大锥度高速走丝线切割机床四连杆机构及控制软件的开发

用软件进行精度补偿方法一直纹面控制方法，有效控制了大锥度高速走丝线切割机床的加工精度，提高了加工0前言随着信息技术、航空航天、电子和国防等尖端科学技术的发展，对制造业提出更高的要求，尤其是对模具制造技术提出了更高的要求。对于当前越来越多且精度要求较高的塑料、挤压、冲压等模具，因苦于没有一种能够加工高精度、大锥度、承载能力大的新一代线切割机床而手足无措，致使我国模具的制造水平较低，尺寸精度远远不能达到模具的技术要求，这在很大程度上制约了模具向高精度的方向发展。为此，我们对现有线切割机床进行了综合分析，并在此基础上开发的大锥度精密数控线切割机床，由于其切割行程大，加工范围广，对于切割较大尺寸和较大锥度的淬火钢、硬质合金或特殊材料制作的通孔模具以及形状复杂的精密零件或一般机加工机床无法加工的特殊形状的零件等带来更广阔的应用前景。

目前大锥度数控线切割机床主要是摆动式，这种机械结构本身存在不可避免的锥度误差，而且随着锥度加大误差也加大。为了控制精度，除了考虑机床本身的锥度切割装置因素外，还要考虑与之配套的复杂编程系统和控制系统的影响因素，但是效果仍然不理想。替代这种结构的措施是采用四轴运动机构，以此为基础经过几年不断的研究，针对大锥度大型号机床的机械结构，控制系统等问题进行了设计改进。

1大锥度线切割机床四连杆机构的设计1.1机械结构机械结构采用控制灵活的四坐标锥度切割装置。锥度切割由上导轮作、F方向的运动来实现，由于系统。从而可加工变锥体和上下异形的工件。

然而，影响这种锥度机构加工精度的重要因素就是其走丝系统。一般的锥度系统会存在切割时跳丝现象，且不易准确定位等问题。本文开发的四连杆机构，既能应用传统导轮的转动运丝，降低磨损，又能保证钼丝在切割过程中精确定位，其结构示意图如所示。

该系统的V、F轴运动由固定在上线臂5的拖板运动实现，X、7轴运动由工作台运动实现。由工控机发出位置脉冲，经驱动器驱动四个伺服电机来控制四个轴的运动。

1.2切割丝导轮同步倾斜如所示，下线臂6固定在O点，从而上线臂5经过摆杆4可绕O点作扇形运动。摆杆4是可伸缩杆，它的上端通过铰链与连杆3连接，而连杆3通过销子与上线臂的长杆7的一端固定，长杆7的另一端通过销子固定导轮座，导轮座内装上导轮9.长杆是线臂的内杆，外杆是线臂套管，与拖板固定。摆杆4下端以相同方式与下线臂连接，并与固定支点O固定。这样摆杆4、上线臂5、钼丝10、下线臂6构成了一个平行四边形的四连杆机构。平行运动时，上拖板带动上线臂在、F平面内运动，摆杆4和连杆3配合来保证四连杆在同一平面内运动，而固定支点O固定住下线臂，从而使上下导轮间的钼丝10进行圆锥运动或上下异形运动。摆杆的存在，使上长杆7跟随下长杆7同步倾斜，导致上下导轮可以在RF轴方向同步倾斜。

如所示，由于在V轴方向运动时的导轮直接由步进电机驱动，上导轮的移动直接由电机带动丝杠螺母实现，避免了摆式结构圆弧与直线间的长度误差。理论上保证了V轴移动距离的准确性。

该结构避免了其它线切割机床因切割锥度时，丝被过度拉伸，丝容易跳出导轮槽、容易断丝、丝松等问题，同时该结构的运动部分采用精密轴承连接配合，科学无间隙设计又保证了加工过程中丝的精确定位，进一步保证了加工精度。导轮同步倾斜示意控制软件精度补偿原理分析大锥度切割时，存在影响加工尺寸精度的另一个关键性因素是由于导轮半径的存在，使V、F轴行走的实际位移与理论位移必然存在误差。在切割锥度工件时，这种走丝机构必然会造成两种尺寸误差，分别是上线臂做F轴运动时造成的行程误差和上线臂做V轴运动时造成的曲面误差，其运动图解分别如a、b所示。错误！

这里我们以典型的60*锥度加工为例来进行分析，上下导轮圆心连线在ZZ平面的投影与Z轴夹角称为a（F），在XZ平面的投影与Z轴夹角称为a（V）。a、b所示为上导轮运动时分别在F轴方向和V轴方向运动的分解示意图，实际加工中则是这两个轴的合成运动。

在设计锥度加工控制程序之初，一般以上下导轮圆心作为位移的控制对象，60*锥度加工要求上导轮单边运动到a（F）=30*和（）=30°，则控制程序令上导轮圆心运动到如a所示位置，令上下导轮圆心连线与Z轴夹角a（F）= 30*即可。而实际上却忽略了导轮半径的存在。钼丝的实际位置如图所示，与工件装夹平面的交点分别为5、D，圆心连线与其交点分别为C，则存在加工尺寸误差A*=SD-dC.随着加工锥度增大，尺寸误差也会增大。显然，不进行软件精度补偿的话进行大锥度加工误差会很大。

错误！

为了便于解释，b所示双点画线部分为轴方向的分解运动在FZ平面上的投影，双点画线椭圆形为上导轮在轴运动到a（W=30*时，导轮在FZ平面的投影，双点画线则是上导轮圆心与面原点连线，OF在XZ面投影与Z轴夹角即为a（0=30*，实线圆则是（）=0*时在FZ平面的导轮。由图可见，随着角度逐渐增大，投影椭圆度越来越大，则钼丝切点处的椭圆半径会减小，则产生沿F轴负方向的位移M，且越来越大。以加工方椎体为例，线45为入切线，加工后其侧壁会出现弧面，如所示。

方椎体F轴加工误差及补偿效果示意图图中所示两个实线的弧面就是轴运动时，导轮在FZ面投影椭圆的椭圆度变化造成的。在弧面X轴方向两端处《（）=30°，此时可见偏差*大。

为了解决上述两种误差，我们引入了软件补偿算法一直纹面控制算法。由上述分析可知，因为（F）和以及导轮半径的存在，使实际加工尺寸与理论计算尺寸出现误差。也就是说钼丝所走的实际路径是和a（F）、有关的复合函数关系。通过上下导轮及钼丝在FZ和XZ平面的投影曲线分析，根据加工指令输入的导轮半径和（幻、参数，通过控制程序计算在切割过程逐步加入补偿量。*终通过F轴位移量的补偿，使实际切割面如方锥体虚线面所示，加工尺寸精度得到补偿。

经过以上改进措施的处理，经过反复试验加工后确定，该套线切割加工系统的*大切割锥度可达82°，各相关指标均达到预期目标。

3大锥度线切割机床的应用随着82*大锥度线切割机床的研究和生产，它的性能和稳定性在很多典型加工实例中得到很好的检验和证明。某机械厂为国家航空火箭配件生产军工厂之一，其生产配件之一“火箭喷嘴”是火箭助推装置的重要零部件，零件示意图如所示。

该零件成品后必须要求在斜面锥度35*的加工误差值 70°，且能保证加工误差不能超出要求范围，还有一点就是设备在加工过程中有很好的稳定性，不能出现短路断丝等一些现象，因为出现上述情况很难保证加工表面的粗糙度。超大锥度高稳定性线切割机床研发成功后有效地解决了上述问题。加工效率由原来的每个零件约3个小时，提高到2个小时，并且满足零件表面粗糙度及表面均匀一致性的要求。

4结论通过对走丝机构的改进与控制软件精度补偿的配合，在原有锥度机床基础上实现了性能稳定的大锥度切割。在大锥度加工时有效控制了加工精度和表面粗糙度，并进一步提高了加工效率，使大锥度线切割加工完全实用化，满足各行业模具和零件的加工发展要求。