饒佩明，李浩洲

（江蘇冬慶數(shù)控機床有限公司，江蘇泰州225300）

往復走絲電火花線切割機床恒張力機構的形式及發(fā)展趨勢

饒佩明，李浩洲

（江蘇冬慶數(shù)控機床有限公司，江蘇泰州225300）

往復走絲電火花線切割機床要獲得高精度、高效率、高表面質量的切割水平，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，以保證高速往復運行的電極絲始終保持恒定的張力。通過結構對比，淺析了幾種恒張力控制機構的特點及應用現(xiàn)狀，并闡述了智能化恒張力控制技術的發(fā)展前景。

電火花線切割機床；多次切割工藝；恒張力控制；發(fā)展趨勢

加工精度、加工效率和表面粗糙度三大指標是綜合考核、評定電火花線切割機床加工水平的重要標準。實際上，獲得穩(wěn)定的加工指標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。如果沒有平穩(wěn)的運絲系統(tǒng)和恒定的張力，穩(wěn)定的放電加工就無從談起。

目前，往復走絲電火花線切割機床常用的張力機構主要有：重錘式單向恒張力機構，重錘式雙向恒張力機構，彈簧式雙向恒張力機構，數(shù)字式智能雙向恒張力機構。采用哪種結構形式來實現(xiàn)電極絲張力在微小范圍波動、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[1-3]。

1 重錘式單向恒張力機構

如圖1所示，重錘式單向恒張力機構串聯(lián)在運絲回路中，與其他輔助導輪和貯絲筒構成一個閉合的運絲系統(tǒng)，其功能是調節(jié)閉環(huán)運絲回路中電極絲的變化量。工作原理如下：利用移動滑塊的重量來匹配整個運絲系統(tǒng)中電極絲所需的張力，運絲系統(tǒng)工作時，通過張緊導輪向下位移的距離來儲存電極絲在放電過程中產生的伸長量，達到電極絲張力在一定周期內始終保持恒定的目的；當移動滑塊降至最低位置時，則需重新復位，繼續(xù)下一個工作循環(huán)。

該機構的優(yōu)點是：結構簡便，加工制造難度小，配重恒定，對穩(wěn)定張力有一定的作用，且成本低，便于安裝、使用和維護。存在的不足有：單邊張緊電極絲，運絲系統(tǒng)在正反向切換時有瞬間沖擊載荷，張力不均勻，從而產生單邊松絲故障或斷絲，影響切割質量，且張力機構行程較短，停機復位次數(shù)較多。

圖1 重錘式單向恒張力機構

2 重錘式雙向恒張力機構

如圖2所示，重錘式雙向恒張力機構主要由定位直線導軌副、移動支架、張緊導輪、導向滑輪鋼絲繩及牽引重錘等組成。該機構串聯(lián)在運絲回路中，與其他輔助導輪和貯絲筒構成一個閉合的運絲系統(tǒng)，其功能是雙向調節(jié)閉環(huán)運絲回路中電極絲的變化量，提供較穩(wěn)定的張力。

該機構的工作原理如下：移動支架的最右端為起始位置，運絲系統(tǒng)工作時，支架在牽引重錘的作用下自右向左移動，通過位移的距離來儲存電極絲在放電過程中產生的伸長量，實現(xiàn)電極絲張力在一定周期內保持恒定；當支架移動到左端極限位置時，則需重新復位，繼續(xù)下一個工作循環(huán)。

圖2 重錘式雙向恒張力機構

該機構的優(yōu)點是：導向部件采用直線滾動導軌，反應靈敏度高，摩擦阻力小，直線運動性和動態(tài)響應好；二個張緊導輪呈上下對稱分布，可實現(xiàn)雙邊同時張緊，配重恒定，張力穩(wěn)定，環(huán)境影響因素少，解決了單邊松絲問題。存在的不足有：受機床結構限制，安裝尺寸偏大，通用性不強；運絲系統(tǒng)在正反向切換時仍存在瞬間沖擊載荷，導輪數(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，成本相對較高。

3 彈簧式雙向恒張力機構

如圖3所示，彈簧式雙向恒張力機構主要由固定支座、導向導桿、張緊滑塊及壓縮彈簧等組成。彈簧張力組件串聯(lián)在運絲回路中，與其他輔助導輪和貯絲筒構成一個閉合的運絲系統(tǒng)，其功能是雙向調節(jié)閉環(huán)運絲回路中電極絲的變化量。

該機構的工作原理如下：移動滑塊的最右端為起始位置，帶自鎖功能，彈簧處于儲能（壓縮）狀態(tài)；運絲系統(tǒng)工作時，先解除自鎖，彈簧釋放存儲能量，張緊滑塊在彈簧回推力的作用下自右向左移動，通過位移的距離來儲存電極絲在放電過程中產生的伸長量，實現(xiàn)電極絲張力在一定周期內保持恒定；當彈簧儲能完全釋放、滑塊失去位移動能時，則需重新復位，繼續(xù)下一個工作循環(huán)。

圖3 彈簧式雙向恒張力機構

該機構的優(yōu)點是：彈簧式張力組件可作為一個獨立的功能部件生產，形成配套產品和標準附件，結構緊湊，通用性和互換性強，適用性廣，安裝維護方便，可單個或成組使用，實現(xiàn)雙邊同時張緊功能。存在的不足有：儲能行程小，由于張力能量來自于彈簧的彈力，受使用時間和環(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，產生的張緊力不均勻，從而導致張緊滑塊出現(xiàn)移動不平穩(wěn)或瞬間滯留現(xiàn)象，引發(fā)單邊松絲；另外，機構中的張緊滑塊通過導桿的懸浮支撐，當滑塊移動到左端時（懸伸最大），易產生晃動或擺動，引起張緊輪跳動，從而出現(xiàn)疊絲故障。

4 數(shù)字式智能雙向恒張力機構

如圖4所示，數(shù)字式智能雙向恒張力機構是一個復雜的系統(tǒng)控制工程，除了高頻電源和控制軟件外，主要的機械結構由驅動系統(tǒng)（含伺服電機、直線導軌、導軌滑塊、滾珠絲杠等）、執(zhí)行元件（含張緊導輪、移動支架、測力傳感器等）、檢測元件（含位置傳感器、測力傳感器）等組成。該機構串聯(lián)在運絲回路中，與其他輔助導輪和貯絲筒構成一個閉合的運絲系統(tǒng)，其功能是雙向閉環(huán)控制和實時跟蹤檢測運絲回路中電極絲的變化量，瞬時調節(jié)、控制張力。

該機構的工作原理如下：測力傳感器的一端與導軌滑塊連接，另一端與裝有上、下張緊輪的支架連接，構成張力檢測和自動調整的閉合回路；運絲系統(tǒng)工作時，測力傳感器將測得的張力值轉變?yōu)殡娦盘?，輸入電子控制電路并與提前輸入計算機的張力預置電信號值進行比較，當測力傳感器輸出的電信號小于預置值時，電子電路控制裝置內的伺服電機正向旋轉，驅動移動支架和上、下張緊輪同時移動，通過改變閉合環(huán)狀電極絲的長度，利用電極絲彈性變形的物理特性，將張力調整到計算機預置值；反之，當測力傳感器輸出的電信號大于預置值時，伺服電機反向旋轉，控制移動支架和上、下張緊輪向相反方向移動，使過度張緊的環(huán)狀電極絲松弛，其張力恢復至計算機預置值，從而實現(xiàn)將閉合環(huán)狀電極絲的張力實時動態(tài)地控制在計算機預置值附近。當運絲系統(tǒng)累計工作數(shù)小時后，極限位置傳感器產生輸出信號時，則需重新復位，繼續(xù)下一個工作循環(huán)。

圖4 智能雙向恒張力機構

該機構的優(yōu)點是：張力值預置輸入，可實時跟蹤、檢測、自動控制及調整；控制靈敏度高，響應速度快，調整精度高，誤差?。煌瑫r，上、下張緊輪既是張力的檢測部件，又是張力的調整部件，測力傳感器既是張力值的檢測元件，又是張力值伺服控制的執(zhí)行元件。存在的不足有：結構精密，涉及面廣，技術含量高，需機械、電控、軟件等高度結合，研發(fā)周期長，制造成本高。

5 結論

通過上述幾種恒張力機構的對比分析，可得出以下結論：

（1）重錘式單向恒張力機構常用于工件厚度較小、切割指標要求不高的場合，早期在普通往復走絲型電火花線切割機床上應用較多，隨著產品的發(fā)展和技術更新，應用范圍越來越窄。

（2）重錘式雙向恒張力機構和彈簧式雙向恒張力機構廣泛應用在具有多次切割功能的往復走絲電火花線切割機床（俗稱“中走絲機床”）上，成為目前“中走絲機床”標配的主流功能部件，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量。

（3）數(shù)字式智能雙向恒張力機構是張力控制技術拓展研發(fā)的創(chuàng)新，它集數(shù)字化、自動化、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模式，變復雜控制為智能輸入，能提供穩(wěn)定、可靠、精確的恒定張力，是名副其實的智能型恒張力技術。

數(shù)字式智能雙向恒張力控制技術相繼在國內多個知名品牌的“中走絲機床”上獲得應用，突破了一致性尺寸誤差、表面粗糙度、電極絲損耗等多項技術指標的瓶頸，實現(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，主要加工指標接近單向走絲電火花線切割機床的切割水平。相信該技術的進一步發(fā)展和推廣應用，將大幅提升往復走絲電火花線切割機床的技術含量，推動“中走絲機床”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及其發(fā)展動向[J].電加工與模具，2010（增刊）：53-59.

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

[3] 王忠偉，王斌修.往復走絲電火花線切割機床張絲系統(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。