基于圓柱凸輪機構的線切割走絲系統設計與實現

齊文春，高堅強，郭麗華，黃 鶯

QI Wen-chun1,GAO Jian-qiang2,GUO Li-hua1,HUANG Ying1

（1.蘇州科技學院 機械工程學院，蘇州 215009；2.蘇州新火花機床有限公司，蘇州 215128）

0 引言

國產往復走絲線切割機床發展至今已有四十幾年的歷史，盡管目前仍占有較高的市場份額，但其銷售利潤很低，面臨的挑戰日益嚴重[1]。如何破解這一難題是一個系統工程問題，其中走絲系統的“頻繁換向”制約了加工精度的提高，使得往復走絲線切割機床只能滿足低端市場需求，就是一個必須引起關注的重要因素。

1 往復走絲線切割機床新型走絲系統的方案設想

國產往復走絲線切割機床之所以出現“頻繁換向”的問題，是因為采用了單絲筒結構單層繞絲的走絲方案，通常一次上絲的長度是200～300m，如果按10m/s的走絲速度，則最多運行30s就要換向，由于換向的瞬間走絲速度為零，為了避免斷絲，換向時需要暫停3～4s的放電時間，這樣，一方面會產生換向條紋，影響加工精度[2,3]，另一方面至少有10%以上的非加工時間，使加工效率受到損失，一次上絲的長度越短，效率損失越大。

為了解決“頻繁換向”問題，本文提出了“雙絲筒結構多層繞絲”的走絲方案。表1是“雙絲筒多層繞絲”與“單絲筒單層繞絲”方案對比。在該方案中，出廠狀態的一盤電極絲不管多長都可以一次性繞到儲絲筒上，電極絲長度越長，單向走絲的時間也越長，理論上，這種方案的儲絲筒可以滿足無限長度電極絲的儲絲要求。

目前，出廠狀態的電極絲長度一般為2000-3000m，生產廠家可以根據客戶需要將電極絲制成30000m以上，在采用雙絲筒多層繞絲的走絲方案后，可以使電極絲走絲時的“換向頻率”較大幅度地降低，同時有效地提高了在線加工時間、減少電極絲上絲時的浪費。在采用多次切割技術方案時，目前的“中走絲”機床最后一刀精修切割的走絲速度已經可以降到0.5m/s[4]，只要選用足夠長的電極絲，對于一般的加工零件，最后一次切割時基本上可以做到不用換向，也就是實現單向走絲切割，不存在換向條紋問題，為加工精度的提高建立了一個良好的走絲系統平臺。同時，由于雙絲筒多層繞絲的走絲系統仍然采用往復走絲方案，電極絲反復使用的性質并沒用變化，因此，其運行費用依然保持往復走絲線切割機床所特有低成本的特征。

2 雙絲筒多層繞絲新型走絲系統的運動方案設計

在雙絲筒結構多層繞絲的走絲方案中，該走絲系統由兩套儲絲筒機構和兩套排絲機構組成，要實現“多層繞絲”和“往復走絲”兩個功能，其必要條件就是必須做到在兩個儲絲筒中間運行路徑之間的電極絲長度在運行過程中不變，以確保瞬間的走絲速度不變。實現這一基本條件的方案有很多，圖1是滿足這一基本條件實施方案之一的雙絲筒多層繞絲新型走絲系統的方案原理圖。

圖1 是雙絲筒多層繞絲走絲系統的方案原理圖

如圖1所示，在該方案中，新型走絲系統由兩套儲絲筒機構和兩套排絲機構組成，儲絲筒機構由電機帶動儲絲筒只作旋轉運動，排絲機構由儲絲筒電機通過減速器帶動排絲凸輪做旋轉運動使排絲導輪作平行于儲絲筒軸線的往復直線運動，實現對電極絲在儲絲筒上的排絲和多層繞絲。兩套儲絲筒機構中，有一套儲絲筒起卷絲筒的作用，電極絲的走絲速度由該儲絲筒的驅動電機轉速決定；另一套儲絲筒起放絲筒的作用，該儲絲筒的驅動電機產生一個反向力矩使電極絲拉緊，電極絲的張緊力大小由該電機控制。

電極絲從儲絲筒1經排絲機構、機床線架、加工區連接到儲絲筒2的路徑中，為了使排絲導輪作直線運動時其位置的變化不引起兩排絲機構之間的電極絲長度發生變化，在排絲機構中增設了一個平衡導輪。由排絲凸輪軸通過齒輪副帶動平衡凸輪作旋轉運動，然后通過凸輪機構帶動該平衡導輪作與排絲導輪移動方向相反的往復直線運動。

如圖1所示，由于排絲導輪移動位置變化會使電極絲伸長或縮短的量是單邊的，而平衡導輪移動位置變化使電極絲伸長或縮短的量是雙邊的，設齒輪副傳動比為1：1，控制平衡導輪的行程是排絲導輪的行程1/2，平衡導輪的移動就可以補償因排絲導輪移動位置變化而產生的電極絲長度變化量，從而達到在運絲過程中保持電極絲的長度不發生變化。為了便于排絲機構的合理布置和電極絲運動方向和路徑的改變需要，在該排絲機構中，還設置了其他若干導輪或導輪組，具體情況要根據走絲機構的結構方案而定。

3 雙絲筒多層繞絲新型走絲系統的圓柱凸輪機構設計

3.1 雙絲筒多層繞絲新型走絲系統的設計要求

樣機設計時，儲絲筒儲存電極絲長度最大值取為3000m，電極絲直徑規格為0.20mm，電極絲的排絲間距為0.22mm，排絲均勻，設儲絲筒一層排500圈，儲絲筒容絲槽寬為110mm，設儲絲筒容絲槽最小直徑設為φ120mm，最大直徑設為φ130mm，則儲絲筒最多可繞25層至少4000m以上電極絲，滿足設計要求。

由于電機驅動儲絲筒轉動并通過減速器帶動圓柱凸輪作旋轉運動，儲絲筒一層排500圈，儲絲筒旋轉500圈，凸輪只需轉動180°，即0.5圈，故減速器的減速比應為1000：1。設電極絲的走絲速度范圍0.2m/s～12m/s，經計算圓柱凸輪的轉動速度范圍為0.032r/min～1.91r/min，屬于低速，圓柱凸輪只需帶動排絲導輪或平衡導輪作往復直線運動，導輪只承受電極絲的拉緊力，屬于輕載范圍，因此，其使用場合適合于圓柱凸輪機構[5]。排絲導輪的移動行程與儲絲筒容絲槽寬尺寸一致，平衡導輪的移動行程取排絲導輪移動行程的1/2，兩從動件行程起點位置則分別處于各自圓柱凸輪理論輪廓曲線中對角方位極限位置且兩從動件瞬時運動方向相反。

3.2 圓柱凸輪機構的輪廓曲線設計

3.2.1 排絲導輪直動從動件運動規律設計

在該系統中，排絲導輪作為圓柱凸輪的直動從動件，其作用是帶動排絲導輪進行均勻排絲，因此，要求直動從動件的運動規律是作等速運動，但等速運動的缺陷是會產生剛性沖擊。為了改善這一特性，直動從動件的運動以等速運動規律為主體，在行程的起始點和終止點用加速和減速運動規律來組合。

根據走絲系統的排絲運動基本要求，排絲導輪的往復運動行程是110mm，設凸輪平均圓柱體直徑為φ125mm，長140mm，滾子半徑為φ10mm，在行程的起始點和終止點的2mm范圍內以圓弧曲線作為加速和減速的運動規律曲線，在106mm的主行程采用等速運動規律進行組合，壓力角α設計為α≤30°，排絲導輪從動件運動規律以及凸輪的運動輪廓曲線用作圖法進行設計。如圖2所示為排絲導輪直動從動件圓柱凸輪設計原理圖。設計步驟如下：

1）以2πR為底邊邊長表示圓柱凸輪展開后的圓柱面弧長作為橫坐標，用φ表示，以從動件的運動行程作為縱坐標，用s表示；

2）將圓柱面弧長分成若干等分，將從動件行程的起始點和終止點的2mm圓柱凸輪轉角為7°處劃分為等速運動和加減速運動的組合運動交點，如圖2（c）所示，圖中1、10、12、21點就是組合運動交點，11和22點是行程的起始點和終止點；

圖2 排絲導輪直動從動件圓柱凸輪設計原理圖

3）作1、10點及12、21點的直線連接線代表從動件的等速運動規律，通過10、11、12三點及1、21、22三點作圓弧曲線作為從動件的加減速運動規律，就得到了如圖2（c）所示排絲導輪直動從動件的運動規律曲線。

從行程起點至行程2mm處的1點加速運動，1點至10點為等速運動規律，從10至11點的行程終點減速，11點的行程終點至12點返程2mm處加速，12至21點等速運動，21至22點做減速運動回到起點。在作等速運動時，儲絲筒轉動1圈，直動從動件移動0.22mm，在行程的起點和終點附近作加減速運動時，儲絲筒轉動1圈，直動從動件平均移動0.206mm，對φ0.18～0.20mm的電極絲不影響排絲，因此，該直動從動件的運動規律曲線可以滿足要求。這種運動規律具有運動平穩、沖擊小、速度變化連續、動力性好等特點。

3.2.2 排絲導輪直動從動件的圓柱凸輪輪廓曲線設計

1）以2πR為底邊作一矩形表示圓柱凸輪展開后的圓柱面，如圖2（b）所示，圓柱面的勻速回轉運動就變成了展開面的橫向等速直線運動，且υ=ωR；

2）將展開面的底邊沿-υ方向分成與從動件運動規律曲線對應的等分；得反轉后從動件的一系列位置；

3）在這些位置上量取相應的位移量s，得1’、2’、3’、···、20’、21’、22’若干點，將這些點光滑連接得展開面的理論輪廓曲線；

4）以理論輪廓曲線上各點為圓心，以滾子半徑為半徑，作一系列的滾子圓，并作滾子圓的上、下兩條包絡線即為凸輪的實際輪廓曲線。

根據直動從動件的運動規律曲線，采用作圖法設計空間圓柱凸輪的輪廓曲線，直觀方便，設計工作量小，避免了復雜的計算過程，在本案例中成功地得到應用，是一種非常實用的設計方法。

圖2（a）所示是以排絲導輪為直動從動件的圓柱凸輪機構各構件之間的運動關系原理示意圖。圖中直動從動件處于行程的起始點位置，當圓柱凸輪作順時針旋轉時，帶動從動件作直線運動，排絲導輪與從動件剛性連接為一體，從而使排絲導輪作往復直線運動。在排絲過程中，在2～108mm的主體移動行程中，排絲導輪作等速運動，在距離行程的起始點和終止點的2mm范圍內，排絲導輪作加速或減速運動。

3.2.3 平衡導輪直動從動件的圓柱凸輪輪廓曲線設計

平衡導輪的移動行程是55mm，以平衡導輪作為直動從動件的圓柱凸輪，其旋轉方向與排絲凸輪方向相反轉速相同，平衡導輪的移動方向與排絲導輪相反，起始點的端點位置不同，因此，以平衡導輪作為從動件的圓柱凸輪理論輪廓曲線與以排絲導輪作為從動件的圓柱凸輪理論輪廓曲線及運動規律相似，只是行程只有后者的1/2。如圖3所示為平衡導輪直動從動件圓柱凸輪設計原理圖。由于設計原理及方法相同，具體設計過程在此不再敘述。

圖3 平衡導輪直動從動件圓柱凸輪設計原理圖

4 結論

1）采用雙絲筒多層繞絲方案的往復走絲線切割機床新型走絲系統可以一次性儲存幾千米以上長度的電極絲，大大地延長單向走絲切割時間，為解決往復走絲線切割機床的“換向條紋”、提高加工精度及加工效率提供了一個非常有效的走絲系統平臺。

2）這種新型走絲系統采用空間圓柱凸輪機構來實現排絲運動，由于排絲導輪質量輕，相對于儲絲筒作旋轉運動同時又作軸線移動的走絲機構來說，可以減輕電機的負載，同時也有助于減少機械系統對電極絲在走絲過程的干擾，有助于走絲平穩。

3）由于排絲導輪負載小，運行速度低，空間圓柱凸輪機構在該系統中具有較好的適用性和可操作性。

4）為了滿足直動從動件要求作均勻等速運動規律，又要避免排絲過程中產生太大的沖擊，直動從動件的運動規律設計采用主運動為勻速運動規律，在行程的起始點和終止點以圓弧曲線作加減速運動規律相組合的設計原則，這種運動規律具有運動平穩、沖擊小、速度變化連續、動力性好等特點。

5）根據走絲系統的運動特征要求，采用作圖法設計了直動從動件的運動規律曲線及空間圓柱凸輪的輪廓曲線，這種方法直觀方便，設計工作量小，避免了復雜的計算過程，在本案例中成功地得到應用，是一種非常實用的設計方法。

[1]葉軍.2012年我國電加工機床行業產品銷售情況分析[J].電加工與模具,2013增刊(1)：6-10,21.

[2]劉志東.高速走絲電火花線切割機床多次切割的實現[J].中國機械工程,2007(20)：2410-2413.

[3]齊文春,等.基于多次切割工藝的第一次切割參數優化策略研究[J].電加工與模具,2012(3)：50-53.

[4]劉志東.高低雙速走絲電火花線切割工藝試驗研究[J].中國機械工程,2010(9)：1025-1028.

[5]朱理.機械原理[M].北京：高等教育出版社(第二版)，2010.4