高性能中走絲線切割機(jī)床的研發(fā)
高性能中走絲線切割機(jī)床的研發(fā)
摘要：從單脈沖放電加工狀態(tài)實時檢測、脈沖波型自適應(yīng)調(diào)節(jié)及數(shù)字化伺服3個方面著手，**提升了中走絲線切割機(jī)床脈沖電源系統(tǒng)的綜合性能。同時，改進(jìn)了機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)、提升了驅(qū)動系統(tǒng)性能，建立了智能型工藝數(shù)據(jù)庫，較**地完成了中走絲線切割機(jī)床的綜合技術(shù)研制，使機(jī)床的整體性能有了質(zhì)的提高。
關(guān)鍵字：線切割機(jī)床；中走絲；高速數(shù)字采樣；數(shù)字式伺服；數(shù)據(jù)庫
2005年以來，隨著運絲速度可自動調(diào)節(jié)、具有多次切割功能等的高速走絲電火花線切割機(jī)床（行業(yè)俗稱“中走絲線切割機(jī)床”）問世以來，在切割效率、加工表面粗糙度兩個方面均有了較大的提高和改善，是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高速走絲線切割機(jī)床的更新?lián)Q代產(chǎn)品。但如何進(jìn)一步提升產(chǎn)品的加工精度等綜合性能，提高其應(yīng)用的可靠性、客戶使用的便利性等，還需進(jìn)行大量的技術(shù)開發(fā)、工藝試驗等工作。本項目就是在本公司已有的中走絲線切割機(jī)床產(chǎn)品技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行技術(shù)研制，進(jìn)一步提高其綜合性能指標(biāo)，開發(fā)出了新一代高性能、更加成熟可靠的中走絲線切割機(jī)床，并廣泛地應(yīng)用于各個工業(yè)領(lǐng)域。
該項目技術(shù)包括：自適應(yīng)脈沖電源系統(tǒng)，中走絲線切割機(jī)床主體，全智能工藝系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫等三大主要部分。
1 多CPU并聯(lián)運行的數(shù)字化自適應(yīng)脈沖電源系統(tǒng)
該系統(tǒng)包含數(shù)字化全功能高頻脈沖發(fā)生模塊、高速數(shù)字采樣、脈沖波形自適應(yīng)調(diào)節(jié)、數(shù)字化伺服進(jìn)給控制、無電阻驅(qū)動控制及機(jī)床電氣控制等六大模塊（圖1略）。各功能模塊中的主控芯片與數(shù)控用計算機(jī)中的二個CPU一起，形成多CPU并聯(lián)運行的高速自適應(yīng)中走絲脈沖電源系統(tǒng)（圖2略）。
1.1 高速數(shù)字采樣電路
采用專用芯片，設(shè)計了對放電間隙進(jìn)行單脈沖放電狀態(tài)實時檢測電路。可檢測出短路、預(yù)短路、正常加工、預(yù)開路、開路等多特征量基本信號，電路的響應(yīng)時間在100 ns以內(nèi)。在檢測的基礎(chǔ)上，再對信號進(jìn)行分類統(tǒng)計，同時建立控制模型。它是脈沖波形自適應(yīng)調(diào)節(jié)、數(shù)字化伺服進(jìn)給控制的調(diào)節(jié)和控制依據(jù)。
1.2 脈沖波形自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊
根據(jù)上述放電間隙高速采樣的結(jié)果，對加工波形自動進(jìn)行調(diào)整，使加工達(dá)到*佳狀態(tài)，正常穩(wěn)定加工時間達(dá)到80%左右。這項工作中，我們進(jìn)行了大量的加工工藝試驗，探索不同高頻脈沖波形對不同材料、不同加工要求，不同工況的適用程度，結(jié)合放電采樣結(jié)果及決策模型，對脈沖波形自動進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整控制。
1.3 數(shù)字化伺服進(jìn)給控制模塊
傳統(tǒng)的往復(fù)走絲伺服進(jìn)給控制系統(tǒng)，多采用分立元件組成邏輯電路，對放電狀態(tài)的檢測一般采用積分電路平均電壓法，其缺點是對放電間隙狀態(tài)的檢測不夠準(zhǔn)確，對放電開路狀態(tài)較敏感；而對正常放電和短路放電狀態(tài)響應(yīng)較慢，難以進(jìn)行準(zhǔn)確的進(jìn)給跟蹤，因此加工過程穩(wěn)定性差，很多情況下需有經(jīng)驗的操作人員人為調(diào)節(jié)。我們設(shè)計了數(shù)字化伺服進(jìn)給控制模塊，將原來的毫秒級模擬量系統(tǒng)，提升為數(shù)字化系統(tǒng)，并提高伺服響應(yīng)速度到微秒級。從圖3（略）中可看到，采用不同的脈沖采樣處理技術(shù)切割的效果對比，差別非常明顯。采用了數(shù)字化伺服進(jìn)給控制，一次切割, 效率在80 mm2/min時，表面粗糙度可達(dá)Ra 2.0μm，基本沒有黑白相間的條紋。而采用普通積分采樣技術(shù)的切割樣件，黑白相間條紋明顯，同樣加工條件下，效率在60 mm2/min左右。
1.4 無電阻驅(qū)動控制模塊
替代RC脈沖電源和以功率開關(guān)管串聯(lián)限流電阻的結(jié)構(gòu)，采用電感元件替代限流電阻進(jìn)行限流和儲能，從而可使電能利用率提高一倍以上。它是電加工領(lǐng)域綠色電源的基礎(chǔ)。圖4（略）是無電阻驅(qū)動控制模塊圖片，目前已投入工業(yè)化生產(chǎn)。
實測得步進(jìn)電機(jī)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩；動態(tài)轉(zhuǎn)矩為：當(dāng)電機(jī)運轉(zhuǎn)速度在300步/s以內(nèi)時，能達(dá)到其額定值，在500步/s時也能達(dá)到其額定轉(zhuǎn)矩的90%左右。這一特性已可滿足線切割機(jī)床的使用要求，經(jīng)測量4只步進(jìn)電機(jī)的整體能耗僅為140 W左右。因為電機(jī)組中沒有串接電阻，與以前的驅(qū)動電路相比，相當(dāng)于節(jié)電750 W左右，整個電柜節(jié)電約25%，同時由于電機(jī)每相電流在開通時變化相對更平緩，故機(jī)床運行振動明顯減小。
2 中走絲線切割機(jī)床主體
為改善現(xiàn)有中走絲線切割機(jī)床的加工精度，在設(shè)計機(jī)床整體結(jié)構(gòu)時，采用了整體C型主體結(jié)構(gòu)，X、Y軸運動全行程全支撐設(shè)計，提高機(jī)床整體剛性及精度穩(wěn)定性。目前市場上流行的大多數(shù)中走絲線切割機(jī)床，X、Y軸運動執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍然都是開環(huán)步進(jìn)系統(tǒng)。我們采用了伺服半閉環(huán)或全閉環(huán)驅(qū)動系統(tǒng)。采用交流伺服電機(jī)與滾珠絲杠直接聯(lián)結(jié)，減少傳動誤差，旋轉(zhuǎn)編碼器或光柵作為位置檢測裝置，實現(xiàn)高精度半閉環(huán)或閉環(huán)進(jìn)給伺服驅(qū)動及定位。外型采用全防護(hù)裝置，加強(qiáng)環(huán)保及**防護(hù)。運動導(dǎo)軌采用整體式線性滾動導(dǎo)軌，提高運動精度及精度穩(wěn)定性。機(jī)床X、Y軸的定位精度0.01 mm,重復(fù)定位精度0.003 mm。運絲系統(tǒng)采用重力自動張絲與導(dǎo)絲嘴穩(wěn)絲相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，可靠性較高。
冷卻液系統(tǒng)全過濾，保證了放電加工區(qū)工況穩(wěn)定。
3 全智能工藝系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫
3.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主要意義
加工工藝參數(shù)自動生成，自動連接各道程序，無須人工干預(yù)，大大方便產(chǎn)品的操控性能，降低了加工質(zhì)量對操作人員技術(shù)水平的依賴程度。也是中走絲機(jī)床擴(kuò)大應(yīng)用范圍，進(jìn)軍國際中、**市場的必要條件之一。
3.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫框架
系統(tǒng)整體分為：系統(tǒng)管理模塊和數(shù)據(jù)庫管理模塊，其中系統(tǒng)管理模塊主要部署用戶的添加刪除及其密碼修改等功能，數(shù)據(jù)庫管理模塊主要分為數(shù)據(jù)添加/刪除、數(shù)據(jù)查詢等功能（圖5略）。
數(shù)據(jù)庫管理模塊包括數(shù)據(jù)添加、數(shù)據(jù)查詢、擬合數(shù)據(jù)庫三部分。數(shù)據(jù)添加主要是把較成熟的加工工藝參數(shù)加入數(shù)據(jù)庫，供用戶查詢使用；數(shù)據(jù)查詢是用戶根據(jù)自身需求通過選擇加工對象的特征量基本條件或目標(biāo)，查詢出符合自身需要的工藝參數(shù)；擬合數(shù)據(jù)庫是對較成熟的工藝參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，定性分析一部分參數(shù)之間的關(guān)系，實現(xiàn)了工藝參數(shù)從離散到連續(xù)的飛躍（圖6略）。
4 機(jī)床三大主要性能指標(biāo)
（1） 一次切割高效率： *大加工效率≥190 mm2/min。
（2） 多次切割低表面粗糙度。按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定條件，3次切割，能獲得Ra≤1～1.6μm的表面粗糙度值，且加工表面光澤無切割條紋，平均加工速度50mm2/min。4次切割，*佳表面粗糙度值Ra≤0.8μm，平均加工速度40～50mm2/min。
（3）大面積及大厚度切割。采用直徑0.18 mm鉬絲，工件材料45鋼，厚度50 mm,平均切割效率：100～120 mm2/min，連續(xù)切割20萬mm2，鉬絲損耗0.02mm，加工穩(wěn)定，無斷絲現(xiàn)象。
采用直徑0.18 mm鉬絲，工件材料45鋼，厚度500 mm，連續(xù)切割48 h，加工穩(wěn)定，無斷絲現(xiàn)象，平均切割效率：80 mm2/min。
5 結(jié)束語
高速數(shù)字采樣電路實現(xiàn)了單脈沖放電高速檢測及數(shù)字化采樣，響應(yīng)時間在100 ns之內(nèi)，完全滿足了現(xiàn)有中走絲機(jī)床對放電區(qū)狀態(tài)檢測的需求。采用高度集成化芯片研制成功的脈沖波形自適應(yīng)調(diào)節(jié)和數(shù)字化伺服進(jìn)給模塊，實現(xiàn)了放電加工過程中的脈沖波形高速自適應(yīng)調(diào)節(jié)及數(shù)字化伺服進(jìn)給策略，而不是采用簡單的短路停頓或回退的方式，提高響應(yīng)速度10倍以上，基本消除了切割過程中的短路條紋。
智能化中走絲加工工藝數(shù)據(jù)庫的成功開發(fā)，形成了此類機(jī)床的數(shù)據(jù)庫基本框架；收集整理了常用材料、單次切割在500 mm厚度或多次切割在100 mm厚度范圍內(nèi)的電加工工藝經(jīng)驗數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行了分析，擬合了曲線方程，對于實際應(yīng)用有較高的參考價值。
機(jī)床結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和驅(qū)動方式的變更，提高了機(jī)床的數(shù)控精度、機(jī)床的快速性及精度保持性，機(jī)床的制造成本也有所提高。采用電感元件替代限流電阻進(jìn)行限流和儲能的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動技術(shù)，提高了電能的利用率，改善了驅(qū)動平穩(wěn)性。
總之，具有多次切割功能的高速走絲線切割機(jī)床是對傳統(tǒng)機(jī)床的技術(shù)更新?lián)Q代產(chǎn)品。要想使此類產(chǎn)品在市場中廣泛推廣應(yīng)用，必須進(jìn)行產(chǎn)品的綜合技術(shù)研制，要**提高產(chǎn)品的主要性能指標(biāo)、機(jī)床加工的精度，提升產(chǎn)品的使用穩(wěn)定性、可靠性和便利性，此類產(chǎn)品具有很大的技術(shù)及市場前景。
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