中速走丝电火花线切割机床的设计与开发

赵琳

摘 要：电火花线切割主要是以高速走丝和低速走丝为主，近些年逐步兴起了中速走丝电火花线切割机床，越来越成为市场新的主力。该设计的中走丝机床的机械设计部分主要包括走丝机构和工作台进给系统的设计。走丝机构采用电动机直接带动丝筒旋转将钼丝缠绕的方式，为了保证绕丝的准确和稳定，在设计的时候尽量减少零件的数量和提高零件的精度。由齿轮和联轴器带动丝杠做往复运动，由电机驱动，从而将电机的旋转运动转换成了来回的直线运动。走丝机构的控制采用PLC方式，运用行程开关控制电机的正反转。工作台控制的方式设计上采用了价格比较低廉的单片机，通过单片机来控制机床工作台的运动。该设计中单片机的芯片选取了MCS-51系列，这种型号的芯片的可扩展性好，通用性好，适合我国机床行业质优价廉的发展特点。

关键词：电火花线切割 滚动轴承 单片机 可编程控制器

中图分类号：TG48 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）04（a）-0066-02

中速走丝电火花线切割机床的结构大致包含以下几点：走丝机构和工作台进给系统的设计及其控制部分的设计等等。首先要对机床的原理特征和每个零部件的结构进行详细了解，进而确定好线切割机床的结构参数及其零件选型。第二，根据确定的参数来确定机床的整体方案，当然，这个设计的方案要随着不同的实际情况进行必要的整改。零件选型的过程中要切实根据实际情况计算得出。最后是对中速走丝电火花线切割机床控制部分的设计与开发。中速走丝机床要求的精度并不是太高，因此在保证精度足够的前提下可以适当地简化结构设计，降低成本。另外，国内外很多的此类车床大多采用了开环控制并取得了很好的效果。因此，该控制系统决定选用”开环控制、步进伺服”的方式。

1 走丝机构的设计

中速走丝机构就是以介于高速和低速之间的中速带动电极丝进行往返运动，电极丝环绕在线盘上，走丝机构主要应该满足以下几个方面的需求。

（1）线盘在发生转动的过程中，径向和轴向发生跳动的量尽可能减小。（2）快速走丝机构的线盘在转动的过程中，必要的轴向移动可以确保电极丝在线盘上排列整齐。（3）走丝机构本身是绝缘体，床身也是绝缘体。（4）线盘能够实现正向和反向的旋转，速度保持在7～12 m/s。（5）相应的丝杠等传动装置要加润滑油。

对于电机的选择，为了保证工件的加工精度，即电极丝必须能稳定移动和整齐排绕，所以对电机的要求比较高。为了确保排丝位置的准确性以及排丝的效率，电机的启动和制动都要保证快速，转动速度较高；不同尺寸的钼丝，要求使用不同的转矩和转速，这需要电机在选择的时候保证电机的调节性能较好，基于不同的控制信号会有不同的信号反馈，从而保证每种类型的信号都能迅速而又准确地执行；考虑到走丝机构的质量小、转速要求高，故选用高转速且功率较小的电动机。

对于联轴器的选择，分析丝筒轴和电机轴的工作环境可得，走丝机构是在做往复直线运动，并且换向比较频繁，在换向的过程中，电机轴和丝筒轴同时对联轴器施加一个方向相反的剪切力。根据以上条件，查询《机械课程设计手册》可选用弹性柱销联轴器。弹性柱销联轴器由于惯性力矩小、换向较平稳且结构简单、无金属撞击声，可减小对丝筒中心轴的冲击。

对于轴承的选型，分析轴承的工作环境可知，中间轴和丝筒工作时只受扭剪切力和转力的作用，而在轴向上不受力。又因为轴的转动速度很高，因此我们决定选用单列深沟球轴承。深沟球轴承的承载较大，耐用，易于安装而且还适宜高速运转且无需保养。

2 电路控制部分的设计

线路工作过程如下：首先按下开始按钮，这时候工作台向前进，达到预计的行程后，按下按钮使得动断触点断开，切断接触器，按下按钮使得动合触电闭合，使得反向接触器得电，工作台就能够实现反向运行。

对于电器元件的选型，主要从以下几个方面来考虑：（1）继电器本质上讲就是用小电流去控制大电流的一种开关，因此能够在电路中起着保护和转换电路的作用。（2）在不大于1 200 V的低压电器中工作的接触器属于控制类电器。该次选用TKC1的交流接触器较为合适，这种接触器适合在50 Hz的频率、800 A以下的电流、660 V以下的电路中。（3）行程开关的选型，该次设计采用XZ-8/107型的行程开关。

3 工作台进给系统的设计

3.1 机械部分结构设计

为了便于快速加工工件，设计的工作台结构必须能够满足准确、快速装夹工件的要求。加工过程中，工作台通常采用的是滑枕结构，因为这样的机构能够避免钼丝以及丝架的悬臂部分在移动的过程中不轻易和其他的部件发生碰撞。丝架的上悬臂梁和下悬臂梁分别在悬臂的上边和下面，钼丝从中间位置沿着垂直方向穿过。它的机械结构主要包括：方向导轨、滚珠丝杠、电机、轴承和工作台。

3.2 电路控制部分的设计

脉冲电源的主要作用就是将现有的50 Hz的交流电转化为高达数百兆赫兹的高频单向脉冲电源，即能够为电火花线切割机提供不同脉宽的脉冲。

高频脉冲电源电路是其该线切割机床的主要控制系统，该高频脉冲电源的正负极分别接在被加工的工件上和电极丝上，而工件通过放电被侵蚀的外形主要是靠工作液的导电来完成的，进而可以得到需要的形状。

主振电路、脉宽调节电路、功率放大电路和整流电路等构成了高频脉冲电路。其中，主振电路主要是有数字振荡、模拟振荡电路和分立元件电路构成。现实中一般还是采用过去的早期电路，控制部分一直以来都是机床改造的侧重点，微机控制系统的标配一般包含键盘、LCD（LED）显示器等。

机电一体化数字控制系统主要控制的是各种机床，其系统主要包含硬件和软件两大系统。数控系统的硬件组成是以单片机为基础，谈到单片机，其主要包括运算、控制电路，存储器、计时器等，单片机除了将部分电路整合在一起之外，其他的电阻、电容等都是以散件的形式出现，故使用时通常需要增加外围芯片。一般而言，加入单片机都是为了满足特定的需要而设计的，是一种为实现特定目的组建的应用系统。

4 结语

该文主要是从机械部分和控制结构两大部分介绍了中速走丝电火花线切割机床的设计与开发。其中，机械部分主要为数控机床对被加工工件进行加工操作，主要是将被加工工件放在工作台上，在台面上的工件能够进行X、Y两个方向的运动，同时台面上方的螺纹孔也能够起到很好的紧固作用；通过导轨副能够保证滚动直线有效稳定地运行，还对联轴器、轴承和电机等进行了选择。对于控制结构的设计主要是走丝机构和X、Y方向工作台的设计，高频脉冲电源电路是其该线切割机床的主要控制系统，该高频脉冲电源的正负极分别接在被加工的工件上和电极丝上，而工件通过放电被侵蚀的外形主要是靠工作液的导电来完成的，进而可以得到需要的形状。中速走丝电火花线切割机床在国内的中低端市场中有较为重要的地位，在模具和零件加工行业都有着重要应用，我们必须在吸收国外优秀成果的同时，扬长避短，去粗取精，为中速走丝机床的发展打下基础。

参考文献

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