高性能中走絲線切割機床的研發
高性能中走絲線切割機床的研發
摘要：從單脈沖放電加工狀態實時檢測、脈沖波型自適應調節及數字化伺服3個方面著手，**提升了中走絲線切割機床脈沖電源系統的綜合性能。同時，改進了機床的整體結構、提升了驅動系統性能，建立了智能型工藝數據庫，較**地完成了中走絲線切割機床的綜合技術研制，使機床的整體性能有了質的提高。
關鍵字：線切割機床；中走絲；高速數字采樣；數字式伺服；數據庫
2005年以來，隨著運絲速度可自動調節、具有多次切割功能等的高速走絲電火花線切割機床（行業俗稱“中走絲線切割機床”）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權的高速走絲線切割機床的更新換代產品。但如何進一步提升產品的加工精度等綜合性能，提高其應用的可靠性、客戶使用的便利性等，還需進行大量的技術開發、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床產品技術基礎上，進行技術研制，進一步提高其綜合性能指標，開發出了新一代高性能、更加成熟可靠的中走絲線切割機床，并廣泛地應用于各個工業領域。
該項目技術包括：自適應脈沖電源系統，中走絲線切割機床主體，全智能工藝系統數據庫等三大主要部分。
1 多CPU并聯運行的數字化自適應脈沖電源系統
該系統包含數字化全功能高頻脈沖發生模塊、高速數字采樣、脈沖波形自適應調節、數字化伺服進給控制、無電阻驅動控制及機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控用計算機中的二個CPU一起，形成多CPU并聯運行的高速自適應中走絲脈沖電源系統（圖2略）。
1.1 高速數字采樣電路
采用專用芯片，設計了對放電間隙進行單脈沖放電狀態實時檢測電路。可檢測出短路、預短路、正常加工、預開路、開路等多特征量基本信號，電路的響應時間在100 ns以內。在檢測的基礎上，再對信號進行分類統計，同時建立控制模型。它是脈沖波形自適應調節、數字化伺服進給控制的調節和控制依據。
1.2 脈沖波形自適應調節模塊
根據上述放電間隙高速采樣的結果，對加工波形自動進行調整，使加工達到*佳狀態，正常穩定加工時間達到80%左右。這項工作中，我們進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，結合放電采樣結果及決策模型，對脈沖波形自動進行自適應調整控制。
1.3 數字化伺服進給控制模塊
傳統的往復走絲伺服進給控制系統，多采用分立元件組成邏輯電路，對放電狀態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的檢測不夠準確，對放電開路狀態較敏感；而對正常放電和短路放電狀態響應較慢，難以進行準確的進給跟蹤，因此加工過程穩定性差，很多情況下需有經驗的操作人員人為調節。我們設計了數字化伺服進給控制模塊，將原來的毫秒級模擬量系統，提升為數字化系統，并提高伺服響應速度到微秒級。從圖3（略）中可看到，采用不同的脈沖采樣處理技術切割的效果對比，差別非常明顯。采用了數字化伺服進給控制，一次切割, 效率在80 mm2/min時，表面粗糙度可達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 無電阻驅動控制模塊
替代RC脈沖電源和以功率開關管串聯限流電阻的結構，采用電感元件替代限流電阻進行限流和儲能，從而可使電能利用率提高一倍以上。它是電加工領域綠色電源的基礎。圖4（略）是無電阻驅動控制模塊圖片，目前已投入工業化生產。
實測得步進電機靜態轉矩為額定轉矩；動態轉矩為：當電機運轉速度在300步/s以內時，能達到其額定值，在500步/s時也能達到其額定轉矩的90%左右。這一特性已可滿足線切割機床的使用要求，經測量4只步進電機的整體能耗僅為140 W左右。因為電機組中沒有串接電阻，與以前的驅動電路相比，相當于節電750 W左右，整個電柜節電約25%，同時由于電機每相電流在開通時變化相對更平緩，故機床運行振動明顯減小。
2 中走絲線切割機床主體
為改善現有中走絲線切割機床的加工精度，在設計機床整體結構時，采用了整體C型主體結構，X、Y軸運動全行程全支撐設計，提高機床整體剛性及精度穩定性。目前市場上流行的大多數中走絲線切割機床，X、Y軸運動執行機構仍然都是開環步進系統。我們采用了伺服半閉環或全閉環驅動系統。采用交流伺服電機與滾珠絲杠直接聯結，減少傳動誤差，旋轉編碼器或光柵作為位置檢測裝置，實現高精度半閉環或閉環進給伺服驅動及定位。外型采用全防護裝置，加強環保及**防護。運動導軌采用整體式線性滾動導軌，提高運動精度及精度穩定性。機床X、Y軸的定位精度0.01 mm,重復定位精度0.003 mm。運絲系統采用重力自動張絲與導絲嘴穩絲相結合的結構，可靠性較高。
冷卻液系統全過濾，保證了放電加工區工況穩定。
3 全智能工藝系統數據庫
3.1 系統數據庫主要意義
加工工藝參數自動生成，自動連接各道程序，無須人工干預，大大方便產品的操控性能，降低了加工質量對操作人員技術水平的依賴程度。也是中走絲機床擴大應用范圍，進軍國際中、**市場的必要條件之一。
3.2 系統數據庫框架
系統整體分為：系統管理模塊和數據庫管理模塊，其中系統管理模塊主要部署用戶的添加刪除及其密碼修改等功能，數據庫管理模塊主要分為數據添加/刪除、數據查詢等功能（圖5略）。
數據庫管理模塊包括數據添加、數據查詢、擬合數據庫三部分。數據添加主要是把較成熟的加工工藝參數加入數據庫，供用戶查詢使用；數據查詢是用戶根據自身需求通過選擇加工對象的特征量基本條件或目標，查詢出符合自身需要的工藝參數；擬合數據庫是對較成熟的工藝參數進行數據分析，定性分析一部分參數之間的關系，實現了工藝參數從離散到連續的飛躍（圖6略）。
4 機床三大主要性能指標
（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。按國家標準規定條件，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，連續切割20萬mm2，鉬絲損耗0.02mm，加工穩定，無斷絲現象。
采用直徑0.18 mm鉬絲，工件材料45鋼，厚度500 mm，連續切割48 h，加工穩定，無斷絲現象，平均切割效率：80 mm2/min。
5 結束語
高速數字采樣電路實現了單脈沖放電高速檢測及數字化采樣，響應時間在100 ns之內，完全滿足了現有中走絲機床對放電區狀態檢測的需求。采用高度集成化芯片研制成功的脈沖波形自適應調節和數字化伺服進給模塊，實現了放電加工過程中的脈沖波形高速自適應調節及數字化伺服進給策略，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據庫的成功開發，形成了此類機床的數據庫基本框架；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厚度范圍內的電加工工藝經驗數據，并對其進行了分析，擬合了曲線方程，對于實際應用有較高的參考價值。
機床結構的改進和驅動方式的變更，提高了機床的數控精度、機床的快速性及精度保持性，機床的制造成本也有所提高。采用電感元件替代限流電阻進行限流和儲能的步進電機驅動技術，提高了電能的利用率，改善了驅動平穩性。
總之，具有多次切割功能的高速走絲線切割機床是對傳統機床的技術更新換代產品。要想使此類產品在市場中廣泛推廣應用，必須進行產品的綜合技術研制，要**提高產品的主要性能指標、機床加工的精度，提升產品的使用穩定性、可靠性和便利性，此類產品具有很大的技術及市場前景。
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