可逆單向走絲線切割機(jī)床雙絲筒走絲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)* ＊

齊文春 黃 鶯 高堅(jiān)強(qiáng) 時(shí)解放

(①蘇州科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 蘇州215011;②蘇州新火花機(jī)床有限公司，江蘇 蘇州215128)

1 “可逆單向走絲”線切割機(jī)床概念的提出

往復(fù)走絲線切割加工機(jī)床是我國(guó)特有的一種加工裝備，目前已成為機(jī)械制造業(yè)中一種不可缺少的重要加工手段。與國(guó)外進(jìn)口的單向走絲線切割加工機(jī)床相比，具有機(jī)床造價(jià)和運(yùn)行成本低、可以切割超大厚度零件等特點(diǎn)，具有一定的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，但加工精度低、切割表面粗糙度值較差且存在黑白交叉條紋［1］等缺陷使其只能滿足一些低端市場(chǎng)，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力受到了嚴(yán)重挑戰(zhàn)。

單向走絲機(jī)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術(shù)，其中實(shí)現(xiàn)無(wú)條紋切割的重要條件之一是采用單向走絲方式。采用多次切割技術(shù)同時(shí)也是提高往復(fù)走絲機(jī)床加工精度的重要舉措之一。然而，要達(dá)到無(wú)條紋切割的目的，往復(fù)走絲機(jī)床的走絲系統(tǒng)必須在運(yùn)絲原理及結(jié)構(gòu)方面作重大改進(jìn)才能滿足這一要求。

往復(fù)走絲機(jī)床由于受單絲筒結(jié)構(gòu)的限制，電極絲的上絲長(zhǎng)度只有幾百米，要完成切割功能，只能采用往復(fù)循環(huán)的運(yùn)絲方式，無(wú)法實(shí)現(xiàn)單向走絲。采用超長(zhǎng)電極絲雙絲筒多層繞絲的走絲方案，一次能上幾萬(wàn)米的電極絲，適當(dāng)降低走絲速度，可以滿足長(zhǎng)時(shí)間單向走絲的無(wú)條紋高精度加工要求［2］。在保證加工效率足夠高的前提下，能將電極絲的損耗控制在一定的范圍以內(nèi)，電極絲就可以獲得多次重復(fù)使用的效果，基于這一認(rèn)識(shí)，提出了“可逆單向走絲”線切割機(jī)床的概念。

在“可逆單向走絲”線切割機(jī)床的技術(shù)方案中，走絲系統(tǒng)設(shè)置有兩種工作模式——往復(fù)走絲單次切割模式和單向走絲多次切割模式。在高精度加工時(shí)，采用單向走絲多次切割模式，多次切割技術(shù)中的第一次切割采用可逆(往復(fù))中速走絲，精修切割時(shí)采用單向低速走絲切割完成、消除換向條紋，達(dá)到高精度加工的目的。在大厚度零件及普通精度切割加工時(shí)采用往復(fù)走絲單次切割模式，切割600 mm 以上的大厚度零件加工時(shí)可以采用往復(fù)高速走絲，在普通精度加工時(shí)仍然可以采用往復(fù)中速走絲。在兩種工作模式中，電極絲都可以重復(fù)使用，使電極絲的利用率接近于往復(fù)走絲機(jī)床的水平，相對(duì)于單向走絲機(jī)床而言，運(yùn)行成本只有幾分之一，符合綠色制造要求，加工精度接近單向走絲機(jī)床的水平。

2 可逆單向走絲線切割機(jī)床雙絲筒走絲系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)電極絲“雙絲筒結(jié)構(gòu)多層繞絲”走絲方案的方法很多，本項(xiàng)目組已將相關(guān)技術(shù)申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利并已進(jìn)入實(shí)質(zhì)性審查生效階段［3-5］。在此，本文主要就具體應(yīng)用案例中的工程設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行一些討論。

圖1 為超長(zhǎng)電極絲雙絲筒多層繞絲走絲系統(tǒng)的實(shí)施方案之一的原理示意圖。該走絲系統(tǒng)由兩套收放絲機(jī)構(gòu)和兩套排絲機(jī)構(gòu)組成，收放絲機(jī)構(gòu)由絲筒電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)儲(chǔ)絲筒只作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，排絲機(jī)構(gòu)由排絲電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)排絲輪絲桿做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使排絲導(dǎo)輪組作平行于儲(chǔ)絲筒軸線的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電極絲在儲(chǔ)絲筒上的排絲和多層繞絲。

電極絲從儲(chǔ)絲筒1 經(jīng)排絲機(jī)構(gòu)、機(jī)床線架、加工區(qū)連接到儲(chǔ)絲筒2 的路徑中，為了使排絲導(dǎo)輪組作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)其位置的變化不引起兩排絲機(jī)構(gòu)之間的電極絲長(zhǎng)度發(fā)生變化而影響走絲速度的穩(wěn)定，在排絲機(jī)構(gòu)中增設(shè)了一個(gè)平衡導(dǎo)輪。由于排絲導(dǎo)輪移動(dòng)位置變化會(huì)使電極絲伸長(zhǎng)或縮短的量是單邊的，而平衡導(dǎo)輪移動(dòng)位置變化使電極絲伸長(zhǎng)或縮短的量是雙邊的，控制平衡導(dǎo)輪的行程及瞬時(shí)速度是排絲導(dǎo)輪的1/2，運(yùn)動(dòng)方向相反，就可以起到平衡補(bǔ)償作用。在該機(jī)構(gòu)中，通過(guò)設(shè)計(jì)兩個(gè)螺距和旋向相同的絲桿副及減速比i=2:1的單級(jí)齒輪減速器來(lái)實(shí)現(xiàn)平衡導(dǎo)輪與排絲導(dǎo)輪組的這一運(yùn)動(dòng)關(guān)系。為了便于排絲機(jī)構(gòu)的合理布置和電極絲運(yùn)動(dòng)方向和路徑的改變需要，在該排絲機(jī)構(gòu)中，還設(shè)置了其他若干過(guò)渡導(dǎo)輪組。

3 可逆單向走絲線切割機(jī)床走絲系統(tǒng)的控制方案

3.1 走絲系統(tǒng)的控制要求

往復(fù)走絲單次切割模式:通過(guò)往復(fù)走絲方式完成切割工作，當(dāng)一個(gè)儲(chǔ)絲筒的電極絲快放完時(shí)，起收絲作用的絲筒電動(dòng)機(jī)與起放絲作用的絲筒電動(dòng)機(jī)就進(jìn)行角色切換，一直到加工結(jié)束;一般情況下走絲速度為1 ～4 m/s的中速，切割大厚度零件時(shí)采用5 ～11 m/s 的高速，為了減少因意外斷絲引起的電極絲消耗成本的增加，保持往復(fù)走絲機(jī)床的運(yùn)行成本低的特色，建議一次性上絲的長(zhǎng)度控制在1 000 m 左右，一般不超過(guò)2 000 m為宜。

單向走絲多次切割模式:①采用超長(zhǎng)電極絲一次性上在絲筒上，一般情況下，出廠的一盤電極絲全部上到絲筒上(目前的一盤0.18 的電極絲長(zhǎng)度約2 000 m，如果定制其長(zhǎng)度可達(dá)30 000 m 以上);②第一刀切割采用中速走絲，一次單向切割不能完成第一刀切割時(shí)，電極絲換向以后繼續(xù)切割，直到第一刀切割完成，需要注意的是第一刀切割完成時(shí)，走絲機(jī)構(gòu)的某一個(gè)方向走絲運(yùn)動(dòng)可能沒(méi)有完成，這時(shí)，應(yīng)使走絲機(jī)構(gòu)的該方向走絲運(yùn)動(dòng)走完，然后才能開始切割下一刀;③多次切割中，按粗加工→中加工→細(xì)加工→精修加工的流程，走絲速度由1 ～4 m/s 的中速逐漸減少到0.1 ～0.5 m/s上的低速，脈沖電源的加工電參數(shù)設(shè)置也相應(yīng)地逐漸減少，同時(shí)，按切割流程，每切割下一刀，走絲機(jī)構(gòu)的電極絲都是從最初位置開始切割，至少要保證最后一刀電極絲是從起始位置開始切割且電極絲長(zhǎng)度足以完成最后一刀的切割，從而消除切割時(shí)的換向條紋;④當(dāng)進(jìn)行第二刀以后的精修切割時(shí)，工作液可以采用與電極絲運(yùn)動(dòng)方向一致的單向高壓噴液方式(可以考慮關(guān)閉另一個(gè)噴嘴)。

在上述兩種工作模式的加工過(guò)程中，電極絲的張力大小可以根據(jù)電極絲的直徑大小及走絲速度進(jìn)行設(shè)置并實(shí)施恒張力控制。電極絲的上絲及空載運(yùn)行等輔助工作狀態(tài)可以采用高速運(yùn)行模式，以縮短輔助運(yùn)行時(shí)間。

3.2 可逆單向走絲線切割機(jī)床走絲系統(tǒng)的控制原理

走絲系統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)一塊系統(tǒng)控制集成板，安裝連接到機(jī)床控制系統(tǒng)中，通過(guò)接口與機(jī)床控制系統(tǒng)、脈沖電源及數(shù)控系統(tǒng)連接，走絲系統(tǒng)的控制硬件結(jié)構(gòu)由以下幾個(gè)部分組成:

控制系統(tǒng)由PIC4550 單片機(jī)與MAX1270CPLD構(gòu)成;收放絲系統(tǒng)由兩臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)單元構(gòu)成排絲系統(tǒng):由兩臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)單元構(gòu)成;放電及數(shù)控系統(tǒng)由新火花公司W(wǎng)7 型控制柜構(gòu)成。

整個(gè)走絲系統(tǒng)的工作原理如圖2 所示。

該收放絲系統(tǒng)為主從式系統(tǒng)，當(dāng)其中一個(gè)絲筒電動(dòng)機(jī)作為主動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)另外一個(gè)絲筒電動(dòng)機(jī)作為從動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，主動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于位置模式，從動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于扭矩模式。當(dāng)進(jìn)行收放絲切換時(shí)切換運(yùn)行模式，即切換主動(dòng)/從動(dòng)電動(dòng)機(jī)，主動(dòng)電動(dòng)機(jī)變?yōu)閺膭?dòng)電動(dòng)機(jī)，從動(dòng)電動(dòng)機(jī)變?yōu)橹鲃?dòng)電動(dòng)機(jī)，運(yùn)行模式也根據(jù)主動(dòng)/從動(dòng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行模式進(jìn)行切換，分別從位置切換到扭矩和從扭矩切換到位置。

該排絲系統(tǒng)為隨動(dòng)式系統(tǒng)，排絲系統(tǒng)的兩臺(tái)排絲電動(dòng)機(jī)分別對(duì)應(yīng)的兩臺(tái)絲筒電動(dòng)機(jī)，但絲筒電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)排絲電動(dòng)機(jī)按照一定的比例系數(shù)跟隨對(duì)應(yīng)的絲筒電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)，排絲系統(tǒng)運(yùn)行于位置模式，驅(qū)動(dòng)排絲電動(dòng)機(jī)的進(jìn)給脈沖由對(duì)應(yīng)的絲筒電動(dòng)機(jī)反饋編碼器經(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)處理后給出，按照絲筒電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，排絲電機(jī)帶動(dòng)排絲導(dǎo)輪組移動(dòng)1 根電極絲直徑位移量的比例系數(shù)運(yùn)行。當(dāng)電極絲直徑損耗超過(guò)0.01 mm 或更換不同直徑的新電極絲時(shí)，根據(jù)電動(dòng)極絲直徑的大小不同，比例系數(shù)可以人為設(shè)置，以滿足在不同層數(shù)上排絲時(shí)不產(chǎn)生疊絲卡絲的排絲要求。

控制系統(tǒng)主要是切換運(yùn)絲系統(tǒng)的控制模式以及排絲電動(dòng)機(jī)的排絲方向，相關(guān)外設(shè)的電氣控制和人機(jī)交互的工作。切換運(yùn)絲電動(dòng)機(jī)的主動(dòng)/從動(dòng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)主要靠對(duì)主動(dòng)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)來(lái)進(jìn)行計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)主動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)至指定的圈數(shù)并且從機(jī)的絲存量小于某一個(gè)值時(shí)，切換主從機(jī)狀態(tài)。排絲電動(dòng)機(jī)的方向主要由外部的限位開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)觸發(fā)某一個(gè)限位開關(guān)時(shí)將改變排絲電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向，另外還在控制系統(tǒng)中增加了對(duì)排絲電動(dòng)機(jī)方向的記憶功能。在控制系統(tǒng)中還有工作模式切換功能、上絲及空運(yùn)行時(shí)的快速運(yùn)絲功能、斷絲保護(hù)功能等，工作模式切換功能主要是負(fù)責(zé)單向走絲多次切割模式和往復(fù)走絲單次切割模式的切換。

放電及數(shù)控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生放電脈沖并配置加工需要的加工條件，主要包括主放電回路，放電脈沖發(fā)生回路，絲速控制電路，外部保護(hù)電路等。數(shù)控中的軌跡控制功能，主要負(fù)責(zé)將CAD 產(chǎn)生的圖形模塊轉(zhuǎn)換為能夠進(jìn)行加工的軌跡圖形，具備文件操作以及人機(jī)交互功能，并在CNC 中能夠?qū)崟r(shí)地顯示加工的進(jìn)度以及加工的狀態(tài)，并可以動(dòng)態(tài)地調(diào)整電參數(shù)以及其他配置參數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

該走絲系統(tǒng)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，可操作性比較強(qiáng)，可以人為設(shè)置排絲間距以適應(yīng)不同直徑大小電極絲在不同層數(shù)上排絲時(shí)不產(chǎn)生疊絲卡絲的排絲要求，采用交流伺服電動(dòng)機(jī)作為上絲電動(dòng)機(jī)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)較大范圍的調(diào)速，可以滿足高、中、低的走絲速度范圍，由于采用了超長(zhǎng)電極絲，只要儲(chǔ)絲筒足夠大，理論上可以實(shí)現(xiàn)無(wú)限長(zhǎng)度電極絲的上絲要求，本方案設(shè)計(jì)的走絲系統(tǒng)可一次性上幾萬(wàn)米的電極絲，既可以實(shí)現(xiàn)單向走絲的無(wú)條紋高精度加工要求，又可以實(shí)現(xiàn)電極絲重復(fù)使用的往復(fù)走絲低運(yùn)行成本要求，還可以實(shí)現(xiàn)大厚度零件的切割加工，為往復(fù)走絲機(jī)床實(shí)現(xiàn)高精度加工提供了一個(gè)單向走絲的平臺(tái)，是未來(lái)往復(fù)走絲機(jī)床走絲系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展方向。

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