 目前床身主 要有铸造结构和焊接结构两种，其中铸造结构床身刚性好，强度 高，长时间使用能保持原有的精度，因此应用较多，其缺点是结构笨重，制造时 需先做模具，加工量大，周期长。 而焊接结构轻便，制造容易，周期短，在制造 过程中需要采用一定的工艺方法来消除焊接残余应力，以减少变形。 坐标工作台主要由底座、纵横拖板、导轨、丝杆运动副、变速齿轮、步进电 机等组成，结构原理如图 22 所示 ： 步进电机 8 通过齿轮 9 带动丝杆 7 旋转并向前移动，丝杆空套在工作台上，通过滚珠以及调节螺钉 推座 2 带动工作台前进。 工作台与底座 4 之间有弹簧 1 拉紧，弹 簧保证丝杆后退时工作台随之后退，并消除丝杆、螺母之间的间隙。 图 22 坐标工作台结构原理图 fig22 schematic diagram ofcoordinate workbench 拖板由拖板座 下拖板 上拖板 2 和工作台 1 四部分组成，如图 23 所示拖板座与床身固定连接 ； 下拖板置于拖板座之上，以实现 y轴方向的运动 ； 上拖板置于下拖板之上，以实现 x轴方向运动 ； 工作台置于上拖板之上。 第 17 页 共 61 页 图 23 拖板结构图 fig． 23 slructureofslidingplate 导轨是坐标工作台纵、横 拖板往复运动的导向件，因此对导轨的精度、刚度 和耐磨性有较高的要求，线切割机床常用滚动导轨，可以减少导轨间的摩擦阻力， 便于工作台实现精确和微量移动，而且润滑方法简单，缺点是接触面间不易保持 油膜，抗振能力较差。 滚动导轨滚珠式、滚柱式和滚针式等结构形式。 在。