数控线切割机钼丝垂直测量校正方法和装置与流程

本发明涉及线切割机床领域，具体涉及一种数控线切割机钼丝垂直测量校正方法和装置。

背景技术：

线切割加工是利用连续移动的细金属丝作电极，对工件进行脉冲火花放电蚀除金属或切割成型，该设备主要用于加工超硬钢材、硬质合金、各种形状复杂及精密细小的工件。电极丝是一种由钼等贵金属制造而成的细金属丝(通常称为钼丝，本专利主要用于快走丝线切割机床)，钼丝通过介质(电解液)与工件发生放电，腐蚀金属达到切割成型的目的。

近年来，随着自动化技术的不断发展，各种数控线切割设备在电加工行业中已逐渐普及，其机械精度、位置闭环控制、高频电源等技术都达到了较高水平，但是，作为放电电极的钼丝，其垂直检测技术相对滞后，一直是阻碍线切割设备自动化水平和影响加工精度的主要原因之一。钼丝垂直是指电极丝与X、Y轴工作台平面垂直，由于电极丝的垂直度对加工精度的影响很大，所以设备加工前必须进行钼丝的垂直校正。目前，线切割电极丝(以下简称钼丝)垂直校正有以下两种方法：

1、放电火花垂直校正方法

现有线切割垂直校正多数都采用无水小电流状态下放电找正的方法，具体步骤如下：移动X轴使钼丝接近校正块(金属校正块：一块各平面相互平行或垂直的长方形金属体)的一个侧面，至有轻微放电火花，通过目测钼丝和校正块侧面可接触长度上放电火花的均匀程度，如出现上端或下端中只有一端有火花，说明该端离校正块侧面距离近，而另一端离校正块侧面远，钼丝不垂直需要校正；如上下火花均匀一致，钼丝相对X轴垂直。然后移动工作台，用同样方法将钼丝接触校正块另一相邻垂直侧面，也可以完成钼丝相对Y轴的垂直校正。上述钼丝垂直检测方法是目前线切割加工中普遍使用的方法，这种方法主要有以下缺点：1)、由于采用人工目测，对操作者的技术水平和经验等人为因素依赖性强；2)、目测方法误差较大，每次调整的一致性不能保证，严重影响产品质量；3)、校正时必须进行放电切割，通过电火花均匀程度来判断找正，属接触式测量，由于放电力作用等因素影响，极易引起测量误差。4)、每次只能作X(或Y)轴一个方向的垂直校正，必须二次移动工作台才能对另一个轴进行校正，容易产生测量误差；5)、无法实现全自动垂直校正，只能根据当前情况，通过U、V轴步进电机人工手动垂直校正；

2、线切割电子指示垂直校正仪

电子指示垂直校正仪(以下简称校正仪)，使用了上下两个金属触点(对应两个指示灯)，通过与钼丝接触形成闭合回路点亮指示灯，这种方法必须反复调整才能确保上下“同时“接触(精度才有保证)，具体使用方法如下：电极丝必须处于静止状态，将校正仪吸附在工作台面上，校正仪上带有上下两个金属触点，工作台沿着X轴(或Y轴，每次只能校正一个方向)方向移动，使校正仪触点与电极丝轻轻接触，如果只有上或下灯亮，说明电极丝不垂直，应调整导轮位置，直至上、下灯同时亮，该方向即达到垂直校正要求。若要精确调整垂直校正，必须反复检测、调整，直至上、下灯“同时”亮。这种方法主要有以下缺点：

1、电子校正仪只能在静止状态才能检测，而走丝机构非常复杂，单靠静止状态检测不能完全代表设备实际运转情况。

2、电子校正仪采用了接触式测量，极易由触点接触钼丝引起测量误差。

3、为了保证上下两触点“同时”接触，仍需要目测上、下灯“同时”亮，对操作者的经验要求高，一致性无法保证，容易引起测量误差。

4、上下两触点之一接触灯亮后，未接触触点与钼丝之间距离完全靠目测，即另一触点与钼丝距离是无法知道，调节难度较大。

5、每次只能作X(或Y)轴一个方向的垂直校正，必须二次移动工作台才能检测另一轴，容易产生测量误差。

6、由于是简单开关量检测，无法与数控系统对接构成自动垂直校正。

上述问题多年来一直未得到有效地改善，其相应的测量技术也非常滞后。因此，改变钼丝垂直校正技术的落后面貌，使校正技术更加科学化、智慧化、自动化和精准化对数控线切割技术进步具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明目的是：针对上述问题，本发明提供一种数控线切割机钼丝垂直测量校正方法和装置，该装置能够实现钼丝垂直度在X、Y轴两方向同时非接触测量，避免二次移动工作台所引起的误差。

本发明的技术方案是：

本发明所提供的这种数控线切割机钼丝垂直测量校正方法，在数控线切割机钼丝直线工作段的上部和下部分别布置两个结构一致的、且位于钼丝直线工作段径向外侧的线圈组，而且这两个线圈组在竖直方向重合布置，向所述钼丝直线工作段通入高频脉冲电流，从而在钼丝直线工作段周围产生交变磁场，进而在所述两个线圈组中产生感应电压，获取并比较所述两个线圈组中感应电压，并根据比较结果计算出钼丝直线工作段垂直度的偏差方向和偏差值，然后根据所述偏差方向和偏差值将钼丝直线工作段的垂直度调整至满足要求。

本发明所提供的这种数控线切割机钼丝垂直测量校正装置，包括：

设于钼丝直线工作段径向外侧的上线圈组；

设于所述钼丝直线工作段径向外侧、且间隔布置在所述上线圈组下方的下线圈组，该下线圈组与所述上线圈组的结构相同，且二者在竖直方向上重合布置；

向所述钼丝直线工作段通入高频脉冲电流、从而在其周围产生交变磁场、进而使所述上线圈组和下线圈组中产生感应电压的高频电源；以及

与所述上线圈组和下线圈组均相连、并能够获取和比较所述上线圈组和下线圈组中感应电压的信号处理电路。

该测量校正装置在上述技术方案的基础上，还包括以下优选方案：

所述信号处理电路包括与所述上线圈组和下线圈组均相连的差动放大电路、与所述差动放大电路相连的滤波电路、以及与所述滤波电路相连的A/D转换电路。

所述数控线切机包括数控系统、与该数控系统相连的步进电机、与该步进电机相连的锥度调节装置，所述信号处理电路与所述数控系统相连，所述信号处理电路将其获取的所述上线圈组和所述下线圈组中感应电压的大小差值信号传输至所述数控系统，所述数控系统根据该大小差值信号计算出所述钼丝直线工作段的垂直度偏差值，并根据该垂直度偏差值控制所述步进电机带动所述锥度调节装置动作，以调整所述钼丝直线工作段的垂直度。

所述上线圈组由圆弧形的X向上线圈和圆弧形的Y向上线圈构成，所述X向上线圈和Y向上线圈为分体式结构，且二者一上一下垂直分布；

所述下线圈组由圆弧形的X向下线圈和Y向下线圈构成，所述X向下线圈和Y向下线圈为分体式结构，且二者一上一下垂直分布；

所述X向上线圈、Y向上线圈、X向下线圈和Y向下线圈均环绕布置在所述钼丝直线工作段的径向外侧。

还包括布置在所述数控线切割机上的测量基座、固定在该测量基座上且一上一下间隔分布的上基板和下基板、分别可拆卸地安装在所述上基板上表面和下表面的X向上磁芯和Y向上磁芯、分别可拆卸地安装在所述下基板上表面和下表面的X向下磁芯和Y向下磁芯，所述X向上磁芯、Y向上磁芯、X向下磁芯和Y向下磁芯均为圆弧形结构，所述X向上线圈和Y向上线圈分别缠绕在所述X向上磁芯和Y向上磁芯上，所述X向下线圈和Y向下线圈分别缠绕在所述X向下磁芯和Y向下磁芯上。

所述测量基座、上基板和下基板均为大理石材质。

所述上基板和下基板上均分别设置有一弧形缺口，所述X向上磁芯和Y向上磁芯分别安装在所述上基板的所述弧形缺口的内壁上侧和内壁下侧，所述X向下磁芯和Y向下磁芯分别安装在所述下基板的所述弧形缺口的内壁上侧和内壁下侧。

所述测量基座上固定设置有碰边对零块。

所述高频电源为该数控线切割机的切割电源，还包括接地电阻、选择开关、与所述钼丝直线工作段上端相连的上导电块、与所述钼丝直线工作段下端相连的下导电块，所述上导电块与所述高频电源通过导线相连，所述下导电块借助与所述选择开关的动作而选择性地与所述接地电阻或所述高频电源相连。

本发明的优点是：

1、本装置采用非接触式测量方法，避免了由测量装置接触钼丝所引起的误差。

2、本装置采用非接触式测量方法，不仅能够在走丝机构静止状态下检测(电子校正仪方法只能在钼丝静止状态下测量)，还能够在开启走丝机构，即钼丝处于运动状态下的垂直校正。实现了走丝机构实际动态工作环境下的钼丝垂直校正。

3、本测量方法克服了人工目测校正块放电找正方法，所导致人为因素影响和精度低等缺点；同时，也避免了电子校正仪法要求上下两个触点必须“目测同时”接触的人为因素影响。

4、本测量方法实现X、Y轴两方向同时测量，避免二次移动工作台所引起的误差。

5、碰火花校正法和电子校正仪法，都必须反复多次移动工作台进行接触测量，而本装置采用非接触测量，操作简便，无须反复多次移动工作台。

6、本装置采用动、静态无火花垂直校正，无须同校正块之间碰火花，避免了放电力引起的测量误差，同时也节省了能源。

7、同数控系统联接，可根据测量结果，自动调整两方向的轴步进电机，实现线切割垂直自动校正。

8、本系统还具有一定范围内的锥度检测功能，在设定锥度后，可通过本系统来进行精密测量、校对。

9、采用上下两个测量装置，通过比测测量方法，能够准确地测量垂直度指标。

本发明巧妙利用线切割钼丝电极为一直导线，且直导线电极中流过脉动电流这一有利测量条件，通过安装在基座上的上下两个线圈，非接触测量钼丝的径向位置信息，准确地计算出垂直度指标，避免了放电找正等方法人为因素大，测量精度差等缺点。同时，线切割钼丝的非接触检测，避免了各种接触式测量方法所引起的误差，提升垂直校正精度。与数控系统连接，还可通过控制轴步进电机实现自动垂校正，甚至可改造为具有一定锥度测量功能的装置。本发明实现非接触动、静态垂直校正，为进一步提高数控线切割加工质量，具有很高的实用价值和经济效益。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明实施例这种数控线切割机钼丝垂直测量校正装置的整体结构示意图；

图2为本发明实施例这种数控线切割机钼丝垂直测量校正装置的局部结构示意图之一；

图3为本发明实施例这种数控线切割机钼丝垂直测量校正装置的局部结构示意图之二；

图4为本发明实施例这种数控线切割机钼丝垂直测量校正装置的局部结构示意图之三；

其中：1-钼丝，101-钼丝直线工作段，2-上线圈组，201-X向上线圈，202-Y向上线圈，3-下线圈组，301-X向下线圈，302-Y向下线圈，4-高频电源，5-信号处理电路，6-数控系统，7-步进电机，8-锥度调节装置，9-测量基座，10-上基板，11-下基板，12a-X向上磁芯，12b-Y向上磁芯，13a-X向下磁芯，13b-Y向下磁芯，14-碰边对零块，15-上导电块，16-下导电块，17-接地电阻，18-选择开关，19-钼丝上导轮，20-钼丝下导轮，21-上导丝器，22-下导丝器。

具体实施方式

图1～图4出示了本发明这种数控线切割机钼丝垂直测量校正装置的一个具体实施例，众所周知，数控线切割机的钼丝1包括用于切割工件的钼丝直线工作段101，而本装置就是用于测量和校正该钼丝直线工作段101的垂直度的。数控线切割机包括数控系统6、与该数控系统相连的步进电机7、与该步进电机相连的锥度调节装置8，锥度调节装置8与钼丝直线工作段101的上导轮连接，实际应用时，通过所述步进电机7带动锥度调节装置8动作，进而通过锥度调节装置8的动作来调整上导轮的位置，从而调整钼丝直线工作段101的垂直度。

本实施例这种数控线切割机钼丝垂直测量校正装置主要包括上线圈组2、下线圈组3、高频电源4和信号处理电路5，其中：上线圈组2和下线圈组3均布置在钼丝的钼丝直线工作段101的径向外侧，而且二者一上一下间隔布置。同时，下线圈组3与上线圈组2的结构相同(长度、半径、绕数等一致)，且二者在竖直方向(即Z轴方向)上重合布置，即二者在X和Y方向的位置一致。高频电源4用于向钼丝的钼丝直线工作段101通入高频脉冲电流、从而在钼丝直线工作段101周围产生交变磁场、进而使所述上线圈组2和下线圈组3中产生感应电压。信号处理电路5与所述上线圈组2和下线圈组3均分别连接，从而获取上线圈组2中感应电压和下线圈组3中感应电压的大小差值。

实际应用时，高频电源4向钼丝的钼丝直线工作段101通入高频脉冲电流，从而在钼丝直线工作段101周围产生交变磁场，进而在上线圈组2和下线圈组3中产生感应电压。不难理解，因为上线圈组2处钼丝电流和下线圈组3处钼丝电流是完全一致的，而且上线圈组和下线圈组的结构也完全相同，故上线圈组2和下线圈组3中感应电压的大小差值只与线圈和钼丝直线工作段间的相对位置有关。如果钼丝的钼丝直线工作段101完全垂直，那么它在上线圈组2和下线圈组3中的相对位置则完全相同，则上线圈组2和下线圈组3中产生的感应电压相等，即上线圈组2和下线圈组3中感应电压的大小差值为零。而若钼丝的钼丝直线工作段101并非完全垂直而具有一定的倾斜角度，那么钼丝直线工作段101在上线圈组2和下线圈组3中的相对位置则不同，那么上线圈组2和下线圈组3中感应电压的差值为非零值，一般来说，钼丝直线工作段101倾斜角度越大，所述感应电压的差值则越大。上线圈组2产生的感应电压和下线圈组2产生的感应电压分别传输至信号处理电路5，由该信号处理电路获取两个感应电压的大小差值，判断并显示输出，若感应电压差值为零，则说明钼丝直线工作段完全垂直，不需要调整；若感应电压差值为非零值而且该非零值大于预设阈值，则说明钼丝直线工作段垂直度较差，需要调整钼丝直线工作段101的垂直度。

本实施例中，所述信号处理电路5包括与所述上线圈组2和下线圈组3均相连的差动放大电路、与所述差动放大电路相连的滤波电路以及与所述滤波电路相连的A/D转换电路。使用时，上线圈组2的感应电压信号输入差动放大电路第一输入口，下线圈组3的感应电压信号输入差动放大电路第二输入口，差动放大电路对信号进行放大处理后，由其输出端经滤波电路滤波后接入A/D转换电路。

为了实现对所述步进电机7的自动控制，实现钼丝直线工作段垂直度的自动调节，本实施例将所述信号处理电路5与所述数控系统6相连。工作时，所述信号处理电路5将其获取的上线圈组2和所述下线圈组3中感应电压的大小差值信号传输至所述数控系统6，数控系统6根据该大小差值信号计算出所述钼丝直线工作段101的垂直度偏差值，并根据该垂直度偏差值控制步进电机7带动所述锥度调节装置8动作，以调整所述钼丝直线工作段101的垂直度。

为了提高对钼丝直线工作段垂直度的测量精度，同时便于计算出钼丝直线工作段垂直度的偏差值，本实施例将所述上线圈组2和线圈3设置成如下结构形式：上线圈组2由圆弧形的X向上线圈201和圆弧形的Y向上线圈202构成，所述X向上线圈201和Y向上线圈202为分体式结构，且二者一上一下垂直分布。下线圈组3由圆弧形的X向下线圈301和Y向下线圈302构成，所述X向下线圈301和Y向下线圈302为分体式结构，且二者一上一下垂直分布。并且所述X向上线圈201、Y向上线圈202、X向下线圈301和Y向下线圈302均环绕布置在所述钼丝直线工作段101的径向外侧。

工作时，X向上线圈201和X向下线圈301相对应以用于测量钼丝直线工作段101在X方向的垂直度偏差，Y向上线圈202和Y向下线圈302相对应以用于测量钼丝直线工作段101在Y方向的垂直度偏差。如果钼丝直线工作段101在X方向的垂直度良好，即测量钼丝直线工作段101在X向上线圈201和X向下线圈301处的X轴坐标相等，那么X向上线圈201和X向下线圈301中的感应电压相等；如果钼丝直线工作段101在Y方向的垂直度良好，即测量钼丝直线工作段101在Y向上线圈202和Y向下线圈302处的X轴坐标相等，那么Y向上线圈202和Y向下线圈302中的感应电压相等。只有在X向上线圈201和X向下线圈301中的感应电压相等，且Y向上线圈202和Y向下线圈302的感应电压也相等时，才表明钼丝直线工作段101具有标准的垂直度。若钼丝直线工作段的垂直度较差，则钼丝直线工作段在上线圈组2中的径向位置和在下线圈组3中的径向位置不一致，那么X向上线圈201和X向下线圈301具有不同的感应电压，或者Y向上线圈202和Y向下线圈302具有不同的感应电压。当然，也可能X向上线圈201和X向下线圈301具有不同的感应电压的同时，Y向上线圈202和Y向下线圈302中也具有不同的感应电压。根据X向上线圈201和X向下线圈301中感应电压差值以及Y向上线圈202和Y向下线圈302中感应电压差值(钼丝中高频脉冲电流大小及线圈结构参数已知)可非常容易地计算出钼丝直线工作段101在X方向和Y方向的坐标偏差，从而控制步进电机动作，使垂直偏差逐步减小，直到满足垂直校正指标。

为了方便所述上线圈组2和下线圈组3的安装布置，本实施例还设置了布置在数控线切割机上的测量基座9、固定在该测量基座9上且一上一下间隔分布的上基板10和下基板11、分别可拆卸地安装在所述上基板10上表面和下表面的X向上磁芯12a和Y向上磁芯12b、分别可拆卸地安装在所述下基板10上表面和下表面的X向下磁芯13a和Y向下磁芯13b。所述X向上磁芯12a、Y向上磁芯12b、X向下磁芯13a和Y向下磁芯13b均为圆弧形结构，所述X向上线圈201和Y向上线圈202分别缠绕在所述X向上磁芯12a和Y向上磁芯12b上，所述X向下线圈301和Y向下线圈302分别缠绕在所述X向下磁芯13a和Y向下磁芯13b上。

测量基座9的底面与数控线切割机的切割平台平行，上磁芯12所在的平面和下磁芯13所在的平面也与数控线切割机的切割平台平行。

本实施例中所述测量基座9、上基板10和下基板11均为大理石材质，其具有绝磁特点。所述X向上磁芯12a、Y向上磁芯12b、X向下磁芯13a和Y向下磁芯13b的横截面均为圆形。

为了方便钼丝直线工作段101与上下线圈组之间相对位置的布置，本实施例在所述上基板10和下基板11上均分别设置有一弧形缺口，所述X向上磁芯12a和Y向上磁芯12b分别安装在所述上基板10的所述弧形缺口的内壁上侧和内壁下侧，所述X向下磁芯13a和Y向下磁芯13b分别安装在所述下基板11的所述弧形缺口的内壁上侧和内壁下侧。

此外，本实施例在所述测量基座9上还固定设置有一个碰边对零块14，该碰边对零块14与所述上基板10水平平齐布置。实际应用时，可通过该碰边对零块14对刀块找零点，由于碰边对零块14到上线圈组2或下线圈组中心点相对位移固定，所以一旦在外侧对好零点后，可使用数控系统使钼丝自动沿轨迹，通过上、下线圈组的入口(即上述的弧形缺口)到达中心位置。

本实施例中，所述高频电源4直接采用该数控线切割机的切割电源，还设置有接地电阻17、选择开关18、与所述钼丝直线工作段101上端相连的上导电块15、与所述钼丝直线工作段101下端相连的下导电块16。所述上导电块15与所述高频电源4通过导线相连，所述下导电块16借助与所述选择开关18的动作而选择性地与所述接地电阻17或所述高频电源4相连。

本实施例上述设计的基本原理如下：钼丝工作段(又称线电极)本身为一直导线，且线电极中流过的是高频脉动电流，因而在其周围产生交变磁场，此磁场强度的大小与导线中的电流和与导线距离有关，即

$B=\frac{{\mathrm{\μ}}_0\×I}{2\mathrm{\π}\×d}---\left(1\right)$

上式(1)中，μ₀是真空磁导率，为物理常数；B为磁场强度。

测量时，将选择开关18拨到测量位置(如图1)，这时下导电块16通过接地电阻17接高频电源地，高频电源、导电块、钼丝、下导电块和接地电阻构成闭合回路，钼丝直线工作段中流过有高频脉动电流，该电流在上、下线圈组的各个线圈中的感应磁场强度见公式(1)。显然，X向上线圈201和X向下线圈301处钼丝的电流完全相同，由于线圈中感应电压与ΔB成正比，而X向上线圈201和X向下线圈301处钼丝中的电流完全一致，所以X向上线圈201和X向下线圈301在X方向的感应电压差只与钼丝的径向位置有关(接地电阻大小一定，钼丝电流已知)，如果X向垂直度良好，则钼丝直线工作段上部与X向上线圈201径向位置及钼丝直线工作段下部与X向下线圈301径向位置保持一致，所以X向上线圈201和X向下线圈301感应电压相同，差动放大输出为零。但实际中，由于各种原因导致钼丝直线工作段垂直度有偏差，则上下端X向位置不一致，且偏差越大则感应电压差值越高。同理，可用同样方法可以测量Y轴方向的垂直度。在使用本装置测量时，如果不垂直则数控系统可手动或自动调节轴步进电机，使垂直度偏差逐渐减小，直到满足垂直校正指标。同理，Y轴也可以采用本方法实现自动调整。

当然，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让人们能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。