CN101224518A

CN101224518A - 一种双三维位置座标系线切割放电加工装置

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Publication number: CN101224518A
Application number: CNA2008100189639A
Authority: CN
Inventors: 顾元章
Original assignee: Individual
Current assignee: Taizhou Haitong Asset Management Co ltd
Priority date: 2008-01-28
Filing date: 2008-01-28
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2028-01-28
Also published as: CN101224518B

Abstract

一种双三维位置座标系线切割放电加工装置，它由两套不同时使用的运丝机构组成，两套运丝机构中的两个上导丝组件都安装在上导丝组件安装板上，两个下导丝组件都安装在下导丝组件安装板上。这样建立了两个由上、下导丝元件间那段电极丝在空间位置关系上相对于工件形成的两套X、Y、U、V、Z五座标轴组成的两个三维位置座标系，每个座标系的原点为各自下导丝元件的导丝孔中心。这两个座标系的原点之间在X－Y水平面内有一固定距离L。当第一套运丝机构使用粗电极丝完成粗切割加工后，X－Y轴运动拖板在X－Y水平面内相对移动固定距离L，使第二套运丝机构的三维位置座标系与第一套运丝机构的三维位置座标系重合，再由第二套运丝机构使用较细电极丝接着对工件轮廓进行多次精修切割放电加工，从而完成用两套运丝机构先后对同一工件的多次切割加工。

Description

一种双三维位置座标系线切割放电加工装置

技术领域

本发明涉及电火花线切割放电加工装置，特别涉及一种先使用一种电极丝进行粗切割加工，然后使用另一种电极丝进行精细切割加工的双三维位置座标系线切割放电加工装置。

背景技术

电火花线切割放电加工是金属模具和导电特种材料的主要加工手段，它利用电火花放电时产生的电蚀效应来进行切割加工。此类装置通常由机械运动机构、脉冲电源、数控系统和工作液供给系统四大部分组成。机械运动机构主要由床身、运丝部件、U-V-Z轴运动拖板和X-Y轴运动拖板组成。为了实现三维轮廓形状的切割加工，装置设置了X-Y和U-V-Z五个运动轴。X轴为水平方向轴，Y轴与X轴在水平面内相交互成直角；U轴与X轴平行，V轴与Y轴平行，U轴与V轴在另一水平面内相交互成直角。两个水平面之间在高度方向的距离为Z，根据工件厚度调整U-V水平面距X-Y水平面在Z轴上的高度。运丝部件的送丝部分导丝组件安装在U-V-Z轴向运动拖板的前面板上，收丝部分导丝组件安装在下丝臂的前端面上。在对工件进行三维轮廓切割时，电极丝相对工件在X-Y轴向运动决定切割的轮廓图形，上、下导丝组件中的导丝元件间在U-V-Z轴向移动决定切割轮廓的外形锥度。脉冲电源根据切割的工艺要求可输出可变能量的放电脉冲。脉冲电源输出脉冲的能量大小决定放电加工的切割效率、工件的切割表面粗糙度和轮廓的加工精度。脉冲电源输出的脉冲能量大，则切割效率高，但工件切割表面粗糙度和加工精度差；脉冲电源输出的脉冲能量小，则切割效率低，但工件切割表面粗糙度好和加工精度高。另外放电间隙的状态对切割加工精度也有很大影响。在第一次切入工件的封闭式火花放电间隙状态下，放电加工精度差；在已切开的敞开式火花放电间隙环境下进行轮廓修正放电加工，则加工精度高。

根据上述电火花放电切割加工的工艺特性，在实际切割加工中，为了同时获得相对较高的切割效率、加工精度以及精细的切割表面粗糙度，都采用“多次切割”工艺。即在切入工件的第一次切割时，脉冲电源输出较大能量的脉冲来完成切入工件为目的的第一次切割加工。在切割时，装置的数控系统按照操作人员输入的加工三维程序，控制U-V拖板进行轮廓锥度形状切割运动，同时控制电极丝相对工件按轮廓图形作X-Y轴向切割运动，从而实现对工件的三维轮廓切割加工。其后，数控系统控制工作台作X-Y方向偏移运动，脉冲电源输出较小能量的脉冲，在敞开式放电间隙状态下对已切出的轮廓进行以提高加工精度和降低表面粗糙度为目的的第二次三维切割加工。为了进一步降低切割表面粗糙度和提高切割加工精度，往往在此基础上，还要对切割的轮廓进行第三次或更多次的精细修正切割加工。脉冲电源输出更小甚至微小能量的脉冲，经数控系统控制工件相对于电极丝在X-Y方向第二次或更多次微小位置的偏移运动后，对工件经二次切割后的三维形状轮廓进行第三次或更多次电火花放电修正加工，以使最终切割加工工件的加工精度和表面粗糙度达到加工技术要求。

目前电火花线切割放电装置都采用一套三维位置座标系的方案。其中，最常用的机械运动机构如图1所示，它由床身17、控制切割轮廓图形的X-Y轴运动拖板15以及控制切割轮廓锥度的U-V-Z轴运动拖板16、下丝臂和运丝机构的送、收丝部件等组成，其中，U-V-Z轴运动拖板16的前面板上安装有送丝部件和上导丝组件7，U-V-Z轴运动拖板16通过立柱与床身17相连。下导丝组件9装在下丝臂前端面上，它们和收丝部件都安装在床身17上。送丝部件由电极丝筒1、长筒2、换向轮3、稳丝机构4、压轮5、装有张力控制器的聚氨脂轮6等组成。收丝部件由下换向轮10、收丝对轮11、收丝电机12和废丝收集筒13等组成。工件14固定在工作台23上，工作台23安装在X-Y轴运动拖板15上，电极丝与工件14的放电间隙为8。上导丝组件7内主要由上宝石导向器71、上进电块72和上导丝元件钻石眼模73组成。下导丝组件9内主要由下导丝元件钻石眼模93、下进电块92和下宝石导向器91组成。在上导丝元件钻石眼模73与下导丝元件钻石眼模93之间(即上下导丝元件间)那段电极丝在空间位置关系上相对于工件形成由X、Y、U、V、Z五座标轴组成的一个三维位置座标系，其座标原点为下导丝元件钻石眼模93的导丝孔中心，它控制工件14切割加工的锥度与形状的三维轮廓。脉冲电源的一根功率输出线接至工作台23上，进而传输到工件14上；脉冲电源的另一根功率输出线分别接到上进电块72和下进电块92上，经进电块传输到运动中的电极丝上，从而实现电极丝与工件14在放电间隙8内的切割放电加工。

第二种目前使用的机械运动机构见图2所示。它有床身17，控制切割轮廓图形的X-Y轴运动拖板15，U-V-Z轴运动拖板16、下丝臂和运丝机构的送、放丝部件等组成。其中U-V-Z轴运动拖板16的前面板上安装有送丝部件和上导丝组件7，送丝部件由电极丝筒1、长筒2、换向轮3、稳丝机构4、压轮5、装有张力控制器的聚氨脂轮6等组成；下导丝组件9和收丝部件的下换向轮10、收丝对轮11、收丝电机12都安装在下丝臂上。上述的U-V-Z轴运动拖板16和下丝臂上的所有零部件都安装在X-Y轴运动拖板15之上，工件14、工作台23和废丝收集筒13则固定在床身17上，电极丝与工件14的放电间隙为8。上导丝组件7内主要由上宝石导向器71、上进电块72和上导丝元件钻石眼模73组成。下导丝组件9内主要由下导丝元件钻石眼模93、下进电块92和下宝石导向器91组成。在上、下导丝组件中上、下导丝元件之间的那段电极丝相对于工件的空间位置构成X、Y、U、V、Z五座标轴组成的三维位置座标系，其座标原点为下导丝元件的导丝孔中心。在加工前根据工件14的高度调节U-V-Z轴运动拖板16的Z轴位置，在加工中按输入计算机的三维控制指令X-Y轴运动拖板15驱动电极丝相对于静止的工件14作X-Y轴向运动，决定工件切割轮廓的图形；上导丝元件在U-V-Z轴运动拖板16驱动下相对下导丝元件作U-V轴向运动决定工件切割轮廓的锥度。脉冲电源的一根功率输出线接至工作台23上，进而传输到工件14上；脉冲电源的另一功率输出线分别接到上进电块72和下进电块92上，经进电块传输到运动中的电极丝上，从而实现电极丝与工件14在放电间隙8内的切割放电加工。

第三种目前使用的机械运动机构是在第二种机构的基础上，把X-Y轴运动拖板分成X轴运动拖板与Y轴运动拖板。把U-V-Z轴运动拖板和下丝臂上的所有零部件都安装在Y轴运动拖板上；把工件和工作台安装在X轴运动拖板上，把废丝收集筒固定在床身上。但其基本特征都是一样的，即这些电火花线切割放电加工装置的机械运动机构只有一套运丝机构，只有一套运丝机构导丝组件上、下导丝元件之间的那段电极丝相对于工件间空间位置，由X、Y、U、V、Z五座标轴组成的一套三维位置座标系构成，并在一个放电间隙的一个三维座标系内完成对一个工件的整个多次切割放电加工过程。

上述由一套三维位置座标系构成的电火花线切割装置，具有机械结构和数控系统相对简单等优点，但也有其不足之处：其一，在切入工件的第一次切割加工时，脉冲电源输出大能量脉冲，在封闭式放电间隙状态下加工。由于在此状态下电极丝冷却和放电产生电蚀物排出都较困难，为了使电极丝不易断丝，须使用直径较粗的电极丝进行切割加工。在使用一组孔径较粗钻石眼模条件下，在其后的多次切割时只能采用同一直径较粗的电极丝进行加工。在多次切割修正加工时，脉冲能量小又在敞开式放电间隙状态下放电加工，电极丝的电蚀损耗极微，这样造成一次性使用的电极丝利用率低，用户使用费用增加；其二，在切割内凹轮廓时，由于受电极丝直径的限制有一个最小内凹拐角半径的问题，为了实现较小内凹拐角半径的形状轮廓切割加工，只能选用较细直径的电极丝，这样使第一次切割效率低，在加工较厚工件时，使用过细直径电极丝进行第一次切割往往很困难；其三，采用一组导丝组件的一对进电块情况下，通常只能采用一套脉冲电源，要求脉冲电源既能输出峰值电流达1000A的大能量脉冲，又能输出微小能量的脉冲。由于受到功率回路分布电容、电感和众多功率输出管保护回路高速元件对脉冲输出能量吸收和释放的影响，同一套脉冲电源很难稳定输出微小能量的脉冲传输到放电间隙来获得更低表面粗糙度的切割效果。

针对上述第一、二项缺点，瑞士CHARMILLES公司设计过一种双送丝机构的线切割放电加工装置，该装置的特点是具有两套不同时使用的电极丝送丝机构，合用一套收丝机构。设计有两种不同直径电极丝可合用的一对特殊结构的钻石导丝器，使两套送丝机构送出电极丝的运动轨迹，经过上钻石导丝器进入放电加工加工区开始重合，由一套收丝机构回收放电加工后的废丝。此方案对放电加工来说只使用了一个三维位置座标系，解决了上述第一、二项缺点，但无法同时解决上述三项缺点。

发明内容

本发明目的是提供一种双三维座标线切割放电加工装置，其目的是要解决现有一个三维位置座标系线切割放电加工装置在粗、精加工的多次切割工艺中同时存在的上述三方面问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种双三维位置座标系线切割放电加工装置，包括设于床身上的上导丝组件安装板、下导丝组件安装板、工作台、X-Y轴运动拖板以及U-V-Z轴运动拖板；

工作台位于上导丝组件安装板与下导丝组件安装板之间，上导丝组件安装板相对于下导丝组件安装板通过U-V-Z轴运动拖板连接，下导丝组件安装板相对于工作台通过X-Y轴运动拖板连接，X轴与Y轴在水平面内垂直相交，U轴与X轴平行，V轴与Y轴平行，U轴与V轴在另一水平面内垂直相交，工件安装在工作台上并处于U-V水平面与X-Y水平面之间，工件高度决定U-V水平面与X-Y水平面之间在Z轴向的高度距离；

其创新在于：所述的线切割放电加工装置中具有两套不同时使用的电极丝运丝机构，每套电极丝运丝机构各由一套走丝机构、一套上导丝组件和一套下导丝组件组成；两套上导丝组件都安装在上导丝组件安装板上，其中，两个上导丝组件内的两个上导丝元件导丝孔在Z轴向位置相同；两套下导丝组件都安装在下导丝组件安装板上，其中，两个下导丝组件内的两个下导丝元件导丝孔在Z轴向位置相同；在U-V座标轴和X-Y座标轴都在原点位置时，每套电极丝运丝机构中的上导丝元件导丝孔与下导丝元件导丝孔的中心连线均垂直于X-Y水平面，两条中心连线在X-Y水平面上相隔一个固定距离L，这样经过两对上、下导丝元件导丝孔之间的那两段电极丝在空间位置关系上相对于工件形成两个由X、Y、U、V、Z五座标轴组成的，并在两个放电间隙中的三维位置座标系，每个座标系的原点为各自下导丝元件导丝孔中心；所述两个三维位置座标系原点之间在X-Y水平面内的距离等于所述的固定距离L，该固定距离L在X轴向的投影长度为设计距离L’在X轴向的投影长度Lx加上X轴向的制造安装误差Δx，固定距离L在Y轴向的投影长度为设计距离L’在Y轴向的投影长度Ly加上Y轴向的制造安装误差Δy，其中，投影长度Lx和投影长度Ly不同时为零；当两个三维位置座标系之间通过X-Y水平面相对移动所述固定距离L后，两套电极丝运丝机构的两个三维位置座标系重合，从而实现用两套电极丝运丝机构先后完成对同一个工件的多次切割加工。

上述技术方案中的有关内容解释如下：

1、上述方案中，由于线切割放电加工装置中具有两套不同时使用的电极丝运丝机构，所以有以下两种变化：

(1)、两套电极丝运丝机构均采用单向低速运丝机构，其中一套用于粗切割加工，另一套用于精修加工。在该变化中由于采用了两套单向低速运丝机构，所以在结构设计上存在一种特例，即当两个三维位置座标系原点之间的设计距离L’在Y轴向的投影长度Ly为零时，两套电极丝运丝机构可以共用一个装有张力控制器的聚氨脂轮，该聚氨脂轮的直径等于设计距离L’。

(2)、两套电极丝运丝机构中，一套采用往复高速运丝机构，用于粗切割加工，另一套采用单向低速运丝机构，用于精修加工。

2、上述方案中，由于两套电极丝运丝机构是分别针对粗切割加工和精修加工而设计的，因此为了提高加工效果，两套电极丝运丝机构分别配置一套脉冲电源，其中，一套为适合于粗切割加工的脉冲电源，另一套为适合于精修加工的脉冲电源。

3、上述方案中，所述上导丝组件安装板是指用于安装两套上导丝组件的部件；下导丝组件安装板是指用于安装两套下导丝组件的部件；工作台是指用于定位安装工件的部件；X-Y轴运动拖板是指可以在X-Y轴向移动的机构；U-V-Z轴运动拖板是指可以在U-V-Z轴向移动的机构。这些部件和机构相互间的连接关系有下列三种具体方案：

(1)、下导丝组件安装板固定设置在床身上，上导丝组件安装板通过U-V-Z轴运动拖板与床身相连，工作台通过X-Y轴运动拖板与床身相连。

(2)、下导丝组件安装板通过X-Y轴运动拖板与床身相连，上导丝组件安装板通过U-V-Z轴运动拖板与下导丝组件安装板相连，工作台固定设置在床身上。

(3)、X-Y轴运动拖板分解为X轴运动拖板与Y轴运动拖板两部分，下导丝组件安装板通过Y轴运动拖板或X轴运动拖板与床身相连，上导丝组件安装板通过U-V-Z轴运动拖板与下导丝组件安装板相连，工作台通过X轴运动拖板或Y轴运动拖板与床身相连。

4、上述方案中，所述固定距离L是两个三维位置座标系之间的距离，这个距离L对每台线切割放电加工机床来说，在两套上导丝组件和下导丝组件安装完成后是确定的，而不同机床之间由于存在制造和安装误差可以存在很小的差异。其原因是理论设计距离L’是相同的，而实际制造和安装误差Δ有所不同。当两个三维位置座标系通过移动相对的固定距离L便实现重合。

本发明的技术构思和工作原理是：在一台电火花线切割放电加工装置上设计了两套独立的但不同时使用的电极丝运丝机构，每套电极丝运丝机构各由一套走丝机构、一套上导丝组件和一套下导丝组件组成。两套上导丝组件都安装在上导丝组件安装板上，两套下导丝组件都安装在下导丝组件安装板上。这样建立了两个由上、下导丝元件间那段电极丝在空间位置关系上相对于工件形成的两套X、Y、U、V、Z五座标轴组成的两个三维位置座标系，每个三维位置座标系以下导丝元件导丝孔中心作为座标原点，这两个三维位置座标系分别对应于两个线切割放电间隙，其中一个线切割放电间隙专门用于粗切割加工，另一个线切割放电间隙专门用于精修加工，而且这两个三维位置座标系的原点之间在X-Y水平面内有一固定距离L。该固定距离L在X轴向的投影长度为设计距离L’在X轴向的投影长度Lx加上X轴向的制造安装误差Δx，固定距离L在Y轴向的投影长度为设计距离L’在Y轴向的投影长度Ly加上Y轴向的制造安装误差Δy。当第一套电极丝运丝机构使用粗电极丝完成对工件粗切割加工后，抽去其粗电极丝，X-Y轴运动拖板在X-Y水平面内相对移动所述固定距离L后，使第二套电极丝运丝机构的上、下导丝元件间那段电板丝与工件之间的三维位置座标系与第一套电极丝运丝机构的上、下导丝元件间那段电极丝相对工件的三维位置座标系重合，然后再由第二套电极丝运丝机构使用较细电极丝接着对经粗切割的工件轮廓进行以提高加工精度降低表面粗糙度为目的多次精修切割放电加工，从而完成用两套运丝机构先后对同一工件的轮廓形状的多次切割加工。

本发明可以解决上述背景技术中介绍的单向低速运丝电火花线切割放电装置存在的三大不足之处：第一，用户使用装置时，铜丝的消耗费用下降50％至75％；第二，内凹轮廓最小转角半径可减少30％以上；第三，目前国产单向低速运丝线切割机床和部分台湾生产的单向低速运丝线切割机床的最小表面粗糙度只能达到Ra0.8μm左右，而瑞士和日本的单向低速运丝线切割机床产品最小表面粗糙度可达Ra0.3μm左右。采用本发明技术的电火花线切割机床从理论上讲可获得比瑞士和日本机床更低的表面粗糙度。另外，本发明实施例五还可以解决目前国内外电火花低速走丝线切割机床切割工件厚度通常小于100～200mm的缺点，最大切割厚度可大于300mm，使此类机床能适用于模具行业内大量塑料模具的切割加工。

附图说明

附图1为现有普通单向低速走丝电火花线切割放电装置结构原理图；

附图2为现有另一种单向低速走丝电火花线切割放电装置结构原理图；

附图3为发明双三维座标线切割放电加工装置第一实施例结构示意图；

附图4为发明第一实施例双三维位置座标系示意图；

附图5为发明双三维座标线切割放电加工装置第二实施例结构示意图；

附图6为发明双三维座标线切割放电加工装置第三实施例结构示意图；

附图7为发明双三维座标线切割放电加工装置第四实施例结构示意图；

附图8为发明双三维座标线切割放电加工装置第五实施例结构示意图。

以上附图中，1、电极丝筒；2、长筒；3、换向轮；4、稳丝机构；5、压轮；6、装有张力控制器的聚氨脂轮；7、上导丝组件；71、上宝石导向器；72、上进电块；73、上钻石眼模；8、放电间隙；9、下导丝组件；91、下宝石导向器；92、下进电块；93、下钻石眼模；10、下换向轮；11、收丝对轮；12、收丝电机；13、废丝收集筒；14、工件；15、X-Y轴运动拖板；151、X轴运动拖板；152、Y轴运动拖板；16、U-V-Z轴运动拖板和其前面板；161、为U-V-Z轴运动拖板和上导丝组件安装板；17、床身；1A、电极丝筒；2A、长筒；3A、换向轮；4A、稳丝机构；5A、压轮；6A、装有张力控制器的聚氨脂轮；7A、上导丝组件；7A1、上宝石导向器；7A2、上进电块；7A3、上导丝元件钻石眼模；8A、第一套运丝机构的放电间隙；9A、下导丝组件；9A1、下宝石导向器；9A2、下进电块；9A3、下导丝元件钻石眼模；10A、下换向轮；11A、收丝对轮；1B、电极丝筒；2B、长筒；3B、换向轮；4B、稳丝机构；5B、压轮；6B、装有张力控制器的聚氨脂轮；7B、上导丝组件；7B1、上宝石导向器；7B2、上进电块；7B3、上导丝元件钻石眼模；8B、第二套运丝机构的放电间隙；9B、下导丝组件；9B1、下宝石导向器；9B2、下进电块；9B3、下导丝元件钻石眼模；10B、下换向轮；11B、收丝对轮；18A、储丝筒；19A、上换向轮；20A、上导轮；21A、下导轮；22A、下换向轮；23、工作台；24、下导丝组件安装板。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：一种双三维位置座标线切割放电加工装置

如图3所示，双三维位置座标线切割放电加工装置包括床身17、X-Y轴运动拖板15、U-V-Z轴运动拖板和上导丝组件安装板161、工作台23以及下导丝组件安装板24。U-V-Z轴向运动拖板和上导丝组件安装板161通过立柱与床身17相连，工作台23安装在X-Y轴运动拖板15上，X-Y轴运动拖板15的底面与床身17相连，下导丝组件安装板24通过下丝臂固定设置在床身17上。工件14安装在工作台23上并位于上导丝组件安装板161与下导丝组件安装板24之间。X轴与Y轴在水平面内相交垂直，U轴与X轴平行，V轴与Y轴平行，U轴与V轴在另一水平面内相交垂直，两个水平面之间在高度Z方向上相距设置，并根据切割工件的厚度调整Z轴位置。

图3中，A和B分别表示两套运丝机构，两套运丝机构A、B均采用单向低速运丝机构。在第一套运丝机构A中1A为电极丝筒，2A为长筒，3A为换向轮，4A为稳丝机构，5A为压轮，6A为装有张力控制器的聚氨脂轮，7A为上导丝组件。在第二套运丝机构B中1B为电极丝筒，2B为长筒，3B为换向轮，4B为稳丝机构，5B为压轮，6B为装有张力控制器的聚氨脂轮，7B为上导丝组件。上述的两套上导丝组件7A、7B都安装在控制轮廓锥度的U-V-Z轴运动拖板前的上导丝组件安装板161上，并经立柱固定在床身17上。第一套运丝机构A的下导丝组件9A、下换向轮10A、收丝对轮11A和第二套运丝机构的下导丝组件9B、下换向轮10B、收丝对轮11B以及两对收丝对轮11A和11B合用的收丝电机12、下导丝组件安装板24和废丝收集筒13都安装在床身17上。其中上述的两套下导丝组件9A、9B都安装在下导丝组件安装板24上，下导丝组件安装板24固定在下丝臂的前端，下丝臂固定在床身17上。8A为第一套运丝机构A的放电间隙，8B为第二套运丝机构B的放电间隙。在上导丝组件7A中，7A1为上宝石导向器，7A2为上进电块，7A3为上导丝元件钻石眼模。在下导丝组件9A中，9A3为下导丝元件钻石眼模，9A2为下进电块，9A1为下宝石导向器。经上导丝元件钻石眼模7A3和下导丝元件钻石眼模9A3之间那段电极丝与工件的相对空间位置形成由X、Y、U、V、Z五座标轴组成第一套运丝机构A的三维位置座标系，其座标原点为下导丝元件钻石眼模9A3的导丝孔中心。在上导丝组件7B中，7B1为上宝石导向器，7B2为上进电块，7B3为上导丝元件钻石眼模。在下导丝组件9B中，9B3为下导丝元件钻石眼模，9B2为下进电块，9B1为下宝石导向器。经上导丝元件钻石眼模7B3和下导丝元件钻石眼模9B3之间那段电极丝与工件的相对空间位置形成由X、Y、U、V、Z五座标轴组成第二套运丝机构B的三维位置座标系，其座标原点为下导丝元件钻石眼模9B3的导丝孔中心。

本实施例中采用两套不同性能的脉冲电源。两套脉冲电源的一根同相位功率输出线相连接，一起接到工作台23上，进而传输到工件14上。第一套粗切割加工专用脉冲电源的另一相位的功率输出线接到第一套运丝机构A的上进电块7A2和下进电块9A2上，在放电间隙8A内与工件14进行轮廓粗线切割放电加工。第二套精细修正加工专用脉冲电源的另一相位的功率输出线接到第二套运丝机构B的上进电块7B2和下进电块9B2上，在放电间隙8B内与工件14进行轮廓多次精细切割放电修正加工，以使工件最终切割轮廓的加工精度和表面粗糙度达到技术要求。

图4为本实施例的两个三维位置座标系的空间关系示意图。由于两套运丝机构A、B的两个上导丝元件钻石眼模7A3、7B3都安装在同一个控制轮廓锥度的U-V-Z轴运动拖板前的上导丝组件安板装161上，两个上导丝元件钻石眼模7A3、7B3在Z轴向和V轴向位置相等，其安装平面与U轴平行且垂直于U-V平面。两套运丝机构A、B的两个下导丝元件钻石眼模9A3、9B3都安装在固定于床身17位于下丝臂前端的下导丝组件安装板24上，两个下导丝元件钻石眼模9A3、9B3在Z轴向和Y轴向位置相等，其安装平面与X轴平行且垂直于X-Y平面。X轴与Y轴在一水平面内垂直相交，U轴与X轴平行，V轴与Y轴平行，U轴与V轴在另一水平面内垂直相交，U轴在X-Z轴平面内，V轴在Y-Z轴平面内。第一运丝机构A的三维位置座标系内，在上、下导丝元件间的那段电极丝相对X轴与Z轴平面的投影角为α_A；相对Y轴与Z轴平面的投影角为β_A。第二套运丝机构B的三维位置座标系内，在上、下导丝元件间的那段电极丝相对X轴与Z轴平面的投影角为α_B；相对Y轴与Z轴平面的投影角为β_B。由于上述两套运丝机构A、B上下两组导丝元件钻石眼模的外形尺寸和结构相同，且安装条件相同，在绝对空间位置上：α_A＝α_B，β_A＝β_B，因此两个三维位置座标系内两段电极丝绝对空间内关系是相互平行的，仅在X轴上两电极丝相差一个固定位置差值Lx，同时，在X轴和Y轴方向上由于两组导丝元件钻石眼模在装配中可能存在误差而产生的固定差值ΔX和ΔY。为此，在使用第一套运丝机构A对工件14进行粗切割加工，抽去其电极丝后，由数控系统控制X-Y轴运动拖板15在X方向移动此固定差值Lx+ΔX距离以及Y方向移动Δy距离后，可使第二放电间隙放电间隙8B上的精切割加工三维位置座标系与第一放电间隙放电间隙8A上的粗切割加工三维位置座标系重合。此时可由第二套运丝机构B对粗切割后的轮廓进行精细修正线切割放电加工，完成对同一工件的三维轮廓形状的完整多次切割放电加工。

实施例二：另一种双三维位置座标系线切割放电加工装置。

如图5所示，另一种双三维位置座标系线切割放电加工装置包括床身17、X-Y轴运动拖板15、U-V-Z轴运动拖板和上导丝组件安装板161、工作台23、下导丝组件安装板24以及两套不能同时使用的两套运丝机构。两套运丝机构有各自的送、收丝部件和上、下导丝组件。两套运丝机构的两个上导丝组件都安装在同一个U-V-Z轴运动拖板前的上导丝组件安装板161上。两套运丝机构的两个下导丝组件都安装在同一个下导丝组件安装板24上。两套运丝机构的两对上、下导丝组件中的导丝元件除了在X轴向设计了一个固定距离Lx之外，两对上导丝组件中的导丝元件和两对下导丝组件中的导丝元件的安装位置相同，四只导丝元件的结构和外形尺寸也相同。与实施例一不同之处在于：所述的U-V-Z轴运动拖板和上导丝组件安装板161、下导丝组件安装板24以及收丝部件(除废丝收集筒之外)分别经立柱和下丝臂都安装在X-Y轴运动拖板15上，X-Y轴运动拖板15的底面固定在床身17上，工件14、工作台23和废丝收集筒13固定在床身上。

在图5中A和B分别表示两套运丝机构，两套运丝机构A、B均采用单向低速运丝机构。在第一套运丝机构A中1A为电极丝筒，2A为长筒，3A为换向轮，4A为稳丝机构，5A为压轮，6A为装有张力控制器的聚氨脂轮，7A为上导丝组件。在第二套运丝机构B中1B为电极丝筒，2B为长筒，3B为换向轮，4B为稳丝机构，5B为压轮，6B为装有张力控制器的聚氨脂轮，7B为上导丝组件。上述的两套上导丝组件7A、7B都安装在控制轮廓锥度的U-V-Z轴运动拖板前的上导丝组件安装板161上，并经立柱固定在X-Y轴运动拖板15上。第一套运丝机构A的下导丝组件9A、下换向轮10A、收丝对轮11A和第二套运丝机构的下导丝组件9B、下换向轮10B、收丝对轮11B以及两对收丝对轮11A和11B合用的收丝电机12都安装在X-Y轴运动拖板15上。上述的两套下导丝组件9A、9B都安装在下导丝组件板24上，下导丝组件安装板24固定在下丝臂前端，下丝臂固定在X-Y轴运动拖板15上。8A为第一套运丝机构A的放电间隙，8B为第二套运丝机构B的放电间隙。在上导丝组件7A中，7A1为上宝石导向器，7A2为上进电块，7A3为上导丝元件钻石眼模。在下导丝组件9A中，9A3为下导丝元件钻石眼模，9A2为下进电块，9A1为下宝石导向器。经上导丝元件钻石眼模7A3和下导丝元件钻石眼模9A3之间那段电极丝与工件的相对空间位置形成由X、Y、U、V、Z五座标轴组成第一套运丝机构A的三维位置座标系，其座标原点为下导丝元件钻石眼模9A3的导丝孔中心。在上导丝组件7B中，7B1为上宝石导向器，7B2为上进电块，7B3为上导丝元件钻石眼模。在下导丝组件9B中，9B3为下导丝元件钻石眼模，9B2为下进电块，9B1为下宝石导向器。经上导丝元件钻石眼模7B3和下导丝元件钻石眼模9B3之间那段电极丝与工件的相对空间位置形成由X、Y、U、V、Z五座标轴组成的第二套运丝机构B的三维位置座标系，其座标原点为下导丝元件钻石眼模9B3的导丝孔中心。

实施例三：本实施例是第一实施例的一种实用化的改进，两套运丝机构都采用单向低速运丝机构。

在实施例一中，采用了两套完全分开独立的送丝部件，两个三维位置座标系在水平面内的X轴方向具有一个固定差值Lx。两个下导丝组件9A、9B都是固定在下导丝组件安装板24上，下导丝组件安装板24安装在固定于床身的上丝臂前端部。由于受到下丝臂前端部尺寸和下导丝组件安装板24尺寸的限制，实际上Lx一般都控制在80～150mm值左右，而装有张力控制器的聚氨脂轮的直径也在此值范围内。另外，在上导丝组件7A、7B和下导丝组件9A、9B中，上下宝石导向器是偏心于上下钻石眼模导丝孔轴线安装的(见图3所示)，以保证在宝石导向器和钻石眼模之间的那段电极丝能紧贴在进电块表面，使脉冲电源的脉冲电流能可靠地经进电块传输到运动的电极丝上，在放电间隙与带脉冲电源另一极性电荷的工件进行脉冲放电加工。因此并不严格要求聚氨脂轮直径绝对等于X轴方向的固定差值Lx，允许两者之间有一定的公差范围。本实施例正是利用这一特性设计了第一套运丝机构A和第二套运丝机构B共用一个装有张力控制器的聚氨脂轮6结构。

如图6所示，第一套运丝机构A用于工件14的粗切割加工，第二套运丝机构B用于对工件14的多次精细修正加工。在第一套运丝机构A中，1A为电极丝筒，2A为长筒，3A为换向轮，4A为稳丝机构，5为两套运丝机构合用的压轮，6为两套运丝机构合用的装有张力控制器的聚氨脂轮，7A为第一套运丝机构A的上导丝组件。在第二套运丝机构B中，1B为电极丝筒，2B为长筒，3B为换向轮，4B为稳丝机构，5为合用的压轮，6为合用的聚氨脂轮，7B为第二套运丝机构B的上导丝组件。图6与图3相比，第一套运丝机构A的送丝部件与第二套运丝机构B的送丝部件都安装在能控制轮廓锥度的U-V-Z轴运动拖板前的上导丝组件安装板161上，但其安置的位置左右对调，在合用的聚氨脂轮上第一、二套运丝机构A、B绕电极丝的方向相反。在实际加工中，在第一套运丝机构A完成对工件14的粗切割加工后，抽去其电极丝，X-Y轴运动拖板15移动固定差值Lx+ΔX以及ΔY后，使第二套运丝机构B的三维位置座标系与第一套运丝机构A粗切割工件的轮廓形状三维位置座标系重合后，再把第二套运丝机构B的电极丝从反向绕在聚氨脂轮6的圆周上，再送入第二套运丝机构B的放电间隙8B中。本实施例的上下导丝组件和收丝部分与实施例一完全相同，这里不再重复描述。

采用实施例三的合用的聚氨脂轮结构，可以降低装置的制造成本，简化和紧凑机构结构。便于装置的安装和调试工作。

实施例四：本实施例是对第一、二、三实施例的改进，两套运丝机构都采用单向低速运丝机构。

在上述的第一、三实施例中工件14安装在工作台23上，而工作台23都由X-Y轴运动拖板15带动。两套运丝机构A、B送丝部分全部零件都安装在U-V-Z轴运动拖板和上导丝组件安装板161上。U-V-Z轴运动拖板和上导丝组件安装板161、下导丝组件安装板24和两套运丝机构的收丝部分全部零件都分别经立柱和下丝臂安装在床身17上。在本实施例中，把X-Y轴运动拖板15分解为X轴运动拖板151和Y轴运动拖板152。把工件14和工作台23安装在X轴运动拖板151上；把U-V-Z轴运动拖板和上导丝组件安装板161、下导丝组件安装板24和两套运丝机构的大部分收丝部件(除废丝收集筒13外)分别经立柱和下丝臂安装在Y轴运动拖板152上；把两套运丝机构A、B送丝部分一部零件仍安置在U-V-Z轴运动拖板和上导丝组件安装板161上，另一部分的零件移出安装在Y轴运动拖板152上。

如图7所示，第一套运丝机构A用于工件14的粗切割加工，第二套运丝机构B用于对工件14的多次精修切割加工。在第一套运丝机构A中，1A为电极丝筒，2A为长筒，它们安装在U-V-Z轴运动拖板和上导丝组件安装板161左侧，并定位在Y轴运动拖板152的支架面板上。换向轮3A、稳丝机构4A、两套运丝机构合用的压轮5和装有张力控制器的聚氨脂轮6和第一套运丝机构的上导丝组件仍安装在U-V-Z轴运动拖板和上导丝组件安装板161上。在第二套运丝机构B中，1B为电极丝筒，2B为长筒，它们安装在U-V-Z轴运动拖板和上导丝组件安装板161右侧，并定位在Y轴运动拖板152的支架面板上。换向轮3B，稳丝机构4B仍安装在U-V-Z轴运动拖板和上导丝组件安装板161上。8A、8B分别为第一、二套运丝机构的二个放电间隙，第一、二套运丝机构的下导丝组件9A和9B固定在下导丝组件安装板24上。下导丝组件安装板24固定在下丝臂前端，下丝臂固定于Y轴运动拖板152上。两套运丝机构的下换向轮10A、10B、两对收丝对轮11A、11B和收丝电机12也都安装在Y轴运动拖板152上。废丝收集筒13固定在床身17上。工件14安装在工作台23上，而工作台23安装在X轴运动拖板151上，X轴运动拖板151下半部固定在床身17上。Y轴运动拖板152的下半部也固定在床身17上。

在本实施例中，也可以仅把两套运丝机构A、B的两个电极丝筒1A和1B移出U-V-Z轴运动拖板和上导丝组件安装板161，并安装在Y轴运动拖板152的支架面板上。也可以把两套运丝机构送丝部分的两个电极丝筒1A和1B，两个长筒2A和2B，两套送丝部分的换向轮3A和3B，以及两个稳丝机构4A和4B都移出U-V-Z轴运动拖板和上导丝组件安装板161，并安装在Y轴运动拖板152的支架面板上。本实施例的脉冲电源接线方法同第一实施例。

采用实施例四的设计方案，同前几个实施例相比有以下三点优点：

1.由于把X-Y轴运动拖板15分解为X轴运动拖板151和Y轴运动拖板152后，工件14和工作台23安装在X轴运动拖板151上，使X轴运动拖板151的导轨与工件14的距离减少，从而减少了在X轴运动拖板151移动时，相对工件产生的阿贝误差。把分解后的Y轴运动拖板152移至放电间隙后部，其二根导轨的工作平面的垂直高度和工件与工作台23的安装平面的垂直高度相等或接近，从而减少了Y轴运动拖板移动时相对工件产生的阿贝误差。这样在相同的机械加工精度条件下，大大提高了线切割放电加工装置的加工精度。

2、减少了U-V-Z轴运动拖板的负载，提高U-V-Z轴运动拖板的灵敏度和频率响应。

3、U-V-Z轴运动拖板为了减少阿贝误差，一般都设计放置在靠近加工工件的位置上，其三层拖板的刚性远小于X、Y轴运动拖板的刚性。在加工中，随着电极丝的不断消耗，两套运丝机构的电极丝筒先后重量不断减轻，从而使U-V-Z轴运动拖板在U-Z垂直面上产生倾斜，从而造成两套运丝机构两个上导丝元件的空间位置产生漂移，造成切割工件轮廓锥度误差。采用本实施例后可大大减少此误差。另外，这种布局使整个装置的动静刚度得到提高，从而保证了装置可获较高的加工精度和最佳的表面粗糙度。

实施例五：一种双三维位置座标系线切割放电加工装置

如图8所示，本实施例与实施例一的不同之处在于：第一套运丝机构A采用往复高速运丝机构，第二套运丝机构B采用单向低速运丝机构，它们有各自三维位置座标系，有各自的送丝部件，放电间隙和收丝部件，它们送丝部件的上导丝组件7A、7B安装在同一个控制轮廓锥度的U-V-Z轴运动拖板和上导丝组件安装板161上，收丝部件的下导丝组件9A、9B都安装在下导丝组件安装板24上，它们分别经立柱和下丝臂固定在床身17上。待加工的工件14安装在工作台23上，工作台23固定在控制轮廓图形的X-Y轴运动拖板15上。与实施例一的第二个不同之处在于：在第二套运丝机构B送丝部分的部分部件被移出U-V-Z轴运动拖板和上导丝组件安装板161，而改为安装到固定在床身17上的支架面板上。在图8中，第二套单向低速运丝机构送丝部分的电极丝筒1B和长筒2B被移出U-V-Z轴运动拖板和上导丝组件安装板161，改为安装到固定于床身17的支架面板上。装置的两个三维位置座标系在绝对空间位置上仅在X-Y两个方向上各有一个固定差值，在第一套往复高速运丝机构完成对工件的粗切割加工后，经工作台在X-Y方向上移动此二个固定差值来使第二套单向低速运丝机构的三维位置座标系与第一套往复高速运丝机构粗切割工件轮廓的三维位置座标系重合，再由第二套单向低速运丝机构对工件轮廓进行精细切割修正放电加工，从而由两套运丝机构完成对同一工件轮廓形状的多次切割放电加工。

在上述实施例一中的运丝方式属单向低速运丝方式。其优点是单向低速运丝，丝线速度为0.1～0.25m/sec，电极丝一次性使用，且有张力控制，为此电极丝对工件的相对振动幅值极小且稳定。这种运丝方式的电火花线切割加工的精修加工精度高，表面粗糙度低。但其不足之处，由于电极丝的线速度低，在切入工件第一次切割时，电极丝冷却和放电产生的电蚀物排出困难。解决此问题的方法是增加对放电间隙的冲液压力。一般来说，这种运丝方式第一次切割的工件切割厚度小于60mm时，切割效率较高，切割较厚工件时加工效率明显下降，工件厚度大于200mm后，一般来说切割困难。

电火花线切割放电加工另一种装置是往复高速运丝方式。其特点是选用耐高温钼丝作为电极丝，电极丝线速度为8～12m/sec。由于电极丝反复使用，经反复放电，电极丝表面留有无数微小电蚀坑穴。正是这些小坑穴，钼丝能把工作液高速带入放电间隙，这些工作液把放电传给钼丝的热量和放电产生的电蚀物带出。这种运丝方式的装置能实现厚度达0.3～1m大厚度工件的切割加工。这种运丝方式线切割装置的缺点是电极丝相对于工件的相对振动幅值大，并振动中心随运丝方向的改变呈波浪形漂移，因此这种运丝方式很难实现高精度切割加工，切割表面质量较差。

本实施例是使用往复高速运丝来进行粗切割加工，用单向低速运丝方式来进行精修切割加工。

如图8所示，第一套运丝机构A为目前常用的往复高速运丝机构，主要由带电机的储丝筒18A、上换向轮19A、上导轮20A、上导丝组件7A、第一套运丝机构的放电间隙8A、下导丝组件9A、下导轮21A和下换向轮22A构成。其中储丝筒18A、上换向轮19A，和下换向轮22A都安装在床身上。电极丝从储丝筒18A经上换向轮19A，最后经下换向轮22A返还到储丝筒18A的圆周排列。带电机的储丝筒18A由电机轴直接连接作高速旋转。同时储丝筒18A相对于床身还进行轴向运动，轴向运动的速度与储丝筒18A的转速有关。储丝筒18A每旋转一周，轴向移动距离略大于电极丝的直径，使电极丝可均匀平绕在筒的圆周表面不重叠起来。当储丝筒18A移动到一端极限位置时，触发行程开关，使储丝筒18A电机反转，同时改变储丝筒18A轴向移动的方向，这样电极丝也改变高速运动的方向，实现往复高速运丝的方式。上导丝组件7A内7A2为上进电块，7A3为上导丝元件眼模；下导组件9A内9A3为下导丝元件眼模，9A2为下进电块。上下眼模的制造材料为聚晶金刚石、钻石或宝石。经上导丝元件眼模7A3和下导丝元件眼模9A3间的那段电极丝与工件的相对位置形成由X、Y、U、V、Z五座标轴组成第一套运丝机构的三维位置座标系，其座标原点为下导丝元件眼模9A3的导丝孔中心。

第二套运丝机构B，即单向低速运丝机构主要由以下零部件组成：电极丝筒1B、长筒2B、换向轮3B、稳丝机构4B、压轮5B、装有张力控制器的聚氨脂轮6B、上导丝组件7B、第二套运丝机构的放电间隙8B、下导丝组件9B、下换向轮10B、一对收丝轮11B、收丝电机12以及废丝收集筒13。在上导丝组件7B中，7B1为上宝石导向器，7B2为上进电块，7B3为上导丝元件钻石眼模；在下导丝组件9B中，9B3为下导丝元件钻石眼模，9B2为下进电块，9B1为下宝石导向器。经上钻石眼模7B3和下钻石眼模9B3之间的那段电极丝与工件的空间位置形成由X、Y、U、V、Z五座标轴组成第二套运丝机构B的三维位置座标系，其座标原点为下导丝元件钻石眼模9B3的导丝孔中心。上导丝组件7A、上导轮20A和上导丝组件7B都安装在控制轮廓锥度的U-V-Z轴运动拖板和上导丝组件安装板161上，下导丝组件9A、下导轮21A和下导丝组件9B都安装下导丝组件安装板24上，除电极丝筒1B和长筒2B移至固定于床身17的支架面板安装之外，第二套运丝机构的其余零部件的安装条件与实施例一相关部件相同，工件14安装在工作台23上，工作台23固定在控制切割轮廓图形的X-Y轴运动拖板15上。

本实施例采用二套不同特性的脉冲电源，其中第一套运丝机构A采用往复高速运丝专用脉冲电源，第二套运丝机构B采用单向低速运丝专用于精细修正放电的脉冲电源。往复高速运丝专用脉冲电源的正极和单向低速运丝精细修正加工脉冲电源的一根功率输出线相连接后一起接到工作台23上，进而传输到工件14上，第一套脉冲电源的负极接到第一套往复高速运丝机构A的上进电块7A2和下进电块9A2上，在放电间隙8A内与工件14进行轮廓粗切割放电加工；单向运丝精修脉冲电源的另一根功率输出线接到第二套单向低速运丝机构B的上进电块7B2和下进电块9B2上，在放电间隙8B内与工件14进行轮廓多次精细切割放电加工。

本实施例两个三维位置座标内电极丝的空间关系与实施例一中图4的内容完全相同，因此不再重复描述。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种双三维位置座标系线切割放电加工装置，包括设于床身上的上导丝组件安装板、下导丝组件安装板、工作台、X-Y轴运动拖板以及U-V-Z轴运动拖板；

其特征在于：所述的线切割放电加工装置中具有两套不同时使用的电极丝运丝机构，每套电极丝运丝机构各由一套走丝机构、一套上导丝组件和一套下导丝组件组成；两套上导丝组件都安装在上导丝组件安装板上，其中，两个上导丝组件内的两个上导丝元件导丝孔在Z轴向位置相同；两套下导丝组件都安装在下导丝组件安装板上，其中，两个下导丝组件内的两个下导丝元件导丝孔在Z轴向位置相同；在U-V座标轴和X-Y座标轴都在原点位置时，每套电极丝运丝机构中的上导丝元件导丝孔与下导丝元件导丝孔的中心连线均垂直于X-Y水平面，两条中心连线在X-Y水平面上相隔一个固定距离L，这样经过两对上、下导丝元件导丝孔之间的那两段电极丝在空间位置关系上相对于工件形成两个由X、Y、U、V、Z五座标轴组成的，并在两个放电间隙中的三维位置座标系，每个座标系的原点为各自下导丝元件导丝孔中心；所述两个三维位置座标系原点之间在X-Y水平面内的距离等于所述的固定距离L，该固定距离L在X轴向的投影长度为设计距离L’在X轴向的投影长度Lx加上X轴向的制造安装误差Δx，固定距离L在Y轴向的投影长度为设计距离L’在Y轴向的投影长度Ly加上Y轴向的制造安装误差Δy，其中，投影长度Lx和投影长度Ly不同时为零；当两个三维位置座标系之间通过X-Y水平面相对移动所述固定距离L后，两套电极丝运丝机构的两个三维位置座标系重合，从而实现用两套电极丝运丝机构先后完成对同一个工件的多次切割加工。

2.根据权利要求1所述的双三维位置座标系线切割放电加工装置，其特征在于：所述两套电极丝运丝机构均采用单向低速运丝机构，其中一套用于粗切割加工，另一套用于精修加工。

3.根据权利要求2所述的双三维位置座标系线切割放电加工装置，其特征在于：所述两个三维位置座标系原点之间的设计距离L’在Y轴向的投影长度Ly为零，两套电极丝运丝机构共用一个装有张力控制器的聚氨脂轮，该聚氨脂轮的直径等于设计距离L’。

4.根据权利要求1所述的双三维位置座标系线切割放电加工装置，其特征在于：所述两套电极丝运丝机构中，一套采用往复高速运丝机构，用于粗切割加工，另一套采用单向低速运丝机构，用于精修加工。

5.根据权利要求1或2或4所述的双三维位置座标系线切割放电加工装置，其特征在于：所述两套电极丝运丝机构分别配置一套脉冲电源，其中，一套为适合于粗切割加工的脉冲电源，另一套为适合于精修加工的脉冲电源。

6.根据权利要求1所述的双三维位置座标系线切割放电加工装置，其特征在于：所述下导丝组件安装板固定设置在床身上，上导丝组件安装板通过U-V-Z轴运动拖板与床身相连，工作台通过X-Y轴运动拖板与床身相连。

7.根据权利要求1所述的双三维位置座标系线切割放电加工装置，其特征在于：所述下导丝组件安装板通过X-Y轴运动拖板与床身相连，上导丝组件安装板通过U-V-Z轴运动拖板与下导丝组件安装板相连，工作台固定设置在床身上。

8.根据权利要求1所述的双三维位置座标系线切割放电加工装置，其特征在于：所述X-Y轴运动拖板分解为X轴运动拖板与Y轴运动拖板两部分，下导丝组件安装板通过Y轴运动拖板或X轴运动拖板与床身相连，上导丝组件安装板通过U-V-Z轴运动拖板与下导丝组件安装板相连，工作台通过X轴运动拖板或Y轴运动拖板与床身相连。