线切割教案.docx

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线切割教案

江苏省盐城技师学院

教案首页

编号：

YJQD-0507-07版本：

B/O流水号：

编制：

审核：

批准：

授课日期

班级

课题：

电火花加工原理

教学目的、要求：

1.了解电火花加工工作原理

2.了解电火花加工主要经历哪几个步骤

授课方法：

讲授法

教学参考及教具：

《数控技术》

授课执行情况及分析：

一.复习提问

二.导入新课

三.讲授新课

1.了解电火花加工工作原理

2.了解电火花加工主要经历哪几个步骤

四.课堂小结

五.布置作业

板书设计或授课提纲：

一.复习提问

1.什么叫数控加工技术?

2.电火花的发现与发展是如何进行的?

二.导入新课

三.讲授新课

电火花加工是在液体介质中进行的，机床的自动进给调节装置使工件和工具电极之间保持适当的放电间隙，当工具电极和工件之间施加很强的脉冲电压（达到间隙中介质的击穿电压）时，会击穿介质绝缘强度最低处，如图所示。

由于放电区域很小，放电时间极短，所以，能量高度集中，使放电区的温度瞬时高达10000-12000℃，工件表面和工具电极表面的金属局部熔化、甚至汽化蒸发。

局部熔化和汽化的金属在爆炸力的作用下抛入工作液中，并被冷却为金属小颗粒，然后被工作液迅速冲离工作区，从而使工件表面形成一个微小的凹坑。

一次放电后，介质的绝缘强度恢复等待下一次放电。

如此反复使工件表面不断被蚀除，并在工件上复制出工具电极的形状，从而达到成型加工的目的。

电火花加工是不断放电蚀除金属的过程。

虽然一次脉冲放电的时间很短，但它是电磁学、热力学和流体力学等综合作用的过程，是相当复杂的。

综合起来，一次脉冲放电的过程可分为以下几个阶段：

（1）极间介质的电离、击穿及放电通道的形成

当脉冲电压施加于工具电极与工件之间时，两极之间立即形成一个电场。

电场强度与电压成正比，与距离成反比，随着极间电压的升高或是极间距离的减小，极间电场强度也将随着增大。

由于工具电极和工件的微观表面是凸凹不平的，极间距离又很小，因而极间电场强度是很不均匀的，两极间离得最近的突出点或尖端处的电场强度一般为最大。

当电场强度增大到一定数量时，介质被击穿，放电间隙电阻从绝缘状态迅速降低到几分之一欧姆，间隙电流迅速上升到最大值。

由于通道直径很小，所以通道中的电流密度很高。

间隙电压则由击穿电压迅速下降到火花维持电压（一般约为20~30V），电流则由0上升到某一峰值电流。

（2）介质热分解、电极材料熔化、汽化热膨胀

极间介质一旦被电离、击穿，形成放电通道后，脉冲电源使通道间的电子高速奔向正极，正离子奔向负极。

电能变成动能，动能通过碰撞又转变为热能。

于是在通道内正极和负极表面分别成为瞬时热源，达到很高的温度。

通道高温将工作液介质汽化，进而热裂分解汽化。

这些汽化后的工作液和金属蒸汽，瞬间体积猛增，在放电间隙内成为气泡，迅速热膨胀并具有爆炸的特性。

观察电火花加工过程，可以看到放电间隙间冒出气泡，工作液逐渐变黑，并听到轻微而清脆的爆炸声。

电火花加工主要靠热膨胀和局部微爆炸，使熔化、汽化了的电极材料抛出蚀除。

（3）电极材料的抛出

通道和正负极表面放电点瞬时高温使工作液汽化和金属材料熔化、汽化，热膨胀产生很高的瞬时压力。

通道中心的压力最高，使汽化了的气体不断向外膨胀，压力高处的熔融金属液体和蒸汽，就被排挤、抛出而进入工作液中。

由于表面张力和内聚力的作用，使抛出的材料具有最小的表面积，冷凝时凝聚成细小的圆球颗粒。

熔化和汽化了的金属在抛离电极表面时，向四处飞溅，除绝大部分抛入工作液中并收缩成小颗粒外，还有一小部分飞溅、镀覆、吸附在对面的电极表面上。

这种互相飞溅、镀覆以及吸附的现象，在某些条件下可以用来减少或补偿工具电极在加工过程中的损耗。

实际上，金属材料的蚀除、抛出过程比较复杂的，目前，人们对这一复杂的机理的认识还在不断深化中。

（4）极间介质的消电离

随着脉冲电压的结束，脉冲电流也迅速降为零，但此后仍应有一段间隔时间，使间隙介质消电离，即放电通道中的带电粒子复合为中性粒子，恢复本次放电通道处介质的绝缘强度，以及降低电极表面温度等，以免下次总是重复在同一处发生放电而导致电弧放电，从而保证在两极间最近处或电阻率最小处形成下一次击穿放电通道。

由此可见，为了保证电火花加工过程正常地进行，在两次脉冲放电之间一般要有足够的脉冲间隔时间。

此外，还应留有余地，使击穿、放电点分散、转移，否则仅在一点附近放电，易形成电弧。

四.课堂小结

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授课日期

班级

课题：

电火花数控线切割加工原理

教学目的、要求：

1.掌握电火花数控线切割工作原理

2.了解电火花数控线切割组成部分

授课方法：

讲授法

难点教学参考及教具：

《数控技术》

授课执行情况及分析：

板书设计或授课提纲：

一.复习提问

二.导入新课

三.讲授新课

1.电火花数控线切割工作原理

2.电火花数控线切割组成部分

四.课堂小结

五.布置作业

一.复习提问

1.了解电火花加工工作原理

2.了解电火花加工主要经历哪几个步骤

二.导入新课

三.讲授新课

数控电火花线切割加工原理：

1、线切割加工原理

线切割加工是通过电极丝和工件之间进行脉冲放电，（电极丝接负极，工件接正极）产生高温（约一万度），使工件金属融化同时和介质产生爆炸，取出材料的一种加工方法。

电火花数控线切割加工的过程中主要包含下列三部分内容:

（1）电极丝与工件之间的脉冲放电。

（2）电极丝沿其轴向（垂直或Z方向）作走丝运动。

（3）工件相对于电极丝在X、Y平面内作数控运动。

2、组成部分

线切割由坐标工作台（X.Y）运丝机构、丝架和床身四部分组成。

X、Y坐标工作台是用来装夹被加工的工件，控制台给X轴和Y轴执行机构发出进给信号，分别控制两个步进电机，进行预定图形的加工。

坐标工作台主要由拖板、导轨、丝杠运动副、齿轮传动机构四部分组成。

运丝机构主要用来带动电极丝按一定线速度移动，并将电极丝整齐的绕在丝筒上。

丝架的主要功用是在电极丝按给定线速度运动时，对电极丝起支撑作用，并使电极丝工作部分与工作台平面保持一定的几何角度。

（1）电火花线切割加工时电极丝和工件之间的脉冲放电

电火花线切割时电极丝接脉冲电源的负极，工件接脉冲电源的正极。

在正负极之间加上脉冲电源，当来一个电脉冲时，在电极丝和工件之间产生一次火花放电，在放电通道的中心温度瞬时可高达10000°C以上，高温使工件金属熔化，甚至有少量气化，高温也使电极丝和工件之间的工作液部分产生气化，这些气化后的工作液和金属蒸气瞬间迅速热膨胀，并具有爆炸的特性。

这种热膨胀和局部微爆炸，将熔化和气化了的金属材料抛出而实现对工件材料进行电蚀切割加工。

通常认为电极丝与工件之间的放电间隙在0.O1mm左右，若电脉冲的电压高，放电间隙会大一些。

为了电火花加工的顺利进行，必须创造条件保证每来一个电脉冲时在电极丝和工件之间产生的是火花放电而不是电弧放电。

首先必须使两个电脉冲之间有足够的间隔时间，使放电间隙中的介质消电离，即使放电通道中的带电粒子复合为中性粒子，恢复本次放电通道处间隙中介质的绝缘强度，以免总在同一处发生放电而导致电弧放电。

一般脉冲间隔应为脉冲宽度的4倍以上。

为了保证火花放电时电极丝不被烧断，必须向放电间隙注人大量工作液，以便电极丝得到充分冷却。

同时电极丝必须作高速轴向运动，以避免火花放电总在电极丝的局部位置而被烧断，电极丝速度约在7~10m/s左右。

高速运动的电极丝，还有利于不断往放电间隙中带入新的工作液，同时也有利于把电蚀产物从间隙中带出去.

电火花线切割加工时，为了获得比较好的表面粗糙度和高的尺寸精度，并保证电极丝不被烧断，应选择好相应的脉冲参数，并使工件和钼丝之间的放电必须是火花放电，而不是电弧放电。

（2）电火花线切割加工的走丝运动

为了避免火花放电总在电极丝的局部位置而被烧断，影响加工质量和生产效率。

在加工过程中电极丝沿轴向作走丝运动。

走丝原理如图b所示。

钼丝整齐地缠绕在储丝筒上，并形成一个闭合状态，走丝电机带动储丝筒转动时，通过导丝轮使钼丝作轴线运动。

（3）X、Y坐标工作台运动

工件安装在上下两层的X、Y坐标工作台上，分别由步进电动机驱动作数控运动。

工件相对于电极丝的运动轨迹，是由线切割编程所决定的。

四.课堂小结

五.布置作业

1.电火花数控线切割是如何工作的?

2.电火花数控线切割工作时主要经历哪几个阶段?

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授课日期

班级

课题：

步进电机原理

教学目的、要求：

1.掌握感应子式步进电机工作原理

2.了解步进电机驱动控制系统组成

3.步进电机的应用

授课方法：

讲授法

难点教学参考及教具：

《数控技术》

授课执行情况及分析：

板书设计或授课提纲：

一.复习提问

二.导入新课

三.讲授新课

1.前言2.感应子式步进电机工作原理

3.动控驱制系统组成4.步进电机的应用

5.其他说明

四.课堂小结

五.布置作业

一.复习提问

1.电火花数控线切割主要由哪几部分组成?

2.详细说明DK77-40机床含义?

二.导入新课

三.讲授新课

步进电机原理

一、前言

    步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。

这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。

使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

    虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。

它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。

因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

    目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。

仅仅处于一种盲目的仿制阶段。

这就给用户在产品选型、使用中造成许多麻烦。

签于上述情况，我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。

叙述其基本工作原理。

望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。

二、感应子式步进电机工作原理

（一）反应式步进电机原理

由于反应式步进电机工作原理比较简单。

下面先叙述三相反应式步进电机原理。

1、结构：

     电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。

0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图：

2、旋转：

       如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。

     如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。

如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。

　 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て

    这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。

如按A，C，B，A……通电，电机就反转。

    由此可见：

电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。

而方向由导电顺序决定。

    不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。

往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。

甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。

   不难推出：

电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……（m-1）/m,1。

并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。

只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。

3、力矩：

    电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量Ф）当转子与定子错开一定角度产生力

F与（dФ/dθ）成正比

S

其磁通量Ф=Br*S  

Br为磁密，S为导磁面积      

             F与L*D*Br成正比

             L为铁芯有效长度，D为转子直径

             Br=N·I/R

N·I为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。

力矩=力*半径

力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比（只考虑线性状态）

因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。

（二）感应子式步进电机

1、特点：

     感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。

因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。

     感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。

一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。

（必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。

例如：

四相，八相运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为C=

D=

.

一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相，而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相电机使用，可以作二相电机绕组串联或并联使用。

2、分类

     感应子式步进电机以相数可分为：

二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。

以机座号（电机外径）可分为：

42BYG（BYG为感应子式步进电机代号）、57BYG、86BYG、110BYG、（国际标准），而像70BYG、90BYG、130BYG等均为国内标准。

3、步进电机的静态指标术语

相数：

产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。

常用m表示。

拍数：

完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.

步距角：

对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。

θ=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。

四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。

定位转矩：

电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）

静转矩：

电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。

此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。

     虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。

4、步进电机动态指标及术语：

1、步距角精度：

     步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。

用百分比表示：

误差/步距角*100%。

不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。

2、失步：

     电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。

称之为失步。

3、失调角：

     转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。

4、最大空载起动频率：

     电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。

5、最大空载的运行频率：

     电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。

6、运行矩频特性：

     电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。

如下图所示：

 其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。

     电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。

如下图所示：

其中，曲线3电流最大、或电压最高;曲线1电流最小、或电压最低，曲线与负载的交点为负载的最大速度点。

要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。

7、电机的共振点：

     步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。

 8、电机正反转控制：

     当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA或（

）时为正转，通电时序为DA-CA-BC-AB或（

）时为反转。

三、驱动控制系统组成

     使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如下：

1、脉冲信号的产生。

     脉冲信号一般由单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。

2、信号分配

     我厂生产的感应子式步进电机以二、四相电机为主，二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种，具体分配如下：

二相四拍为

步距角为1.8度；二相八拍为

步距角为0.9度。

四相电机工作方式也有二种，四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB,步距角为1.8度；四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-AB,（步距角为0.9度）。

3、功率放大

     功率放大是驱动系统最为重要的部分。

步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。

平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。

因而不同的场合采取不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：

恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。

     为尽量提高电机的动态性能，将信号分配、功率放大组成步进电机的驱动电源。

我厂生产的SH系列二相恒流斩波驱动电源与单片机及电机接线图如下：

说明：

   CP     接CPU脉冲信号（负信号，低电平有效）

   OPTO    接CPU+5V

   FREE     脱机，与CPU地线相接，驱动电源不工作

   DIR      方向控制，与CPU地线相接，电机反转

   VCC     直流电源正端

   GND      直流电源负端   

     A       接电机引出线红线

      接电机引出线绿线 

    B       接电机引出线黄线

      接电机引出线蓝线

     步进电机一经定型，其性能取决于电机的驱动电源。

步进电机转速越高，力距越大则要求电机的电流越大，驱动电源的电压越高。

电压对力矩影响如下：

 4、细分驱动器

     在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进电机，细分驱动器的原理是通过改变相邻（A，B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。

四、步进电机的应用

（一）步进电机的选择

     步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。

一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。

1、步距角的选择

     电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。

电机的步距角应等于或小于此角度。

目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。

2、静力矩的选择

     步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。

静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。

单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。

直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。

一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）

3、电流的选择

     静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）

     综上所述选择电机一般应遵循以下步骤：

4、力矩与功率换算

    步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：

                P=Ω·M

                 Ω=2π·n/60

                  P=2πnM/60

    其P为功率单位为瓦，Ω为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿·米

              P=2πfM/400（半步工作）

    其中f为每秒脉冲数（简称PPS）

（二）、应用中的注意点

     1、步进电机应用于低速场合---每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS），最好在1000-3000PPS（0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。

     2、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。

     3、由于历史原因，只有标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值，可根据驱动器选择驱动电压（建议：

57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），当然12伏的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源，不过要考虑温升。

     4、转动惯量大的负载应选择大机座号电机。

     5、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。

     6、高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少，其被淘汰的