CN1891387A

CN1891387A - 数控快走丝线切割机床及精度控制方法

Info

Publication number: CN1891387A
Application number: CN 200510062169
Authority: CN
Inventors: 常新山; 汤竞南; 徐庆炎; 陈向东
Original assignee: HANGZHOU HANGJI NUMERICAL CONTROL MACHINE CO Ltd
Current assignee: HANGZHOU HANGJI NUMERICAL CONTROL MACHINE CO Ltd
Priority date: 2005-12-21
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2007-01-10

Abstract

一种数控快走丝线切割机床及精度控制方法，它主要由主控装置，坐标工作台，贮丝筒，线架，床身及机床主机，其中坐标工作台至少由拖板、导轨、丝杠及联轴器组成，所述的丝杠通过连轴器与步进电机直接连接，至少一单片机控制装置单独安装在机床主机上并与步进电机连接；所述的单片机控制装置主要由8051单片机组成，它通过光电隔离和整理电路与线切割主控装置相连并接收三相六拍或五相十拍步进电机环分信号，经8051单片机内存软件的运算将输入信号转换成方向信号和脉冲信号输出，并通过步进电机驱动器与步进电机相接；其精度控制方法是：先选定步进电机带动丝杠副使拖板前进或后退的位移距离，从起始点开始确定多个等距离测试点，由单片机控制装置对行进到每一测试点所产生的误差进行一一补偿或累计补偿；它具有结构简单、可靠，机械传动的噪音小，使用方便，加工精度高，控制方法简便，效果好等特点。

Description

数控快走丝线切割机床及精度控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种数控线切割机床以及精度控制方法，属于数控机床领域。

背景技术

目前相关的产品有：根据电火花数控线切割机床的走丝方式不同，分为数控快走丝线切割机床和数控慢走丝即低速走丝线切割机床，快走丝线切割机床是中国特色的机床，慢走丝线切割机床是外国特色的机床，慢走丝线切割机床具有动静态精度技术指标高，丝杠副具有螺距补偿和反向倍隙的补偿，切割工件光洁度高，但是，它相对快走丝线切割机床而言的制造成本和使用成本均很高，快走丝线切割机床与慢走丝线切割机床相比，机床的动静态精度技术指标就比较差，有很大的原因之一是因为快走丝线切割机床的丝杠副没有螺具补偿和反向倍隙的补偿，但是，快走丝线切割机床具有制造成本低和使用成本低的优势，在一些要求不是太高的模具加工和产品加工中被广泛使用，但是，随着国家对数控机床的大力发展，数控机床从一个进口国家要向出口国发展，因而国家对数控机床贯彻的标准要求也越来越高，特别是我国特种加工机床协会，如电加工机床协会提出对数控快走丝线切割机床的各数控轴的精度检测按新标准验收，其中之一的定位精度、重复定位精度和反向倍隙不能用现在等螺距的方法来检测，要用非等螺距的方法来检测，如果国家正式执行该标准，那么，我国的快走丝线切割机床将都可能判为不合格产品。

发明内容

本发明的目的在于针对数控快走丝线切割机床存在的不足以及结合国家有关标准的要求，提供一种使用51系列的单片机对数控快走丝线切割机床实现了各数控轴螺距的等螺距、非等螺距和反向倍隙补偿的数控快走丝线切割机床及精度控制方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，它主要由主控装置，坐标工作台，贮丝筒，线架，床身及机床主机，其中坐标工作台至少由拖板、导轨、丝杠及联轴器组成，所述的丝杠通过连轴器与步进电机直接连接，至少一单片机控制装置单独安装在机床主机上并与步进电机连接。

所述的导轨采用滚珠与导轨点接触并构成一自封式滚动导轨；所述的丝杠运动副采用合金工具钢精密三角螺纹丝杠。

所述的单片机控制装置主要由8051单片机组成，它通过光电隔离和整理电路与线切割主控装置相连并接收三相六拍或五相十拍步进电机环分信号，经8051单片机内存软件的运算将输入信号转换成方向信号和脉冲信号输出，并通过步进电机驱动器与步进电机相接。

所述的光电隔离和整理电路至少由U8(A-F)、U9(A-F)两反相器和U10(A-D)、U11(A-D)、U12(A-D)光隔离器组成，其输出端接于8051单片机U1的P0口输入端，U1的P1端输出接至步进电机驱动器的输入端。

所述的8051单片机U1的P1和P2口接有至少由串行输入并行输出电路U5、U6和LED1-8、DS1-3组成的显示和键扫描电路。

所述的8051单片机U1上还接有至少由开关稳压器U13及D2、D3、L1组成的开关稳压电源电路。

所述的8051单片机U1的P0和P3口接有至少由串行输入并行输出电路U14组成的超行程开关控制电路。

本发明所述数控快走丝线切割机床的精度控制方法，它是先选定步进电机带动丝杠付使拖板前进或后退的位移距离，从起始点开始确定多个等距离测试点，由单片机控制装置对行进到每一测试点所产生的误差进行一一补偿或累计补偿。

所述的步进电机受机床主控装置所发脉冲信号控制，一个脉冲信号使其带动丝杠付使拖板前进或后退1微米，当拖板位移产生的误差累计到1微米时，单片机控制装对其误差进行补偿，对于正误差，即发出一个脉冲使拖板少走1微米；对于负误差，发出一个脉冲使拖板多走1微米。

本发明采用51系列的单片机单独装在机床主机上，与线切割机床的主控装置分开，这样的好处在于可以独立于主控装置做机床的精度补偿和反向倍隙的补偿，也可通用各种控制系统；具有结构简单、可靠，机械传动的噪音小，使用方便，加工精度高，控制精度高，控制方法简便，效果好等特点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的坐标工作台结构示意图。

图3是本发明的控制电路原理方框图。

图4是本发明的单片机电路原理图。

图5是本发明的显示和键扫描电路原理图。

图6是本发明的光电隔离和整型电路原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作详细的介绍：图1所示，本发明主要由主控装置，坐标工作台4，贮丝筒1，线架2，床身3及机床主机组成，其中坐标工作台4由拖板5、导轨6、丝杠7及联轴器8组成，所述的丝杠7通过连轴器8与步进电机9直接连接，见图2所示。至少一单片机控制装置10单独安装在机床主机上并与步进电机9连接。所述的导轨采用滚珠11与导轨6点接触并构成一自封式滚动导轨。所述的丝杠运动副采用合金工具钢精密三角螺纹丝杠7。

图3所示，本发明所述的单片机控制装置10主要由8051单片机12组成，它通过光电隔离和整理电路13与线切割主控装置14相连并接收三相六拍或五相十拍步进电机环分信号，经8051单片机12内存软件的运算将输入信号转换成方向信号和脉冲信号输出，并通过步进电机驱动器15与步进电机16相接。与上述8051单片机12还分别相连有数码管显示电路17，LED指示灯18，开关稳压电源19，键盘20以及超行程开关21。

图4、图5、图6所示，本发明所述的光电隔离和整理电路13至少由U8(A-F)、U9(A-F)两反相器和U10(A-D)、U11(A-D)、U12(A-D)光隔离器组成，其输出端接于8051单片机U1的P0口输入端，U1的P1端输出接至步进电机驱动器15的输入端。所述的8051单片机U1的P1和P2口接有至少由串行输入并行输出电路U5、U6和LED1-8、DS1-3组成的显示和键扫描电路。所述的8051单片机U1上还接有至少由开关稳压器U13及D2、D3、L1组成的开关稳压电源电路。所述的8051单片机U1的P0和P3口接有至少由串行输入并行输出电路U14组成的超行程开关控制电路。

本发明所述的高精度电火花数控快走丝线切割机床是机电一体化产品，它由单片机控制装置、坐标工作台、储丝筒、线架、床身和机床电器几部分组成；其中：控制装置以51系列的单片机为核心，它主要实现：通过软件完成对各数控轴螺距的精度补偿和反向倍隙的补偿，完成对各数控轴的高低速的控制，完成各数控轴绝对坐标和相对坐标的转换和显示，完成与不同控制系统的连接，将原来控制系统输出的步进电机环分信号转换成方向信号和脉冲信号，完成对两项混合式步进电机交流细分的控制，采用交流伺服电机的电流控制方式，实现了精确的正弦波细分电流输出，彻底解决传统步进电机系统在低速运行时共振，运行噪音大，高速扭矩小，起动频率低等缺点，使步进电机系统的性能提高到可以和交流伺服电机系统媲美；坐标工作台主要由拖板、导轨、丝杠运动副和联轴器四部分组成，其中，拖板由底座、中拖板和工作台面组成，采用HT200铸件经二次时效处理消除内应力，有较高的刚度和稳定性，导轨采用自封式滚动导轨，滚珠与导轨点接触，动静摩擦力之差很小，随动性极好有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度，驱动功率大幅度下降，导轨采用合金工具钢20Gr表面硬化处理，具有极高的耐磨性且心部保持良好的机械性能，丝杠运动副采用合金工具钢GrWMn精密三角螺纹丝杠，除结构简单制造方便精度易于保证外，当与合适的消隙拉簧相配时，能长久地实现无间隙运动，实现高定位精度和重复定位精度，联轴器，用混合式步进电机通过自制的可调式刚性联轴器与丝杠直接连接，消除了齿轮传动的所有弊端，当电机变换旋转方向时，丝杠能迅速得到无空程的相应；储丝筒和线架完成快走丝线切割机床电极丝储存、导向和运动；床身材料为铸件，是坐标工作台、储丝筒、线架的支承和固定基础，采用箱式结构，具有足够的强度和刚度；机床电器完成对储丝筒的正反转的控制等。

本发明采用51系列的单片机单独装在机床主机上，与线切割机床的主控制系统分开，这样的好处在可以独立于主控制系统做机床的精度补偿和反向倍隙的补偿，也可通用各种控制系统。

本发明所述的单片机控制装置对机床精度的控制方法是：它先选定步进电机带动丝杠付使拖板前进或后退的位移距离，从起始点开始确定多个等距离测试点，由单片机控制装置对行进到每一测试点所产生的误差进行一一补偿或累计补偿。

本发明所述的定位精度补偿原理是：

以X轴误差为正为例，从x＝0开始，以每20mm(即x＝20000微米)为一个误差测试点，将x＝0即起点认为误差也为0，设第一个测试点的定位精度误差为es微米，则有：

(20000/es)＝(x/e)………………………………………………(1)

即e*20000＝x*ex或es*x-e*20000＝0

式中，x为从0点开始的x轴坐标，e为x点的定位误差，单位均为微米。

显然，当误差e积累到1微米时，就应该进行补偿。对于正误差，应人为地使拖板少走一步，反之应多走一步。为了计算方便，建立误差判别函数F：

F＝es*x-e*20000

令x＝0时，F＝0，即认为此时误差为0。

每当x正向进给一步，即x+1→x，新的F应为：

F(新)＝es*(x+1)-e*20000＝es*x+es-es*20000＝F(旧)+es

即x每正向走一步，应F+es→F。

另一方面，根据(1)式，有：

x＝(20000/es)*e

当误差达到或超过1时，e＞＝1，此时x＞＝20000/es

其几何意义为：当x走了20000/es步，累积误差e将达到1微米。

因为x＝0时，F＝0。x每走一步，F+es→F。显然，x走了20000/es步后，F应为20000/es个es相加的和，即F＝es*(20000/es)＝20000。因此当F＞＝20000时应进行补偿，补偿完后将F-20000→F，开始计算下一补偿点。

由于在20000微米长度内，误差共es微米，即必须补偿es次。当补偿es次后，即转入下一补偿段。

同理，若x反向走时，x-1→x，令F初始值为20000，新的F应为：

F-es→F，当F＜＝0时，同样应使拖板少走一步，F+20000→F，然后转入下一补偿点，直至该段内es个补偿点都补偿完，再转入下一补偿段。

若误差值为负，则无论正向或反向运动，到达补偿点时，都应多走一步。

本发明采用51系列的单片实现对各数控轴螺距的等螺距、非等螺距和反向倍隙的精度补偿，螺距补偿采用每个测量段均补的算法，补偿的数据保存在单片机的EEROM内，这样修改和保存方便，断电保护可靠，且硬件电路简单，经过对一台旧的快走丝线切割机床的测试，在没有对其进行精度补偿时，测试的定位精度是：X轴0.045MM左右，Y轴0.05MM左右，反向倍隙为：X轴0.004MM，Y轴0.005MM，按照国家新标准测试(用进口的雷尼绍双频激光测试仪测试)，在等螺距情况下，重复测试五遍的平均直为：定位精度，X轴0.004MM，Y轴0.005MM，反向倍隙，X轴0.0015MM，Y轴0.0015MM，在非螺距情况下，重复测试五遍的平均直为：定位精度，X轴0.007MM，Y轴0.008MM，反向倍隙，X轴0.0015MM，Y轴0.0015MM，慢走丝线切割机床的定位精度0.005MM，反向倍隙0.001MM至0.002MM。

本发明采用两相混合式步进电机通过特制的联轴器与丝杆直连，采用交流细分驱动器，这样有驱动电路简单能耗低，机械结构也简单和可靠，机械传动的噪音小。

本发明所述的导轨采用自封式滚动导轨，滚珠与导轨点接触，动静摩擦力之差很小，随动性极好有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度，驱动功率大幅度下降，导轨采用合金工具钢20Gr表面硬化处理，具有极高的耐磨性且心部保持良好的机械性能，丝杠运动副采用合金工具钢GrWMn精密螺距为1毫米的三角螺纹丝杠，除结构简单制造方便精度易于保证外，当与合适的消隙拉簧相配时，能长久地实现无间隙运动，实现高定位精度和重复定位精度。

Claims

1、一种数控快走丝线切割机床，它主要由主控装置，坐标工作台，贮丝筒，线架，床身及机床主机，其中坐标工作台至少由拖板、导轨、丝杠及联轴器组成，所述的丝杠通过连轴器与步进电机直接连接，至少一单片机控制装置单独安装在机床主机上并与步进电机连接。

2、根据权利要求1所述的数控快走丝线切割机床，其特征在于所述的导轨采用滚珠与导轨点接触并构成一自封式滚动导轨；所述的丝杠运动副采用合金工具钢精密三角螺纹丝杠。

3、根据权利要求1所述的数控快走丝线切割机床，其特征在于所述的单片机控制装置主要由8051单片机组成，它通过光电隔离和整理电路与线切割主控装置相连并接收三相六拍或五相十拍步进电机环分信号，经8051单片机内存软件的运算将输入信号转换成方向信号和脉冲信号输出，并通过步进电机驱动器与步进电机相接。

4、根据权利要求3所述的数控快走丝线切割机床，其特征在于所述的光电隔离和整理电路至少由U8(A-F)、U9(A-F)两反相器和U10(A-D)、U11(A-D)、U12(A-D)光隔离器组成，其输出端接于8051单片机U1的P0口输入端，U1的P1端输出接至步进电机驱动器的输入端。

5、根据权利要求3或4所述的数控快走丝线切割机床，其特征在于所述的8051单片机U1的P1和P2口接有至少由串行输入并行输出电路U5、U6和LED1-8、DS1-3组成的显示和键扫描电路。

6、根据权利要求5所述的数控快走丝线切割机床，其特征在于所述的8051单片机U1上还接有至少由开关稳压器U13及D2、D3、L1组成的开关稳压电源电路。

7、根据权利要求6所述的数控快走丝线切割机床，其特征在于所述的8051单片机U1的P0和P3口接有至少由串行输入并行输出电路U14组成的超行程开关控制电路。

8、一种如上所述的数控快走丝线切割机床的精度控制方法，其特征是：它是先选定步进电机带动丝杠付使拖板前进或后退的位移距离，从起始点开始确定多个等距离测试点，由单片机控制装置对行进到每一测试点所产生的误差进行一一补偿或累计补偿。

9、根据权利要求8所述的数控快走丝线切割机床的精度控制方法，其特征是：步进电机受机床主控装置所发脉冲信号控制，一个脉冲信号使其带动丝杠付使拖板前进或后退1微米，当拖板位移产生的误差累计到1微米时，单片机控制装对其误差进行补偿，对于正误差，即发出一个脉冲使拖板少走1微米；对于负误差，发出一个脉冲使拖板多走1微米。