中速走絲電火花線切割機床的設計與開發

趙琳

摘 要：電火花線切割主要是以高速走絲和低速走絲為主，近些年逐步興起了中速走絲電火花線切割機床，越來越成為市場新的主力。該設計的中走絲機床的機械設計部分主要包括走絲機構和工作臺進給系統的設計。走絲機構采用電動機直接帶動絲筒旋轉將鉬絲纏繞的方式，為了保證繞絲的準確和穩定，在設計的時候盡量減少零件的數量和提高零件的精度。由齒輪和聯軸器帶動絲杠做往復運動，由電機驅動，從而將電機的旋轉運動轉換成了來回的直線運動。走絲機構的控制采用PLC方式，運用行程開關控制電機的正反轉。工作臺控制的方式設計上采用了價格比較低廉的單片機，通過單片機來控制機床工作臺的運動。該設計中單片機的芯片選取了MCS-51系列，這種型號的芯片的可擴展性好，通用性好，適合我國機床行業質優價廉的發展特點。

關鍵詞：電火花線切割 滾動軸承 單片機 可編程控制器

中圖分類號：TG48 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）04（a）-0066-02

中速走絲電火花線切割機床的結構大致包含以下幾點：走絲機構和工作臺進給系統的設計及其控制部分的設計等等。首先要對機床的原理特征和每個零部件的結構進行詳細了解，進而確定好線切割機床的結構參數及其零件選型。第二，根據確定的參數來確定機床的整體方案，當然，這個設計的方案要隨著不同的實際情況進行必要的整改。零件選型的過程中要切實根據實際情況計算得出。最后是對中速走絲電火花線切割機床控制部分的設計與開發。中速走絲機床要求的精度并不是太高，因此在保證精度足夠的前提下可以適當地簡化結構設計，降低成本。另外，國內外很多的此類車床大多采用了開環控制并取得了很好的效果。因此，該控制系統決定選用”開環控制、步進伺服”的方式。

1 走絲機構的設計

中速走絲機構就是以介于高速和低速之間的中速帶動電極絲進行往返運動，電極絲環繞在線盤上，走絲機構主要應該滿足以下幾個方面的需求。

（1）線盤在發生轉動的過程中，徑向和軸向發生跳動的量盡可能減小。（2）快速走絲機構的線盤在轉動的過程中，必要的軸向移動可以確保電極絲在線盤上排列整齊。（3）走絲機構本身是絕緣體，床身也是絕緣體。（4）線盤能夠實現正向和反向的旋轉，速度保持在7～12 m/s。（5）相應的絲杠等傳動裝置要加潤滑油。

對于電機的選擇，為了保證工件的加工精度，即電極絲必須能穩定移動和整齊排繞，所以對電機的要求比較高。為了確保排絲位置的準確性以及排絲的效率，電機的啟動和制動都要保證快速，轉動速度較高；不同尺寸的鉬絲，要求使用不同的轉矩和轉速，這需要電機在選擇的時候保證電機的調節性能較好，基于不同的控制信號會有不同的信號反饋，從而保證每種類型的信號都能迅速而又準確地執行；考慮到走絲機構的質量小、轉速要求高，故選用高轉速且功率較小的電動機。

對于聯軸器的選擇，分析絲筒軸和電機軸的工作環境可得，走絲機構是在做往復直線運動，并且換向比較頻繁，在換向的過程中，電機軸和絲筒軸同時對聯軸器施加一個方向相反的剪切力。根據以上條件，查詢《機械課程設計手冊》可選用彈性柱銷聯軸器。彈性柱銷聯軸器由于慣性力矩小、換向較平穩且結構簡單、無金屬撞擊聲，可減小對絲筒中心軸的沖擊。

對于軸承的選型，分析軸承的工作環境可知，中間軸和絲筒工作時只受扭剪切力和轉力的作用，而在軸向上不受力。又因為軸的轉動速度很高，因此我們決定選用單列深溝球軸承。深溝球軸承的承載較大，耐用，易于安裝而且還適宜高速運轉且無需保養。

2 電路控制部分的設計

線路工作過程如下：首先按下開始按鈕，這時候工作臺向前進，達到預計的行程后，按下按鈕使得動斷觸點斷開，切斷接觸器，按下按鈕使得動合觸電閉合，使得反向接觸器得電，工作臺就能夠實現反向運行。

對于電器元件的選型，主要從以下幾個方面來考慮：（1）繼電器本質上講就是用小電流去控制大電流的一種開關，因此能夠在電路中起著保護和轉換電路的作用。（2）在不大于1 200 V的低壓電器中工作的接觸器屬于控制類電器。該次選用TKC1的交流接觸器較為合適，這種接觸器適合在50 Hz的頻率、800 A以下的電流、660 V以下的電路中。（3）行程開關的選型，該次設計采用XZ-8/107型的行程開關。

3 工作臺進給系統的設計

3.1 機械部分結構設計

為了便于快速加工工件，設計的工作臺結構必須能夠滿足準確、快速裝夾工件的要求。加工過程中，工作臺通常采用的是滑枕結構，因為這樣的機構能夠避免鉬絲以及絲架的懸臂部分在移動的過程中不輕易和其他的部件發生碰撞。絲架的上懸臂梁和下懸臂梁分別在懸臂的上邊和下面，鉬絲從中間位置沿著垂直方向穿過。它的機械結構主要包括：方向導軌、滾珠絲杠、電機、軸承和工作臺。

3.2 電路控制部分的設計

脈沖電源的主要作用就是將現有的50 Hz的交流電轉化為高達數百兆赫茲的高頻單向脈沖電源，即能夠為電火花線切割機提供不同脈寬的脈沖。

高頻脈沖電源電路是其該線切割機床的主要控制系統，該高頻脈沖電源的正負極分別接在被加工的工件上和電極絲上，而工件通過放電被侵蝕的外形主要是靠工作液的導電來完成的，進而可以得到需要的形狀。

主振電路、脈寬調節電路、功率放大電路和整流電路等構成了高頻脈沖電路。其中，主振電路主要是有數字振蕩、模擬振蕩電路和分立元件電路構成。現實中一般還是采用過去的早期電路，控制部分一直以來都是機床改造的側重點，微機控制系統的標配一般包含鍵盤、LCD（LED）顯示器等。

機電一體化數字控制系統主要控制的是各種機床，其系統主要包含硬件和軟件兩大系統。數控系統的硬件組成是以單片機為基礎，談到單片機，其主要包括運算、控制電路，存儲器、計時器等，單片機除了將部分電路整合在一起之外，其他的電阻、電容等都是以散件的形式出現，故使用時通常需要增加外圍芯片。一般而言，加入單片機都是為了滿足特定的需要而設計的，是一種為實現特定目的組建的應用系統。

4 結語

該文主要是從機械部分和控制結構兩大部分介紹了中速走絲電火花線切割機床的設計與開發。其中，機械部分主要為數控機床對被加工工件進行加工操作，主要是將被加工工件放在工作臺上，在臺面上的工件能夠進行X、Y兩個方向的運動，同時臺面上方的螺紋孔也能夠起到很好的緊固作用；通過導軌副能夠保證滾動直線有效穩定地運行，還對聯軸器、軸承和電機等進行了選擇。對于控制結構的設計主要是走絲機構和X、Y方向工作臺的設計，高頻脈沖電源電路是其該線切割機床的主要控制系統，該高頻脈沖電源的正負極分別接在被加工的工件上和電極絲上，而工件通過放電被侵蝕的外形主要是靠工作液的導電來完成的，進而可以得到需要的形狀。中速走絲電火花線切割機床在國內的中低端市場中有較為重要的地位，在模具和零件加工行業都有著重要應用，我們必須在吸收國外優秀成果的同時，揚長避短，去粗取精，為中速走絲機床的發展打下基礎。

參考文獻

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