高性能中走丝线切割机床的研制-苏州市联青机电工贸有限公司

高性能中走丝线切割机床的研制

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高性能中走丝线切割机床的研制

摘要：从单脉冲放电加工状态实时检测、脉冲波型自适应调节及数字化伺服3个方面着手，全面提升了中走丝线切割机床脉冲电源系统的综合性能。同时，改进了机床的整体结构、提升了驱动系统性能，建立了智能型工艺数据库，较全面地完成了中走丝线切割机床的综合技术研制，使机床的整体性能有了质的提高。
关键字：线切割机床；中走丝；高速数字采样；数字式伺服；数据库
2005年以来，随着运丝速度可自动调节、具有多次切割功能等的高速走丝电火花线切割机床（行业俗称“中走丝线切割机床”）问世以来，在切割效率、加工表面粗糙度两个方面均有了较大的提高和改善，是我国具有自主知识产权的高速走丝线切割机床的更新换代产品。但如何进一步提升产品的加工精度等综合性能，提高其应用的可靠性、客户使用的便利性等，还需进行大量的技术开发、工艺试验等工作。本项目就是在本公司已有的中走丝线切割机床产品技术基础上，进行技术研制，进一步提高其综合性能指标，开发出了新一代高性能、更加成熟可靠的中走丝线切割机床，并广泛地应用于各个工业领域。
该项目技术包括：自适应脉冲电源系统，中走丝线切割机床主体，全智能工艺系统数据库等三大主要部分。
1 多CPU并联运行的数字化自适应脉冲电源系统
该系统包含数字化全功能高频脉冲发生模块、高速数字采样、脉冲波形自适应调节、数字化伺服进给控制、无电阻驱动控制及机床电气控制等六大模块（图1略）。各功能模块中的主控芯片与数控用计算机中的二个CPU一起，形成多CPU并联运行的高速自适应中走丝脉冲电源系统（图2略）。
1.1 高速数字采样电路
采用专用芯片，设计了对放电间隙进行单脉冲放电状态实时检测电路。可检测出短路、预短路、正常加工、预开路、开路等多特征量基本信号，电路的响应时间在100 ns以内。在检测的基础上，再对信号进行分类统计，同时建立控制模型。它是脉冲波形自适应调节、数字化伺服进给控制的调节和控制依据。
1.2 脉冲波形自适应调节模块
根据上述放电间隙高速采样的结果，对加工波形自动进行调整，使加工达到最佳状态，正常稳定加工时间达到80%左右。这项工作中，我们进行了大量的加工工艺试验，探索不同高频脉冲波形对不同材料、不同加工要求，不同工况的适用程度，结合放电采样结果及决策模型，对脉冲波形自动进行自适应调整控制。
1.3 数字化伺服进给控制模块
传统的往复走丝伺服进给控制系统，多采用分立元件组成逻辑电路，对放电状态的检测一般采用积分电路平均电压法，其缺点是对放电间隙状态的检测不够准确，对放电开路状态较敏感；而对正常放电和短路放电状态响应较慢，难以进行准确的进给跟踪，因此加工过程稳定性差，很多情况下需有经验的操作人员人为调节。我们设计了数字化伺服进给控制模块，将原来的毫秒级模拟量系统，提升为数字化系统，并提高伺服响应速度到微秒级。从图3（略）中可看到，采用不同的脉冲采样处理技术切割的效果对比，差别非常明显。采用了数字化伺服进给控制，一次切割, 效率在80 mm2/min时，表面粗糙度可达Ra 2.0μm，基本没有黑白相间的条纹。而采用普通积分采样技术的切割样件，黑白相间条纹明显，同样加工条件下，效率在60 mm2/min左右。
1.4 无电阻驱动控制模块
替代RC脉冲电源和以功率开关管串联限流电阻的结构，采用电感元件替代限流电阻进行限流和储能，从而可使电能利用率提高一倍以上。它是电加工领域绿色电源的基础。图4（略）是无电阻驱动控制模块图片，目前已投入工业化生产。
实测得步进电机静态转矩为额定转矩；动态转矩为：当电机运转速度在300步/s以内时，能达到其额定值，在500步/s时也能达到其额定转矩的90%左右。这一特性已可满足线切割机床的使用要求，经测量4只步进电机的整体能耗仅为140 W左右。因为电机组中没有串接电阻，与以前的驱动电路相比，相当于节电750 W左右，整个电柜节电约25%，同时由于电机每相电流在开通时变化相对更平缓，故机床运行振动明显减小。
2 中走丝线切割机床主体
为改善现有中走丝线切割机床的加工精度，在设计机床整体结构时，采用了整体C型主体结构，X、Y轴运动全行程全支撑设计，提高机床整体刚性及精度稳定性。目前市场上流行的大多数中走丝线切割机床，X、Y轴运动执行机构仍然都是开环步进系统。我们采用了伺服半闭环或全闭环驱动系统。采用交流伺服电机与滚珠丝杠直接联结，减少传动误差，旋转编码器或光栅作为位置检测装置，实现高精度半闭环或闭环进给伺服驱动及定位。外型采用全防护装置，加强环保及安全防护。运动导轨采用整体式线性滚动导轨，提高运动精度及精度稳定性。机床X、Y轴的定位精度0.01 mm,重复定位精度0.003 mm。运丝系统采用重力自动张丝与导丝嘴稳丝相结合的结构，可靠性较高。
冷却液系统全过滤，保证了放电加工区工况稳定。
3 全智能工艺系统数据库
3.1 系统数据库主要意义
加工工艺参数自动生成，自动连接各道程序，无须人工干预，大大方便产品的操控性能，降低了加工质量对操作人员技术水平的依赖程度。也是中走丝机床扩大应用范围，进军国际中、高端市场的必要条件之一。
3.2 系统数据库框架
系统整体分为：系统管理模块和数据库管理模块，其中系统管理模块主要部署用户的添加删除及其密码修改等功能，数据库管理模块主要分为数据添加/删除、数据查询等功能（图5略）。
数据库管理模块包括数据添加、数据查询、拟合数据库三部分。数据添加主要是把较成熟的加工工艺参数加入数据库，供用户查询使用；数据查询是用户根据自身需求通过选择加工对象的特征量基本条件或目标，查询出符合自身需要的工艺参数；拟合数据库是对较成熟的工艺参数进行数据分析，定性分析一部分参数之间的关系，实现了工艺参数从离散到连续的飞跃（图6略）。
4 机床三大主要性能指标
（1）一次切割高效率：最大加工效率≥190 mm2/min。
（2）多次切割低表面粗糙度。按国家标准规定条件，3次切割，能获得Ra≤1～1.6μm的表面粗糙度值，且加工表面光泽无切割条纹，平均加工速度50mm2/min。4次切割，最佳表面粗糙度值Ra≤0.8μm，平均加工速度40～50mm2/min。
（3）大面积及大厚度切割。采用直径0.18 mm钼丝，工件材料45钢，厚度50 mm,平均切割效率：100～120 mm2/min，连续切割20万mm2，钼丝损耗0.02mm，加工稳定，无断丝现象。
采用直径0.18 mm钼丝，工件材料45钢，厚度500 mm，连续切割48 h，加工稳定，无断丝现象，平均切割效率：80 mm2/min。
5 结束语
高速数字采样电路实现了单脉冲放电高速检测及数字化采样，响应时间在100 ns之内，完全满足了现有中走丝机床对放电区状态检测的需求。采用高度集成化芯片研制成功的脉冲波形自适应调节和数字化伺服进给模块，实现了放电加工过程中的脉冲波形高速自适应调节及数字化伺服进给策略，而不是采用简单的短路停顿或回退的方式，提高响应速度10倍以上，基本消除了切割过程中的短路条纹。
智能化中走丝加工工艺数据库的成功开发，形成了此类机床的数据库基本框架；收集整理了常用材料、单次切割在500 mm厚度或多次切割在100 mm厚度范围内的电加工工艺经验数据，并对其进行了分析，拟合了曲线方程，对于实际应用有较高的参考价值。
机床结构的改进和驱动方式的变更，提高了机床的数控精度、机床的快速性及精度保持性，机床的制造成本也有所提高。采用电感元件替代限流电阻进行限流和储能的步进电机驱动技术，提高了电能的利用率，改善了驱动平稳性。
总之，具有多次切割功能的高速走丝线切割机床是对传统机床的技术更新换代产品。要想使此类产品在市场中广泛推广应用，必须进行产品的综合技术研制，要全面提高产品的主要性能指标、机床加工的精度，提升产品的使用稳定性、可靠性和便利性，此类产品具有很大的技术及市场前景。

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