CN108188515A - 数控线切割电极丝空间形位控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种数控线切割电极丝空间形位控制装置，其包括：一左一右隔开布置的左线圈和右线圈，一前一后隔开布置的前线圈和后线圈，形成于所述左线圈、右线圈、前线圈和后线圈之间的钼丝通道，为所述左线圈、右线圈、前线圈和后线圈供电从而在所述钼丝通道处产生电磁场的线圈供电电路。本申请能够最大限度地使钼丝呈直线姿态，从而提高工件加工精度。

Description

数控线切割电极丝空间形位控制装置和方法

技术领域

本发明涉及线切割机床领域，具体涉及一种数控线切割电极丝空间形位控制装置以及配置这种装置的数控线切割机。

背景技术

线切割加工是利用连续移动的细金属丝作电极，对工件进行脉冲火花放电蚀除金属或切割成型，该设备主要用于加工超硬钢材、硬质合金、各种形状复杂及精密细小的工件。电极丝(以下简称钼丝)是一种由钼等贵金属制造而成的细金属丝，钼丝通过介质(工作液、乳化液、电解液等)与工件发生放电，腐蚀金属达到切割成型的目的。

近年来，随着自动化技术的不断发展，各种数控线切割设备(以下均指中走丝线切割机床)在电加工行业中已逐渐普及，其机械精度、位置闭环控制、高频电源等技术都达到了较高水平，如：恒张力装置的安装使用，以及采用过跟踪加工控制技术等，使得因走丝机构所导致的钼丝径向振动幅度不断减小，而对空间形位变化实施主动抑制技术却相对滞后，钼丝放电力所造成的空间形位变化逐渐成为影响精度的主要原因，一直是阻碍加工质量和效率提高的技术难题。现有线切割机床，钼丝受力主要是放电通道的作用力(放电力)和轴向张力等，当钼丝受到横向(径向)放电力作用而产生空间形位变化时(如图1，以下简称形位变化)，必须通过加工段钼丝上下两个导向器孔来限制钼丝偏离导轮外沿支点(切点)连线的距离(钼丝挠度)，该方法对减少形位变化具有一定的作用，但由于制造业对零件精度等级要求越来越高，迫切需要改进技术以全面提升设备加工精度，目前导向器减小形位变化方法主要有以下不足：

1、放电力引起钼丝形位变化并使钼丝与导向器产生滑动摩擦，使钼丝和导向器的磨损非常严重必须定期更换，进而降低了生产效率，增加了生产成本；因磨损必须经常调整钼丝补偿值，使复杂大工件连续加工精度难以保证。

2、导向器对抑制放电力所引起的形位变化不具有主动性，更不具有“数字化、自动化”施用控制能力，且对钼丝被动限制作用有限(导向器孔直径比钼丝直径大至少0.02mm)，仅在一定程度上减少放电力的影响，即钼丝的形位变化不可避免，也就无法实现让钼丝处于理想状态下加工，使加工精度难以进一步提高及导致放电状态不稳定影响加工速度。

3、由于无法克服形位变化，使最终加工精度受到较大影响(形位误差大、凹凸模不配套等)，甚至容易出现“塌角”等严重质量问题。

4、由于线切割往往是多刀(多次)加工，而第二刀以后的放电力远小于第一刀的放电力，使第一刀与后续第二刀(或多刀)加工的加工轨迹线(放电力不同，挠度和弧线形状都不一样)重合度不好。

5、由于放电力作用使钼丝加工通道为弧线状，从而减缓工作液将电蚀屑带出放电区域，容易导致放电状态恶化，产生二次放电或短路等现象。

多年来上述问题一直未得到有效地改善。因此，改变电加工形位变化抑制技术的落后面貌，使电加工技术更加科学化、智慧化、自动化和精准化对数控线切割技术进步具有重要的意义。

发明内容

本发明目的是：针对上述问题，本发明提供一种数控线切割电极丝空间形位控制装置，同时还提出一种配置这种装置的数控线切割机，以最大限度地使钼丝呈直线姿态，从而提高工件加工精度。

本发明的技术方案是：

一种数控线切割电极丝空间形位控制装置，包括：

一左一右隔开布置的左线圈和右线圈，

一前一后隔开布置的前线圈和后线圈，

形成于所述左线圈、右线圈、前线圈和后线圈之间的钼丝通道，以及

为所述左线圈、右线圈、前线圈和后线圈供电从而在所述钼丝通道处产生电磁场的线圈供电电路。

本申请在上述技术方案的基础上，还包括以下优选方案：

所述左线圈和右线圈同轴布置，所述前线圈和后线圈同轴布置，并且所述左线圈和右线圈的轴线与所述前线圈和后线圈的轴线垂直相交。

还包括：

磁环，以及

与所述磁环相固定、且径向向内伸出的四个磁柱；

所述左线圈、右线圈、前线圈和后线圈分别缠绕设置在所述的四个磁柱上。

所述磁环包括：

同轴布置的上环体和下环体，以及

连接所述上环体和下环体的安装架。

与所述左线圈和右线圈分别对应的两个所述磁柱与所述上环体为一体结构，与所述前线圈和后线圈分别对应的两个所述磁柱与所述下环体为一体结构。

还包括磁屏蔽罩，所述磁屏蔽罩将所述左线圈、右线圈、前线圈、后线圈、磁环和四个磁柱均收容于其内。

所述线圈供电电路包括：

供电电源，

与所述供电电源连接的数控系统，以及

与所述数控系统相连的第一数字控制恒流功率驱动电路和第二数字控制恒流功率驱动电路；

所述第一数字控制恒流功率驱动电路与所述左线圈和右线圈相连，所述第二数字控制恒流功率驱动电路与所述前线圈和后线圈相连。

所述数控系统与线切割机的高频线切割电源电路连接。

一种数控线切割机，包括：

高频线切割电源，该高频线切割电源向数控线切割机的钼丝直线工作段的上下两端通入流向被切割工件的高频脉冲电流，还包括上述结构的数控线切割电极丝空间形位控制装置，所述钼丝直线工作段穿过所述钼丝通道。

所述数控线切割电极丝空间形位控制装置共设置有两个，分别布置在所述被切割工件的两相对侧。

本发明的优点是：

1、本申请这种形位控制装置让作用力始终沿着切割方向，对加工段钼丝实施“数字化”精准控制，从而主动抵消放电力来减少乃至消除钼丝空间形位变化，最大限度地使钼丝与上下导轮外沿支点(切点)连线方向一致(近似“准”直线姿态)，从而提高工件加工精度。

2、减少乃至消除钼丝形位变化，使钼丝处于稳定直线的移动姿态，有助于保持钼丝加工段的稳定性，改善间隙放电加工状态，提高数控线切割加工速度。同时，也提高了第一刀与后续第二刀(或多刀)加工的加工轨迹线重合度。

3、本装置可以通过抵消钼丝放电力，减少其形位空间变化，从而大幅减少上下导向器与钼丝的滑动摩擦，提高了二者的使用寿命，实现了无接触“挡丝”。另外本装置为非接触控制装置，在有效减少对钼丝的磨损同时，工作液对钼丝的喷射也不会对装置产生任何影响。

4、由于本装置能够减少钼丝挠度，使钼丝加工通道近似为一直线，从而有利于工作液将电蚀屑带出放电区域，很大程度减少二次放电或短路等问题出现几率。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为线切割加工过程中钼丝形位变化示意图；

图2为本申请实施例中数控线切割机的整体原理图；

图3为本申请实施例中数控线切割电极丝空间形位控制装置的内部结构示意图；

图4为本申请实施例中数控线切割电极丝空间形位控制装置的外观图；

图5为本申请实施例中单个磁柱的结构示意图。

其中：p-被切割工件，q-钼丝，1-左线圈，2-右线圈，3-前线圈，4-后线圈，5-钼丝通道，6-磁环，601-上环体，602-下环体，603-安装架，7-磁柱，8-底座，9-磁屏蔽罩，10-高频线切割电源，11-钼丝直线工作段，12-上导向器，13-下导向器，14-第一数字控制恒流功率驱动电路，15-第二数字控制恒流功率驱动电路。

具体实施方式

图2示出了本发明这种数控线切割机的一个具体实施例，与传统数控线切割机相同的是，其包括：钼丝(电极丝)、收放钼丝的储丝筒、引导钼丝的众多导轮、驱动钼丝运动的电机、高频线切割电源10、与高频线切割电源10电路连接的数控系统。前述钼丝包括用于切割工件的钼丝直线工作段11，钼丝直线工作段11由上导向器12和下导向器13进行导向，限制钼丝偏移、振动。高频线切割电源10向数控线切割机的钼丝直线工作段11的上下两端通入流向被切割工件p的高频脉冲电流。

本实施例的关键改进在于，该数控线切割机还配置了用于自动定向抑制钼丝形位变化的数控线切割电极丝空间形位控制装置。

参照图3所示，上述的数控线切割电极丝空间形位控制装置包括：

一左一右隔开布置的左线圈1和右线圈2，

一前一后隔开布置的前线圈3和后线圈4，

形成于左线圈1、右线圈2、前线圈3和后线圈4之间的钼丝通道5，以及

为左线圈1、右线圈2、前线圈3和后线圈4供电从而在钼丝通道5处产生电磁场的线圈供电电路。

钼丝直线工作段11穿过钼丝通道5。

上述的左线圈1和右线圈2同轴布置，前线圈3和后线圈4同轴布置，并且左线圈1和右线圈2的轴线与前线圈3和后线圈4的轴线垂直相交。

为了方便上述四个线圈的安装布置，同时增强电流对钼丝通道5处磁场的影响，本实施例这种数控线切割电极丝空间形位控制装置还配置了磁环6以及与磁环6相固定且径向向内伸出的四个磁柱7，上述的左线圈1、右线圈2、前线圈3和后线圈4分别缠绕设置在前述四个磁柱7上。前述磁环6和磁柱7采用磁导率很高的硅钢或坡莫合金等材料。如图4所示，为了使本装置不影响其它部件或者不受外部磁场影响，还配置了磁屏蔽罩9，该磁屏蔽罩9将上述左线圈1、右线圈2、前线圈3、后线圈4、磁环6和四个磁柱7均收容于其内，磁屏蔽罩9的外表面为高导磁率的软磁性材料。

当左线圈1和右线圈2、前线圈3和后线圈4两对线圈分别通以同向电流(每对线圈串联)，磁场叠加增强并在每对磁柱端中间区域(即钼丝通道5)形成近似均匀磁场，而两对线圈中的磁柱端相互垂直使中间区域可得到一矢量磁场(直导线(钼丝)电流方向不变，磁场方向与安培力方向有对应关系，由于力的分解与合成在本应用中描述更为直观，下面均以矢量力来描述)。

为了方便对本申请技术方案的描述和理解，我们将左线圈1和右线圈2称为X向线圈，二者的轴线为X轴。将前线圈3和后线圈4称为Y向线圈，二者的轴线为Y轴。

上述设计的基本原理如下：当两对线圈中分别通以同向电流时，在两对磁柱端中间有相互垂直的两个磁场，钼丝本身为一直导线并置于磁场中间区域(即钼丝通道5)，当其未处于放电状态时钼丝中无电流，也就没有受到安培力的作用；当加工放电时其中流过高频脉动直流电，这时钼丝在相互垂直的两个磁场中分别受到两个相互垂直方向的安培力(X'和Y')，每个力的大小和方向与线圈电流、钼丝电流等因素有关(1、其它因素如线圈匝数等参数暂且认为是常量；2、通过高频电源参数可以设置钼丝平均工作电流，即钼丝平均工作电流已知)，而钼丝受合力大小和方向取决于X'、Y'两个方向安培力大小与方向。这样通过控制两线圈中电流大小和方向(钼丝电流相同)，可以得到平面内任意方向的力。由于放电力方向与进给方向相反，可以根据数控系统加工轨迹得到当前运动方向，那么只要两磁场对钼丝产生实际合力的方向与运动方向相同，就可以抵消放电力的影响。

一对线圈通以同向电流时，在其中间区域内产生近似均匀磁场。如果在与上述线圈轴线垂直方向上再放置一对线圈，并通以同向电流，则在中间区域内有两个相互垂直的磁场。如果改变电流方向，则磁场方向也改变，线圈电流、磁场和安培力方向关系见表1。通电直导线(钼丝)在上述两个磁场中一定受到安培力作用，且通电直导线(钼丝)受力为两个方向安培力的合力。

表1：线圈电流、磁场和安培力方向

注：钼丝电流方向不变

安培力大小与电流、线圈磁场强度和磁场作用长度成正比，设计中根据放电力范围确定磁导率μ、匝数、线圈半径等参数。抵消合力方向从当前加工运动轨迹方向获得，抵消合力大小由高频加工参数确定，将合力分解为X'、Y'两个互相垂直的安培力。由X'安培力大小与方向可以计算、控制X线圈电流大小和方向(钼丝电流相同)，来得到X'安培力大小和方向；由Y'安培力大小与方向可以计算、控制Y线圈电流大小和方向(钼丝电流相同)，来得到Y'安培力大小和方向。

因为线切割放电过程非常复杂，何时放电、瞬间电流大小等因素均无法预测，本装置巧妙地利用安培力和放电力具有同步、正比施加特性，即放电引发放电力并产生放电电流，放电电流同时在磁场中产生安培力，且两力大小也与放电电流成正比。放电力与安培力同时出现方向相反相互抵消，从而巧妙地减小钼丝形位变化。由于加工过程中，钼丝短路状态发生的几率很小，但此时也会有电流产生，为了避免由短路电流引起的安培力，可利用间隙电压采集电路已有的短路信号来使能线圈电流，即一旦短路信号有效立即关闭线圈电流—无磁场。

放电电流是通过工件上下两边钼丝(两支路)并联提供的(上、下两个导电块实现上下两边移动钼丝的供电接入(恰好需要两端施力)，如图2所示)，即上下装置中钼丝电流大小完全相同，但方向相反，为了让上下两个装置中安培力大小相同、方向一致，则需要上下两个装置中线圈电流大小相同，但对应上下线圈的电流方向相反(两线圈首、末端接入相反)。

再参照图3所示，上述的磁环6包括：同轴布置的上环体601和下环体602，连接所述上环体601和下环体602的安装架603。安装架603优选为绝磁材料。

与左线圈1和右线圈2分别对应的两个磁柱7与上环体601为一体结构，与前线圈3和后线圈4分别对应的两个磁柱7与下环体602为一体结构。

本实施例在上导向器12的下方和下导向器13的上方分别安装了一个上述结构形式的数控线切割电极丝空间形位控制装置，显然，这两个形位控制装置分别布置在被切割工件P的两相对侧(图2中的上下两侧)，在工作时这两个形位控制装置从加工段钼丝上下两端主动产生两个力，来抵消放电力作用。因切割电蚀过程非常复杂，机械接触施力方法摩擦损耗大、环节多、反应慢根本无法采用，本装置采用了电磁力方法，自动同步、无接触抵消放电力。

为了便于磁环6的安装定位，本实施例在下环体602的底部固定设置了一底座8。

上述的线圈供电电路包括：供电电源，与供电电源连接的数控系统(为该线切割机自身的数控系统)，与数控系统相连的第一数字控制恒流功率驱动电路14和第二数字控制恒流功率驱动电路15。第一数字控制恒流功率驱动电路14与左线圈1和右线圈2相连，控制左线圈1和右线圈2的电磁场。第二数字控制恒流功率驱动电路15与前线圈3和后线圈4相连，控制前线圈3和后线圈4的电磁场。

再参照图2所示，加工中根据工件切割运动轨迹，实时计算加工切割方向，由切割方向计算出X、Y线圈电流的大小与方向，由双极性输出D/A转换器调节两个线圈的电流大小和方向，经高精度的数字控制功率恒流驱动电路后输出给线圈，使钼丝安培力(抵消力)的方向与切割方向相同。显然，这种主动补偿方法，能够准确让安培力抵消放电力对电极的作用，从而大幅减少形位变化对加工精度的影响，平均减少挠度75％以上。同时，也提高了第一刀与后续第二刀(或多刀)加工的加工轨迹线重合度。

当然，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让人们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。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种数控线切割电极丝空间形位控制装置，其特征在于，包括：

一左一右隔开布置的左线圈(1)和右线圈(2)，

一前一后隔开布置的前线圈(3)和后线圈(4)，

形成于所述左线圈(1)、右线圈(2)、前线圈(3)和后线圈(4)之间的钼丝通道(5)，以及

为所述左线圈(1)、右线圈(2)、前线圈(3)和后线圈(4)供电从而在所述钼丝通道(5)处产生电磁场的线圈供电电路。

2.根据权利要求1所述的数控线切割电极丝空间形位控制装置，其特征在于，所述左线圈(1)和右线圈(2)同轴布置，所述前线圈(3)和后线圈(4)同轴布置，并且所述左线圈(1)和右线圈(2)的轴线与所述前线圈(3)和后线圈(4)的轴线垂直相交。

3.根据权利要求1所述的数控线切割电极丝空间形位控制装置，其特征在于，还包括：

磁环(6)，以及

与所述磁环(6)相固定、且径向向内伸出的四个磁柱(7)；

所述左线圈(1)、右线圈(2)、前线圈(3)和后线圈(4)分别缠绕设置在所述的四个磁柱(7)上。

4.根据权利要求3所述的数控线切割电极丝空间形位控制装置，其特征在于，所述磁环(6)包括：

同轴布置的上环体(601)和下环体(602)，以及

连接所述上环体(601)和下环体(602)的安装架(603)。

5.根据权利要求4所述的数控线切割电极丝空间形位控制装置，其特征在于，与所述左线圈(1)和右线圈(2)分别对应的两个所述磁柱(7)与所述上环体(601)为一体结构，与所述前线圈(3)和后线圈(4)分别对应的两个所述磁柱(7)与所述下环体(602)为一体结构。

6.根据权利要求3所述的数控线切割电极丝空间形位控制装置，其特征在于，还包括磁屏蔽罩(9)，所述磁屏蔽罩(9)将所述左线圈(1)、右线圈(2)、前线圈(3)、后线圈(4)、磁环(6)和四个磁柱(7)均收容于其内。

7.根据权利要求1所述的数控线切割电极丝空间形位控制装置，其特征在于，所述线圈供电电路包括：

供电电源，

与所述供电电源连接的数控系统，以及

与所述数控系统相连的第一数字控制恒流功率驱动电路和第二数字控制恒流功率驱动电路；

所述第一数字控制恒流功率驱动电路与所述左线圈(1)和右线圈(2)相连，所述第二数字控制恒流功率驱动电路与所述前线圈(3)和后线圈(4)相连。

8.根据权利要求7所述的数控线切割电极丝空间形位控制装置，其特征在于，所述数控系统与线切割机的高频线切割电源电路连接。

9.一种数控线切割机，包括：

高频线切割电源(10)，该高频线切割电源(10)向数控线切割机的钼丝直线工作段(11)的上下两端通入流向被切割工件(p)的高频脉冲电流，其特征在于，还包括如权利要求1至8中任一所述的数控线切割电极丝空间形位控制装置，所述钼丝直线工作段(11)穿设于所述钼丝通道(5)。

10.根据权利要求9所述的数控线切割机，其特征在于，所述数控线切割电极丝空间形位控制装置共设置有两个，分别布置在所述被切割工件(p)的两相对侧。