专利名称：数控线切割锥度加工方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明属于电火花数控线切割技术，涉及电火花数字程序控制线切割机床加工锥度的指令编制方法、加工控制方法及设备。
现有国外电火花数控线切割机都是采用八单位二进制ISO码或EIA码指令通过磁带或穿孔纸带记载和传输与加工工件有关指令，通行的八单位穿孔纸带通常由在一英寸宽的纸带上穿有一排小的同步孔和八排表示二进制数码的大孔组成，每组孔表示一个数码，虽然八单位指令可承载的信息量较大，但也使数控柜的成本升高、控制软件更加复杂、软件费用增高。例如AGIE-200型电火花数控线切割机仅加工变锥度的软件3D16在1987年就报价10999美元，而国内五单元二进制指令的锥度线切割机床的数控柜在1988年广告报价每台只有4900元人民币〔申萌产〕。
现有国产数控线切割机除引进国外同类产品之外都采用五单位二进制的指令编码，通常由在一英寸宽的纸带上穿有一排小同步孔和五排表示二进制数码的大孔组成，每一组孔表示一个数码，其通用形式是3B指令码。其形式为BXBYBJGZ，其中B为分隔符，其五单位二进制代码为〔00110〕;G表示计数方向，沿X轴计数为Gx，其二进制代码为〔11101〕，沿Y轴计数则为Gy，其二进制代码为〔11110〕;Z为加工指令，共分为12种，其中有四个方向直线L1、L2、L3、L4，四个象限的顺时针图弧S1、S2、S3、S4和四个象限的逆时针图弧N1、N2、N3、N4等组成，它们也都分别用不同的五单位二进制代码表示。X和Y值表示加工直线终点相对于起点的座标值〔常以脉冲当量0.001mm为单位〕或加工圆弧起点相对于以圆心为原点的座标值;J为计数长度数值，是加工线段或所加工圆弧在X轴或Y轴上投影的累计长度。当描述工件加工程序的3B指令读入时，数控机便会将指令中X、Y、J、G、Z存入相应的地址中并在控制软件的控制下，在工件与电极丝进行放电作用的同时，使数控机按3B指令所规定的运动轨迹，控制X、Y轴驱动电机一步一步地进给和插补运算，如果其进给方向与计数方向相同，还要令计数长度作减一处理〔J-1→J〕，然后根据当前加工位置与加工程序所规定位置的偏差，再进行插补运算并控制X、Y轴步进电机沿所需方向进给一步，一直到计数长度J值减到O为止，表明这段加工指令已经完成，于是便启动指令读入机输入下一段3B指令继续进行加工。在进行锥度工件的线切割加工时，除了工件由X、Y驱动电机带动作沿X、Y轴的运动之外，还得使电极丝的上导轮座所在的锥度台也由U、V驱动电机带动作沿U、V轴的运动，而沿U、V轴的移动轨迹必需用另外的指令来控制，对于锥度工件的加工目前常用4B式指令编码方法及相应的数控柜来进行控制。典型的4B指令形式为LBXBYBJBRDDGZ，其中R为切割母线下顶点的运动轨迹圆弧半径;G前面为D或DD分别表示加工圆弧的凸出、凹进，D的五单位二进制代码为〔01111〕，L与加工斜度有关，也可作为切割间隙补偿量统一置入数控柜中;其余X、Y、Z的含义与3B指令相同。典型的4B指令插补控制方法参见图1，当4B指令的纸带1，经指令读入机2读入具有4B功能数控柜的多地址存贮器3中，数控柜及其控制软件除使工件台的X、Y步进电机7和8，经XY插补控制器5令其作沿X、Y轴的插补运动之外，还要控制锥度台的U、V轴步进电机9和10，经直线插补控制器11以及12，按△U＝△X·L/R及△V＝△Y·L/R的比例进行插补运动，从而使上导向器座即切割母线的上顶点A作半径为L的圆弧运动。如果切割母线上下顶点A和B之间垂直距离为H，且加工锥度为2θ，则tgθ＝L/H，参见图2。此外，上述4B指令在用于间隙补偿控制时，数控柜会根据置入的补偿量L及其符号，自动控制加工轨迹圆弧半径，使其比原定半径R增加或减少L。
但是目前国内现有的用五单位二进制4B指令控制的锥度线切割机，虽然具有控制方法简单因而控制柜及其软件成本低的优点，但也存在下列缺点只能加工等锥度的工件即工件上下端面形状相似的工件、不能加工变锥度工件。例如不能加工上园下方之类的形状、不能加工上下端面的弧线不在同一锥面的形状等;这样就限制了4B指令锥度线切割机在加工挤塑模，冷挤模及发动机叶片等方面的应用。现有五单位4B指令式锥度线切割机都是靠导轮园弧槽与电极丝的切点作为切割母线的上下顶点，而这切点位置在加工过程中是不断变化的，因而会给加工工件的轮廓尺寸带来相当大的误差;设导轮半径为r，且r＝13.5mm、锥角为2θ，则尺寸误差δ＝(r-rcosθ)/cosθ，当θ＝10°时，δ＝0.207mm，当θ＝5°时，δ＝0.0496mm，这样大的误差对精密模具或零件是无法接受的。只有当θ≤1°时，δ≤0.025mm，加工尺寸误差方可勉强接受。因此这种靠导轮槽与电极丝切点定位方法不能保证大锥度工件的加工精度。此外，为了控制切割母线的上下顶点在加工过程中的定位精度，国外线切割机通常都采用拉丝模式的导问器并常用金刚石、红宝石或兰宝石制成，但售价极贵;而国内电火花线切割机通常采用一宝石棒与电极丝接触的方式，也有采用三块宝石沿不同高度在三个不同方向与电极丝轻轻接触的方式(见中国专利申请号86200210)，但若把它们用到锥度线切割机上，不仅不能在锥度加工过程中使切割工件的上、下顶点精密定位，而且还会在某些切割方位引起突然的台阶误差。
本发明的目的在于提供一种低成本高精度锥度线切割加工控制方法及设备。不仅能用本发明的6B、7B、8B、9B等新指令及相应的多功能数控柜和数控软件，实现变锥度工件的加工，并降低数控柜的成本;而且由于采用本发明的低成本多功能组合式导向器，还可以用来保证切割母线上下顶点的位置精度;从而能保证大锥度加工时对切割母线轨迹控制精度的要求，以满足现有五单位4B式锥度线切割机不能加工变锥度工件和大锥度工件的需要。
本发明的电火花锥度线切割加工方法及设备，包括6B、7B、8B、9B式五单位二进制加工指令的编制方法、这些指令的输入与控制方法、以及能接受上述指令中任一种并能按规定比例分别同步控制切割母线上下顶点的运动轨迹的多功能数控柜、相应的控制软件、工件台XY轴移动部件、锥度台UV轴移动部件线、Z轴调整调整部件、机床本体、高频脉冲电源、工作液循环供给系统、电极丝走丝系统及其低成本组合式多功能导向器组成。下面结合图3和图4简介本发明的结构及其工作原理。
在本发明的6B、7B、8B、9B指令及其变形指令中，规定F为上、下加工线段或弧线计数长度的比值，用6位数字表示，其前3位为比值的整数部分、后3位为比值的小数部分;其余B、J、I、D、DD、G、Z、X、Y、U、V的含意及其代码与现行3B、4B指令通用，每组指令都包含切割母线上下顶点的运动轨迹;6B指令的编制方法的特征在于由BXBYBJG1Z1BUBVBIG2Z2组成;7B指令的编制方法特征在于由BXBYBJG1Z1BFBUBVBIG2Z2所组成;8B指令的编制方法的特征在于由BXBYBJxBJyZ1BUBVBIuBIvZ2所组成;9B指令的编制方法的特征在于由BXBYBJxBJyZ1BFBUBVBIuBIvZ2所组成。其中规定7B指令的F＝J/I，9B指令的F＝Jx/Iu;B为分隔符，其二进制代码为〔00110〕;G为计数方向，在沿X轴或U轴计数时为Gx或Gu，其代码为〔11101〕;沿Y轴或V轴计数时则为Gy或Gv，其代码为〔11110〕;Z为加工线型指令，共分为十二种，其中包括有四个方向的直线指令L1、L2、L3、L4，四个象限的顺时针圆弧指令S1、S2、S3、S4及四个象限的逆时针圆弧指令N1、N2、N3、N4，它们也都分别用不同的五单位二进制代码表示;X、Y及U、V分别表示工件台以及锥度台运动轨迹参数;Jx、Jy、Iu、Iv分别为加工直线或圆弧在相应轴上的投影长度即计数长度，这些数值的每一位数都用一组五单位二进制码表示。此外，作为7B指令的变形指令可将BF前、后的两个3B指令之一或全部改变为4B指令，以便可根据置入的间隙补偿量L1、L2对加工轨迹进行间隙补偿控制，上述6B、7B、8B、9B指令的载体可用五单位穿孔纸带、录音磁带、磁盘或计算机内存贮器;可以用光电输入机或电报读数头等将指令读入数控柜中;也可用键盘直接将上述指令键入数控柜中。
当本发明的6B、7B、8B、9B指令中的某种形式指令如7B指令的纸带1通过五单位指令读入机2读入后，便将指令中的各数据和指令码存入多功能数控柜的多地址存贮器3中，数控软件根据加工指令中B的数量的判别，会自动选择相应的7B控制流程，首先将I、J、F值送入一级偏差判别器4中，进行f＝F·I-J≥0？的判别，经比较如果f≥0，则按BXBYBJG1Z1指令由XY插补控制器5对工件台的X轴驱动电机7及Y轴电机8进行插补控制，令其中之一轴进给一步，在令X轴或Y轴驱动电机每走一步的同时，还要经过脉冲处理器22产生-△U或-△V信号使U轴或V轴驱动电机也相应地运动一步;若f＜0，则由UV插补控制器6，按BUBVBIG2Z1指令进行插补控制，使锥度台U轴驱动电机9或V轴驱动电机10按指令规定方向进给一步;如果进给方向与G1、G2规定计数的方向一致，则还要经计数长度减一处理器15作J-1→J或I-1→I的处理，然后将剩余计数长度I与J一起送入一级偏差判别器4再进行判别和插补进给控制，一直到经双终点判别器17判定I＝0和J＝0时，方表明本段加工指令执行完毕，便启动加工地址修改指令发生器20，发出读入下一段加工指令的信号，进入读取下一段指令并进行加工控制的工作，一直到全部加工指令执行完毕，则用7B指令加工的变锥度工件便可加工出来了。
如果读入的是6B指令，则数控柜在读入X、Y、U、V、J、I、G1、G2、Z1和Z2各个数码并将它们存入相应的多地址存贮器后，控制软件先根据B＝6的判断，经F处理器19作F＝J/I的运算，求出F值，然后将F、I、J一齐送入一级偏差判别器4进行判别;其余控制过程与7B方式完全相同。如果输入的是9B指令，则在读入9B指令后，多功能数控机便将9B指令中各数据和代码存入多地存入多地存贮器3中，数控软件按B＝9的判断，能自动调用9B指令控制程序，将F、Ix、Iu输入给一级偏差判别器4中进行偏差判别，若f＝F·Iu-J＜0，则按BUBVBIuBIvZ2的指令由UV插补控制器6对锥度台U、V轴驱电机9和10进行插补控制;若f＝F·Iu-J≥0，则按照XBYBJxBJyZ1的指令，由XY插补控制器5对工件台X、Y轴驱动电机7或8进行插补控制，使X或Y轴前进一步;还要经过脉冲处器22来产生一个-△U或-△V信号，使U轴或V轴驱动电机也相应地运动一步。此外无论是X、Y、U、V轴，每当其中之一进给一步，都要作计数长度减一处理，并应一起送入一级偏差判别器4中进行判别和插补控制，一直到经四终点判别器18的判别，出现Jx＝0、Jy＝0、Ju＝0、Jv＝0都成立时、表明本段指令执行完成，便启动修改加工地址信号发生器20，产生修改加工地址信号以输入下一段加工指令。此外如果输入的是8B指令，则数控柜在将指令中各数据和代码存进多地址寄存贮器3中以后，数控软件会自动根据B＝8的判断，选用8B控制程序;先经F处理器19作F＝Jx/Iu处理，求出F值;后将F、Jx、Ju送入一级偏差判别4中进行判别，决定先对XY还是对UV轴进行插补控制，其余具体控制方法与9B指令完全相同。此外，如果输入的是现行3B或4B指令，则本数控柜也会根据B的数量直接将3B或4B控制程序调出，进行3B或4B指令的加工控制工作。图5为本发明所说的低成本多功能组合式导向器，其核心部件为红宝石轴承2，其轴承孔径可比电极丝大0.001-0.01mm，这样可以使切割母线上下顶点的控制误差在0.001-0.005mm以内;由于红宝石轴承价格极低且精度高，它通过压圈1固定在导向器3中部;在喷口盖5和宝石轴承之间的空间腔内还设置有入水孔4，可使组合式导向器具有给电极丝供应工作液的功能，宝石轴承或喷口盖的孔径有大小不同的数种，可根据需要更换，若宝石孔或压圈磨损了也可以可方便地更换。
本发明的6B、7B、8B、9B指令及其多功能数控柜与现行五单位4B式锥度加工指令及4B指令数控柜相比，其优点首先是能对切割母线上下顶点的运动轨迹分别处理，从而具有编制变锥度工件的加工指令功能，而4B指令则没有这种功能;其次在指令的编制中，又省略了原4B指令中必须置进的锥度量L和正负号，使指令简洁、直观。6B指令和7B指令的编程结果基本上是两个3B指令的叠加，而8B、9B指令控制精度则要比现行3B指令的控制精度要高一些;因为它们是用Jx、Jy和Iu、Iv两种计数长度同时计数的，并且只有Jx＝0、Jy＝0、Iu＝0、Iv＝0都同时实现时，才能转入下一段程序的加工;而在3B指令的控制下，因计数长度只能选取Jx或Jy中的一种，这样有时Jx＝0，而Jy还有好几步没有走，引起控制累积误差。此外，本发明的低成本多功能组合式导向器克服了现有五单位线切割机只靠导轮槽导向，在加工大锥度时会引起较大的尺寸误差的缺点。本导向器由大批量生产的红宝石钟表轴承作为核心导向件，比国外现行的拉丝模式导向器成本低几百倍以上，而且更换方便本导向器也兼有给电极丝喷射工作液功能，结构紧凑，易于保证工作液供应，从而使加工稳定的需要。同国外用EIA或ISO八单位指令的数控机相比，本发明的所用的6B、7B、8B、9B五单位指令本身及其数控柜的结构都比八单位的指令及其控制柜简单，软件编制也比较简单;本发明的多功能数控柜，只要用八位或16位单板计算机、单片计算机或通用微型计算机作为控制主机，故软件、硬件成本都要比国外八单位EIA或ISO指令的有变锥度加工控制功能的数控柜的成本低得多。
图1为现有典型的4B指令数控线切割机的插补控制方法示意图。其中1.五单位4B加工指令带。2.指令读入机。3.多地址存贮器。5.XY插补控制器7.X轴驱动电机。8.Y轴驱动电机。9.U轴驱动电机。10.V轴驱动电机。11.XY插补控制器。12.UV插补控制器。13.GX计数方向判别器。14.GY计数方向判别器。15.计数长度减一处理器。16.计数终点判别器。20.修改加工指令地址信号发生器。图2为4B指令加工锥度时，切割母线上、下顶点位置A、B的运动原理图。其中A-切割母线的上顶点。B-切割母线的下顶点。H-切割母线上、下顶点间垂直高度。R-工件台X、Y轴运动园弧半径。L-锥度台U、V轴运动园弧半径。θ-切割母线的斜度。图3为本发明的锥度线切割加工设备及其控制方法示意图。其中1.五单位7B指令带(或6B、7B、8B、9B指令带)。2.指令读入机。3.多地址存贮器。4.一级偏差判别器。5.XY插补控制器。6.UV插补控制器。7.X轴躯动电机。8.Y轴驱动电机。9.V轴驱动电机。10.V轴驱动电机。11.工件。12.Z轴调整装置。13.丝架。14.上导轮。15.电极丝。16.张紧器。17.卷丝器。18.上组合式导向器。19.切割母线。20.下组合式导向器。21.下导轮。22.脉冲处理器。23.工作液循环供应器。24.高频脉冲电源。图4为多功能数控柜加工控制方法原理图。其中1.7B指令穿孔带。2.指令读入机。3.多地址存贮器。4.一级偏差判别器。5.XY插补控制器。6.UV插补控制器。7.X轴驱动电机。8.Y轴驱动电机。9.U轴驱动电机。10.V轴驱动电机。13.Gx、Gu计数方向判别器。14.Gy、Gv计数方向判别器。15.计数长度减一处理器。16.计数终点判别器。17.双计数终点判别器。18.四终点判别器。19.F处理器。20.修改加工指令地址信号发生器。图5为低成本多功能组合式导向器结构示意图。其中1.压圈。2.红宝石轴承。3.导向器座。4.入水孔。5.喷口盖。
本发明最简洁的应用形式为使用五单位7B指令式穿孔纸带、7B式数控柜及相应的数控软件。它可以利用现有3B指令的编程设备对切割母线上、下顶点运动轨迹分别编成两套3B程序，再令F＝J/I，即可形成所需的进行变锥度加工控制的7B指令。本发明的另一种简单应用方式是使用9B指令穿孔带及9B功能控制柜，但须对加工母线上、下顶点运动轨迹的3B指令程序结果作相应的补充和修改才能使用。本发明的一个变形为采用7B指令及7B变形指令及相应功能的控制柜、控制软件。7B变形指令的控制方法与7B指令相同，其区别仅在具体实行过程中控制软件调用4B控制程序取代原7B指令控制方法中所欲调用的3B控制程序，这样便可据置入的间隙补偿量L1、L2对变锥度工件实行间隙补偿加工。本发明的锥度线切割加工方法及设备的一种基本形式为多功能数控柜，可适用于3B、4B、6B、7B、8B、9B等多种形式的五单位二进制指令。它可以具有识别和控制其中任一种指令进行加工控制功能，这样控制软件多，应用方便。或是控制柜只具有控制上述指令中几种指令功能，这样指令简单，成本也低些。
本发明的锥度线切割机，XY行程为100mm～1000mm，UV行程10～100mm，上、下导向器之间距离为50～600mm可调，组合式导向器用红宝石轴承的内孔为0.1～0.3MM，有多种可以选用。走丝器可用高速或低速走丝方式，并具有电极丝自动张紧器。
权利要求
1.一种用五单位二进制指令的数控线切割锥度加工控制方法及设备。系由6B、7B、8B、9B四种五单位加工指令的编制方法、能接受上述指令并能按比例控制切割母线上下顶点的运动轨迹的多功能数控柜、机床本体、工件台XY轴运动部件、锥度台UV轴运动部件、Z轴移动部件、高频电源、走丝系统及多功能组合式导向器组成。
2.权利要求1.所述6B、7B、8B、9B五单位二进制加工指令的进一步特征在于其指令代码与3B指令代码通用，而每组指令都包含切割母线上下顶点的运动轨迹;6B指令的编制方法的特征在于由BXBYBJG1Z1BUBVBIG2Z2组成;7B指令的编制方法特征在于由BXBYBJG1Z1BFBUBVBIG2Z2所组成;8B指令的编制方法的特征在于由BXBYBJxBJyZ1BUBVBIuBIvZ2所组成;9B指令的编制方法的特征在于由BXBYBJxBJyZ1BFBUBVBIuBIvZ2所组成。其中F为计数长度比值，并用6位数字表示，其前3位为整数，后3位为小数规定7B指令的F＝J/I，9B指令的F＝Jx/IuB为分隔符，其二进制代码为〔00110〕;G为计数方向，在沿X轴或U轴计数时为Gx或Gu，其二进制代码为〔11101〕，沿Y轴或V轴计数时则为Gy或Gv，代码为〔11110〕;Z为加工线型指令，共分为十二种，其中有四个方向的直线指令L1、L2、L3、L4，四个象限的顺时针圆弧指令S1、S2、S3、S4及四个象限的逆时针圆弧指令N1、N2、N3、N4，它们也都分别用不同的五单位二进制码表示;X、Y及U、V分别表示工件台及锥度台运动轨迹参数，Jx、Jy、Iu、Iv分别为加工直线或圆弧在相应轴上的投影长度即计数长度，这些数值的每一位数都用一组五单位二进制码表示。7B变形指令的特征为将原7B指令中BF前后两个3B指令之一或全部都改变为4B指令;上述6B、7B、8B、9B指令及其变形指令的载体可用五单位穿孔纸带，录音磁带，磁盘或计算机内存贮器;可以用光电输入机或电报读数头等将指令读入数控柜中;也可用键盘将上述指令键入数控柜中。
3.权利要求1所述的多功能数控柜的特征在于它由多地址存贮器、F计算器、一级偏差判别器、XY补插控制器、UV插补控制器、脉冲处理器、计数方向判别器、计数长度减一处理器、双终点判别器、四终点判别器等功能块组成;多功能数控柜进行加工控制方方的特征在于每当XY或UV插补控制器沿计数方向发出一个进给脉冲信号之后，都要将现存的各计数长度送入一级偏差判别器进行判别，如果偏差f≥0则进行U、V轴插补控制，否则进行X、Y轴插补控制;本多功能数控柜可以作成能接受3B、4B、6B、7B、8B、9B等指令中任一种指令并进行控制的方式，也可以作成仅能接受其中几种指令7B变形指令进行控制并兼容3B指令的方式;本控制柜的主机可以用由有关集成电路等搭成的如上述的一系列功能块组成，也可由具有较多扩展内存及相当接口的单片机、单板机、或通用微型计算机充当。
4.权利要求1所述的低成本多功能组合式导向器的特征在于它是以宝石轴承给电极丝导向，它经压圈固定在导向器座中部，在宝石轴承及可更换孔径的喷口盖之间设有工作液进入孔，使导向器兼有向电极丝供应工作液的功能。导向器分别与上、下导轮座相对固定在一起并且其轴线与导轮相切。
5.权利要求1所述的锥度加工设备的进一步特征在于，Z轴移动部件使上、下导向器之间的移动距离为50～600mm，XY轴移动部件的行程为100～1000mm，UV轴移动部件的行程为10～80mm，组合式导向器用红宝石轴承的孔径为0.1～0.3mm，有多种可供选用，走丝器可用高速或低速走丝方式，并具有电极丝自动张紧器。
全文摘要
数控线切割锥度加工方法及设备。涉及电火花数控线切割机床加工锥度工件新指令编制方法、加工控制方法及设备。本发明由6B、7B、8B、9B等新的五单位加工指令的编制方法、能接受上述指令控制切割运动轨迹的多功能数控柜、数控软件、机床本体、工件台XY轴运动部件、锥度台UV轴运动部件、Z轴移动部件、高频电源、走丝系统及组合式导向器组成。本发明不但使五单位指令的线切割机能对变锥度工件的加工轨迹进行精密控制，而且使线切割机的成本比同类功能的八单位指令线切割机低得多。
文档编号G05B19/18GK1049725SQ8910648
公开日1991年3月6日 申请日期1989年8月24日 优先权日1989年8月24日
发明者朱怀义 申请人:朱怀义