电火花线切割机床电气系统的研究

唐 婷*

(成都工业学院 电气与电子工程系，成都 611730)

电火花线切割机床电气系统主要控制切割台上的储丝筒电机启停及往返行程自动控制、冷却电机启停、高频脉冲输出、断丝与加工结束自动停机等。目前线切割机床的电气控制系统较为复杂、落后，电器老化后，设备故障频繁且不易修复，这不仅影响线切割机床功能、性能的提高，也会影响机床的自动化程度。本文采用电子开关类型元件取代机械式行程开关转向，以解决换向时的弧光放电问题。

1 线切割机床电气系统的控制功能

线切割机床电气系统的框图如图1所示。

图1 电气控制系统框图

往复走丝线切割机床在加工时，必须使储丝筒电机运转，从而带动电极丝按一定线速度在行程范围内快速移动，其速度一般为7～10 m/s。因此对储丝筒电机起动、停止、往返行程自动换向必须进行准确的控制，以达到稳定恒速地运转。

在电火花线切割加工过程中，需要稳定地供给乳化液，以冷却电极丝和工件并排除电蚀物。冷却电机的正常运转是保障乳化液在电极丝和工件上喷射的必要条件。

脉冲电源只有同时满足以下3个条件才能输出脉冲，进行放电加工:1)在储丝筒运转且带动电极丝快速移动时;2)有乳化液喷射;3)不在储丝筒换向期间。即储丝筒不运转或储丝筒换向时无高频输出，不能进行正常切割。

在加工中，由于电极丝损耗到一定程度断丝或因意外因素造成断丝，机床运行应立即自动停机，中止切割加工，避免引起电极丝缠乱，从而可继续利用剩余的电极丝。当加工程序执行完毕，应自动停机，避免机床空运转和达到安全省电的目的。

2 电气系统分类

电气系统根据其使用电源的不同，可分交流三相和单相电源。采用交流三相电源的电气系统是对三相交流储丝筒电机、三相冷却电机进行控制;采用单相电源的电气系统是对单相交流储丝筒电机和单相交流冷却电机进行控制。这2种类型的电气系统对高频脉冲的输出控制、断丝与程序结束自动停机相同。

3 三相交流线切割机床电气系统设计

3.1 方案确定

普通机床电气系统基本采用2个接触器和机械式行程开关控制换向，电器元件易老化，故障率高，维护困难。本设计采用电子开关类型的新器件取代传统的接触器和机械式行程开关换向。

3.2 主电路设计

采用三相交流电源供电的电气系统，其主电路如图2所示。

图2 三相交流线切割机床主电路

3.2.1 储丝筒电机换向

选用4支双向可控硅T1～T4作为换向电子开关，每只可控硅的输入、输出端并联RC吸收电路，用于吸收和削弱通断瞬间产生的反向尖峰。可控硅输出端串入3支限流电阻并接入电机三相绕组，限制电机起动电流过大。储丝筒电机采用双向可控硅电子开关控制，可实现无接触点、无火花换向。

3.2.2 储丝筒电机降压起动

三相自耦变压器星形连结，使储丝筒电机工作在降压起动状态，减小频繁的起动电流，防止电机过载，减小电机温升，提高双向可控硅耐压富裕量，有利于可控硅和电机的长期安全可靠运行。

3.2.3 冷却电机

三相电源经开关QS1、熔断器FU2、接触器KM2和热继电器FR2接入冷却电机，具有短路和过载保护功能。

3.3 控制电路设计

3.3.1 储丝筒电机控制

图3 控制电路

图4 行程、断丝与程序结束自动停机控制电路

1)储丝筒电机启停控制。如图3(a)所示，按下起动按钮SB3，储丝筒电机运转。同时相电源U3经开关QS2提供220 V电压，由二极管FR601向电容C充电。当按下急停按钮或储丝筒停止按钮时、以及超行开关断开时、或断丝与程序结束信号(END)使KA6常闭触点断开时，均会引起停机，C的充电电流经KM1的2组常闭触点向电机绕组放电，该电流经制动回路产生不能旋转的静止磁场，其制动力矩迫使电机转子停转。2)往返行程自动控制。采用2只接近开关SQ1、SQ2，如图4所示，安装在储丝筒部件下方的左右极限位置上，接近开关与储丝筒拖板上的左右金属块配合使用，检测行程的起点和终点，在可调行程范围内自动往复运行。该接近开关为高频振荡式NPN型电子开关，具有非接触式金属感应触发、动作灵敏、重复精度高、长期工作稳定可靠、寿命长等特点。

按下起动按钮SB3，储丝筒电机运转，由于换向电路的继电器KA3未吸合，可控硅T1和T2导通，电机获得A、B、C相序的三相电压而正转，使储丝筒拖板向右方向运行。当储丝筒拖板上的左边金属条块覆盖SQ1端面时，SQ1导通使 KA1吸合，KA4接通+12V，KA3吸合自锁，LED指示灯点亮。KA3的吸合使 T1、T2阻断，T3、T4导通，电机获得 A、C、B 相序的三相电压而反向运转，使储丝筒拖板向左运行。当拖板上的右边金属条块覆盖SQ2端面时，SQ2导通，KA5吸合，+12 V电压断开，KA3失电释放，T3、T4阻断，T1、T2导通，电机又得到 A、B、C 相序的三相电压而正转，使储丝筒拖板又向右运行。由此完成行程内的自动往返连续运行。

SQ1和SQ2端面与金属条块之间一般应有2 mm间距，间距过大会使接近开关失灵，间距过小甚至无间距会使接近开关损坏，进而造成储丝筒超出行程范围，导致电极丝断丝和储丝部件的丝杠、螺母损坏。因此，电路上设置有超行程开关SQ3，如图4所示，一旦有超行程现象发生，SQ3断开电源，使KM1、KM2因失电而释放，储丝筒电机、冷却电机均停止运转，起到安全控制作用。

3.3.2 冷却电机控制

冷却电机的控制电路如图3所示，按下起动按钮SB5，冷却电机运转;按下停止按钮SB4，冷却电机停止。

3.3.3 高频脉冲输出控制

采用DC继电器控制高频脉冲的输出，其线包一端接输入电压12 V的正极，另一端接入机床电气电路(图3(b)中的31端)，该线路通过串联的KM1、KM2常开触点和KA4、KA5的常开触点接到12 V负极(35端)构成回路。使DC继电器只有在储丝筒电机和冷却电机正常运转、并且不在换向期间吸合时(即31、32、33、34、35 各触点均闭合)，才能输出控制脉冲。

3.3.4 断丝与程序结束自动停机控制

图4中断丝与程序结束自动停机(END)电路由DC 继电器KA6、NPN 三极管BG1、二极管D1～D3、电阻R、电容C组成。KA6的一对常闭触点串入KM1和KM2电路中，控制KM1和KM2的吸合与释放，即控制丝筒电机和冷却电机的运转与停机。

断丝信号由29端输入，正常加工时29端经电极丝接地，此时加工程序未结束，30端无正电压，BG1截止，KA6不吸合，机床正常加工运行;当加工程序结束，微机控制器输出正电压或正脉冲使BG1导通，KA6吸合，机床停机。

若在正常加工中出现电极丝断丝，29端会与地断开，BG1导通，KA6吸合，机床实现停机保护。

4 结语

本文采用电子开关类型的新器件取代传统的接触器和机械式行程开关换向，电路具有简洁、直观、经济实用的优点。通过实际运行，该设计完全满足生产要求，并且有效地克服了接触器和机械式行程开关在负载电路较大或频繁换向时会产生弧光放电，以及高温易烧损触头、弹簧易疲劳、易损易坏、寿命短的缺点，提高了电气系统长期使用的可靠性。

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