CN110434415B - 一种基于辅助平行电极的线切割弯丝检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于辅助平行电极的线切割弯丝检测方法，其特征在于在切割线的切割方向正后面放置一条与切割线平行的丝状或带状辅助电极，通过测量切割线与辅助电极之间电阻的变化即可判断出切割线是否弯曲。电极两端分别设有十字精密滑台机构，用于电极的装夹固定与位置调整，保证电极与切割线平行并保持合适的间距。本发明既可用于电火花线切割，又可用于钢丝线锯、金刚砂线磨削等非放电类型的线切割，具有简单可靠、通用性好、检测精度高、成本低廉等优点。

Description

一种基于辅助平行电极的线切割弯丝检测方法

技术领域

本发明涉及一种加工状态检测技术，尤其是一种与线切割加工相关的弯丝状态检测技术，具体地说是一种基于辅助平行电极的线切割弯丝检测方法。

背景技术

在大量的机械加工制造过程中，需要将原材料进行分段切割或切成薄片，常用的有锯削、铣削、磨削、冲裁、水刀切割、火焰切割、线切割等方法，其中线切割以其切割精度高、切缝损失小、切割表面平整、材料损伤小等优点，获得了十分广泛的应用。线切割技术有两种类型，一种是以电火花线切割为代表的放电类型线切割，另一种是以钢丝线锯、金刚砂线磨削等非放电类型的线切割。在线切割加工过程中，必须保证切割线处于张紧平直的状态，如果切割线出现弯曲，将会影响切割精度。当弯曲严重且得不到有效抑制时，将使切割线发生折断，导致加工被迫停止。因此，对切割线的弯曲状态进行实时检测就显得尤为重要。但是，由于切割点的位置是动态变化的，并且切缝特别狭窄，切缝中常常充斥着大量受污染的粉尘、浑浊的工作液等原因，要对弯丝状态进行检测的技术难度很大，常用的依赖于光学、电磁学、光电耦合等技术原理的传感器要么无法安装，要么因为粉尘、工作液、电磁杂波干扰等原因而无法发挥效用。为了保证加工顺利进行，目前常用的都是类似张力检测、放电电流状态检测等间接的方法，尚无直接检测弯曲状态的方法报道。间接的方法不能从根本上解决弯丝状态检测这一技术难题，一旦进行非金属材料与半导体材料电火花线切割加工或者进行非放电类型线切割加工时就会暴露其技术缺陷。

为此，本发明提出在切缝内放置一个辅助平行电极实现线切割弯丝检测的方法，由于用于检测的这条平行电极可以是比切割线更细的金属丝，也可以是厚度比切割线直径尺寸更小的金属箔带，因此可以轻易放入切缝中，并且利用其导电性以及原来切割线本身的导电性就可以快速构建有线检测电路，克服粉尘、工作液、电磁杂波等干扰问题，从而实现行之有效的弯丝检测。

发明内容

本发明的目的是针对现有的间接式切割线弯丝状态检测难度大，精度低，受干扰因素多的问题，发明一种能有效识别线切割加工过程中切割线弯曲状态的基于辅助平行电极的线切割弯丝检测方法，使得加工设备的控制系统能够合理地控制进给速度，避免切割线弯曲过大造成的切割精度下降或者断丝事故。

本发明的技术方法是：

一种基于辅助平行电极的线切割弯丝检测方法，其特征在于在切割线的切割方向正后面放置一条与切割线平行的丝状或带状辅助电极，通过测量切割线与辅助电极之间电阻的变化即可判断出切割线是否弯曲。

所述的辅助电极的两端分别设有十字精密滑台机构，用于辅助电极两头的装夹固定与位置调整，保证辅助电极与切割线平行并保持合适的间距；在线切割加工过程中，若切割线出现弯曲，切割线与所放置的辅助电极之间的电阻将发生变化，弯曲严重时两者将形成接触短路，据此规律设计相应的弯丝检测电路即可实现弯丝状态检测。

所述的十字精密滑台机构包括X方向线性滑台与Y方向线性滑台，两者成90度联接在一起，实现平面内二自由度的精密位移调节。

在与切割线正对的滑台侧面上有一道深度小于丝状辅助电极直径的沟槽，用于丝状辅助电极的定位；滑台上还有压紧螺钉，丝状辅助电极通过沟槽定位后再引到压紧螺钉上固定。

在与切割方向平行的滑台侧面上有固定带状辅助电极并使其紧贴该侧面的平口夹具，且在带状辅助电极与夹具的连接面上开有螺纹孔，通过旋入螺钉并调节螺钉伸出的长度来调节带状辅助电极沿切割线为轴线的偏转角度。

所述的弯丝检测电路主要由电源、限流电阻、辅助电极、分压电阻与二极管串联而成；电路从电源正极出发，依次连接限流电阻、辅助电极、二极管、分压电阻，最后连接到电源负极，切割线与电源负极相连；通过检测分压电阻两端的电压大小来实现是否弯丝以及弯曲程度的状态检测；在电路中辅助电极有两种连接形式，一种是只连接辅助电极的一端，另一端不连接，检测时辅助电极中无电流；另一种是辅助电极的两端串联在电路中，检测时辅助电极中有电流。

对本发明而言，电源可以根据具体应用环境采用外接专用直流电源或者采用电火花线切割机床上原有的高频脉冲电源；检测电路中的分压电阻两端可以根据后续计算机信号处理的需要并联滤波电容或者不并联滤波电容。

所述的切割线既可为放电类电火花切割线，也可以为非放电类切割线；所述的切割线为放电类电火花切割线时，其与辅助电极电极之间的间距不小于电火花放电间隙；所述的切割线为非放电类切割线时，其与辅助电极的间隙应控制在0.01-5毫米之间。

丝状辅助电极的直径或带状辅助电极的厚度小于切割线的直径，以保证辅助电极顺利地在切缝中前行。

本发明的有益效果是：

1） 可以直接对切割线是否弯曲以及弯曲程度大小等弯曲状态进行检测，特别是能够首先检测到切割线弯曲位移最大的中间点，识别准确、可靠性高，避免了间接检测技术所存在的因果关系不明朗、弯曲位移最大的中间点测不到、检测结果不可靠的技术缺陷。

2) 只需一条金属丝或金属箔带以及一套定位与夹紧机构加上简单的检测电路即可实施，结构简单，一次安装，长期使用，成本低廉。检测用的电极与切割线的间距可以根据需要灵活调整，检测精度高。丝状电极与带状电极各有优点，前者安装容易且调试简便，后者经久耐用不易折断，并且由于接触面大，因而检测可靠性更高。

3) 所发明的检测方法与被切割工件的材料属性无关，因此适用于任何金属、非金属与半导体材料的线切割加工，因此通用性广，既可用于电火花线切割，又可用于钢丝线锯、金刚砂线磨削等非放电类型的线切割或者放电与磨削复合线切割加工等，应用前景广阔。

4） 检测输出的电压信号经过简单的调理即可连接到常用的计算机控制系统中，用于切割进给速度与切割质量的控制，减少断丝概率，提高线切割伺服控制的水平与加工效率。

5） 提出在放电加工设备上应用本发明进行检测时直接采用设备上原有的高频脉冲电源的方法，由于检测所用电源与加工所用电源的频率相同，波形一致，不仅有效避免了检测所用电极与工件之间的次生放电，而且显著降低了高频脉冲电源对检测电路的干扰。

附图说明

图1为弯曲的切割线与辅助平行电极相互作用示意图。

图2为基于辅助平行电极的线切割弯丝检测方法原理图。

图3为采用丝状电极进行检测的装夹定位机构的结构示意图。

图4为采用带状电极进行检测的装夹定位机构的结构示意图。

图5为双端连接平行电极的检测电路原理图。

图6为单端连接平行电极的检测电路原理图；

图中：1为弯曲的切割线，2为正常的切割线，3为工件，4为放置的辅助平行电极，5为导轮，6为检测电极（丝状或带状），7为切割线，8为十字滑台机构，9为压紧螺钉，10为定位槽，11为带状电极，12为丝状电极，13为调偏螺钉，14为带状电极夹具， 15为电源，16为检测电路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-6所示，

一种基于辅助平行电极的线切割弯丝检测方法，其最大的创新点是仅仅通过在切割线的切割方向正后面放置一条与切割线平行的丝状或带状辅助电极，通过测量切割线与辅助电极之间电阻的变化即可判断出切割线是否弯曲。它具有反应灵敏，接触面积小，大多数情况下为点接触，电阻值采集及分辨方便，通过常规的软件设计即可很方便地分辨出弯丝状态时的电阻还是正常切割时的电阻值，从而作出是否弯丝的正确判定，为切割参数的及时调整提供实测数据。有利于提高加工精度，防止断丝故障的发生。

整个技术方案详述如下：

1、在切割线切割方向的正后面，放置一条与切割线平行的丝状或带状电极，并且在该电极的两端分别设置一个十字精密滑台机构，用于把丝状电极进行装夹固定与位置调整，保证电极与切割线平行，并根据检测的精度要求保持合适的间距。在线切割加工过程中，由于切屑、杂质或切割工作液的存在，一旦切割线出现微小弯曲，如图1所示，切割线与所放置的电极之间的电阻将随着两者距离的变化而发生变化，尤其当切割线弯曲严重时将使切割线与所放置的平行电极发生碰擦，从而形成接触短路，导致电阻变为零。因此，利用这个物理规律，铺设相应的检测电路即可实现是否弯丝以及弯曲程度的状态检测，如图2所示。

2、为保证所放置的辅助电极准确地安放在切割线切割方向的正后面，并与切割线平行，且与切割线保持合适的间距，采用两个精密滑台机构分别对该电极的两端进行位置调整，每个十字精密滑台机构包括X方向线性滑台与Y方向线性滑台，如图3与图4所示，两者成90度联接在一起，实现平面内二自由度的精密位移调节。

3、构建基于十字精密滑台的丝状电极装夹定位机构。当使用丝状电极时，为了对放置的丝状电极进行装夹定位，并且避免夹具接触到切割线，在上述十字滑台与切割线正对的侧面上刻划了一道深度小于丝状电极直径的沟槽，用于丝状电极的Y向定位，如图3所示。此外，在滑台上开设了一个螺纹孔，用于安装压紧螺钉，当丝状电极通过沟槽定位后再引到该压紧螺钉上固定。

4、构建基于十字精密滑台（可直接从市场购置）的带状电极装夹定位机构。当使用带状电极时，为了对放置的带状电极进行装夹固定，并且避免夹具接触到切割线，在与工件进给方向平行的滑台侧面上设置了一个用于固定带状电极并使其紧贴该侧面的平口夹具，如图4所示（其中左上角虚线框为局部放大视图）。此外，在带状电极与夹具的连接面上非中间的位置开一个螺纹孔，通过旋入螺钉并调节螺钉伸出的长度来调节带状电极以切割线为轴线的偏转角度，从而保证所放置的整个带状电极与切割线沿切割方向的扫描平面重合，避免带状电极与工件发生干涉。

5、根据上述提出的方法，设计了相应的弯丝检测电路。该电路由电源、限流电阻、所述辅助平行电极、分压电阻与二极管串联而成。电路从电源正极出发，依次连接限流电阻、所述辅助平行电极、二极管、分压电阻，最后连接到电源负极。切割线与电源负极相连。通过检测分压电阻两端的电压大小来实现是否弯丝以及弯曲程度的状态检测。其中，辅助平行电极有两种连接方案，一种是只连接辅助平行电极的一端，另一端不连接，检测时无电流流过辅助平行电极；另一种方案是辅助平行电极的两端串联在整个电路中，检测时辅助平行电极中有电流流过。

6、根据具体应用环境，对弯丝检测电路进行了差别化设计。若应用环境是类似线锯的非放电加工设备，则采用外接专用直流电源作为弯丝检测电路的电源；若应用环境是类似电火花线切割机床的放电加工设备，则采用设备上原有的高频脉冲电源。此外，根据后续计算机信号处理的需要，检测电路中的分压电阻两端分为并联滤波电容与不并联滤波电容两种方式。这样，可以进一步降低成本，并提高检测电路的抗干扰能力。

图1所示为当切割线因工件进给速度过快而被顶弯的时候，弯曲的切割线与辅助平行电极相互作用的示意图。由于切割线发生形状变形，切割线将靠近所放置的平行电极。由于切割线与平行电极之间有不干净非绝缘的切屑杂质、工作液等，因此两者之间的电阻或电容将随着两者距离的变化而发生变化。通常切割线的中间点是弯曲位移最大的，距离所放置的平行电极最近。当切割线弯曲严重时，切割线的中间点将首先与所放置的平行电极发生碰擦，形成接触短路，导致两者之间电阻变为零。调节所放置的辅助平行电极与切割线之间的距离，还可以设定检测精度。利用这个物理规律，铺设相应的检测电路，即可实现弯丝状态检测。此为本发明核心的技术原理，如图2所示。

无论采用丝状电极，还是采有带状电极 ，都需要对电极进行装夹定位。辅助电极必须准确地安放在切割线切割方向的正后面，并与切割线平行，且与切割线保持合适的间距。为了达到这个要求，采用两个十字精密滑台机构分别对该电极的两端进行位置调整，每个十字精密滑台机构包括X方向线性滑台与Y方向线性滑台，两者成90度联接在一起，实现平面内二自由度的精密位移调节。如图3与图4所示，每个线性滑台中含有一个螺杆螺母副，旋转螺杆即可实现该滑台的线性位移调节。通过上下两个十字精密滑台分别调整辅助电极两端的位置（即图3与图4所示的X₁与Y₁、X₂与Y₂），就可以使得辅助电极的轴线与切割线平行，并保持合适的间距δ。

图3所示为采用丝状电极进行检测时所使用的装夹定位机构的实施方式示意图。为了对放置的丝状电极进行装夹固定，并且避免夹具接触到切割线，在十字滑台与切割线正对的侧面（即图中的圆柱面）上刻划了一道深度小于丝状电极直径的沟槽，用于丝状电极的Y向定位，如图3所示，因此称这个槽为定位槽。这样，丝状电极可以根据需要与切割线保持很小的间距δ，但滑台不会碰到切割线，避免切割线在正常状态时与滑台发生短路。此外，在滑台上开设了一个螺纹孔，用于安装如图3中所示的压紧螺钉，当丝状电极通过定位槽后再引到该压紧螺钉上进行固定。

图4所示为采用带状电极进行检测时所使用的装夹定位机构的结构示意图。与丝状电极不同，带状电极展平后是一个平面，这个平面必须与切割线沿切割方向的扫描平面重合，才能避免带状电极与工件发生干涉。因此，在对带状电极进行装夹固定时，需增加一个偏转角度调节的功能。为此，如图4所示（其中左上角虚线框为局部放大视图），首先用两个平口夹子分别夹住带状电极的两端，再用两段钢丝分别拉住这两个夹子，挂在上下两个滑台的转轴上，使得带状电极被绷紧并紧贴在与工件进给方向平行的滑台侧面（图中为圆柱端面）上。然后，在带状电极与夹子的连接面的左边开一个螺纹孔，通过旋入螺钉并调节螺钉伸出的长度来调节带状电极以切割线为轴线的偏转角度。上下两端分别仔细调整偏转角（即图中的θ₁与θ₂），就可以使得整个带状电极与切割线沿切割方向的扫描平面重合。

如图5与图6所示，弯丝检测电路由电源、限流电阻R1、所述辅助平行电极、分压电阻R2与二极管D1串联而成。电路从电源“+”极出发，依次连接限流电阻R1、所述辅助平行电极、二极管D1、分压电阻R2，最后连接到电源“-”极。为实现检测功能，切割线与电源“-”极相连。这样，当线割线与辅助平行电极之间的电阻发生变化时，将改变电路中的电流状况，从而改变分压电阻两端的电压U _O，因此通过检测分压电阻两端的电压大小来实现是否弯丝以及弯曲程度的状态检测。特别地，当切割线与辅助平行电极短路时，U _O=0，可由此识别最大弯曲状态。

图5与图6分别表示两种不同的辅助平行电极在检测电路中的连接方案。其中图5为双端连接辅助平行电极的检测电路方案，即将辅助平行电极的两端串联在整个电路中，（如图5中一端接限流电阻R1，另一端接二极管D1），检测时辅助平行电极中将有电流流过；图6为单端连接平行电极的检测电路方案，即只连接辅助平行电极的一端，另一端不连接，（如图6中只有一端接限流电阻R1，另一端悬空），检测时无电流流过辅助平行电极。

如图5与图6中虚线所示，可以根据后续计算机信号处理的需要，在检测电路中的分压电阻R2两端接入或者不接入并联滤波电容C1。另外，当电源“-”极与切割线的进电块不便连接时，可以选择导轮的转轴作为切割线的连接点。

为降低成本，同时提高抗干扰能力，弯丝检测电路所用的电源可根据具体应用环境进行选择性实施。若应用环境是类似线锯的非放电加工设备，则采用外接专用直流电源作为弯丝检测电路的电源；若应用环境是类似电火花线切割机床的放电加工设备，则采用设备上原有的高频脉冲电源。

本发明的具体实施方式中凡未涉到的说明属于本领域的公知技术，可参考公知技术加以实施。

本发明所述技术与方法已经在自行研制的电火花线切割机床上进行了非金属材料与半导体材料的切割试验，取得了良好的试用效果。

以上具体实施方式及实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均落入本发明保护范围之内。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种基于辅助平行电极的线切割弯丝检测方法，其特征在于在切割线的切割方向正后面放置一条与切割线平行的带状辅助电极，通过测量切割线与辅助电极之间电阻的变化即可判断出切割线是否弯曲；所述的辅助电极的两端分别设有十字精密滑台机构，用于辅助电极两头的装夹固定与位置调整，保证辅助电极与切割线平行并保持合适的间距；在线切割加工过程中，若切割线出现弯曲，切割线与所放置的辅助电极之间的电阻将发生变化，弯曲严重时两者将形成接触短路，据此规律设计相应的弯丝检测电路即可实现弯丝状态检测；所述的弯丝检测电路由电源、限流电阻、辅助电极、分压电阻与二极管串联而成；电路从电源正极出发，依次连接限流电阻、辅助电极、二极管、分压电阻，最后连接到电源负极，切割线与电源负极相连；通过检测分压电阻两端的电压大小来实现是否弯丝以及弯曲程度的状态检测；在电路中辅助电极有两种连接形式，一种是只连接辅助电极的一端，另一端不连接，检测时辅助电极中无电流；另一种是辅助电极的两端串联在电路中，检测时辅助电极中有电流；所述的切割线为放电类电火花切割线或非放电类切割线；所述的切割线为放电类电火花切割线时，其与辅助电极之间的间距不小于电火花放电间隙；所述的切割线为非放电类切割线时，其与辅助电极的间隙应控制在0.01-5毫米之间；所述的十字精密滑台机构在与切割进给方向平行的滑台侧面上设置了一个用于固定带状电极并使其紧贴该侧面的平口夹具，在带状电极与夹具的连接面上非中间的位置开一个螺纹孔，通过旋入螺钉并调节螺钉伸出的长度来调节带状电极以切割线为轴线的偏转角度，从而保证所放置的整个带状电极与切割线沿切割方向的扫描平面重合，避免带状电极与工件发生干涉，避免夹具接触到切割线。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的十字精密滑台机构包括X方向线性滑台与Y方向线性滑台，两者成90度联接在一起，实现平面内二自由度的精密位移调节。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于带状辅助电极的厚度小于切割线的直径。

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