电火花线切割的自动编程和仿真系统.docx

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电火花线切割的自动编程和仿真系统

电火花线切割的自动编程和仿真系统

摘要

随着CAD及其相关技术的应用和推广，从根本上改变了传统的产品设计、制造模式，极大地提高了生产效率，创造更多的技术经济效益。

数控加工仿真是计算机辅助设计与制造的关键技术之一。

电火花线切割加工的仿真技术对于加工精度和加工表面质量分析具有重要意义。

为此，本文对电火花线切割加工的几何仿真技术进行了研究。

为了实现电火花线切割加工自动编程，本课题完成了基于AutoCAD的数控加工自动编程系统的开发。

本文首先简单介绍了自动编程和仿真技术的研究现状和发展趋势，以及目前市场上常用的自动编程和仿真系统。

接着详细论述了运用AutoCAD内置二次开发工具AutoLisp语言、DCL语言，结合国家标准，开发一个新的AutoCAD平台上的命令，来实现零件的自动编程和加工仿真系统。

最后给出一个典型零件自动编程实例，并通过该实例介绍了系统的应用方法。

本文对从事自动编程系统开发的相关人员具有一定的参考价值，还可供开发AutoCAD的人员和从事电火花线切割零件加工的企业员工参考，开发的软件系统可用于电火花线切割加工自动编程。

关键词：

数控编程，加工仿真，AutoCAD，Lisp语言

AUTOMATICPROGRAMMINGTECHNOLOGYANDANALOGUESYSTEMOFWIRE_CUTELECTRICALDISCHARGEMACHINING

ABSTRACT

WiththewideapplicationofCAD/CAMandotherrelatedtechnologies,traditinaldesignandproductionmethodshavebeenthoroughlyinnovated,whichimprovestheproductivityandbringsgreatertechnologicandeconomicbenefit.Wire-CutElectricalDischargeMachiningsimulationisthekeytechnologyofCAD/CAM.GeometrysimulationtechniqueforWire-CutElectricalDischargeMachininghasimportantmeaningforhighprecisionandsurfacequality.Basedonsuchanotion,geometrysimulationinisstudiedinthisthesis.

InordertorealizetheautomaticprogramofWire-CutElectricalDischargeMachining,inthissubjectwehavecompletedthedevelopmentofautomaticprogramsystemofnumericalcontralmachiningbasedonAutoCADplatform.Firstly,thisdiscoursesimplyintroducesresearchstatusquoanddevelopingtrendoftheautomaticprogrammingtechnologyandanaloguesystemincommonuseinpresentmarket.Secondly,UsesAutoCADbuilt-inre-developmenttoolAutotheLisplanguage,theDCLlanguage,theunionnationalstandards,developsinanewAutoCADplatformtheorder,mayrealizetheengineeringproductsdesignparametrization;Mayrealizetheautomaticprogrammingtechnologyandanaloguesystem.Finally,givesanautomaticprogrammingexampleofatypicalpartandintroducesapplyingmethodofthissystemthroughthisexample.

Thisdiscoursecanbeusedasareferenceforprofessionalsengagedinresearchofautomaticprogrammingsystem,orasareferenceforAutoCADdevelopersorasareferenceforemployeesengagedinWire-CutElectricalDischargeMachiningofbolt-nodesphere.DevelopedsoftwaresystemcanbeusedfortheautomaticprogramofWire-CutElectricalDischargeMachiningofthebolt-nodesphereinspatialsteelframework.

KEYWORDS:

Numericalcontrolprogramming,processingsimulation,AutoCAD,Lisplanguage

目　录

前　言

作为特种加工家族的一员，电火花线切割加工是对传统机械加工方法的有力补冲充和延伸，现已成为机械制造业，特别是模具和工具行业不可或缺的重要加工手段，并正向着自动化、柔性化、精密化、集成化、智能化和最优化方向发展，同时也成为创新设计中实现奇思妙想所不可缺少的工艺方法。

目前，数控设备已经大量进入制造业，电火花线切割机床都是数控的，一些数控线切割机床本身具有多种自动编程机的功能，或做到控制机与编程机合二为一。

数控编程、加工操作、加工仿真及其维修成为数控电火花线切割加工中的重要组成部分。

与之相适应，配套的CAD/CAM软件也得到了迅速的发展，并在近几年经历了一个重新洗牌的过程。

现在，人们常把机床的数控化率和数控机床的利用率作为先进制造业的重要标志。

而影响数控机床利用率的一个重要因素是数控编程。

有资料显示，数控机床停机的20%～30%的原因是不能及时编出加工程序所致，因此，数控机床的研究人员都把提高数控系统的自动编程能力作为重要指标

。

数控零件加工程序的编制是进行数控加工的一个重要步骤，国内外数控加工统计说明，造成数控机床等待约20%～30%是编程不及时所致，可见数控编程直接影响着数控机床的加工效率。

随着数控技术应用的日益扩大，我国企业在数控自动编程应用方面已有较大发展，目前主要有以下三种自动编程方式。

　1.采用数控编程语言的自动编程。

最著名的是APT（AutomaticallyProgrammedTools）语言。

　　2.计算机辅助图形设计的自动编程。

采用CAD方法，将设计好的零件图形显示在屏幕上，编程人员指定要加工的表面，并回答软件提出的一些问题，诸如对刀点、走刀方式、切削用量参数等，然后由系统进行自动编程，形成刀位数据文件或APT程序，再经后置处理，变成机床所需的NC代码。

　　3.从CAD获取信息的自动编程。

编程所需的零件形状信息直接从CAD那里得到，一般利用AutoCAD提供的图形交换文件DXF接口，编程人员只需进行适当工艺处理。

　　由于图纸上给出的零件形状数据往往比较少，而数控系统的插补功能要求有较多的数据才能控制机床。

尤其是当数控系统插补功能要求输入的数据与零件形状给出的数据不一致时，就需要进行复杂的数学运算，而在运算过程中可能产生人为的错误。

而这些复杂的数学运算可由计算机快速、准确地完成。

　　NC程序作为数控加工的信息载体，其正确与否直接影响零件加工质量。

目前实际生产使用的NC程序，在投入加工之前通常采用机床空运行和木模、蜡模的试切，完成NC程序的检查。

该方法加工准备周期长，生产成本增加，难以实现数控机床的高效生产。

图形仿真是目前CAD/CAPP/CAM系统中通用的NC检验方法。

第1章电火花线切割基础知识

1.1电火花线切割加工的原理、特点及应用范围

1.电火花线切割加工机床电火花线切割加工是在电火花成形加工基础上发展起来的，它是用线状电极（钼丝或铜丝）通过火花放电对工件进行切割

电火花线切割加工机床根据电极。

丝运行速度不同分为快走丝和慢走丝两种机床，其组成主要包括：

（1）主机：

包括床身、坐标工作台、走丝机构等；

（2）脉冲电源：

把交流电流转换成一定频率的单向脉冲电流；（3）控制系统控制机床运动；（4）工作液循环系统：

提供清洁的、有一定压力的工作液。

2.电火花线切割的原理

数控线切割加工的基本原理与电火花成形加工相同，但加工方式不同，它是用细金属丝作电极。

线切割加工时，线电极一方面相对工件不断地往上（下）移动（慢速走丝是单向移动，快速走丝是往返移动），另一方面，装夹工件的十字工作台，由数控伺服电动机驱动，在x、y轴方向实现切割进给，使线电极沿加工图形的轨迹，对工件进行切割加工。

3.电火花线切割加工特点和应用

（1）电火花线切割加工的优点

a.适合于机械加工方法难于加工的材料的加工，如淬火钢、硬质合金、耐热合金等；

b.线为工具电极，节约了电极设计和制造费用和时间，能方便地加工形状复杂的外形和通孔，能进行套料加工。

冲模加工的凸凹模间隙可以任意调节。

（2）缺点

a.被加工材料必须导电；b.不能加工盲孔。

电火花线切割加工的应用线切割广泛用于加工硬质合金、淬火钢模具零件、样板、各种形状复杂的细小零件、窄缝等。

如形状复杂、带有尖角窄缝的小型凹模的型孔可采用整体结构在淬火后加工，既能保证模具精度，也可简化模具设计和制造。

此外，电火花线切割还可加工除盲孔以外的其它难加工的金属零件。

1.2电火花线切割加工工艺

1.电火花线切割加工工艺指标

（1）切割速度即单位时间内电极丝中心线在工件上切过的面积总和，快走丝线为40～80mm2／min，慢走丝可达350mm2／min。

（2）切割精度快走丝线切割精度可达0.0lmm，一般为±0.015～0.02mm；慢走丝线切割精度可达±0.001mm左右。

（3）表面粗糙度快走丝Ra值一般为1.25～2.5μm，最低可0.63～1.25μm；慢走丝线切割的Ra值可达0.3μm。

2．影响工艺指标的主要因素

（1）脉主要参数的影响：

a.峰值电流Ie增大，加工速度提高，但表面粗糙度变差，电极丝损耗比加大甚至断丝。

b.脉冲宽度ti　加大ti可提高加工速度但表面粗糙度变差。

c.脉冲间隔t0　t0减小时平均电流增大，切割速度加快，但t0过小，会引起电弧和断丝。

（2）电极及其走丝速度的影响：

a.电极丝直径的影响电极直径，一般为0.03～0.35mm，电极丝直径越粗，切割速度越快，而且还有利于厚工件的加工。

b.电极丝走丝速度的影响在一定范围内，随着走丝速度的提高，线切割速度也可以提高。

但过高，将使电极丝的振动加大、降低精度、切割速度并使表面粗糙度变差，且易造成断丝，一般高速走丝以小于l0m／s为宜。

（3）工件厚度及材料的影响：

工件材料薄，工作液容易进入并充满放电间隙，对排屑和消电离有利，加工稳定性好。

但工件太薄，金属丝易产生抖动，对加工精度和表面粗糙度不利。

工件厚，工作液难于进入和充满放电间隙，加工稳定性差，但电极丝不易抖动，因此精度和表面粗糙度较好。

3.线切割加工工艺过程

线切割加工工艺制定的内容主要有以下几个方面：

零件图的工艺分析、工艺准备、加工参数的选择。

（1）零件图的工艺分析：

主要分析零件的凹角和尖角是否符合线切割加工的工艺条件零件的加工精度、表面粗糙度是否在线切割加工所能达到的经济精度范围内。

（2）尖角和凹角尺寸分析：

a.线电极轨迹与加工面距离l=d／2+线电极轨迹；b.零件凹角半径：

R1≥l=d／2+δ,零件尖角半径：

R2=R1-Z/2

（3）精度和表面粗糙度的分析：

加工精度和表面粗糙度应符合要求。

4.线电极的选择

一般情况下，快速走丝机床常用钼丝作线电极，钨丝或其它昂贵金属丝因成本高而很少用，其它线材因抗拉强度低，在快速走丝机床上不能使用。

慢速走丝机床上则可用各种铜丝、铁丝，专用合金丝以及镀层（如镀锌等）的电极丝。

5.穿丝孔的确定

（1）穿丝孔的尺寸　直径一般∮3～10mm；

（2）穿丝孔的位置。

凹模、孔类零件　为使切割轨迹短和更于编程，穿丝孔应设在边角处、在已知坐标尺寸的交点处或型孔中心。

凸模类零件　为避免将坯件外形切断引起变形，应按图c在坯料内打穿丝孔

（3）工件校正和装夹

a.工件校正；b.工件装夹方式。

（4）线电极位置的校正

a.目视法　直接利用目视或借助于放大镜来确定线电极的坐标位置；b.火花法利用线电极与工件在一定间隙时发生火花放电来确定线电极的坐标位置；c.自动法利用机床自动找正功能找孔中心。

1.3电火花线切割控制系统和编程技术

1.电火花线切割控制系统

控制系统在电火花线切割加工中起重要作用。

控制系统的稳定性、可靠性、控制精度及自动化程度，都直接影响加工精度和工人的劳动强度。

在进行电火花线切割加工过程中，控制系统的主要作用：

按加工要求精确地自动控制电极丝相对工件的运动轨迹，使零件获得所需的形状和尺寸；对加工状态进行控制，如控制伺服进给速度、电源装置、工作夜循环系统、走丝机构等，协调各机构的运转；此外还应具有断电记忆、故障报警、安全控制及自诊断功能，以保证正常的稳定切割加工。

轨迹控制靠数控编程和控制系统，伺服进给速度控制是根据放电间隙大小与放电状态自动控制的，使进给速度与工件材料的蚀除速度相平衡。

数字程序控制（NC控制）电火花线切割的控制原理是把图样上工件的形状和尺寸编制成程序指令，一般通过键盘或使用穿孔纸带或磁带，输给计算机，计算机根据输入指令控制驱动电机，由驱动电机带动精密丝杆，使工件相对于电极丝做轨迹运动。

图1-1所示为数字程序控制过程框图。

图1-1数字程序控制过程图

与靠模仿形和光电跟踪仿形控制不同，数字程序控制方式无需制作精密的模板或描绘精确的放大图，而只需根据图样形状和尺寸，经编程后用计算机进行直接控制加工。

因此，只要机床的进给精度比较高，就可以加工出高精度的零件，而且生产准备时间短，机床占地面积小。

现在绝大多数线切割机床采用数字控制技术，高速走丝电火花线切割机床的数控系统大多采用较简单的步进电机开环系统，而低速走丝线切割机床的数控系统则大多是伺服电动机加码盘的半闭环系统或全闭环数控系统。

2.线切割数控编程要点

线切割机床的控制系统是按照人的“命令”去控制机床加工的，因此必须事先把要切割的图形，用机器所能接受的“语言”编排好“命令”，并告诉控制系统，这项工作叫做数控线切割编程，简称编程。

为了使机器接受指令，必须按一定的格式编写程序，这些格式有3B、4B、5B及ISO和EＩＡ等，我国使用最多的是3B和ISO格式。

（1）3B格式

以下介绍我国高速走丝切割机床应用较广的3B程序的编程要点，3B格式的程序段格式见表1-1所示.

表1-1３Ｂ程序格式

Ｂ

Ｘ

Ｂ

Ｙ

Ｂ

Ｊ

Ｇ

Ｚ

ｘ坐标

ｙ坐标

计数长度

计数方向

加工指令

编程时需用的参数有五个：

切割的起点或终点坐标ｘ、y值；切割时的计数长度J（切割长度在ｘ轴或y轴上的投影长度）；切割时的计数方向G；切割轨迹的类型（加工指令）Z。

程序段格式：

我国高速走丝数控线切割机床采用统一的五指令3B程序格式：

BXBYBJGZ

其中B——分隔符，用它来区分、隔离X、Y和J等数码，以免执行指令时发生混淆。

B后的数字如为0，则此0可以不写；

X、Y——加工圆弧时，取圆心作为切割坐标原点，X、Y值为圆弧起点的坐标绝对值；加工直线时，取直线起点作切割坐标的原点，X、Y值为直线终点坐标绝对值。

亦可将两者同时放缩相同倍数。

编程时均取绝对值，以um为单位；

J——计数长度，取绝对值，亦以um为单位，要和选计数方向一并考虑。

直线的编程时，按计数方向Gx或Gy,取该直线在X轴或Y轴上的投影值，即取X值或Y值；圆弧编程时，亦按计数方向取X或Y轴上的投影值，如果圆弧较长，跨越两个以上象限，则分别取计数方向X轴（或Y轴）上各个象限投影值的绝对值相累加，作为该方向总的计数长度。

G——计数方向，分Gx或Gy，即可按X方向或Y方向计数，工作台在该方向每走1um即计数累减1，当累减到计数长度J=0时，这段程序即加工完毕。

直线编程时，计数方向按图2-2选：

当直线终点坐标（Xe,Ye）在阴影区域（45°为界）内，计数方向为Gy，否则为Gx；若正好在45°线上，计数方向任取。

圆弧编程时，计数方向按图2-3选择：

当圆弧终点坐标（Xe,Ye）在阴影区域内，计数方向为Gx，否则为Gy；若正好在45°线上，计数方向任取。

（a）（b）

图1-2计数方向选择

Z——加工指令，分为直线L和圆弧R两大类。

直线又按走向和终点所在象限而分为L1、L2、L3、L4四种；圆弧又按第一步进入的象限及走向的顺、逆圆而分为SR1、SR2、SR3、SR4及NR1、NR2、NR3、NR4八种，如图1-3所示。

（a）（b）（c）（d）

图1-3加工指令

（2）3B格式编程举例：

设要切割图1-4所示的轨迹，该图形由三条直线和一条圆弧组成，故分四条程序编制（暂不考虑切入路线的程序）。

a.加工直线AB。

坐标原点取在A点，AB与X轴正重合，X、Y均可作0计，故程序为BBB40000GxL1

b.加工斜线BC。

坐标原点取在B点，终点C的坐标值是X=10000，Y=90000，故程序为B1B9B90000GyL1

c.加工圆弧CD。

坐标原点应取在圆心O，这时起点C的坐标可用勾股定律算的为X=30000，Y=40000，故程序为B30000B40000B60000GxNR1

d.加工斜线DA。

坐标原点应取在D点，终点A的坐标为X=10000，Y=90000，故程序为B1B9B90000GyL4

实际线切割加工和编程时，要考虑线径补偿量（为钼丝半径与单边放电间隙之和）的影响。

图1-4要切割的零件图

第2章AutoCAD基础知识

2.1AutoCAD简介

AutoCAD是由美国Autodesk欧特克公司于二十世纪八十年代初为微机上应用CAD技术而开发的绘图程序软件包，经过不断的完善，现已经成为国际上广为流行的绘图工具。

　　AutoCAD具有良好的用户界面，通过交互菜单或命令行方式便可以进行各种操作。

它的多文档设计环境，让非计算机专业人员也能很快地学会使用。

在不断实践的过程中更好地掌握它的各种应用和开发技巧，从而不断提高工作效率。

AutoCAD具有广泛的适应性，它可以在各种操作系统支持的微型计算机和工作站上运行，并支持分辨率由320×200到2048×1024的各种图形显示设备40多种，以及数字仪和鼠标器30多种，绘图仪和打印机数十种，这就为AutoCAD的普及创造了条件。

现在最新的版本为：

AutoCAD2010

2.2AutoCAD特点及功能

2.2.1AutoCAD特点

AutoCAD软件具有如下特点：

1.具有完善的图形绘制功能。

2.有强大的图形编辑功能。

3.可以采用多种方式进行二次开发或用户定制。

4.可以进行多种图形格式的转换，具有较强的数据交换能力。

5.支持多种硬件设备。

6.支持多种操作平台7.具有通用性、易用性，适用于各类用户此外，从AutoCAD2000开始，该系统又增添了许多强大的功能，如AutoCAD设计中心（ADC）、多文档设计环境（MDE）、Internet驱动、新的对象捕捉功能、增强的标注功能以及局部打开和局部加载的功能，从而使AutoCAD系统更加完善...

2.2.2基本功能及应用领域

基本功能：

平面绘图、绘图辅助工具、编辑图形、标注尺寸、书写文字、图层管理功能、三维绘图、网络功能、数据交换、二次开发。

　　应用领域：

①工程制图：

建筑工程、装饰设计、环境艺术设计、水电工程、土木施工等等；②工业制图：

精密零件、模具、设备等；③服装加工：

服装制版；④电子工业：

印刷电路板设计。

　　广泛应用于土木建筑、装饰装潢、城市规划、园林设计、电子电路、机械设计、服装鞋帽、航空航天、轻工化工等诸多领域。

第3章仿真技术

3.1仿真的定义

仿真英文全称是:

Simulation

　　即:

使用项目模型将特定于某一具体层次的不确定性转化为它们对目标的影响，该影响是在项目整体的层次上表示的。

项目仿真利用计算机模型和某一具体层次的风险估计，一般采用蒙特卡洛法进行仿真。

利用模型复现实际系统中发生的本质过程，并通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统，又称模拟。

这里所指的模型包括物理的和数学的，静态的和动态的，连续的和离散的各种模型。

所指的系统也很广泛,包括电气、机械、化工、水力、热力等系统,也包括社会、经济、生态、管理等系统。

当所研究的系统造价昂贵、实验的危险性大或需要很长的时间才能了解系统参数变化所引起的后果时，仿真是一种特别有效的研究手段。

仿真的重要工具是计算机。

仿真与数值计算、求解方法的区别在于它首先是一种实验技术。

仿真过程包括建立仿真模型和进行仿真实验两个主要步骤。

3.2仿真分类

仿真可以按不同原则分类:

1.按所用模型的类型（物理模型、数学模型、物理－数学模型）分为物理仿真、计算机仿真（数学仿真）、半实物仿真；2.按所用计算机的类型（模拟计算机、数字计算机、混合计算机）分为模拟仿真、数字仿真和混合仿真；3.按仿真对象中的信号流（连续的、离散的）分为连续系统仿真和离散系统仿真；4.按仿真时间与实际时间的比例关系分为实时仿真（仿真时间标尺等于自然时间标尺）、超实时仿真（仿真时间标尺小于自然时间标尺）和亚实时仿真（仿真时间标尺大于自然时间标尺）；5.按对象的性质分为宇宙飞船仿真、化工系统仿真、经济系统仿真等。

3.3仿真工具和方法

3.3.1仿真工具

主要指的是仿真硬件和仿真软件。

仿真硬件中最主要的是计算机。

用于仿真的计算机有三种类型：

模拟计算机、数字计算机和混合计算机。

数字计算机还可分为通用数字计算机和专用的数字计算机。

模拟计算机主要用于连续系统的仿真，称为模拟仿真。

在进行模拟仿真时，依据仿真模型（在这里是排题图）将各运算放大器按要求连接起来，并调整有关的系数器。

改变运算放大器的连接形式和各系数的调定值，就可修改模型。

仿真结果可连续输出。

因此，模拟计算机的人机交互性好，适合于实时仿真。

改变时间比例尺还可实现超实时的仿真。

60年代前的数字计算机由于运算速度低和人机交互性差，在仿真中应用受到限制。

现代的数字计算机已具有很高的速度，某些专用的数字计算机的速度更高，已能满足大部分系统的实时仿真的要求，由于软件、接口和终端技术的发展，人机交互性也已有很大提高。

因此数字计算机已成为现代仿真的主要工具。

混合计算机把模拟计算机和数字计算机联合在一起工作，充分发挥模拟计算机的高速度和数字计算