CN104070248B - 一种精确闭环控制电极丝张力的电火花线切割机运丝机构 - Google Patents

Abstract

一种精确闭环控制电极丝张力的电火花线切割机运丝机构，其特征在于：上张紧轮、下张紧轮和连接板组成一张紧件；该张紧件沿竖直方向相对线切割机的立柱滑动连接；张紧件经所述测力传感器与驱动装置传动连接，测力传感器的一端与张紧件固定连接，另一端传动连接至驱动装置；上张紧轮、下张紧轮、测力传感器与驱动装置作用力的方向处在同一个轴线上；环形封闭电极丝从贮丝筒开始，依次经左上换向轮、上张紧轮、右上换向轮、上导轮、下导轮、右下换向轮、下张紧轮、左下换向轮，返回至贮丝筒；测力传感器采集到的信号经由一控制电路处理后，用于控制所述驱动装置。本发明实现了对往复运丝型电火花线切割机电极丝张力的精确控制。

Description

一种精确闭环控制电极丝张力的电火花线切割机运丝机构

技术领域

本发明涉及一种电火花线切割机，具体涉及双向往复运丝型电火花线切割机使用的一种精确闭环控制电极丝张力的运丝机构。

背景技术

电火花线切割机是利用电极丝与工件间在工作液中发生电火花脉冲放电产生的电蚀效应进行线切割加工。由于贮丝筒上单层缠绕电极丝的长度有限，需要贮丝筒作正、反方向频繁往复交替换向，才能维持长时间的连续电火花线切割加工。要想获得高效率、高精度和高质量的线切割加工，就要求在放电加工区往复高速运动的电极丝，必须受控在一个稳定张力的作用下被拉直，这样柔软有弹性的电极丝与工件之间才能有一个稳定的电火花脉冲放电环境。所以电火花线切割机对电极丝张力控制性能的优劣，直接决定了此类机床的切割效率和加工质量。

为了实现对线电极张力的控制，现市场上已有好几种带电极丝张力控制功能的运丝机构。其中，具代表性的较先进的运丝机构，可参见公告号为CN201493578U的中国实用新型专利。该实用新型专利公开的运丝机构结构如图1所示：包括环形封闭电极丝1、贮丝筒2、分别位于线切割机上、下线架3、4端部的上导轮5和下导轮6，以及相对线切割机的立柱7沿水平方向滑动连接的第一换向臂9和第二换向臂10；第一换向臂9两端支撑有上、下第一换向轮11、12，第二换向臂10两端支撑有上、下第二换向轮13、14；所述环状封闭电极丝1从贮丝筒2开始，先后经上第二换向轮13、上第一换向轮11、上导轮5、下导轮6、下第一换向轮12、下第二换向轮14，最后再返回至贮丝筒2。所述第一换向臂9与固定在立柱7上的测力传感器8接触用于张力检测，而第二换向臂10由电机15驱动用于张力控制。

发明人分别对环状封闭电极丝1上由各只相邻导轮或换向轮分隔成的各段电极丝，进行电极丝张力动态测试。测量的结果表明：在双向交替运丝时，环状封闭电极丝1中各段电极丝的动态张力的大小，是随着贮丝筒2“收丝”和“放丝”次序的变化而呈现交替变化。即呈现距离贮丝筒2“收丝”越近电极丝段上的动态张力就越大；反之，距贮丝筒2“放丝”越近的电极丝段上的动态张力就越小。这现象如同杂技自行车，在正方向往前均速骑时，上半部链条永远处于张紧状态，而下半部链条永远处于松弛状态；在反方向往后均速骑时，上、下两部分链条的张紧和松驰两种状态则反之。总之，在往复双向运丝时，环状封闭电极丝1的上、下部分张力的大小是交替改变的，并且越靠近贮丝筒2的“收丝”和“送丝”的区域，其最大张力与最小张力差别就越大。如果是对称的运丝结构，处于结构对称位置中心的放电加工区那段电极丝受贮丝筒2的交替换向影响为最小，那段电极丝的张力约为靠近贮丝筒2附近，处于“收丝”状态较大张力值和处于“送丝”状态较小张力二者的平均值。

对上述现有技术运丝构进行力学分析：作用于第一换向臂上有水平方向的分力Fx和垂直于运丝平面的扭矩My。扭矩My的大小=环状封闭电极丝1上、下两部分张力两倍之差值，乘上第一换向臂9安装上第一换向轮11、下第一换向轮12轴间距的一半。该扭矩My由固定第一换向臂9的上导轨第一滑块16和下导轨第一滑块17所共同产生的反向扭矩所平衡。水平方向分力Fx=上、下环状电极丝部分中之较小张力的四倍。该水平分量Fx经第一换向臂施加到固定于立柱7的测力传感器8上。由于贮丝筒2在交替换向运动时，上、下第一换向轮都分别处在靠贮丝筒2的“收丝”和“送丝”的区域，由此可见，该现有技术运丝机构中的测力传感器8所检测到的环状封闭电极丝1的张力与真正环状电极丝张力之间有较大的误差，进而使其伺服控制的环状封闭电极丝1的张力同样也存在较大的误差。

发明内容

本发明目的是提供一种精确闭环控制电极丝张力的电火花线切割机运丝机构，以解决现有技术存在的张力实时动态控制不精确的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种精确闭环控制电极丝张力的电火花线切割机运丝机构，包括环形封闭电极丝、贮丝筒、若干换向轮、测力传感器、驱动装置、位于线切割机上线架端部的上导轮以及位于线切割机下线架端部的下导轮；

所述运丝机构还包括一上张紧轮和一下张紧轮，该上张紧轮和下张紧轮上下相距布置，且两者间以一连接板连接；所述上张紧轮、下张紧轮和连接板组成一张紧件；该张紧件沿竖直方向相对线切割机的立柱滑动连接；

所述张紧件经所述测力传感器与驱动装置传动连接，所述测力传感器的一端与张紧件固定连接，其另一端与驱动装置传动连接；并且，所述上张紧轮、下张紧轮、测力传感器与驱动装置作用力的方向处在在同一个轴线上；

所述换向轮包括左上换向轮、右上换向轮、左下换向轮以及右下换向轮，所述左上换向轮和右上换向轮分列位于上述轴线的左右两侧，所述左下换向轮和右下换向轮也分列位于上述轴线的左右两侧，且位于左上换向轮和右上换向轮的下方；

所述环形封闭电极丝从贮丝筒开始，依次经左上换向轮、上张紧轮、右上换向轮、上导轮、下导轮、右下换向轮、下张紧轮、左下换向轮，返回至贮丝筒；

所述测力传感器采集到的信号经由一控制电路处理后，用于控制所述驱动装置。

上述技术方案中的有关内容解释如下：

1、上述方案中，所述运丝机构还包括一线性滑轨，该线性滑轨沿所述轴线设置于线切割机的立柱上；在线性滑轨上设有一第一滑块，该第一滑块的一侧与所述驱动装置传动连接，其另一侧与所述测力传感器一端固定连接，测力传感器的另一端与所述连接板固定连接。

2、上方案中，所述线性滑轨上还有一第二滑块，所述连接板固定连接于该第二滑块上。

3、上述方案中，所述线性滑轨上还有一第三滑块，所述右上换向轮固定于该第三滑块上，使右上换向轮能够上、下移动，以跟随上导轮作位置调整。

4、上述方案中，所述右上换向轮与线切割机的立柱间沿竖直方向滑动连接，使右上换向轮能够上、下移动，以跟随上导轮作位置调整。

5、上述方案中，所述驱动装置为伺服电机，该伺服电机通过丝杠螺母与线性滑轨上的第一滑块传动连接；或者，该伺服电机通过同步带与线性滑轨上的第一滑块传动连接

进一步，所述线性滑轨、第一滑块、丝杠和驱动装置是滚珠丝杠线性模组功能部件。

进一步，所述线性滑轨、第一滑块、丝杠和驱动装置是同步带线性模组功能部件。

进一步，所述线性滑轨是直线导轨和导轨滑块组合。

6、上述方案中，所述驱动装置为直线伺服电机，该直线伺服电机的动子与测力传感器的端部固定连接。

7、上述方案中，所述“左”、“右”方向是以图2所示为例，以A’轴为中心，A’轴的左边，即靠近贮丝筒侧为左侧；A’轴的右边，即离贮丝筒远的一侧为右侧。

由于上述技术方案的应用，本发明与上述背景技术中介绍的现有技术相比有以下优点：

1. 在本发明中，环形封闭电极丝的上、下两部分电极丝施加在上、下张紧轮上的张力与该机构的张力调整力，三个力经过测力传感器处在同一轴线A’之上。由于整个机构的上、下两部分运丝部件的对称性布局，虽然在往复双向运丝时，分别施加上、下张紧轮上的两倍张力的大小随运丝方向的改变呈交替变化，但两者之和是不变的，这样测力传感器测到的力是这上、下张紧轮所受合力之和，并且可不受力分解影响地精确无误把两个合力之和，转变为反映环形封闭电极丝张力大小的电信号；在另一方面，经控制电路的处理和放大来控制驱动装置，同样该张力调整力也可以无分解力地精确用于调整上、下张紧轮的上下移动，利用电极丝弹性变形的物理特性，从而实现把环形封闭电极丝的张力正确地控制在计算机预置值附近，解决了对往复运丝型电火花线切割机电极丝张力精确控制的技术难点。

2. 在本发明中，测力传感器检测到的力是处于对称运丝机构中心位置放电加工区那段电极丝张力的四倍，并且不受到双向往复运丝方向改变的影响，它仅与环状电极丝张力的大小成比例。

3. 本发明将张力检测部件到控制调节部件之间的传动链缩短至最小，提高了整个机构的传动刚性，使整个闭环动态张力实时控制运丝机构获得最佳的灵敏度和高频率响应速度。

附图说明

图1为现有技术结构示意图；

图2为本发明实施例一结构示意图；

图3为本发明实施例二结构示意图；

图4为本发明实施例三结构示意图；

图5为本发明张力检测和调整的结构原理框图；

图6为本发明实施例控制电路框图。

以上附图中：1、环状封闭电极丝；2、贮丝筒；3、上线架；4、下线架；5、上导轮；6、下导轮；7、立柱；8、测力传感器；9、第一换向臂；10、第二换向臂；11、上第一换向轮；12、下第一换向轮；13、上第二换向轮；14、下第二换向轮；15、电机；16、上导轨第一滑块；17、下导轨第一滑块；21、环形封闭电极丝；22、贮丝筒；23、测力传感器；24、驱动装置；25、上线架；26、上导轮；27、下线架；28、下导轮；29、上张紧轮；30、下张紧轮；31、连接板；32、立柱；33、左上换向轮；34、右上换向轮；35、左下换向轮；36、右下换向轮；37、线性滑轨；38、第一滑块；39、第二滑块；40、第三滑块；41、丝杠。

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：

实施例一：参见图2、图5－6所示：

一种精确闭环控制电极丝张力的电火花线切割机运丝机构，参见图2所示，包括环形封闭电极丝21、贮丝筒22、若干换向轮、测力传感器23、驱动装置24、上张紧轮29和一下张紧轮30、位于线切割机上线架25端部的上导轮26以及位于线切割机下线架27端部的下导轮28。

参见图2所示，上张紧轮29和下张紧轮30上下相距布置，且两者间以一连接板31连接。所述上张紧轮29、下张紧轮30和连接板31组成一张紧件；该张紧件沿竖直方向相对线切割机的立柱32滑动连接。所述张紧件经所述测力传感器23与驱动装置24传动连接，所述测力传感器23的一端与张紧件固定连接，其另一端与驱动装置24传动连接；并且，所述上张紧轮29、下张紧轮30、测力传感器23与驱动装置24作用力的方向处在同一个轴线A’上。

参见图2所示，所述换向轮包括左上换向轮33、右上换向轮34、左下换向轮35以及右下换向轮36，所述左上换向轮33和右上换向轮34分列位于上述轴线A’的左右两侧，所述左下换向轮35和右下换向轮36也分列位于上述轴线A’的左右两侧，且位于左上换向轮33和右上换向轮34的下方。

参见图2所示所述环形封闭电极丝21从贮丝筒22开始，依次经左上换向轮33、上张紧轮29、右上换向轮34、上导轮26、下导轮28、右下换向轮36、下张紧轮30、左下换向轮35，返回至贮丝筒22。

所述测力传感器23采集到的信号经由一控制电路处理后，用于控制所述驱动装置24。

具体结构如图2所示，所述运丝机构还包括一线性滑轨37，该线性滑轨37沿所述轴线A’设置于线切割机的立柱32上；在线性滑轨37上设有一第一滑块38，该第一滑块38的一侧通过丝杠41螺母与驱动装置24传动连接，其另一侧与所述测力传感器23一端固定连接，测力传感器23的另一端与所述连接板31固定连接。具体，驱动装置24采用伺服电机。

本实施例是一“上张紧轮29、下张紧轮30、测力传感器23和调整张力驱动装置的三个作用力F上、F下和F_驱的方向都在同一个轴线A’上”的特殊机构，这样既能正确无误地测出环形封闭电极丝21的张力，又能正确无误地调整环形封闭电极丝21的张力。具体分析如下：参见5所示，施加在上张紧轮29上的力 F上是环形封闭电极丝21上段电极丝张力的两倍，施加在下张紧轮30上的力F下是环形封闭电极丝21下段电极丝张力的两倍，这样施加在测力传感器23上的机械力是经过连接板31传递的上张紧轮29受到的力F上和下张紧轮30受到力F下之和，即施加在测力传感器23上的机械力=2 ×（环形封闭电极丝21上半部分电极丝张力）+2 ×（环形封闭电极丝21下半部分电极丝张力），测力传感器23把受到的这些机械合力转变为电信号，并输入给控制电路。控制电路的具体结构框图参见图6，控制电路将该电信号与计算机输入的张力预置电信号值进行比较，当测力传器器23输出电信号小于计算机预置值时，伺服电机正向旋转，其旋转速度与测力传感器23与计算机预置值间的差值成正比例。通过丝杠41螺母的传动，产生驱动力F_驱， F_驱〉F上+F下,使第一滑块38、测力传感器23、连接板31和上张紧轮29、下张紧轮30一起向下移动，从而使环形封闭电极丝21伸长，利用电极丝弹性变形的特性，使其张力增加。当测力传感器检测的F上+F下转变为电信号值的大小，增加到等于计算机预置电信号值时，控制电路控制伺服电机24停止旋转，从而使F上+F下达到计算机预置电信号所对应的环状电极丝张力值。反之，当测力传感器23输出电信号大于计算机预置值时，伺服电机反向旋转，由于此时驱动力F_驱〈F上+F下，使上张紧轮29和下张紧轮30向上移动，把过紧的环形封闭电极丝21松驰，直到测力传感器23测到的F上+F下所对应的电信号，与计算机预置电信号值相等时，控制电路控制伺服电机24停止旋转，使F上+F下恢复到计算机预置电信号所对应的环状电极丝张力值。该运丝机构如此周而复始地运作，使环状电极丝的张力动态地稳定在计算机所预设值的附近。

虽然在往复双向运丝时，施加上、下张紧轮29、30上的上、下环状电极丝两倍张力的大小，是随运丝方向的改变呈交替变化，但两者之和是不变的，这样测力传感器23测到的这两倍张力的合力可以反映了环状电极丝张力值的大小。由于环形封闭电极丝上、下两部分电极丝施加在上、下张紧轮张力的合力F上+F下，与该机构的张力调整力F驱，分别最终施加到测力传感器的两端，并且这三个力都处在同一轴线A’之上，所以本发明机构中测力传感器可不受力分解影响地把环形封闭电极丝21张力，精确无误地转变为反映其大小的电信号；相同的原理，经控制电路的处理和放大来控制驱动装置，同样F驱可以无分解力地直接精确调整上、下张紧轮29、30的上下移动，利用电极丝弹性变形的物理特性，从而实现把环形封闭电极丝21的张力精确地控制在计算机预置值附近，实现了对往复运丝型电火花线切割机电极丝张力的精确控制。

实施例二：参见图3所示：

一种精确闭环控制电极丝张力的电火花线切割机运丝机构，与实施例一的不同之处在于：所述线性滑轨37上还有一第三滑块40，所述右上换向轮34固定于该第三滑块40上，使右上换向轮34能够上、下移动，以跟随上导轮26作位置调整。这样，在调节上导轮26来满足对不同高度工件切割加工的同时，通过同步移动右上换向轮34，来实现环形封闭电极丝21上、下两半部分的电极丝都处于水平状态的情况不变，从而使上张紧轮29检测到二倍上半部电极丝张力的状态不变。左上换向轮33和二只下换向轮35和36固定安置在机床立柱2上，位置不变。

在实际结构中，第三滑块40可以是与上线架25上拨叉连接，通过拨叉在端部装有上导轮26的上线架25作上、下移动时，来实现第三滑块40与上导轮26同步上、下移动。或者第三滑块与另一个驱动器传动连接，在上导轮26上，下移动时，由编码器感知其上，下移动位置，编码器输出脉冲信号输入另一个电子控制电路，再由该电子控制电路控制传动连接第三滑块的驱动器工作，从而实现右上换向轮34和第三滑块40随上导轮26同步上、下移动。

其他均同实施例一，这里不再赘述。

实施例三：参见图4所示：

一种精确闭环控制电极丝张力的电火花线切割机运丝机构，与实施例一的不同之处在于：所述线性滑轨37上还有一第二滑块39，所述连接板31固定连接在该第二滑块39上。第二滑块39的加入，增加了张紧件运动的稳固性。

其他均同实施例一，这里不再赘述。

上述各实施例仅为举例说明，实际中，还可采用以下细部变化方案：

1、所述驱动装置24可采用直线伺服电机，将直线伺服电机的动子与测力传感器23的端部固定连接，以省去丝杠41螺母和第一滑块38等部件。

2、线性滑轨37，采用线性模组功能组件，第一滑块38、第二滑块39和第三滑块40分别为安装在同一根线性滑轨37上的三块滑块；该线性模组可以是滚珠丝杠线性模组功能组件，也可以是同步带线性模组功能组件；或者第一滑块38和第三滑块40分别是安装在同一根线性模组导轨上的二套由两根滚珠丝杆付驱动的滑块，也可以是由同步带驱动的滑块，也可以其中一个是滚珠丝杆付驱动的滑块，另一个是同步带驱动的滑块。

3、线性滑轨37，可以是普通直线导轨副，还可以是其他直线导轨。

4、所述张紧件31固定连接在第二滑块39上，这种“固定连接”是采用连接器，以适应第一滑块和第二滑块在直线运动中可能存在允差的需要。

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 (8)

1.一种精确闭环控制电极丝张力的电火花线切割机运丝机构，包括环形封闭电极丝（21）、贮丝筒（22）、若干换向轮、测力传感器（23）、驱动装置（24）、位于线切割机上线架（25）端部的上导轮（26）以及位于线切割机下线架（27）端部的下导轮（28）；其特征在于：

所述运丝机构还包括一上张紧轮（29）和一下张紧轮（30），该上张紧轮（29）和下张紧轮（30）上下相距布置，且两者间以一连接板（31）连接；所述上张紧轮（29）、下张紧轮（30）和连接板（31）组成一张紧件；该张紧件沿竖直方向相对线切割机的立柱（32）滑动连接；

所述张紧件经所述测力传感器（23）与驱动装置（24）传动连接，所述测力传感器（23）的一端与张紧件固定连接，其另一端与驱动装置（24）传动连接；并且，所述上张紧轮（29）、下张紧轮（30）、测力传感器（23）与驱动装置（24）的作用力方向处在在同一个轴线（A’）上；

所述换向轮包括左上换向轮（33）、右上换向轮（34）、左下换向轮（35）以及右下换向轮（36），所述左上换向轮（33）和右上换向轮（34）分列位于上述轴线（A’）的左右两侧，所述左下换向轮（35）和右下换向轮（36）也分列位于上述轴线（A’）的左右两侧，且位于左上换向轮（33）和右上换向轮（34）的下方；

所述环形封闭电极丝（21）从贮丝筒（22）开始，依次经左上换向轮（33）、上张紧轮（29）、右上换向轮（34）、上导轮（26）、下导轮（28）、右下换向轮（36）、下张紧轮（30）、左下换向轮（35），返回至贮丝筒（22）；

所述运丝机构还包括一线性滑轨（37），该线性滑轨（37）沿所述轴线（A’）设置于线切割机的立柱（32）上；在线性滑轨（37）上设有一第一滑块（38），该第一滑块（38）的一侧与所述驱动装置（24）传动连接，其另一侧与所述测力传感器（23）一端固定连接，测力传感器（23）的另一端与所述连接板（31）固定连接；

所述测力传感器（23）采集到的信号经由一控制电路处理后，用于控制所述驱动装置（24）；所述驱动装置（24）驱动第一滑块（38）、测力传感器（23）、连接板（31）、上张紧轮（29）和下张紧轮（30）一起向下移动或向上移动。

2.根据权利要求1所述一种精确闭环控制电极丝张力的电火花线切割机运丝机构，其特征在于：所述线性滑轨（37）上还有一第二滑块（39），所述连接板（31）固定于该第二滑块（39）上。

3.根据权利要求1所述一种精确闭环控制电极丝张力的电火花线切割机运丝机构，其特征在于：所述线性滑轨（37）上还有一第三滑块（40），所述右上换向轮（34）固定于该第三滑块（40）上，使右上换向轮（34）能够上、下移动，以跟随上导轮（26）作位置调整。

4.根据权利要求1所述一种精确闭环控制电极丝张力的电火花线切割机运丝机构，其特征在于：所述驱动装置（24）为伺服电机，该伺服电机通过丝杠（41）螺母与线性滑轨（37）上的第一滑块（38）传动连接。

5.根据权利要求4所述一种精确闭环控制电极丝张力的电火花线切割机运丝机构，其特征在于：所述线性滑轨（37）、第一滑块（38）、丝杠（41）和驱动装置（24）是滚珠丝杠线性模组功能部件。

6.根据权利要求4所述一种精确闭环控制电极丝张力的电火花线切割机运丝机构，其特征在于：所述线性滑轨（37）、第一滑块（38）、丝杠（41）和驱动装置（24）是同步带线性模组功能部件。

7.根据权利要求1或6所述一种精确闭环控制电极丝张力的电火花线切割机运丝机构，其特征在于：所述线性滑轨（37）是直线导轨和导轨滑块组合。

8.根据权利要求1所述一种精确闭环控制电极丝张力的电火花线切割机运丝机构，其特征在于：所述驱动装置（24）为直线伺服电机，该直线伺服电机的动子与测力传感器（23）的端部固定连接。