饒佩明，李浩洲

（江蘇冬慶數(shù)控機(jī)床有限公司，江蘇泰州225300）

往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床恒張力機(jī)構(gòu)的形式及發(fā)展趨勢(shì)

饒佩明，李浩洲

（江蘇冬慶數(shù)控機(jī)床有限公司，江蘇泰州225300）

往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床要獲得高精度、高效率、高表面質(zhì)量的切割水平，除了需要高效智能的脈沖電源外，還必須具備穩(wěn)定可靠的恒張力裝置，以保證高速往復(fù)運(yùn)行的電極絲始終保持恒定的張力。通過(guò)結(jié)構(gòu)對(duì)比，淺析了幾種恒張力控制機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀，并闡述了智能化恒張力控制技術(shù)的發(fā)展前景。

電火花線切割機(jī)床；多次切割工藝；恒張力控制；發(fā)展趨勢(shì)

加工精度、加工效率和表面粗糙度三大指標(biāo)是綜合考核、評(píng)定電火花線切割機(jī)床加工水平的重要標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際上，獲得穩(wěn)定的加工指標(biāo)是各種綜合因素的集中表現(xiàn)，但先決條件是電極絲的張力必須保持恒定。如果沒(méi)有平穩(wěn)的運(yùn)絲系統(tǒng)和恒定的張力，穩(wěn)定的放電加工就無(wú)從談起。

目前，往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床常用的張力機(jī)構(gòu)主要有：重錘式單向恒張力機(jī)構(gòu)，重錘式雙向恒張力機(jī)構(gòu)，彈簧式雙向恒張力機(jī)構(gòu)，數(shù)字式智能雙向恒張力機(jī)構(gòu)。采用哪種結(jié)構(gòu)形式來(lái)實(shí)現(xiàn)電極絲張力在微小范圍波動(dòng)、且得到有效及可靠的控制，是研究人員不斷探索和追求的目標(biāo)[1-3]。

1 重錘式單向恒張力機(jī)構(gòu)

如圖1所示，重錘式單向恒張力機(jī)構(gòu)串聯(lián)在運(yùn)絲回路中，與其他輔助導(dǎo)輪和貯絲筒構(gòu)成一個(gè)閉合的運(yùn)絲系統(tǒng)，其功能是調(diào)節(jié)閉環(huán)運(yùn)絲回路中電極絲的變化量。工作原理如下：利用移動(dòng)滑塊的重量來(lái)匹配整個(gè)運(yùn)絲系統(tǒng)中電極絲所需的張力，運(yùn)絲系統(tǒng)工作時(shí)，通過(guò)張緊導(dǎo)輪向下位移的距離來(lái)儲(chǔ)存電極絲在放電過(guò)程中產(chǎn)生的伸長(zhǎng)量，達(dá)到電極絲張力在一定周期內(nèi)始終保持恒定的目的；當(dāng)移動(dòng)滑塊降至最低位置時(shí)，則需重新復(fù)位，繼續(xù)下一個(gè)工作循環(huán)。

該機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，加工制造難度小，配重恒定，對(duì)穩(wěn)定張力有一定的作用，且成本低，便于安裝、使用和維護(hù)。存在的不足有：?jiǎn)芜厪埦o電極絲，運(yùn)絲系統(tǒng)在正反向切換時(shí)有瞬間沖擊載荷，張力不均勻，從而產(chǎn)生單邊松絲故障或斷絲，影響切割質(zhì)量，且張力機(jī)構(gòu)行程較短，停機(jī)復(fù)位次數(shù)較多。

圖1 重錘式單向恒張力機(jī)構(gòu)

2 重錘式雙向恒張力機(jī)構(gòu)

如圖2所示，重錘式雙向恒張力機(jī)構(gòu)主要由定位直線導(dǎo)軌副、移動(dòng)支架、張緊導(dǎo)輪、導(dǎo)向滑輪鋼絲繩及牽引重錘等組成。該機(jī)構(gòu)串聯(lián)在運(yùn)絲回路中，與其他輔助導(dǎo)輪和貯絲筒構(gòu)成一個(gè)閉合的運(yùn)絲系統(tǒng)，其功能是雙向調(diào)節(jié)閉環(huán)運(yùn)絲回路中電極絲的變化量，提供較穩(wěn)定的張力。

該機(jī)構(gòu)的工作原理如下：移動(dòng)支架的最右端為起始位置，運(yùn)絲系統(tǒng)工作時(shí)，支架在牽引重錘的作用下自右向左移動(dòng)，通過(guò)位移的距離來(lái)儲(chǔ)存電極絲在放電過(guò)程中產(chǎn)生的伸長(zhǎng)量，實(shí)現(xiàn)電極絲張力在一定周期內(nèi)保持恒定；當(dāng)支架移動(dòng)到左端極限位置時(shí)，則需重新復(fù)位，繼續(xù)下一個(gè)工作循環(huán)。

圖2 重錘式雙向恒張力機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：導(dǎo)向部件采用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，反應(yīng)靈敏度高，摩擦阻力小，直線運(yùn)動(dòng)性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；二個(gè)張緊導(dǎo)輪呈上下對(duì)稱分布，可實(shí)現(xiàn)雙邊同時(shí)張緊，配重恒定，張力穩(wěn)定，環(huán)境影響因素少，解決了單邊松絲問(wèn)題。存在的不足有：受機(jī)床結(jié)構(gòu)限制，安裝尺寸偏大，通用性不強(qiáng)；運(yùn)絲系統(tǒng)在正反向切換時(shí)仍存在瞬間沖擊載荷，導(dǎo)輪數(shù)量多，電極絲磨損快，加工制造要求較高，輔助環(huán)節(jié)較多，成本相對(duì)較高。

3 彈簧式雙向恒張力機(jī)構(gòu)

如圖3所示，彈簧式雙向恒張力機(jī)構(gòu)主要由固定支座、導(dǎo)向?qū)U、張緊滑塊及壓縮彈簧等組成。彈簧張力組件串聯(lián)在運(yùn)絲回路中，與其他輔助導(dǎo)輪和貯絲筒構(gòu)成一個(gè)閉合的運(yùn)絲系統(tǒng)，其功能是雙向調(diào)節(jié)閉環(huán)運(yùn)絲回路中電極絲的變化量。

該機(jī)構(gòu)的工作原理如下：移動(dòng)滑塊的最右端為起始位置，帶自鎖功能，彈簧處于儲(chǔ)能（壓縮）狀態(tài)；運(yùn)絲系統(tǒng)工作時(shí)，先解除自鎖，彈簧釋放存儲(chǔ)能量，張緊滑塊在彈簧回推力的作用下自右向左移動(dòng)，通過(guò)位移的距離來(lái)儲(chǔ)存電極絲在放電過(guò)程中產(chǎn)生的伸長(zhǎng)量，實(shí)現(xiàn)電極絲張力在一定周期內(nèi)保持恒定；當(dāng)彈簧儲(chǔ)能完全釋放、滑塊失去位移動(dòng)能時(shí)，則需重新復(fù)位，繼續(xù)下一個(gè)工作循環(huán)。

圖3 彈簧式雙向恒張力機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：彈簧式張力組件可作為一個(gè)獨(dú)立的功能部件生產(chǎn)，形成配套產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)附件，結(jié)構(gòu)緊湊，通用性和互換性強(qiáng)，適用性廣，安裝維護(hù)方便，可單個(gè)或成組使用，實(shí)現(xiàn)雙邊同時(shí)張緊功能。存在的不足有：儲(chǔ)能行程小，由于張力能量來(lái)自于彈簧的彈力，受使用時(shí)間和環(huán)境因素的綜合影響，彈簧的彈性變形量和屈服力也隨之發(fā)生變化，產(chǎn)生的張緊力不均勻，從而導(dǎo)致張緊滑塊出現(xiàn)移動(dòng)不平穩(wěn)或瞬間滯留現(xiàn)象，引發(fā)單邊松絲；另外，機(jī)構(gòu)中的張緊滑塊通過(guò)導(dǎo)桿的懸浮支撐，當(dāng)滑塊移動(dòng)到左端時(shí)（懸伸最大），易產(chǎn)生晃動(dòng)或擺動(dòng)，引起張緊輪跳動(dòng)，從而出現(xiàn)疊絲故障。

4 數(shù)字式智能雙向恒張力機(jī)構(gòu)

如圖4所示，數(shù)字式智能雙向恒張力機(jī)構(gòu)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)控制工程，除了高頻電源和控制軟件外，主要的機(jī)械結(jié)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（含伺服電機(jī)、直線導(dǎo)軌、導(dǎo)軌滑塊、滾珠絲杠等）、執(zhí)行元件（含張緊導(dǎo)輪、移動(dòng)支架、測(cè)力傳感器等）、檢測(cè)元件（含位置傳感器、測(cè)力傳感器）等組成。該機(jī)構(gòu)串聯(lián)在運(yùn)絲回路中，與其他輔助導(dǎo)輪和貯絲筒構(gòu)成一個(gè)閉合的運(yùn)絲系統(tǒng)，其功能是雙向閉環(huán)控制和實(shí)時(shí)跟蹤檢測(cè)運(yùn)絲回路中電極絲的變化量，瞬時(shí)調(diào)節(jié)、控制張力。

該機(jī)構(gòu)的工作原理如下：測(cè)力傳感器的一端與導(dǎo)軌滑塊連接，另一端與裝有上、下張緊輪的支架連接，構(gòu)成張力檢測(cè)和自動(dòng)調(diào)整的閉合回路；運(yùn)絲系統(tǒng)工作時(shí)，測(cè)力傳感器將測(cè)得的張力值轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，輸入電子控制電路并與提前輸入計(jì)算機(jī)的張力預(yù)置電信號(hào)值進(jìn)行比較，當(dāng)測(cè)力傳感器輸出的電信號(hào)小于預(yù)置值時(shí)，電子電路控制裝置內(nèi)的伺服電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)移動(dòng)支架和上、下張緊輪同時(shí)移動(dòng)，通過(guò)改變閉合環(huán)狀電極絲的長(zhǎng)度，利用電極絲彈性變形的物理特性，將張力調(diào)整到計(jì)算機(jī)預(yù)置值；反之，當(dāng)測(cè)力傳感器輸出的電信號(hào)大于預(yù)置值時(shí)，伺服電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，控制移動(dòng)支架和上、下張緊輪向相反方向移動(dòng)，使過(guò)度張緊的環(huán)狀電極絲松弛，其張力恢復(fù)至計(jì)算機(jī)預(yù)置值，從而實(shí)現(xiàn)將閉合環(huán)狀電極絲的張力實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地控制在計(jì)算機(jī)預(yù)置值附近。當(dāng)運(yùn)絲系統(tǒng)累計(jì)工作數(shù)小時(shí)后，極限位置傳感器產(chǎn)生輸出信號(hào)時(shí)，則需重新復(fù)位，繼續(xù)下一個(gè)工作循環(huán)。

圖4 智能雙向恒張力機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：張力值預(yù)置輸入，可實(shí)時(shí)跟蹤、檢測(cè)、自動(dòng)控制及調(diào)整；控制靈敏度高，響應(yīng)速度快，調(diào)整精度高，誤差小；同時(shí)，上、下張緊輪既是張力的檢測(cè)部件，又是張力的調(diào)整部件，測(cè)力傳感器既是張力值的檢測(cè)元件，又是張力值伺服控制的執(zhí)行元件。存在的不足有：結(jié)構(gòu)精密，涉及面廣，技術(shù)含量高，需機(jī)械、電控、軟件等高度結(jié)合，研發(fā)周期長(zhǎng)，制造成本高。

5 結(jié)論

通過(guò)上述幾種恒張力機(jī)構(gòu)的對(duì)比分析，可得出以下結(jié)論：

（1）重錘式單向恒張力機(jī)構(gòu)常用于工件厚度較小、切割指標(biāo)要求不高的場(chǎng)合，早期在普通往復(fù)走絲型電火花線切割機(jī)床上應(yīng)用較多，隨著產(chǎn)品的發(fā)展和技術(shù)更新，應(yīng)用范圍越來(lái)越窄。

（2）重錘式雙向恒張力機(jī)構(gòu)和彈簧式雙向恒張力機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用在具有多次切割功能的往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床（俗稱“中走絲機(jī)床”）上，成為目前“中走絲機(jī)床”標(biāo)配的主流功能部件，能提供較穩(wěn)定的張力，并滿足多次切割工藝，提高了零件的加工精度和表面質(zhì)量。

（3）數(shù)字式智能雙向恒張力機(jī)構(gòu)是張力控制技術(shù)拓展研發(fā)的創(chuàng)新，它集數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化為一體，是一種高性能、高可靠性的控制系統(tǒng)，徹底打破了傳統(tǒng)的配重張緊和人工干預(yù)模式，變復(fù)雜控制為智能輸入，能提供穩(wěn)定、可靠、精確的恒定張力，是名副其實(shí)的智能型恒張力技術(shù)。

數(shù)字式智能雙向恒張力控制技術(shù)相繼在國(guó)內(nèi)多個(gè)知名品牌的“中走絲機(jī)床”上獲得應(yīng)用，突破了一致性尺寸誤差、表面粗糙度、電極絲損耗等多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的瓶頸，實(shí)現(xiàn)了高精度、高效率、高一致性的加工要求。目前，割一修二的加工指標(biāo)為：最佳表面粗糙度Ra≤0.6 μm，最低絲耗0.01 mm/500 000 mm2，一致性尺寸誤差≤0.005 mm/50件，最大加工效率突破300 mm2/min，主要加工指標(biāo)接近單向走絲電火花線切割機(jī)床的切割水平。相信該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和推廣應(yīng)用，將大幅提升往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床的技術(shù)含量，推動(dòng)“中走絲機(jī)床”向高端智能化方向發(fā)展。

[1] 朱寧，葉軍，韓福柱，等.電火花線切割加工技術(shù)及其發(fā)展動(dòng)向[J].電加工與模具，2010（增刊）：53-59.

[2] 劉志東，潘陽(yáng)，李謝峰，等.往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床工藝特點(diǎn)及現(xiàn)狀[J].電加工與模具，2012（6）：60-64.

[3] 王忠偉，王斌修.往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床張絲系統(tǒng)的研究[J].電加工與模具，2013（5）：63-65.

The Type and Its Trend of Constant Tension Control Mechanism on Wire Electrical Discharge Machines

RAO Peiming，LI Haozhou
（Jiangsu Dongqing CNC Machine Tool Co.,Ltd.，Taizhou 225300，China）

To obtain high precision,high efficiency and high surface quality workpiece，in addition to efficiency and intelligent pulse power supply，reciprocating traveling wire electrical discharge machine must also have stable and reliable constant tension control mechanism，so that wire reciprocating traveled retain always constant tension.By contrast experiments，the characteristics and application status of several constant tension control mechanisms are analyzed，and the prospect of the intelligent tension control technology is expouded.

wire electrical discharge machine；multi cutting process；constant tension control；development trend

TG661

A

1009－279X（2017）03－0068-03

2017-04-10

饒佩明，男，1966年生，工程師。