CN213969396U - 一种往复走丝线切割机 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种往复走丝线切割机，属于线切割装置技术领域。包括丝筒机构、恒张力机构、Z轴升降机构、工作液槽和工作台，工作台位于工作液槽中，待处理工件安装于工作台上，待处理工件下方安装第四导轮，工作台配置有光栅尺，光栅尺通过总线与USB转总线模块连接，USB转总线模块连接通过USB线与操作台连接，操作台设置脉冲方向使能，光栅尺、总线、USB转总线模块、USB线、操作台、驱动电机、工作台形成光栅尺闭环单元，操作台与丝筒电机、高频电源、升降杆连接。将本申请应用于工件的线切割，可实现纯水加工，具有切割面光洁度高、加工效率高、切割丝损耗少、环保节能、成本低等优点。

Description

一种往复走丝线切割机

技术领域

本申请涉及一种往复走丝线切割机，属于线切割装置技术领域。

背景技术

加工件切割常用的设备为走丝设备，走丝设备一般由以下四部分构成：

1.机床主体：床身、丝架、走丝机构、X-Y数控工作台；

2.工作液系统：常见有乳化液和水基工作液；

3.高频电源：产生高频矩形脉冲，脉冲信号的幅值、脉冲宽度可以根据不同工作状况调节；

4. 数控和伺服系统。

线切割机经过不断的优化改进和长期实践发展，实现了多次切割工艺的广泛应用，目前市场上通用的国产机器，都是基于人工试验现场尝试确定后的加工工艺数据库来控制加工精度，机器的整个加工过程是静态的，采样给进速度的调整是根据电压信号反馈来实现，切割丝和工件的间隙大、电压高，则进给速度快，反之则进给速度慢，因此控制系统无法预测放电情况的趋向性，发生不稳定放电和短路的概率较高；同时，大部分的加工件不会是一块平板、同一材质，加工过程中的切割厚度是个变量，会存在阶梯突变、缓慢渐变等各种工况，对同一加工件中的不同材质、不同厚度的放电要求，也无法实现自动调节，故预设工件厚度的丝切割机床的控制系统存在先天缺陷，会影响加工件精度和切割面光洁度，需要二次或多次加工，效率低下。

常规的往复线切割机器控制系统，加工采样进给速度的调整，是根据电压信号反馈来实现的，切割丝和工件的间隙大、电压高，则进给速度快；反之，则进给速度慢。这种模式有个很大的缺点，就是控制系统不知道真实的放电情况的趋向性，发生不稳定的放电和短路的概率相对较高。

常规线切割的工作介质多采用乳化液（一般采用含有机械油5%左右的乳化液），但这种工作介质在10000℃以上的高温下将分解生成大量的高分子化合物，并与金属蚀除产物在放电通道中反应生成胶体状或颗粒状物质，切割完毕的试件表面会覆盖有蚀除产物，这些物质将粘附在切缝内，并主要在切缝出口部位堆积，严重影响电蚀产物的排除，并使新鲜的工作介质进入切缝十分困难，直接影响正常放电的延续，或是在混有大量胶体物质的间隙内进行的放电甚至产生电弧放电，工件和电极丝表面得不到及时冷却，绝缘状态不正常，造成正常放电比例降低，切割速度降低，工件表面烧伤，换向条纹严重并使得加工质量恶化，同时损伤电极丝，严重时引起烧丝。

而常规水基工作介质一般采用合成水溶性配方，导电率较高，切割过程中具有较强的电解作用，虽然切割出的工件表面十分均匀，但工件表面因为电解作用将导致色泽较暗；水基工作液因没有油性成分，挥发后，其切割的蚀除产物就粘接在工作台上和导轮周围，清理困难，严重时甚至会将导轮抱死，一旦运丝后电极丝与导轮将产生滑动摩擦，导致导轮精度丧失而报废；必须严格控制稀释比例，否则极易锈蚀机床和工件；挥发性较强，同时由于组分的问题，一般在切割过程中都会散发出一些异味。

实用新型内容

有鉴于此，本申请提供一种往复走丝线切割机，该切割机不有高精度的工作台移动来与之对应，还配套设置有智能化的自适应采样控制系统（即光栅尺闭环系统，Wire-CAXA）、高性能的纳秒级高频电源，以具有多重切割工艺自适应能力的控制系统来替代机器操作人员的加工经验，尤其对拥有不同材质、不同厚度的综合加工件，能够一次加工成型、经济高效。

具体地，本申请是通过以下方案实现的：

一种往复走丝线切割机，包括丝筒机构、恒张力机构、Z轴升降机构、工作液槽和工作台，

丝筒机构，包括丝筒、主动齿轮、联动齿轮、传动齿轮、丝筒转轴、纵向移动支架、机床床身，纵向移动支架通过导轨活动安装于机床床身上，丝筒通过丝筒转轴安装于纵向移动支架上，并由丝筒电机驱动其运动（转动和左右移动），切割丝移动速度为8-15m/s（优选为11m/s），丝筒由丝筒电机驱动正反向转动，以实现切割丝的循环切割，丝筒由丝筒电机驱动正反向转动，以实现切割丝的循环切割，

恒张力机构，包括第一导轮、上张力辊、下张力辊、第二导轮、张力架，第一导轮、第二导轮固定于张力架上，上张力辊、下张力辊则活动安装于张力架上，以实现不同张力要求下相对张力架的移动，与传统弹簧调控切割丝表面张力相比，恒张力机构可实现切割丝表面张力恒定，以切割丝保持紧固不松散、顺畅转动为准，

Z轴升降机构包括升降杆、第三导轮、导丝嘴，第三导轮位于升降杆上方，第三导轮配合设置有导电块，导电块与高频电源连接，导丝嘴安装于第三导轮下方，升降杆由气缸或电机等驱动器驱动其沿Z轴方向（即高度方向）伸缩，继而带动导丝嘴高度改变，导丝嘴连接水源，并由高压泵供水，纯水压力为10-20公斤，并根据加工工件高度进行调整，在引导切割丝的同时，配合切割喷出高压细水柱，及时高效的清除切割残渣等污渍，

工作台位于工作液槽中，待处理工件安装于工作台上，待处理工件下方安装第四导轮，

工作台配置有光栅尺，光栅尺通过总线与USB转总线模块连接，USB转总线模块连接通过USB线与操作台连接，操作台设置脉冲方向使能，以根据光栅尺信号启动工作台的驱动电机，改变工作台的移动状态。光栅尺、总线、USB转总线模块、USB线、操作台、驱动电机、工作台形成光栅尺闭环单元。脉冲方向使能作为触发信号，是保证电路或者器件正常工作的开关信号，并通过这个信号打开或关闭电路中的驱动电机，

操作台与丝筒电机、高频电源、升降杆连接，根据光栅尺的信号，分别控制丝筒转速与前后移动、导电块放电状况、第三导轮高度，以适应不同工件状态和工作台位置需求。

本装置主要由丝筒机构、恒张力机构、Z轴升降机构、工作台以及光栅尺闭环系统构成，光栅尺闭环系统的负载为光栅尺，光栅尺监测和定位工作台的移动精度，再将光栅尺的信号反馈到控制驱动系统（丝筒、导电块、Z轴升降机构等的驱动系统）的实时闭环回路，在光栅尺、操作台、各驱动系统之间建立高效的信息沟通，配合切割丝在丝筒→第一导轮→上张力辊→第三导轮→导丝嘴→第四导轮→下张力辊→第二导轮→丝筒形成的闭合走线回路，以及导电块的高频放电和导丝嘴的高压细水柱冲洗，不仅提高了加工速度、减少切割丝的损耗，还避免了工件表面的烧伤和积屑，减小放电凹坑的尺寸，有效改善切割面的表面光洁度，实现工作介质由乳化液替换为纯水，切割过程不会出现断丝和环保现象。这样一台设备成本可控制在15-20万附近，成本降低70-80%。

进一步的，作为优选：

所述第一导轮底部与丝筒顶部水平，上张力辊顶部与第三导轮顶部水平，第三导轮、导丝嘴均位于第四导轮正上方，第四导轮底部与下张力辊底部水平，切割丝在丝筒、第一导轮、上张力辊、第三导轮、导丝嘴、第四导轮、下张力辊、第二导轮形成闭合回路，丝筒与第一导轮之间的切割丝为水平状态，上张力辊与第三导轮之间的切割丝为水平状态，第三导轮、导丝嘴与第四导轮之间的切割丝为竖直状态，第四导轮与下张力辊之间的切割丝为水平状态。

所述张力架上固定有上紧丝机构、下紧丝机构，上紧丝机构、下紧丝机构分别配置有滑杆，上张力辊、下张力辊通过滑杆分别与上紧丝机构、下紧丝机构连接。上张力辊沿滑杆移动，实现上张力辊相对张力架的移动，以改变切割丝的张力；下张力辊沿滑杆移动，实现下张力辊相对张力架的移动，以改变切割丝的张力。

所述Z轴升降机构上设置有电源控制箱，高频电源、USB转总线模块、USB线、总线均安置于电源控制箱中，对电源等元器件进行归置统一，避免现场线路的散乱。

所述Z轴升降机构上设置有网络通讯单元，网络通讯单元与操作台连接，实现操作台数据的更新与储存。

所述丝筒转轴与传动齿轮啮合连接，传动齿轮与联动齿轮同步，联动齿轮与主动齿轮啮合，主动齿轮由丝筒电机驱动，多重啮合实现动力由丝筒电机向丝筒的传递。

所述导丝嘴成对设置，分别位于工件上下方。导丝嘴有两方面的作用：（1）引导切割丝移动路径，（2）提供纯水作为工作液进行切割面的清洗。成对设置不仅提高了位置控制精度，还提高了冲洗频次，避免残渣等污渍在切割面的滞留。

所述导电块成对设置，一块位于第三导轮前方（沿切割丝行进方向，位于上张力辊与第三导轮之间，且靠近第三导轮），一块位于第四导轮后方（沿切割丝行进方向，位于第四导轮与下张力辊之间，且靠近第四导轮）。导电块与高频电源形成两个回路：放电回路和控制回路，高频电源采用漏级输出，可最大程度的提高电源的峰值电流，而高频电源的功放管源极采用的是浮动方式，并分别对加工信号的高端信号源和低端信号源进行隔离，最大程度上实现了理想的放电通道；同时，在高频被允许时，由信号产生火花脉冲，经推动功放管的脉冲，再由功放管产生加工脉冲，不断测量加工放电通道的间隙电压值，感知电压的变化，以此来控制放电脉冲的产生，从而形成一个电子的闭环控制回路，峰值调节则直接作用于放电回路。

所述高频电源采用3相整流或直流电源供电，以减少内阻，并配套设置滤波电容，减少交流阻抗。上述方案的高频电源可提高峰值电流，以提高加工速度。更优选的，所述高频电源采用高速大功率的IGBT管或多个高速MOS管，用以加大高频开关的容量，多个高速MOS管并联设置，可实现脉冲的多档调节。采用的是电阻+电容的端接阻尼解决方案，用以减少反射现象、平滑波形，最终使波形前沿的尖峰消失。

还包括有锥度控制机构，锥度控制机构包括两个丝杆（U、V轴丝杆），各丝杆分别通过各自的电机驱动，丝杆的输出端与工作台连接，丝杆前后左右移动，带动工作台的位置改变，即工作台与切割丝的相对位置改变，切割丝相对工作台的角度不同，从而完成不同锥度工件的切割。更优选的，所述锥度控制机构通过立柱安装，升降杆和第三导轮均安装于立柱上，避免杂乱，以实现器件的整合。

上述线切割装置切割速度可达到160mm²/min，加工精度≤0.01mm，最佳切割表面粗糙度≤1.0μm。

附图说明

图1为本申请的正面结构示意图；

图2为本申请的侧面结构示意图；

图3为本申请的后面结构示意图；

图4为本申请中切割丝的走线示意图；

图5为本申请中光栅尺的全行程闭环检测原理图；

图6为本申请中光栅尺的混合驱动系统示意图。

图中标号：1.丝筒机构；11.丝筒；111.主动齿轮；112.联动齿轮；113.传动齿轮；114.丝筒转轴；12.纵向移动支架；13.导轨；14.机床床身；15.网络通讯单元；16.电源控制箱；17.光栅尺闭环单元；171.光栅尺；172.USB转总线模块；173.USB线；174.总线；2.恒张力机构；21.第一导轮；22.上张力辊；221.上紧丝机构；23.下张力辊；231.下紧丝机构；24.第二导轮；25.张力架；26.防尘盖；3.锥度控制机构；31.操作台；4.升降杆；41.立柱；42.第三导轮；43.导丝嘴；5.工作液槽；6.升降器；7.工作台；71.步进电机；72.工件；73.第四导轮；74.导电块。

具体实施方式

本实施例一种往复走丝线切割机，结合图1、图2和图3，包括丝筒机构1、恒张力机构2、Z轴升降机构、工作液槽5和工作台7。

丝筒机构1包括丝筒11、纵向移动支架12、机床床身14，纵向移动支架12通过导轨13活动安装于机床床身14上，由丝筒电机驱动纵向移动支架12相对机床床身14纵向（图4中垂直纸面方向）移动，丝筒11通过丝筒转轴114安装于纵向移动支架12上，并由丝筒电机（图中未显示）驱动其正反向转动，以满足切割丝的往复切割。

优选的：结合图4，丝筒转轴114与传动齿轮113啮合连接，传动齿轮113作为联动齿轮112的转轴与联动齿轮112同步，联动齿轮112与主动齿轮111啮合，主动齿轮111由丝筒电机驱动，多重啮合实现动力由丝筒电机向丝筒11的传递。

其中，丝筒电机采用直流伺服电机驱动，并且采用分辨率为1微米的光栅尺171实时测量工作台7的移动数据并反馈到控制中心，使工作台7的移动更精准，并杜绝跳步误差；切割丝（电极丝）采用恒张力结构，确保切割丝运行稳定；机床运动即纵向移动支架12相对机床床身14之间采用润滑脂润滑系统，保持机械运动起到充分的润滑,更好的保持机床精度；各导轮（第一导轮21、第二导轮24、第三导轮42、第四导轮73）轴承配装免维护润滑脂系统，延长导轮轴承精度使用期；工作台7由两条导轨控制运行，构成移动式双条板结构，工作台7上设置夹具（即图4中工件72左侧方框型结构，图中未标注），工件72装夹更便利,功耗更小。

结合图4，恒张力机构2包括第一导轮21、上张力辊22、下张力辊23、第二导轮24、张力架25，第一导轮21、第二导轮24固定于张力架25上，上张力辊22、下张力辊23则活动安装于张力架25上，以实现不同张力要求下相对张力架25的移动，与传统弹簧调控切割丝表面张力相比，恒张力机构可实现切割丝表面张力恒定。

优选的：张力架25上固定有上紧丝机构221、下紧丝机构231，上紧丝机构221、下紧丝机构231分别配置有滑杆，上张力辊22、下张力辊23通过滑杆分别与上紧丝机构221、下紧丝机构231连接。上张力辊22沿滑杆移动，实现上张力辊22相对张力架25的横向（靠近或远离第一导轮21）移动，以改变切割丝的张力；下张力辊23沿滑杆移动，实现下张力辊23相对张力架25的横向（靠近或远离第二导轮24）移动，以改变切割丝的张力。

张力架25上还可以设置防尘盖26，恒张力机构2是切割丝运行路径的主要场合，设置防尘罩26，并使防尘罩可以上下滑动：向上滑动，可使各导轮表露在外，方便查验；向下滑落，可将各导轮遮盖，避免环境因素干扰切割丝张力。

Z轴升降机构包括升降杆4、立柱41、第三导轮42、导丝嘴43，升降杆4和第三导轮42分别安装于立柱41上，第三导轮42配合设置有导电块，导电块与高频电源连接，升降杆4由电机（或气缸等形式的驱动器）驱动器沿Z轴方向（即高度方向）伸出或收缩，升降杆4、电机（或气缸等）以及输出丝杆三者构成升降器6，导丝嘴43安装于升降杆4底部，并随升降杆4做同步高度改变，导丝嘴43连接水源，并由高压泵（图中未显示）供水，在引导切割丝的同时，配合切割喷出高压细水柱，及时高效的清除切割残渣等污渍。

优选的：导丝嘴43成对设置，分别位于工件72上方、下方，位于工件72上方的导丝嘴与升降杆4固定连接，下方的导丝嘴则安装在工作台7上方。导丝嘴43有两方面的作用：（1）引导切割丝移动路径，（2）提供纯水作为工作液进行切割面的清洗。成对设置不仅提高了位置控制精度，还提高了冲洗频次，避免残渣等污渍在切割面的滞留。

优选的，导电块成对设置，一块位于第三导轮前方（沿切割丝行进方向，位于上张力辊22与第三导轮42之间，且靠近第三导轮42），一块导电块74位于第四导轮73后方（沿切割丝行进方向，位于第四导轮73与下张力辊23之间，且靠近第四导轮73）。导电块与高频电源形成两个回路：放电回路和控制回路，高频电源采用漏级输出，可最大程度的提高电源的峰值电流，而高频电源的功放管源极采用的是浮动方式，并分别对加工信号的高端信号源和低端信号源进行隔离，最大程度上实现了理想的放电通道；同时，在高频被允许时，由信号产生火花脉冲，经推动功放管的脉冲，再由功放管产生加工脉冲，不断测量加工放电通道的间隙电压值，感知电压的变化，以此来控制放电脉冲的产生，从而形成一个电子的闭环控制回路，峰值调节则直接作用于放电回路

工作台7位于工作液槽5中，待处理工件72安装于工作台7上，待处理工件72下方安装第四导轮73，根据需要，工作液槽5中可设置滤网，以提高工作液的使用寿命。

优选的，结合图4，第一导轮21底部与丝筒11顶部水平，上张力辊22顶部与第三导轮42顶部水平，第三导轮42、导丝嘴43均位于第四导轮73正上方，第四导轮73底部与下张力辊23底部水平，切割丝在丝筒11、第一导轮21、上张力辊22、第三导轮42、导丝嘴43、第四导轮73、下张力辊23、第二导轮24形成闭合回路，丝筒11与第一导轮21之间的切割丝为水平状态，上张力辊22与第三导轮42之间的切割丝为水平状态，第三导轮42、导丝嘴43与第四导轮73之间的切割丝为竖直状态，第四导轮73与下张力辊23之间的切割丝为水平状态。

工作台7配置有光栅尺171，光栅尺171采用直线光栅尺，分辨率0.001mm，光栅尺171作为位置反馈原件，通过总线174与USB转总线模块172连接，USB转总线模块172连接通过USB线173与操作台31连接，操作台31设置脉冲方向使能，以根据光栅尺171信号启动工作台7的驱动电机（即步进电机71），改变工作台7的移动状态。光栅尺171、总线174、USB转总线模块173、USB线172、操作台31、驱动电机、工作台7形成光栅尺闭环单元17。脉冲方向使能作为触发信号，是保证电路或者器件正常工作的开关信号，并通过这个信号打开或关闭电路中的驱动电机，

操作台31与丝筒电机、高频电源、升降杆4连接，根据光栅尺171的信号，分别控制丝筒11转速与前后移动、导电块74放电状况、第三导轮42高度，以适应不同工件状态和工作台位置需求。

本装置主要由丝筒机构1、恒张力机构2、Z轴升降机构、工作台7以及光栅尺闭环系统17构成，光栅尺闭环系统的负载为光栅尺171，光栅尺171监测和定位工作台7的移动精度，再将光栅尺171的信号反馈到控制驱动系统（丝筒11、导电块74、Z轴升降机构等的驱动系统）的实时闭环回路，在光栅尺171、操作台31、各驱动系统之间建立高效的信息沟通，配合切割丝在丝筒11→第一导轮21→上张力辊22→第三导轮42→导丝嘴43→第四导轮73→下张力辊23→第二导轮24→丝筒11形成的闭合走线回路，以及导电块74的高频放电和导丝嘴43的高压细水柱冲洗，不仅提高了加工速度、减少切割丝的损耗，还避免了工件72表面的烧伤和积屑，减小放电凹坑的尺寸，有效改善切割面的表面光洁度，实现工作介质由乳化液替换为纯水，切割过程不会出现断丝和环保现象。这样一台设备成本可控制在15-20万附近，成本降低70-80%。

作为优选：

Z轴升降机构的立柱41上设置有电源控制箱16，高频电源、USB转总线模块、USB线、总线均安置于电源控制箱16中，对电源等元器件进行归置统一，避免现场线路的散乱。

Z轴升降机构的立柱41上设置有网络通讯单元15，网络通讯单元15与操作台31连接，实现操作台31数据的更新与储存。

高频电源采用3相整流或直流电源供电，以减少内阻，并配套设置滤波电容，减少交流阻抗。上述方案的高频电源可提高峰值电流，以提高加工速度。更优选的，高频电源采用高速大功率的IGBT管或多个高速MOS管，用以加大高频开关的容量，多个高速MOS管并联设置，可实现脉冲的多档调节。采用的是电阻+电容的端接阻尼解决方案，用以减少反射现象、平滑波形，最终使波形前沿的尖峰消失。

Z轴升降机构的立柱41上设置有锥度控制机构，锥度控制机构包括U轴丝杆、Ⅴ轴丝杆，U轴丝杆、Ⅴ轴丝杆由各自电机驱动，U轴丝杆、Ⅴ轴丝杆分别与工作台连接，U轴丝杆、Ⅴ轴丝杆前后移动，带动工作台7前后左右移动，即改变工作台7相对切割丝的位置，切割丝相对工件72的角度发生变化，上述结构为精密平移式小锥度结构，即实现工件72不同锥度的切割。

在锥度切割时，第三导轮42、第四导轮73可同步摇摆，使切割丝、第三导轮42、第四导轮73始终处于垂直状态，保证了加工精度和光洁度，可实现四轴联动、等锥体、任意变锥体、上下异型加工。

其中上述过程中：

1. 采样控制系统

Wire-CAXA作为智能自适应采样控制系统，可应用于Windows7 或Windows10平台上，采用PC电脑+NC控制的综合模式进行加工：操作台（PC端）负责图形处理、编程和加工控制状态的显示，NC端则执行操作台（PC端）的控制命令，并向操作台（PC端）实时反馈执行情况，两者之间采用232串口进行通讯控制信号处理以及ISO代码交换。本系统自动识别加工件的切割厚度和材质难度，实时动态调整加工状态，对放电状态有一个预判，并进行智能化的调整，科学匹配放电状态和电机进给速度，从而实现加工厚度在35-150毫米之间、不同材料组成的综合加工件的稳定高速加工，达到生产效率的最优化，减少放电过程中不稳定现象发生。

加工过程中的放电有三种波形：空载波形、正常放电波形和短路波形。实践中发现，同一材料、不同高度的工件，在正常稳定放电情况下，空载波、有效放电波和短路波的波形比例是不同的，且非常有序。

根据这个现象，创新提出了用放电波形来辅助采样的智能化自适应技术模型。模型假设：在持续放电过程中，若第一秒钟检测到的有效放电波占比70%，第二秒占比为75%，第三秒占比为80%，则可以认定放电状态趋向良好，控制驱动电机加速，提高工作台的移动速度。反之，则认为放电通道趋向恶劣，协调工作台的驱动电机降速，放慢工作台的移动速度。同时，通知电源控制箱的高频电源增加放电停息时间（脉间），达到一种动态的稳定平衡，实现自适应控制进给速度和高效加工工况的科学匹配。

2．微米级的全程动态实时测控

工作台配备光栅尺，并以光栅尺全行程实时监测工作台的运动，定位精度提高到2微米级；并让操作台（PC端）发出的每一个控制信号，在工作台上有真实的移动反馈，提高加工零件几何形状的精度等级。

其工作原理：采用分辨率为1u的差分信号，每50毫米行程一个绝对零位的光栅尺，监测和定位工作台的移动精度；然后，将光栅尺的信号反馈到USB转总线模块、操作台（PC端）等控制驱动系统的实时闭环回路，在光栅尺、控制系统（操作台、网络通讯单元等）、工作台驱动器（步进电机、高频电源）之间建立高效的信息沟通（见图5）。

用总线技术构建了各机床（如图5中所示A、B、C、D代表了四条机床）的神经元网络，可进行远程维护和自我诊断。工作人员可以设定电机转动360度的信号个数（丝杠导程），清楚了解每一根轴驱动器的工作状态，如电压、温度、电流、电机运动方向和通信速率等各种参数。

一旦出现问题，机器自行诊断，在操作台（PC端）的显示屏上出现故障诊断提示界面，报告原因所在。维护人员可远程快速发现问题，及时进行维护，或通知厂家进行售后支持，无需现场逐一测试机床元器件。

工作台等的驱动系统不但可以适用于3相6拍和5相10拍的电机类型，还可适用于直流混合步进伺服电机和交流伺服电机。同时，系统还支持大数据远程控制，操作台（PC端）可经网络通讯单元直接联网发送、接收远程文件包，即时更新控制软件，如驱动程序、高频软件和数据显示软件等，动态应用最新技术，是实现加工效率和经济效益的最优选择。

在上述方案中，配合上述控制系统的电源为高性能纳秒高频电源，脉宽范围为0.1us-127us（1us=1000ns），加工速度快，切割丝（钼丝）损耗小，工件表面光洁度好，简单易用。

（1）提高加工速度

由于能量守恒，要提高加工速度，必须提高峰值电流。提高峰值电流的措施：使用3相整流或直流电源供电，以减少内阻；同时，使用优质滤波电容，减少交流阻抗。 故采用高速大功率的IGBT管或多个高速MOS管，用以加大高频开关的容量。同时，通过程序控制，在工况合适的情况下，加快放电频率，实现加快切割速度的目标。

（2）减少切割丝损耗：加大工作电流，切割丝损耗随之增加。为减小切割丝损耗，必须对放电波形进行精准控制。

普通高频电源，放电时的波形前沿陡峭，形成过冲；后沿有负过冲，并且整个波形有严重的振铃现象。理想的加工放电波形是前沿平缓、后沿陡峭，且光滑无振铃。

一般情况下，调整波形的方法是采用无感元器件。为此，采用的是电阻+电容的端接阻尼解决方案，用以减少反射现象、平滑波形，最终使波形前沿的尖峰消失。

为能实现陡峭的下降沿波形，在波形的后沿采用MOS管导通，将电容放电，避免电解。但需注意主功率管和MOS管决不可同时导通，要留足够的死区，否则会加速MOS管的损耗。

为了防止断丝，需对放电工况进行实时监控。发生短路、不稳定放电等异常情况时，能立即反馈控制系统，以便协调处理。放电正常时，又能合理提高放电频率。因此，必须采用大容量、高速的CPU芯片，以监控放电间隙电压，并及时发送指令。

（3）改善表面光洁度

改善加工件的表面光洁度的基础：首先是避免工件表面的烧伤和积屑，其次是减小放电凹坑的尺寸。

为避免工件表面的烧伤和积屑，需设定放电时的最小间隔，实际加工时，决不能低于这个值。加工效率非常高的情况下，容易出现积屑和工件变色，此时必须要积极改善排屑，并结合实际加工结果，调校最小间隔的设定值。

在同样脉宽放电的情况下，采用多个小功率管并联，可显著改善工件表面光洁度。为便于调节光洁度，需脉宽可调，且最小脉宽需足够小。目前采用的是100NS，且放电的峰值电流有四档可调。

另外，放电波形的后沿陡峭，可以有效减小电解，使工件的变质层符合要求。

3. 放电回路

纳秒级高频电源的放电回路采用漏级输出，放电脉宽小于1微秒，与常规的线切割高频电源有着极大的不同，该模式最大可能的提高电源峰值电流；功放管源极采用的是浮动方式。为使波形上升沿平缓，使用电阻+电容阻尼进行控制。为使下降沿陡峭，使用MOS管让电容放电，防止电解。在高端的地电位采用浮动方式的情况下，还分别对加工信号的高端信号源和低端信号源进行隔离，最大程度上实现了理想的放电通道。

4. 控制回路

仅仅有放电回路还是远远不够的，还需要有控制回路予以匹配，高频电源才能正常工作。在高频被允许时，由信号产生火花脉冲，经推动功放管的脉冲，再由功放管产生加工脉冲，不断测量加工放电通道的间隙电压值，感知电压的变化，以此来控制放电脉冲的产生，从而形成一个电子的闭环控制回路。峰值调节则直接作用于放电回路。

经过以上各种设计方案和控制理论组合，纳秒级高频电源得以确定，其内核是：

（1）在两大回路（放电回路和控制回路）的基础上，生产标准化的硬件电路结构，并预留足够的通讯接口。

（2）应用32位多核CPU运算，变成一个可编程的高频电源。

（3）通过代码的改变，支持纯水加工，也可应用于电火花小孔机上。

大量的加工实践证明：

本申请的往复走丝线切割机，在一般工况情况下，稳定实现50厚的工件、在3刀（切一修二）加工后，工件表面在Ra0.7以下（第3刀放电脉宽300纳秒）；在“切一修四、共5刀”的情况下（第5刀脉宽100纳秒），工件表面可达到Ra0.5以下。均优于日常工件表面光洁度所要求的Ra0.8。

100毫米厚的工件，经本申请切割机加工后，“切一修二”的加工面纵向实测数据为Ra0.659，“切一修二”的加工面横向实测数据为Ra0.732。

在整个加工过程中，切割丝几乎是紧贴着工件，且一直保持这个状态，这对工作台的运动精度提出了更高要求；而工作台的运动精度则取决于工作台的驱动电机。为提高工作台的运动精度，一般情况下，厂家采用交流伺服电机来驱动。电机后面同轴带了360度的角度传感器（编码器），编码器等分数越多，电机在自转360度的角度定位精度越高；但编码器只能保证电机自身的旋转精度，无法保证工作台的直线运动精度，更无法让工作台实现最小单元为2微米的有效进给。

交流伺服电机自身有先天缺陷，其在零速度下没有扭矩保持，正转和反转间有震荡；且对信号反馈有迟滞效应，因此，交流伺服电机在高精度、低速度微进给时的工作状态下，其驱动性能极弱，甚至跟不上普通的反应式步进电机的性能表现。

而本申请中，工作台采用了五相混合步进伺服电机、加配光栅尺全行程闭环的驱动模式。混合伺服电机是步进电机领域的一项创新性的革命，其本身是步进电机，但增加了位置反馈器件（光电编码器或光栅尺），并采用伺服电机的控制方法，形成了良好的闭环控制系统（见图6），并支持两路位置反馈：一路接电机内部编码器反馈，另一路可接负载端外部位置反馈，负载外部位置反馈类型为光栅尺，可避免传动机构机械误差带来的位置误差，实现更精确地位置控制。

该模式通过伺服技术，提高了步进电机的高速性能，创造出了具有优异性能、且符合线切割机床的全天候应用工况环境下的驱动电机。同时，还具有以下优点：

（1）精准的位置及速度控制，能满足苛刻的工作要求；

（2）高鲁棒性的伺服控制，可适应惯性负载和摩擦负载的变化；

（3）内置高分辨率编码器，提供了精确的位置精度，最小定位的位置差（0.018度）；

（4）在全伺服模式下运行，电机的力矩可以100%加以利用。

Claims (10)

1.一种往复走丝线切割机，其特征在于：包括丝筒机构、恒张力机构、Z轴升降机构、工作液槽和工作台，

丝筒机构，包括丝筒、纵向移动支架、机床床身，纵向移动支架通过导轨活动安装于机床床身上，丝筒通过丝筒转轴安装于纵向移动支架上，并由丝筒电机驱动其运动，

恒张力机构，包括第一导轮、上张力辊、下张力辊、第二导轮、张力架，第一导轮、第二导轮固定于张力架上，上张力辊、下张力辊则活动安装于张力架上，以实现不同张力要求下相对张力架的移动，

Z轴升降机构包括升降杆、第三导轮、导丝嘴，第三导轮位于升降杆上方，并配合设置有导电块，导电块与高频电源连接，导丝嘴安装于升降杆底部，升降杆上下移动，带动导丝嘴高度改变，导丝嘴连接水源，并由高压泵供水，

工作台位于工作液槽中，待处理工件安装于工作台上，待处理工件下方安装第四导轮，

工作台配置有光栅尺，光栅尺通过总线与USB转总线模块连接，USB转总线模块连接通过USB线与操作台连接，操作台设置脉冲方向使能，光栅尺、总线、USB转总线模块、USB线、操作台、驱动电机、工作台形成光栅尺闭环单元，

操作台与丝筒电机、高频电源、升降杆连接。

2.根据权利要求1所述的一种往复走丝线切割机，其特征在于：所述第一导轮底部与丝筒顶部水平，上张力辊顶部与第三导轮顶部水平，第三导轮、导丝嘴均位于第四导轮正上方，第四导轮底部与下张力辊底部水平。

3.根据权利要求1所述的一种往复走丝线切割机，其特征在于：所述张力架上固定有上紧丝机构、下紧丝机构，上紧丝机构、下紧丝机构分别配置有滑杆，上张力辊、下张力辊通过滑杆分别与上紧丝机构、下紧丝机构连接。

4.根据权利要求1所述的一种往复走丝线切割机，其特征在于：所述Z轴升降机构上设置有电源控制箱、网络通讯单元，网络通讯单元与操作台连接，高频电源、USB转总线模块、USB线、总线均安置于电源控制箱中。

5.根据权利要求1所述的一种往复走丝线切割机，其特征在于：所述Z轴升降机构上设置有锥度控制机构，锥度控制机构包括两个丝杆，丝杆分别由各自的电机驱动，丝杆的输出端与工作台连接，丝杆前后左右移动，带动工作台的位置改变，以完成不同锥度工件的切割。

6.根据权利要求1所述的一种往复走丝线切割机，其特征在于：所述丝筒转轴与传动齿轮啮合连接，传动齿轮与联动齿轮同步，联动齿轮与主动齿轮啮合，主动齿轮由丝筒电机驱动。

7.根据权利要求1所述的一种往复走丝线切割机，其特征在于：所述导丝嘴成对设置，工件上方的导丝嘴固定于升降杆底部，工件下方的导丝嘴位于工作台上方。

8.根据权利要求1所述的一种往复走丝线切割机，其特征在于：所述导电块成对设置，一块与第三导轮配合安装，一块与第四导轮配合安装。

9.根据权利要求1所述的一种往复走丝线切割机，其特征在于：所述高频电源采用3相整流或直流电源供电。

10.根据权利要求1所述的一种往复走丝线切割机，其特征在于：所述高频电源采用IGBT管或多个高速MOS管，多个高速MOS管并联设置。

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