CN101829823B - 线切割电极丝直径在线自动检测和补偿系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出线切割电极丝直径在线自动检测和补偿系统，其包括数据采集装置、运动控制及执行装置、误差量模拟输入装置和线切割数控系统。所述运动控制及执行装置将数据采集装置送入测试点进行多次测量得到平均值，再将此平均值与电极丝最初直径进行比较得到补偿量，然后将此补偿量通过误差量模拟输入装置中的键盘数据转换电路转变成键盘信号反馈给线切割数控系统，线切割数控系统接收到此键盘信号后重新控制线切割机床进行补偿切割。本发明采用新的电极丝自动检测补偿方法，不仅实现了自动补偿，而且还实现了零人工参与，节省了人力财力；其数据处理方法实用，电路简单，结构合理，且费用低廉，稳定可靠，补偿精度高。

Description

线切割电极丝直径在线自动检测和补偿系统

技术领域

本发明属于对线切割电极丝直径的高精度测量。

背景技术

线切割机床对零件的加工精度(主要指加工的形状精度和位置精度)不仅与机床固有的结构设计精度有关，而且还与切割直径精度保持性有一定的关系。线切割在模具中的精密小型腔、窄缝、沟槽、拐角、冒孔和深度切削等加工领域应用广泛。电极丝在使用的过程中的自身损耗会使得模具加工的精度受到较大的影响，因此很有必要及时测出电极丝直径，对线切割中由于电极丝损耗进行补偿。目前对电极丝直径的测量主要有非接触式和接触式两种方法，非接触式测量主要利用CCD技术。如图1是用CCD技术测量直径的原理图。平行光源11照射到不透明的工件12，工件12直径尺寸通过成像透镜13以确定的倍率投射到线阵CCD光敏阵列14上，连接到线阵光敏阵列14上的图像采集卡把图像信号转换成数字信号再送入计算机15进行处理。

接触式测量主要是依靠人工测量方法，直接用测量仪器测量出电极丝直径的大小，再将测得数据与电极丝最初直径进行比较，得到要补偿的量，并人工输入此补偿量进行补偿切割。

利用CCD技术能很好的弥补了人工检测的不足，实现了对小直径工件的无接触高精度的测量。但这种技术存在一些缺点：线切割加工环境恶劣，电极丝上油污、冷却液及加工残余微粒等杂质，这些杂质在成像后不易区分，使测量精度受到很大影响。其次，由于在加工过程中电极丝振动是不可避免的，从而会导致其像在CCD上的抖动；另外电极丝抖动的方向、幅度、频率时刻处于变化之中，使得目标的放大率不同和成像尺寸受到影响。再次，像的边缘的检测比较烦琐。若采用亚像元边缘检测技术可以使像边缘检测的定位分辨率提高到十分之一个像元，但需要进行大量计算。

然而人工测量方法实时性不好，费财耗力，实施起来也不方便，难以保证测量的精度。

利用CCD技术或人工测量方法等其他的检测方法，要补偿由于电极丝直径损耗带来的误差量时，只能通过手动输入的方式进行补偿，都不能实现自动补偿。

现有的线切割数控系统中，要想实现补偿切割，都只能通过手动方式输入，不能实现自动输入补偿切割。若修改控制系统软件为补偿提供接口，这样可以很好的解决补偿问题，但是厂家不会轻易根据用户需求改变控制系统软件，而且成本较高，调试比较复杂；若通过现有的人机界面来实现补偿参数的输入，现有的数控系统都提供一个可以修改钼丝直径的对话窗口，需要人工进行输入，这不利于整个系统的自动化。

发明内容

在线切割工艺中，由于电极丝直径损耗而使得被切割工件精度受到影响，本发明的目的是提供一种线切割电极丝直径在线自动检测和补偿系统，根据现场切割的实时数据，综合时间和运动等多种关联数据，运用自动控制程序，进行系统科学的运算和逻辑处理，自动检测和补偿由于电极丝直径损耗带来的误差量。

本发明的技术方案如下：

本线切割电极丝直径在线自动检测和补偿系统主要包括数据采集装置、运动控制及执行装置、误差量模拟输入装置和线切割数控系统。运动控制及执行装置将数据采集装置送入测试点进行多次测量(一般为8～10次)得到平均值，再将此平均值与电极丝最初直径进行比较得到补偿量，然后将此补偿量通过误差量模拟输入装置中的键盘数据转换电路转变成键盘信号反馈给线切割数控系统，系统接收到此键盘信号后重新控制线切割机床进行补偿切割。

所述数据采集装置包括数显千分尺、数据处理电路和数据发送电路；

所述数显千分尺用来测量电极丝直径，其数据接口输出为三根线，分别为数据信号线data、时钟信号线clk和地线；

所述数据处理电路采用三极管放大器2N5401和反向器74HC04以及89C2051单片机，数显千分尺串口输出的两路信号即数据信号data和时钟信号clk，接入数据处理电路，经过放大器2N5401和反向器74HC04放大整形处理后分别送入单片机89C2051的I/O口和外中断口，单片机89C2051根据外中断口的时钟信号采集I/O口的数据；

所述数据发送电路采用收发器MAX232和DB9插座，单片机89C2051把处理后的数据通过发送电路送至线切割数控系统；

所述运动控制及执行装置是一个由步进电机带动的两轴联动装置，通过线切割数控系统控制步进电机来驱动机械运动机构，将数显千分尺准确、快速的送到指定位置(电极丝位置)，并且在测量结束后能够迅速的将数显千分尺送回初始位置。运动控制及执行装置接到线切割数控系统发来的测量信号时，1号步进电机带动丝杠控制数显千分尺，使之在导轨上作水平运动，从而将数显千分尺送到电极丝所在位置，2号步进电机控制数显千分尺的测微螺杆的位置，使之接触电极丝。1号步进电机工作结束后2号步进电机才开始工作。

所述误差量模拟输入装置包括键盘数据转换电路和键盘，当数据采集装置把测得的电极丝直径大小送入线切割数控系统时，线切割数控系统把该数据量与电极丝最初的直径进行比较运算，得到补偿量，然后再通过键盘数据转换电路将此补偿量转换成键盘信号自动输入到线切割数控系统，系统接收到此键盘信号后再重新控制切割机床进行补偿切割。

本发明的关键点在于：

(1)数显千分尺串口输出的数据经过数据处理电路才能发送至线切割数控系统；

(2)对电极丝直径要进行多次测量，取得其平均值后再与电极丝最初直径进行比较，得到要补偿的量；

(3)补偿量通过键盘数据转换电路变成键盘信号后实现数据地自动输入。

与现有技术比较，本发明的优点是：

(1)在接触式电极丝测量过程中采用新的电极丝自动检测补偿方法，不仅实现了自动补偿，而且还实现了零人工参与，节省了人力财力；

(2)与其他检测补偿方法比较，数据处理方法实用，电路简单，结构合理，且费用低廉；

(3)通过多次实验，数据结果表明，该装置稳定可靠，补偿精度达到±0.003mm。

附图说明

图1是现有的CCD技术测量原理图；

图2是电极丝在线自动检测和补偿系统的控制原理图；

图3是数显千分尺数据接口示意图；

图4是运动控制及执行装置的机械结构示意图。

具体实施方式

如图2所示为电极丝在线自动检测和补偿系统的控制原理图。该电极丝在线自动检测和补偿系统主要包括数据采集装置、运动控制及执行装置、误差量模拟输入装置和线切割数控系统。运动控制及执行装置将数据采集装置送入测试点进行8～10次测量得到平均值，再将此平均值与电极丝最初直径进行比较得到补偿量，然后再将此补偿量通过误差量模拟输入装置中的键盘数据转换电路转变成键盘信号反馈给线切割数控系统，线切割数控系统重新控制线切割机床进行补偿切割。

(一)数据采集装置

数据采集装置包括数显千分尺、数据处理电路、数据发送电路。数显千分尺用来测量电极丝直径，数据接口输出为三根线(接口示意图如图3)：1数据信号线data、2时钟信号线clk、3地线，其数据输出串口输出的数据特点如下：

(1)串行口输出的数据是二制码，约108ms输出一次，其幅值约为1.2v，频率约为9.5KHz，高电平有效；

(2)每次输出一组数据，表示相对位置量，每组24位，低位在前，高位在后，第一个脉冲之前有一持续时间较长的低电平，读数时从高位向低位开始；

(3)第21位为符号位，符号位若为0，数据以原码输出，若为1，则以补码输出；

(4)将采集到的24位数据直接转换为十进制数，十进制数与显示屏上显示的数是一致的。

数据处理电路采用三极管放大器2N5401和反向器74HC04以及89C2051单片机，数显千分尺串口输出的两路信号即数据信号data和时钟信号clk，接入数据处理电路，经过放大器2N5401和反向器74HC04放大整形处理后分别送入单片机89C2051的I/O口和外中断口，单片机89C2051根据外中断口的时钟信号采集I/O口的数据，然后再发送至线切割数控系统；

(二)运动控制及执行装置

运动控制及执行装置是一个由步进电机带动的两轴联动装置，通过线切割数控系统控制步进电机来驱动机械运动机构，将数显千分尺准确、快速的送到指定位置(电极丝位置)，并且在测量结束后能够迅速的将数显千分尺送回初始位置。

运动控制及执行装置的具体结构如图4所示，其包括两个步进电机、丝杠及配套螺母、导轨及配套的两个滑块和数显千分尺，所述1号步进电机1通过联轴节与丝杠2同轴连接，丝杠2与导轨6平行安装，导轨6上的1号滑块7以及1号滑块7上的数显千分尺3固定在丝杠2的配套螺母上，固定在导轨6的2号滑块8上的2号步进电机5通过另一个联轴节与数显千分尺3的测微螺杆连接，所述1号滑块和2号滑块在导轨上进行有限距离的相对运动。

运动控制及执行装置接到线切割数控系统发来的测量信号时，1号步进电机1带动丝杠2控制数显千分尺3，使之在导轨6上作水平运动，从而将数显千分尺3送到电极丝4所在位置，2号步进电机5控制数显千分尺的测微螺杆的位置，使之接触电极丝4。1号步进电机1工作结束后1号步进电机5才开始工作。

(三)误差量模拟输入装置

当数据采集装置把测得的电极丝直径大小送入线切割数控系统时，线切割数控系统把该数据量与电极丝最初的直径进行差值运算，从而得到补偿量，然后再通过键盘数据转换电路将此补偿量转换成键盘信号自动输入到线切割数控系统，重新进行补偿切割。如图2所示。

Claims (2)

1.线切割电极丝直径在线自动检测和补偿系统，其特征在于：所述系统包括数据采集装置、运动控制及执行装置、误差量模拟输入装置和线切割数控系统；所述运动控制及执行装置将数据采集装置送入测试点进行多次测量得到平均值，再将此平均值与电极丝最初直径进行比较得到补偿量，然后将此补偿量通过误差量模拟输入装置中的键盘数据转换电路转变成键盘信号反馈给线切割数控系统，线切割数控系统接收到此键盘信号后重新控制线切割机床进行补偿切割；

所述数据采集装置包括数显千分尺、数据处理电路和数据发送电路；

所述数显千分尺用来测量电极丝直径，其数据接口输出为三根线，分别为数据信号线data、时钟信号线clk和地线；

所述数据处理电路采用三极管放大器2N5401和反向器74HC04以及89C2051单片机，数显千分尺串口输出的两路信号即数据信号data和时钟信号clk接入到数据处理电路，经过放大器2N5401和反向器74HC04放大整形处理后分别送入单片机89C2051的I/O口和外中断口，单片机89C2051根据外中断口的时钟信号采集I/O口的数据；

所述数据发送电路采用收发器MAX232和DB9插座，单片机89C2051把处理后的数据通过数据发送电路送至线切割数控系统；

所述运动控制及执行装置是一个由步进电机带动的两轴联动装置，通过线切割数控系统控制步进电机来带动机械运动机构，将数显千分尺准确、快速的送到电极丝位置，并且在测量结束后迅速将数显千分尺送回初始位置；

所述误差量模拟输入装置包括键盘数据转换电路和键盘，当数据采集装置把测得的电极丝直径大小送入线切割数控系统时，线切割数控系统把该数据量与电极丝最初的直径进行比较运算，得到补偿量，然后再通过键盘数据转换电路将此补偿量转换成键盘信号自动输入到线切割数控系统，线切割数控系统接收到此键盘信号后再重新控制切割机床进行补偿切割。

2.根据权利要求1所述的线切割电极丝直径在线自动检测和补偿系统，其特征在于：所述运动控制及执行装置包括两个步进电机、丝杠及配套螺母、导轨及配套的两个滑块和所述数显千分尺；1号步进电机(1)通过联轴节与丝杠(2)同轴连接，丝杠(2)与导轨(6)平行安装，导轨(6)上的1号滑块(7)以及1号滑块(7)上的数显千分尺(3)固定在丝杠(2)的配套螺母上，固定在导轨(6)的2号滑块(8)上的2号步进电机(5)通过另一个联轴节与数显千分尺(3)的测微螺杆连接；

所述运动控制及执行装置接到线切割数控系统发来的测量信号时，1号步进电机(1)带动丝杠(2)控制数显千分尺(3)，使之在导轨(6)上作水平运动，从而将数显千分尺(3)送到电极丝所在位置，2号步进电机(5)控制数显千分尺(3)的测微螺杆的位置，使之接触电极丝，然后再进行测量，1号步进电机(1)工作结束后2号步进电机(5)才开始工作。

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