CN104607740B - 高速往复走丝电火花线切割正反向走丝张力均衡控制方法 - Google Patents

高速往复走丝电火花线切割正反向走丝张力均衡控制方法 Download PDF

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Abstract

一种高速往复走丝电火花线切割正反向走丝张力均衡控制装置及方法，其特征是所述的装置包括立柱（18），立柱上安装有上线臂（3）和下线臂（13），上线臂（3）能在立柱上上下移动以适应不同厚度工件的切割要求，所述的上线臂（3）上安装有上固定轮（6）、张力轮（5）、断丝保护块（8）、上进电块（9）和上定位导轮（10），所述的断丝保护块（8）受控于推杆电机（7），张力轮（5）与张力传感器（4）相连；所述的下线臂（13）上安装有下定位轮（11）、下进电块（12）、下固定轮（14），下控制轮（15）受控于丝杠滑台（16）和步进电机（17）。本发明对于高厚度切割稳定性的提高及多次切割工件的一致性有显著的改善作用并能有效降低断丝几率。

Description

高速往复走丝电火花线切割正反向走丝张力均衡控制方法
技术领域
本发明涉及电火花线切割技术，尤其是一种高速往复走丝电火花线切割机床中的正反向走丝张力控制技术，具体地说是一种高速往复走丝电火花线切割正反向走丝张力均衡控制装置及方法。
背景技术
我国独有的高速往复走丝电火花线切割机床以其较高的性价比，在机械零件加工和中低端模具加工领域体现出巨大的市场潜力，发展前景广阔。但由于机床的“往复走丝”这一特性，带来了电极丝张力变化的问题，导致电极丝易形成“单边松丝”(在丝筒两端电极丝张力一头紧一头松)的现象，而电极丝的张力是影响电极丝空间位置的一个重要因素，其张力变化的问题在一定程度上影响着机床切割的稳定性。目前，国内对于高速往复走丝电火花线切割机床的电极丝恒张力控制机构有多种。
如图1所示，重锤式恒张力机构是最简单的一种机械式调节机构。其电极丝的张力是靠重锤受到的重力来维持，但由于重锤的惯性较大，导致该机构的频率响应速度较低，而在电极丝以线速度8-12m/s的高速运行情况下，该机构无法响应由于运丝机构部件制造和装配中公差造成的动态张力变化，且容易造成电极丝断丝。因此，该机构的恒张力控制效果并不理想。
如图2所示，闭环式张力控制机构利用张力传感器把电极丝张力转换成电信号，经电子电路处理放大，控制电机，再经由丝杠、螺母、第二换向臂进而控制上下第二换向轮的运动，调整从丝筒上拽引出环状封闭电极丝的周长，利用电极丝的弹性变形来调整张力。该机构响应速度比重锤式机构快，能够基本实现恒张力控制，但其基本原理和重锤式机构一样，都是利用电极丝的弹性变形来调整电极丝张力，并未考虑到走丝系统内部张力变化趋势，同样易造成电极丝断丝情况的出现，且因为该机构在加工过程中需要时刻地利用电极丝的弹性变形来调整张力，从而使得电极丝的振动加大。
发明内容
本发明的目的是针对现有的张力控制装置是利用电极丝的弹性变形来调整电极丝张力，并未考虑走丝系统内张力均衡状态以及电极丝丝径的变化，因此需要不断地对其进行控制以及现有的电极丝张力调整方式和机构不能适应高速走丝(8-12m/s)要求易引起断丝的问题，发明一种高速往复走丝电火花线切割正反向走丝张力均衡控制装置及方法。
本发明的技术方案是：
一种高速往复走丝电火花线切割正反向走丝张力均衡的控制方法，其特征在于它包括以下步骤：
A、根据设定的电极丝张力，利用步进电机17调节控制轮15，实现恒张力匀丝；
B、根据上、下线臂之间的间距，初步确定控制轮15的位置，降低走丝机构的非对称系数f；
C、根据电极丝张力变化情况，进一步调整控制轮15的位置，使得走丝机构的非对称系数f接近于上、下线臂对电极丝的摩擦指数差f上-f下；
D、根据电极丝张力变化情况，调节断丝保护块8的位置，调节上线臂对电极丝的摩擦指数f上，使得上、下线臂对电极丝的摩擦指数差f上-f下接近于非对称系数f。
所述的步骤A是将所需的电极丝张力输入计算机，由计算机分析张力传感器4采集到的数据并控制驱动器带动步进电机17，通过丝杠滑台16调节控制轮15，利用电极丝的弹性变形来实现恒张力匀丝，此步骤用于电极丝均匀且恒定张力的上丝到丝筒上。
所述的步骤B是将上下线臂之间的大致间距输入计算机，由计算机分析并控制驱动器带动步进电机17，通过丝杠滑台16初步调整控制轮15的位置，此步骤用于初步调整电极丝在正反走丝结构的对称性。
所述的步骤C是在运丝过程中，张力传感器4将采集到的信号传送给计算机，计算机对其张力变化进行分析，并控制驱动器带动步进电机17，通过丝杠滑台16进一步调整控制轮15的位置，此步骤用于走丝后进一步根据上下线臂的对称性和非对称系数情况精确调整控制轮15的位置。
所述的步骤D是在走丝过程中，张力传感器4将采集到的信号传送给计算机，计算机对其张力变化进行分析，并控制驱动器带动推杆电机7调整断丝保护块8的位置，此步骤用以调整加工过程中的非对称系数情况；如果采用的是上下进电轮结构时，该步骤可以跳过。
这里需要说明的是：电极丝起始张力确定后，本机构主要调节正反走丝时电极丝张力的均匀性，而电极丝张力将随着加工中电极丝直径的减少及加工的延续而降低。本机构与通常的电极丝恒张力机构无论电极丝直径减少多少都一直维持张力不变是不同的。
本发明的有益效果是：
本发明利用往复走丝系统内张力变化的规律，实现了在走丝系统内建立一个张力均衡状态，而非利用电极丝的弹性变形来调整张力，不需要时刻地对电极丝进行控制，从而减小了电极丝的振动，并且张力能够随着电极丝变细而降低，减小了电极丝因变形过度而断丝的几率。本发明对于高厚度切割稳定性的提高及多次切割工件的一致性有显著的改善作用。
附图说明
图1是现有的重锤式恒张力机构示意图。
图2是现有的闭环式恒张力机构示意图。
图3是本发明的高速往复走丝电火花线切割正反向走丝张力均衡的控制机构示意图一。
图4是本发明的推杆电机7与断丝保护块8的局部图。
图5是本发明的控制方法的流程框图。
图6是本发明的高速往复走丝电火花线切割正反向走丝张力均衡的控制机构示意图二。
附图7是本发明实施例二中控制方法的流程框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例一。
一种高速往复走丝电火花线切割正反向走丝张力均衡控制装置，它包括立柱18，立柱18上安装有上线臂3和下线臂13，上线臂3能在立柱18上上下移动以适应不同厚度工件的切割要求，所述的上线臂3上安装有上固定轮6、张力轮5、断丝保护块8、上进电块9和上定位导轮10，所述的断丝保护块8受控于推杆电机7，张力轮5与张力传感器4相连；所述的下线臂13上安装有下定位轮11、下进电块12、下固定轮14，下控制轮15受控于丝杠滑台16和步进电机17，丝筒1上的电极丝2经上线臂3上的上固定轮6、张力轮5、断丝保护块8、上进电块9和上定位导轮10，再经下线臂13上的下定位导轮11、下进电块12和下固定轮14，最后经过控制轮15回到丝筒1上；张力传感器4采集到的电极丝张力送入计算机中分析后控制推杆电机7和步进电机17以调整断丝保护块8和控制轮15的位置，通过调节整个走丝结构的平衡来实现正反向走丝时张力的均衡，同时可以通过分析张力的变化来实现断丝保护功能。
如图3所示，丝筒1上的电极丝2经上线臂3的上固定轮6、张力轮5、断丝保护块8、上进电块9和上定位导轮10，再经下线臂13的下定位导轮11、下进电块12和下固定轮14，最后经过控制轮15回到丝筒1上。所述的上固定轮6、张力传感器4、断丝保护块8、推杆电机7和上定位导轮10以及上进电块9均固定在上线臂3，而所述的张力轮5固定在张力传感器4上，断丝保护块8固定在推杆电机7上，如图4。所述的下定位导轮11、下进电块12和下固定轮14均固定在下线臂13。所述的控制轮15与丝杠滑台16和步进电机17一起固定在立柱18上，且所述的上、下线臂3、13也固定在立柱上，其中上线臂3可以在垂直方向上下升降调整，以适合不同工件厚度的切割要求。所述的张力传感器4通过放大电路和A/D模块后连接到计算机，经分析处理后，计算机通过驱动器控制与之相连的步进电机17和推杆电机7，调节控制轮15和断丝保护块8的位置。
实施例二。
如图5所示。
一种高速往复走丝电火花线切割正反向走丝张力均衡的控制方法，它包括以下步骤：
A、根据设定的电极丝张力，利用步进电机17调节控制轮15，实现恒张力匀丝；具体方法将上下线臂之间的大致间距输入计算机，由计算机分析并控制驱动器带动步进电机17，通过丝杠滑台16初步调整控制轮15的位置，此步骤用于初步调整电极丝在正反走丝结构的对称性。再将所需的电极丝张力输入计算机，由计算机分析张力传感器4采集到的数据并控制驱动器带动步进电机17，通过丝杠滑台16调节控制轮15，利用电极丝的弹性变形来实现恒张力匀丝，此步骤用于电极丝均匀且恒定张力的上丝到丝筒上。
B、根据上、下线臂之间的间距，初步确定控制轮15的位置，降低走丝机构的非对称系数f；在运丝过程中，张力传感器4将采集到的信号传送给计算机，计算机对其张力变化进行分析，并控制驱动器带动步进电机17，通过丝杠滑台16进一步调整控制轮15的位置，此步骤用于走丝后进一步根据上下线臂的对称性和非对称系数情况精确调整控制轮15的位置。
C、根据电极丝张力变化情况，进一步调整控制轮15的位置，使得走丝机构的非对称系数f接近于上、下线臂对电极丝的摩擦指数差f上-f下；在走丝过程中，张力传感器4将采集到的信号传送给计算机，计算机对其张力变化进行分析，并控制驱动器带动推杆电机7调整断丝保护块8的位置，此步骤用以调整加工过程中的非对称系数情况；
D、根据电极丝张力变化情况，调节断丝保护块8的位置，调节上线臂对电极丝的摩擦指数f上，使得上、下线臂对电极丝的摩擦指数差f上-f下接近于非对称系数f。
本发明的方法实质上是根据对电极丝张力变化的成因研究，所提出的往复走丝系统与张力变化趋势之间的内在关系，即当上下线臂对电极丝摩擦指数差等于走丝机构的非对称系数f上-f下＝f时，便可以实现在走丝系统内建立一个张力均衡状态，利用控制轮和断丝保护块的位置来改变非对称系数f和上线臂对电极丝摩擦指数f上的值，使得上下线臂对电极丝的摩擦指数差f上-f下接近于走丝机构的非对称系数f，来实现正反向走丝张力均衡。该实例中控制方法的流程框图如附图5。
实施例三。
如图6所示。
一种高速往复走丝电火花线切割正反向走丝张力均衡控制装置，其特征是它包括立柱18，立柱18上安装有上线臂3和下线臂13，上线臂3能在立柱18上上下移动以适应不同厚度工件的切割要求，所述的上线臂3上安装有上固定轮6、张力轮5、上进电轮19，张力轮5与张力传感器4相连；所述的下线臂13上安装有下进电轮20、下固定轮14，下控制轮15受控于丝杠滑台16和步进电机17，丝筒1上的电极丝2经上线臂3上的上固定轮6、张力轮5和上进电轮19，再经下线臂13上的下进电轮20和下固定轮14，最后经过控制轮15回到丝筒1上；张力传感器4采集到的电极丝张力送入计算机中分析后控制步进电机17以调整控制轮15的位置，通过调节整个走丝结构的平衡来实现正反向走丝时张力的均衡，同时可以通过分析张力的变化来实现断丝保护功能。如附图6所示，此实施例与第一实施例的不同在于：利用进电轮19、20代替了推杆电机7、断丝保护块8、上进电块9、上定位导轮10、下定位导轮11和下进电块12。其断丝保护功能，由计算机分析张力传感器4采集到的电极丝张力变化情况来判断是否断丝，并通过驱动电路控制高频电源、丝筒电机和伺服进给。由于进电轮的对电机丝的摩擦阻力几乎不变，所以要在走丝系统内建立张力平稳状态，只需控制走丝机构的非对称系数f即可。
实施例四。
如图7所示。
一种高速往复走丝电火花线切割正反向走丝张力均衡的控制方法，它包括以下步骤：
A、根据设定的电极丝张力，利用步进电机17调节控制轮15，实现恒张力匀丝；具体方法将上下线臂之间的大致间距输入计算机，由计算机分析并控制驱动器带动步进电机17，通过丝杠滑台16初步调整控制轮15的位置，此步骤用于初步调整电极丝在正反走丝结构的对称性。再将所需的电极丝张力输入计算机，由计算机分析张力传感器4采集到的数据并控制驱动器带动步进电机17，通过丝杠滑台16调节控制轮15，利用电极丝的弹性变形来实现恒张力匀丝，此步骤用于电极丝均匀且恒定张力的上丝到丝筒上。
B、根据上、下线臂之间的间距，初步确定控制轮15的位置，降低走丝机构的非对称系数f；在运丝过程中，张力传感器4将采集到的信号传送给计算机，计算机对其张力变化进行分析，并控制驱动器带动步进电机17，通过丝杠滑台16进一步调整控制轮15的位置，此步骤用于走丝后进一步根据上下线臂的对称性和非对称系数情况精确调整控制轮15的位置。
C、根据电极丝张力变化情况，进一步调整控制轮15的位置，使得走丝机构的非对称系数f接近于上、下线臂对电极丝的摩擦指数差f上-f下；
D、根据电极丝张力变化情况，调节断丝保护块8的位置，调节上线臂对电极丝的摩擦指数f上，使得上、下线臂对电极丝的摩擦指数差f上-f下接近于非对称系数f。
实施例一至四中所述的上线臂对电极丝的摩擦指数f上和下线臂对电极丝的摩擦指数f下是一个比例系数，一般情况下在0.05～0.1，即线臂对电极丝的摩擦力等于摩擦系数乘以该处电极丝的张力，在加工中无法直接获得，但由于变化很小，所以f上与f下的差值几乎不变，只需通过张力变化反馈调节走丝结构的非对称系数即可，其调节的非对称系数值是由f上与f下的差值决定的。而原有走丝结构的非对称系数会随着上线臂的升高而逐渐变大，取值范围在0～1之间。这里的摩擦力主要指的是上下线臂的进电块对电极丝的滑动摩擦力和导轮对电极丝的静摩擦力(可以忽略不计)，而导轮在加减速时的惯性力，只对两端的电极丝有影响，对于加工区的电极丝影响很小，可以不用考虑。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域，在不脱离本发明根据研究所提出的控制方法的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种高速往复走丝电火花线切割正反向走丝张力均衡的控制方法，其特征在于它包括以下步骤：
A、根据设定的电极丝张力，利用步进电机(17)调节控制轮(15)，实现恒张力匀丝；
B、根据上、下线臂之间的间距，初步确定控制轮(15)的位置，降低走丝机构的非对称系数f；
C、根据电极丝张力变化情况，进一步调整控制轮(15)的位置，使得走丝机构的非对称系数f接近于上、下线臂对电极丝的摩擦指数差(f上-f下)；
D、根据电极丝张力变化情况，调节断丝保护块(8)的位置，调节上线臂对电极丝的摩擦指数f上，使得上、下线臂对电极丝的摩擦指数差(f上-f下)接近于非对称系数f。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的步骤A是将所需的电极丝张力输入计算机，由计算机分析张力传感器(4)采集到的数据并控制驱动器带动步进电机(17)，通过丝杠滑台(16)调节控制轮(15)，利用电极丝的弹性变形来实现恒张力匀丝，此步骤用于电极丝均匀且以恒定的张力上丝到丝筒上。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的步骤B是将上下线臂之间的间距输入计算机，由计算机分析并控制驱动器带动步进电机(17)，通过丝杠滑台(16)初步调整控制轮(15)的位置，此步骤用于初步调整电极丝在正反走丝结构的对称性。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的步骤C是在运丝过程中，张力传感器(4)将采集到的信号传送给计算机，计算机对其张力变化进行分析，并控制驱动器带动步进电机(17)，通过丝杠滑台(16)进一步调整控制轮(15)的位置，此步骤用于走丝后进一步根据上下线臂的对称性和非对称系数情况精确调整控制轮(15)的位置。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的步骤D是在走丝过程中，张力传感器(4)将采集到的信号传送给计算机，计算机对其张力变化进行分析，并控制驱动器带动推杆电机(7)调整断丝保护块(8)的位置，此步骤用以调整加工过程中的非对称系数情况。
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