数控切割机床度剖析及软件补偿方式

数控切割机床度剖析及软件补偿方式 文章来源：中国切割机网

　　　快走丝电火花线切割机床的加工精度是一个综合问题，除了机床本身因素（包括机械系统和控制系统）的影响外，加工机理、工艺方法等也都有影响。本文将对快走丝线切割机床的各个部分进行分析，归纳出加工误差的影响因素，总结出能用软件补偿的误差项目，并说明补偿的原理。
　　1加工精度的影响因素
　　快走丝线切割机床一般是开环控制，对于开环系统来说，加工精度与从零件编程输入到加工完成的整个过程有关，应在机床、电极丝、夹具、工件所组成的工艺系统中和电源、控制板、软件组成的控制系统中进行研究。零件的加工精度归根结底应由工件和刀具的位置及它们之间相对运动的准确性决定。对于快走丝线切割机床来说，影响刀具（[url=http://www.chilun.org/new_view.asp?id=2665]以汽车刀具为突破口提高复杂刀具国产化率[/url]）和工件之间位置和相对轨迹的主要因素应为：机床工作台的几何运动精度和定位精度；电极丝运行的稳定性；工艺系统的应力变形及其它误差。
　　1.1机床工作台的几何运动和定位精度的影响因素要使数控机床工作台运动，需经过下面的过程：数控机床工作过程这个过程就是要将加工程序变成机床工作台的准确运动。其影响因素如下：
　　1.1.1编程误差
　　线切割机床一般都支持直线和圆弧加工指令，所以非圆曲线要用直线或圆弧去逼近，用直线段模拟曲线形状。上下异形面加工时，目前通用的办法是将包括圆在内的曲线线形化后再加工。这个过程将带来逼近误差。
　　如此编好的程序是零件的几何轮廓，应进行加工半径和放电间隙的补偿计算，得到电极丝实际运行轨迹。实际放电间隙与程序选定间隙的差别及实际放电间隙在加工过程中的变化会产生放电间隙误差，影响加工精度。三维加工时，刀补的近似算法误差也会带来一定影响。
　　1.1.2控制误差
　　确定刀具的运行轨迹后，控制系统要将其变为正确的加工命令，即通过插补变成驱动电动机的脉冲指令。插补就是用插补段逼近零件轮廓，插补算法不同插补误差也不同。
　　插补段是机床的脉冲当量，脉冲当量越小，插补精度越高。在数据处理时，把小数圆整成脉冲数时，会产生圆整误差。
　　1.1.3机械系统误差
　　机床要按控制指令准确运动。加工指令经放大后驱动步进电动机转动，通过丝杠、螺母带动工作台直线运动，所以步进电动机的步距角误差会影响工作台运动和定位精度。
　　工作台丝杠、螺母的螺距制造误差及磨损影响步距精度。丝杠螺母的配合间隙在进给方向变化时产生反向间隙误差。
　　导轨的制造精度及磨损直接影响工作台的直线运动精度，尤其是导轨在水平面内的直线度，将直接影响工件的尺寸和形状精度。
　　1.2电极丝空间位置与运行稳定性的影响因素
　　电极丝是线切割机床的刀具，它本身较细，通常不超过0.2mm，刚度很差，而且以6～10ms的高速度运行，其稳定性是加工精度的主要影响因素。
　　体现了机床各部分对电极丝运行稳定性的影响。具体说明如下。线切割机床机械系统构成：1.2.1运丝机构几何精度
　　运丝机构包括线架、导轮和储丝筒。导轮的制造精度和安装精度影响导轮的回转精度，进而影响电极丝在空间的位置。
　　导轮轴承间隙会产生导轮的径向跳动，降低导轮的回转精度。
　　上下导轮的距离影响电极丝的刚度。距离越近，刚度越好，振动越小。目前新型线切割机床能根据工件厚度调节电极丝上下导向器的距离，使之距离小，而且采用慢走丝的导丝嘴设计，减少加工误差。
　　若上、下线架结构不对称，当电极丝运行方向相反时，产生电极丝张力不均而降低加工精度。
　　储丝筒制造及安装精度产生电极丝张力不均，再由于加工过程中电斥力的作用，使电极丝与工件的相对距离发生变化。
　　1.2.2电极丝运动产生的误差
　　电极丝换向误差是由很高速度、很大动量突然停下来，惯性较大，加上换向后又要加速导致振动和跳动而引起的。
　　走丝速度影响电极丝在加工时的稳定性。走丝速度越低，稳定性越好。
　　1.2.3受力变形和受热变形的影响
　　线切割加工属无切削力加工，所以可以不考虑机床的受力变形对加工精度的影响，但机床受热变形会造成线架导轮的位移，影响电极丝的空间位置。
　　工位本身的内应力产生工件变形，影响加工精度。
　　1.2.4锥度切割时电极丝的变化
　　采用导轮导丝进行锥度切割时将产生电极丝的切点偏移，使得电极丝在空间的实际位置与理论位置相比发生变化，影响加工尺寸。
　　1.3其它误差
　　电源的电参数选择影响放电间隙的大小和放电的稳定性，所以影响加工尺寸精度和表面质量。
　　工件的厚度及厚度变化，要求不同的加工规准相匹配，否则精度降低。
　　工作液种类、浓度、脏污程度以及冲液方式的变化，都将影响加工精度和表面质量误差的软件补偿方法综上所述，可将影响快走丝线切割机床加工精度的因素分为静误差和动误差两大类。几何误差、编程误差等为静误差，一般可以预先测出或估算，所以可以直接补偿。加工过程中动态因素造成的误差，例如电极丝的振动、热变形等，叫做动态误差，一般难以直接补偿，但有些可以通过软件来改善。
　　2.1可直接进行软件补偿的误差及补偿方法
　　对于丝杠螺距误差、导轨几何误差和电动机齿距误差，可预先测出实际制造误差，在加工过程中用软件产生一个大小相等、方向相反的补偿值加以补偿。
　　对于反向间隙误差，亦可预先估计或测出实际的间隙值，在控制程序中设置一插补方向标志量，当前后两步标志量相反时，进行反向间隙补偿，即让电动机多走实测间隙折合出脉冲当量步数。
　　进行了电极丝半径和放电间隙的补偿，调整电极丝实际运动轨迹与工件实际轮廓之间的距离，使加工后的轮廓与要求相同。放电间隙是估算值。
　　直线和圆弧编程时没有逼近误差，可以直接编程。
　　如果系统还具备其它曲线的编程功能，则编程时亦无逼近误差。将笔者同事史旭明等人研究出的双曲线、椭圆、抛物线、螺旋线等曲线的直接插补算法用于本系统后，编程时只需输入相应曲线的对应参数，无须再用直线去拟合，省去了逼近误差。
　　插补的算法不同，插补误差的大小也不同。本系统采用误差较小的小偏差法。插补误差小于0.707个脉冲当量。
　　圆整误差的大小当然与脉冲当量的大小有关。脉冲当量越小，圆整误差越小，同时插补误差也越小。本系统采用的脉冲当量为1Λm.
　　锥度切割时电极丝与导轮的切点发生变化，此变化不产生钼丝角度的变化，而只产生钼丝位置的变化。
　　可以通过移动工作台坐标轴来补偿。随锥度不同，补偿值不同。此补偿可以在插补过程中动态地进行。
　　2.2不易直接进行补偿的误差及处理
　　动误差不易直接进行补偿，如走丝速度、电极丝换向等影响电极丝运行稳定性的因素，可用软件来改善，改善的前提必须是机床具有改变走丝速度的功能。例如粗加工时使用较快速度，精加工时使用较慢速度。电极丝换向前降低速度，换向后速度逐渐增加到正常值，避免速度突变造成的振动。同样的方法也可用于拐角加工的处理。
　　上下导向器的距离应根据工件的高度使其尽可能小，根据工件厚度可以自动调节向距离，目前多是手动目测调节。
　　有的因素属系统的特性无法补偿，例如系统的刚度、热变形等，只能通过改变机械系统的结构来改进。
　　偶然因素造成的误差无法预料，所以难以补偿。
　　2.3用软件提高加工精度的其它方法
　　用专家系统选择工艺参数和加工规准。如果有足够多和值得信赖的实验数据，可建立工艺专家数据库和操作专家数据库，帮助操作者选择合理的参数和规准，减少由于加工参数或基准选择不当而造成精度下降。
　　需要强调的是，任何高精度的加工，都应经过从粗加工到精加工的过程，所以多次切割是在一定的条件具备之后，提高加工精度的根本措施。多次切割可在自动编程系统中根据丝径、切割次数和当次切割所选规准确定切割余量，也可在加工时手动输入不同的切割余量，运行同一程序进行加工。
　　3结论
　　可以看到，提高快走丝线切割机床的加工精度，可以从三个方向入手。一是机床机械系统，二是控制系统，三是加工工艺。
　　从机床机械系统入手，就是改善机床结构，提高机床相关零件的制造精度和使用性能。此举是获得机床高加工精度的根本，但势必提高机床成本，而且只能是机床厂家的举措。
　　从控制系统入手，就是用硬件和软件提高加工精度，用软件弥补机械系统制造精度上的不足。
　　从加工工艺入手，一方面要选择合适的规准参数，另一方面要选择合适的加工条件、加工次数等，还要研究加工路线。其中部分工作可以借助专家系统软件来完成。
　　用软件来提高加工精度，成本低，方便实用。
　　用户可以根据机床情况在控制系统中添加自己的补偿模块，根据需要取舍某项补偿功能，大限度地提高已有机床的加工精度。
　　哈尔滨工业大学机电控制与特种加工研究所研制的“开放式快走丝线切割机床数控系统”，以PC和Windows为硬件和软件平台，尽量用软件来实现数控系统的功能，减少由于硬件性能不可靠带来的系统不稳定。在软件控制系统中加入精度补偿模块，对211节中所述的静态误差进行了直接补偿，对不易进行直接补偿的误差进行了一定的改善，并采用了多次切割的方法，提高了工件的加工精度，取得了满意的效果。
　　快走丝线切割机床是我国特有的机种，价格低廉，但性能、精度指标距慢走丝仍有很大差距。近年来快走丝在机械结构上也有了很大改进，若要进一步提高其加工精度，提高其在国际、国内市场上的竞争地位，用软件来进行精度补偿是好的方法。
　
　

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