可逆单向走丝线切割机床双丝筒走丝系统的设计.pdf

可逆单向走丝线切割机床双丝筒走丝系统的设计 米 齐文春① 黄 莺① 高坚强② 时解放② ① 苏州科技学院机械工程学院， 江苏 苏州 2 1 5 0 1 1 ； ② 苏州新火花机床有限公司， 江苏 苏州 2 1 5 1 2 8 摘要 提 出了可逆单 向走丝线切割机床的概念， 阐述了可逆单向走丝线切割机床的技术方案 ， 设计了超长 电极丝双丝简结构多层绕丝的走丝系统， 探讨了可逆单向走丝线切割机床走丝系统的控制要求及 控制系统的实现方案。本方案设计 的走丝系统既可 以实现单 向走丝机床 的无条纹高精度加工要 求 ， 又可以实现电极丝重复使用的往复走丝机床低运行成本要求 ， 还可 以实现大厚度零件的切割加 工 ， 为往复走丝机床实现高精度J j - r 提供 了一个有效的平台， 是未来往复走丝机床走丝系统的一个 发展方向。 关键词 线切割加工机床 ； 双丝筒走丝系统 ； 可逆单向走丝 ； 工作模式 ； 控制系统设计 中国分类号 T G6 6 1 文献标识码 B D e s i g n o f d o u b l e wi r e t u b e wi r e wi n d i n g s y s t e m o f r e v e r s i b l e o n e wa y W EDM Q I We n c h u n ①， H U A N G Y i n g ①， G A O J i a n q i a n g ②， S H I J i e f a n g ② J S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， S u z h o u U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，S u z h o u 2 1 5 0 1 1 ， C HN； S u z h o u N e w S p a r k Ma c h i n e T o o l C o ． ， L t d ． ， S u z h o u 2 1 5 1 2 8 ，C H N Ab s t r a c t T h e c o n c e p t o f r e v e r s i b l e o n ew a y WEDM i s p u t f o r w a r d ．T h e t e c h n i c a l s c h e me o f r e v e r s i b l e o n ewa y W EDM i s d e s c r i be d i n d e t a i l ．Th e mu l t il a y e r wi n di ng wi r e s y s t e m o f d o u b l e wi r e wi n d i n g d r u m s t ru c t u r e i s d e s i g n e d ．T h e c o n t r o l r e q i r e me n t s o f t h e wi r ef e e d i n g s y s t e m o f r e v e r s i b l e o n ew a y WE DM a nd t he i mp l e me n t s c h e me o f t he c o n t r o l s y s t e m a r e d i s c u s s e d． Th e wi r ef e e d i n g s y s t e m d e s i g n e d b y t h e a u t h o r c a n n o t o n l y r e a l i z e t h e hi g h pr e c i s i o n p r o c e s s i n g r e q ui r e me n t s wi t h n o s t r i pe s，b u t a l s o r e a l i z e t h e l o we r o pe r a t i o n c o s t a nd t he c u t t i ng o p e r a t i o n o f pa r t s wi t h l a r g e t h i c k ne s s ．Th i s wi r e f e e di n g s y s t e m p r o v i de s a n e f f e c t i v e p l a t f o r m t o r e a l i z e h i g h p r e c i s i o n ma c h i n i n g f o r r e c i p r o c a t i n g W EDM a n d i s a t r e n d o f t h e w i r ef e e d i n g s y s t e m for r e c i p r o c a t i n g WEDM． Ke y wor d sW EDM ；d o u b l e wi r e t u b e wi r e wi n d i n g s y s t e m ；r e v e r s i b l e o n ewa y W EDM ；o p e r a t i n g mo d e；c o n t r o l s y s t e ms d e s i g n 1 “ 可逆 单 向走丝” 线切 割机床概念 的提 出 往复走丝线切割加工机床是我 国特有的一种加工 装备 ， 目前 已成为机械制造业中一种不可缺少的重要 加工手段。与国外进 口的单向走丝线切割加工机床相 比， 具有机床造价和运行成本低、 可以切割超大厚度零 件等特点 ， 具有一定 的竞争优势 ， 但加工精度低 、 切割 表 面粗糙度值较差且存在黑 白交叉条纹 l 等缺 陷使 其 只能满 足一些低 端市场 ， 市场竞 争力受 到 了严 重 挑战。 单向走丝机床之所 以加工精度高的主要措施之一 在于采用 了多次切割技术 ， 其 中实现无条纹切割 的重 苏州市吴 中区工业科技发展计 划项 目 G 2 0 1 2 2 0 墼 2 0 1 b 牛 弟 朋 要条件之一是采用单向走丝方式。采用多次切割技术 同时也是提高往复走丝机 床加工精度的重要举措 之 一 。然而， 要达到无条纹切割的目的， 往复走丝机床的 走丝系统必须在运丝原理及结构方面作重大改进才能 满足这一要求 。 往复走丝机床 由于受单丝筒结构 的限制 ， 电极丝 的上丝长度只有几百米 ， 要完成切割功能， 只能采用往 复循环的运丝方式 ， 无法实现单 向走丝。采用超长 电 极丝双丝筒多层绕丝 的走丝方案 ， 一次能上几万米 的 电极丝 ， 适当降低走丝速度 ， 可 以满足长时间单向走丝 的无条纹高精度加工要求 J 。在保证加工 效率足够 高的前提下 ， 能将 电极丝的损耗控制在一定的范围以 5 3 设计与研究 D e s ig n a n d R e s e a fc n 内， 电极丝就可以获得多次重复使用的效果 ， 基于这一 认识 ， 提出了“ 可逆单 向走丝” 线切割机床的概念。 在“ 可逆单 向走丝” 线切割机床的技术方案中， 走 丝系统设置有两种工作模式往复走丝单次切割模 式和单向走丝多次切割模式 。在高精度加工时， 采用 单 向走丝多次切割模式 ， 多次切割技术中的第一次切 割采用可逆 往复 中速走丝 ， 精修切割时采用单 向低 速走丝切割完成、 消除换向条纹， 达到高精度加工的目 的。在大厚度零件及普通精度切割加工时采用往复走 丝单次切割模式， 切割 6 0 0 m m 以上的大厚度零件 加 工时可以采用往复高速走丝 ， 在普通精度加工 时仍然 可以采用往复中速走丝。在两种工作模式 中， 电极丝 都可以重复使用 ， 使电极丝的利用率接近于往复走丝 机床的水平 ， 相对于单向走丝机床而言 ， 运行成本只有 几分之一 ， 符合绿色制造要求 ， 加工精度接近单向走丝 机床的水平 。 2 可逆单 向走 丝线切 割机床 双 丝简走 丝 系统 的机构设计 实现超长电极丝“ 双丝筒结构多层绕丝” 走丝方 案的方法很多 ， 本项 目组 已将相关技术 申请了国家发 明专利并 已进入实质性 审查生效 阶段 J 。在此 ， 本 文主要就具体应用案例 中的工程设计 问题进行一些 讨论 。 图 1为超长电极丝双丝筒多层绕丝走丝系统的实 施方案之一的原理示意图。该走丝系统由两套收放丝 机构和两套排丝机构组成 ， 收放丝机构 由丝筒电动机 带动储丝筒只作旋转运动 ， 排丝机构由排丝 电动机带 动排丝轮丝杆做旋转运动使排丝导轮组作平行于储丝 筒轴线的往复直线运动， 实现 电极丝在储丝筒上的排 丝和多层绕丝。 电极丝从储丝筒 1 经排丝机构、 机床线架、 加工区 连接到储丝筒 2的路径 中， 为 了使排丝导轮组作直线 运动时其位置的变化不引起两排丝机构之间的电极丝 长度发生变化而影响走丝速度 的稳定 ， 在排丝机构中 增设 了一个平衡导轮。由于排丝导轮移动位置变化会 使电极丝伸长或缩短的量是单边 的， 而平衡 导轮移动 位置变化使电极丝伸长或缩短 的量是双边 的， 控制平 衡导轮的行程及 瞬时速度是排丝导轮 的 1 ／ 2 ， 运动方 向相反 ， 就可 以起到平衡补偿作用。在该机构 中， 通过 设计两个螺距 和旋 向相同的丝杆 副及减速 比 i 2 1 的单级齿轮减速器来实现平衡导轮与排丝导轮组的这 一 运动关 系。为了便于排丝机构的合理布置和电极丝 运动方向和路径的改变需要 ， 在该排丝机构中， 还设置 54 了其他若干过渡导轮组。 图1超长电极丝双丝筒多层线丝走丝系统的实施方案原理图 3 可逆单 向走 丝线切 割机 床走 丝 系统 的控 制 方案 3 ． 1 走丝系统的控制要求 往复走丝单次切割模式 通过往复走丝方式完成切 割工作， 当一个储丝筒的电极丝快放完 时， 起收丝作用 的丝简电动机与起放丝作用的丝简电动机就进行角色 切换 ， 一 直 到 加 工 结 束； 一 般 情 况 下 走 丝 速 度 为 1 ～ 4 m ／ s 的中速， 切割大厚度零件时采用 5～ 1 1 m ／ s的 高速， 为了减少因意外断丝引起的电极丝消耗成本 的增 加， 保持往复走丝机床的运行成本低的特色 ， 建议一次 性上丝的长度控制在 1 0 0 0 m左右， 一般不超过2 0 0 0 m 为宜。 单向走丝多次切割模式 ①采用超长 电极 丝一次 性上在丝筒上 ， 一般情况下 ， 出厂的一盘电极丝全部上 到丝筒上目前的一盘 0 ． 1 8的电极丝长度约 2 0 0 0 m， 如果定制其长度可达 3 0 0 0 0 m以上 ； ②第一刀切割 采用 中速走丝 ， 一次单 向切割不能完成第一刀切割时， 电极丝换 向以后继续切割 ， 直到第一刀切割完成 ， 需要 注意 的是第一刀切割完成时 ， 走丝机构 的某一个方向 走丝运动可能没有完成 ， 这时 ， 应使走丝机构的该方向 走丝运动走完 ， 然后才能开始切割下一刀 ； ③多次切割 中， 按粗加_T一 中加工一细加T一精修加工的流程 ， 走 丝速度 由 1 ～ 4 m ／ s 的中速逐渐减少到 0 ． 1～ 0 ． 5 m ／ s 上的低速 ， 脉冲电源的加工 电参数设置也相应地逐渐 减少 ， 同时 ， 按切割流程 ， 每切割下一刀 ， 走丝机构的电 ～ ZU 1 0 l耳 极丝都是从最初位置开始切割 ， 至少要保证最后一刀 电极丝是从起始位置开始切割且 电极丝长度足以完成 最后一刀的切割 ， 从而消除切割时的换 向条纹 ； ④ 当进 行第二刀以后 的精修切割时 ， 工作 液可以采用与 电极 丝运动方向一致的单 向高压喷液方式 可 以考虑关 闭 另一个喷嘴 。 在上述两种工作模式 的加工过程中 ， 电极丝 的张 力大小可以根据 电极丝的直径大小及走丝速度进行设 置并实施恒张力控制 。电极丝 的上丝及空载运行等辅 助工作状态可 以采用高速运行模式 ， 以缩短辅助运行 时间。 3 ． 2 可逆单向走丝线切割机床走丝系统的控制原理 走丝系统的控制系统采用模块化设计 ， 设计一块 系统控制集成板 ， 安装连接到机床控制系统中， 通过接 口与机床控制系统 、 脉冲电源及数控系统连接 ， 走丝系 统的控制硬件结构 由以下几个部分组成 控制 系统 由 P I C 4 5 5 0单 片机 与 MA X1 2 7 0 C P L D 构成； 收放丝系统 由两台伺服 电动机及其驱动单元 构成排丝系统 由两 台伺服 电动机及 其驱 动单元 构 成 ； 放 电及 数 控 系统 由新 火 花 公 司 w7型 控 制 柜 构成 。 整个走丝系统 的工作原理如图 2所示。 踊 ．J 主控制器 以单片机P I C 4 5 5 0 和MA X1 2 7 0 构成 左右 限位 开关2 运丝 电动机 2 及其驱 动 放 电系统及 轨迹控制系 统包括C AD 及C A M系统 图2 走丝 系统 的拄铡原理 图 该 收放丝系统为主从式 系统 ， 当其 中一个丝筒电 动机作为主动电动机时另外一个丝筒电动机作为从动 电动机运行 ， 主动电动机运行于位置模式 ， 从动电动机 运行于扭矩模 式。当进行 收放丝 切换 时切换 运行模 式 ， 即切换主动／ 从动 电动机 ， 主动 电动机变为从动 电 动机 ， 从动电动机变为主动 电动机 ， 运行模式也根据主 动／ 从动电动机的运行模式进行切换 ， 分别从位置切换 到扭矩和从扭矩切换到位置。 Z u1 0 年 幂 朋 g n a n d R e 湖n c h 设计与研究 该排丝系统为随动式系统 ， 排丝系统 的两 台排丝 电动机分别对应的两台丝筒 电动机 ， 但丝筒 电动机运 动时排丝电动机按 照一定的比例系数跟随对应的丝筒 电动机运动 ， 排丝系统运行于位置模式 ， 驱动排丝 电动 机的进给脉冲由对应的丝筒电动机反馈编码器经过控 制系统处理后给出， 按照丝筒 电动机转动一圈 ， 排丝电 机带动排丝导轮组移动 1 根电极丝直径位移量的比例 系数运行。当电极丝直径损耗超过 0 ． O 1 m m 或更换 不同直径的新 电极丝时 ， 根据 电动极丝直径 的大小不 同， 比例系数可以人为设置 ， 以满足在不同层数上排丝 时不产生叠丝卡丝 的排丝要求。 控制系统主要是切换运丝系统的控制模式 以及排 丝电动机 的排丝方向， 相关外设的 电气控制和人机交 互 的工作。切换运丝电动机的主动／ 从动电动机结构 主要靠对主动电动机 的旋转圈数来进行计数来实现 ， 当主动 电动机旋转至指定的圈数并且从机的丝存量小 于某一个值时 ， 切换 主从机状态。排丝 电动机的方 向 主要 由外部 的限位开关来实现 ， 当触发某一个 限位开 关 时将改变排丝电动机的运转方 向， 另外还在控制系 统 中增加了对排丝电动机方向的记忆功能。在控制系 统中还有工作模式切换功能 、 上丝及空运行时 的快速 运丝功能、 断丝保护功能等 ， 工作模式切换功能主要是 负责单向走丝多次切割模式和往复走丝单次切割模式 的切换 。 放 电及数控系统主要负责产生放电脉冲并配置加 工需要 的加工条件 ， 主要包括主放电回路 ， 放 电脉冲发 生 回路 ， 丝速控制电路 ， 外部保护电路等 。数控中的轨 迹控制功能， 主要负责将 C A D产生的图形模块转换为 能够进行加工的轨迹图形 ， 具备文件操作以及人机交 互功能， 并在 C N C中能够实时地显示加工的进度以及 加工的状态 ， 并可以动态地调整电参数 以及其他配置 参数 。 4 结语 该走丝系统的特点是结构 比较简单 ， 可操作性 比 较强 ， 可以人为设置排丝间距 以适应不 同直径 大小 电 极丝在不同层数上排丝时不产生叠丝 卡丝的排丝要 求 ， 采用交流伺服电动机作为上丝 电动机时可以实现 较大范围的调速， 可 以满足高 、 中、 低的走丝速度范围， 由于采用了超长电极丝 ， 只要储丝筒足够大 ， 理论上可 以实现无限长度电极丝的上丝要求 ， 本方案设计的走 丝系统可一次性上几万米 的电极丝 ， 既可 以实现单向 走丝的无条纹高精度加工要求 ， 又可以实现 电极丝重 复使用的往复走丝低运行成本要求 ， 还可 以实现大厚 5 5 甑 设计与研究 D e s ig n a n d 创新性的拖动机构 郭秀英 沈 阳第一机床厂， 辽宁 沈阳 1 1 0 1 4 2 摘要 多品种、 细长轴类工件的3 - r 过程需配置 24个中心架 ， 而中心架的相对位置是变化的。传统的 中心架拖动机构复杂、 成本高。因此推出一款创新性的拖动机构用于中心架移动。 其超长燕尾导轨 副具有结构紧凑的特点 ， 仅配一套动力源尽显低成本的特点 。 配以 自行开发 的智能软件 ， 获得了高 性价比。 关键词 拖动机构 ； 超长燕尾导轨副 ； 低成本动力源； 智能软件 ； 创新性 中国分类号 T H1 2 2 文献标识码 B T h e i n n o v a t i v e d r a wi n g me c h a n i s m GUO Xi u y i n g S h e n y a n g N o ． 1 Ma c h i n e T o o l Wo r k s ， S h e n y a n g 1 1 0 1 4 2 ， C H N Ab s t r ac t Th e ma c h i n i n g p r o c e s s o f p a ns wi t h ma n y v a r i e t i e s，l o n g a n d t h i n s ha f t ne e d s t o c o n f i g u r e 2 ～4 s t e a d y r e s t s， a n d t h e r e l a t i v e p o s i t i o n o f t h e s t e a d y r e s t i s c ha n g e a b l e ． T he d r a wi n g me c ha n i s m o f t r a di t i o n a l s t e a d y r e s t i s c o mp l e x a n d t h e c o s t i s h i g h．The r e f o r e i n t r o d u c e s a n i n n o v a t i v e d r a wi n g me c h a n i s m f o r mo v e me n t o f t h e s t e a d y r e s t ，i t s p e r f o r ma n c e t o p r i c e r a t i o i s v e r y h i g h，d u e t o c o mp a c t s t r uc t u r e o f t h e s up e r l o n g d o v e t a i l g ui d e wa y a s s e mb l y，o n l y o n e s e t o f p o we r s u p p l y a n d i n t e l l i g e n t s e l fd e v e l o p e d s o f t wa r e． Ke y wor dsd r a wi n g me c h a ni s m ；s u p e r l o n g d o v e t a i l g u i d e wa y a s s e mb l y；p e r f o r ma nc e t o p r i c e r a t i o；i n t e l l i g e n t s o f t wa r e；i n n o v a t i v e 大型车铣复合加工中心在多品种、 细长轴类工件 的 加工过程需配置 2 4个中心架 ， 且中心架的相对位置 是变化的， 以求在切削加工过程 中获得较高的动态刚 度。中心架在床身上的移动方式通常有两种 一种是在 床身上安装固定齿条 ， 中心架底座上的电动机带动其上 齿轮转动， 与固定齿条 啮合 ， 实现中心架在床身上的移 动 ； 另一种是在床身上安装一根丝杠， 每个 中心架底座 上安装一个开合螺母 ， 依靠丝杠的旋转和各个螺母与丝 杠的咬合来实现中心架 的移动。这两种中心架移动方 式都存在着成本高的缺点。另外， 中心架底座上安装的 驱动电动机或开合螺母等结构体积较大， 无法实现中心 架之间的近距离布置。对于细长轴类工件的加工来说， 中心架的近距离布置对于实现大扭矩切削或高精度切 削是十分重要的。下面介绍的机构是一款构思精巧、 结 构紧凑 、 成本较低的中心架拖动机构 ， 它可有效地改变 中心架间的相对距离 ， 满足加工需求。 度零件的切割加工， 为往复走丝机床实现高精度加工 提供 了一个单 向走丝的平 台， 是未来往复走丝机床走 丝系统的一个发展方向。 参考文献 [ 1 ] 刘志东． 复合工作液提高高速走丝电火花线切割效率研究 [ J ] ． 南京 航空航天大学学报 ， 2 0 0 8 1 1 0 01 0 3 ． [ 2 ]齐文春 ， 高坚强 ， 郭丽华 ， 等． 往 复走丝线切 割机床走丝系统 的发展 策略探讨[ J ] ． 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