3.3电火花线切割数控编程系统

3.3　电火花线切割数控编程系统

3.3.1　数控系统基本原理

数字程序控制电火花线切割机床的控制原理是把图纸上工件的形状和尺寸编制成程序指令，机床数控系统根据程序指令进行插补运算，控制执行机构驱动电动机，由驱动电动机带动精密丝杠和坐标工作台，使工件相对于电极丝做轨迹运动，从而完成工件加工。我国数控线切割机床常用的手工编程格式为3B，4B和ISO等。

常见的工程图形都可分解为直线和圆弧或者其组合，可用数字控制技术的插补方法实现直线或者圆弧轨迹，从而完成平面图形的线切割加工。通过四轴联动控制等方式，线切割数控加工还可以实现锥度、上下异形工件的加工。常用的插补方法有逐点比较法、数字积分法、矢量判别法和最小偏差法等。

高速线切割大多采用逐点比较法，此法X，Y两个方向不能同时进给，只能按直线的斜度或圆弧的曲率来交替地一步一个步长(又称为脉冲当量，通常为1 μm)的分步“插补”进给，如图3.20所示。插补过程有4个节拍:

图3.20　逐点比较法直线和圆弧插补原理

①偏差判别。判别加工坐标点对规定几何轨迹的偏离位置，用F代表偏差值。F＝0表示在线上，F＞0表示在上方或左方，F＜0表示在下方或右方。

②进给。根据F的值控制坐标工作台沿＋X向或－X向、或＋Y向或－Y向进给一步，使加工坐标点向规定轨迹靠拢。

③偏差计算。按照偏差计算公式，计算和比较进给一步后新的坐标点对规定轨迹的偏差F值，作为下一步判断走向的依据。

④终点判断。根据计数长度判断是否到达程序规定的终点，若到则停止插补和进给，否则回到第①步。

上述的4个节拍由计算机数控系统控制运行，每4个节拍构成一个循环控制机床进给一步。进给的快慢是根据放电间隙的大小采样后由压-频转换变频电路得来的进给脉冲信号，用它向CPU申请中断，CPU每接受一次中断申请，就进行上述4个节拍运行一个循环，决定X或Y方向进给一步，然后通过并行I/O接口芯片驱动步进电机带动工作台进给1 μm。

在上述4个步骤中，偏差计算是非常关键的一步。具体算法如下所述。

图3.21　直线的偏差判别

如图3.21所示为切割第一象限的斜线OA，O为坐标原点，A为终点，其坐标为(x_e，y_e)。

因凡线上的点都必须符合下面的比例关系

即

因此，若用F＝x_ey－x y_e来表示偏差大小，则可根据偏差计算的结果判别加工点的位置，并决定滑板的走向，即当F≥0时，说明加工点在上方(包括在线上)，滑板应沿x轴的正向进给一步；当F＜0时，说明加工点在OA下方，滑板应沿y轴正向进给一步。

在加工过程中计算机是根据递推法进行偏差计算的，即滑板每走一步后，新的加工点偏差是用前一点的加工偏差来推算的。例如，在某一时刻加工至M₁(x₁，y₁)点(见图3.21)，M₁点在斜线的上方，其偏差为

F₁＝x_ey₁－x₁y_e≥0

则应控制滑板沿X轴正向进给1 μm，到新的加工点M₂(x₂，y₂)，得

x₂＝x₁＋1　　y₂＝y₁

所以，M₂点的加工偏差

设M₂在的下方，即F₂＜0，则应控制滑板沿Y轴正向进给1 μm，到新的加工点M₃(x₃，y₃)，得

其余逐点依照上述方法进行判别、进给和计算。

从上述两个偏差计算式可知，采用递推法推算偏差F时，只用到终点坐标值，而不必计算加工点的坐标值。

图3.22　圆弧的偏差判别

如图3.22所示为逆时针方向切割第一象限圆弧AB，其半径为R，其圆心为坐标原点。则圆弧上的点必须符合下面的关系

x²＋y²＝R²

即

x²＋y²－R²＝0

故可用偏差F＝x²＋y²－R²的大小进行判别，即当F≥0时，说明加工点在圆弧外(包括在圆弧上)；当F＜0时，说明加工点在圆弧内。设在某一时刻加工点M1(x₁，y₁)在圆外，其偏差必然为

故应控制滑板沿X轴负向进给一步到M 2(x₂，y₂)，得

x₂＝y₂－1　　y₂＝y₁

M₂点的加工偏差为设M2点已在圆内，即F₂＜0，则应控制滑板沿Y轴正向进给一步到M₃(x₃，y₃)，得

x₃＝x₂　　y₃＝y₂＋1

故M3点的加工偏差为

其余逐点依照上述方法进行判别、进给和计算。

上述为斜线和圆弧在第一象限的情况，当斜线或圆弧处于第二、第三、第四象限时，可用同样方法推算出偏差公式。

3.3.2　3B数控编程要点

常见的图形都是由直线和圆弧组成的，任何复杂的图形，只要分解为直线和圆弧就可依次分别编程。编程时，需要参数有5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，称为加工指令Z。

(1)切割3B代码程序格式

线切割加工轨迹图形是由直线和圆弧组成的，它们的3B程序指令格式为BxByBJGZ，其意义如表3.3所示。

表3.3　3B代码指令意义

B为分隔符，它的作用是将X，Y，J数码区分开来；X，Y为增量(相对)坐标值；J为加工线段的计数长度；G为加工线段计数方向；Z为加工指令。加工指令Z的意义如图3.23所示。

图3.23　3B代码直线和圆弧的加工指令

直线按走向和终点分为L1，L2，L3和L4 4种；圆弧按进入象限及走向分为SR1，SR2，SR3，SR4及NR1，NR2，NR3，NR4 8种。

(2)直线的3B代码编程

1)x，y值的确定

①以直线的起点为原点，建立正常的直角坐标系，x，y表示直线终点的坐标绝对值，单位为μm。

②在直线3B代码中，x，y值主要是确定该直线的斜率，故可将直线终点坐标的绝对值除以它们的最大公约数作为x，y的值，以简化数值。

③若直线与X或Y轴重合，为区别一般直线，x，y均可写为0，也可以不写。

2)G的确定

G用来确定加工时的计数方向，分Gx和Gy。直线编程的计数方向的选取方法是:以要加工的直线的起点为原点，建立直角坐标系，取该直线终点坐标绝对值大的坐标轴为计数方向。具体确定方法为:若终点坐标为(x_e，y_e)，令x＝｜x_e｜，y＝｜y_e｜，若y＜x，则G＝Gx (见图3.24(a))；若y＞x，则G＝Gy (见图3.24(b))；若y＝x，则在第一、第三象限取G＝Gy，在第二、第四象限取G＝Gx。由上可知，计数方向的确定以45°线为界，取与终点处走向较平行的轴作为计数方向，具体如图3.24(c)所示。

3)J的确定

J为计数长度，以μm为单位。以前编程应写满6位数，不足6位前面补零，现在的机床基本上可不用补零。

J的取值方法为:由计数方向G确定投影方向，若G＝Gx，则将直线向X轴投影得到长度的绝对值即为J的值；若G＝Gy，则将直线向Y轴投影得到长度的绝对值即为J的值。

图3.24　直线编程G的确定

4)Z的确定

加工指令Z按照直线走向和终点的坐标不同，可分为L1，L2，L3，L4，其中，与＋X轴重合的直线算作L1，与－X轴重合的直线算作L3，与＋Y轴重合的直线算作L2，与－Y轴重合的直线算作L4，具体如图3.23所示。

(3)圆弧的3B代码编程

1)x，y值的确定

以圆弧的圆心为原点，建立正常的直角坐标系，x，y表示圆弧起点坐标的绝对值，单位为μm。如在图3.25(a)中，x＝30000，y＝40000；在图3.25(b)中，x＝40000，y＝30000。

2)G的确定

G用来确定加工时的计数方向，分Gx和Gy。圆弧编程的计数方向的选取方法是:以某圆心为原点建立直角坐标系，取终点坐标绝对值小的轴为计数方向。具体确定方法为:若圆弧终点坐标为(x_e，y_e)，令x＝｜x_e｜，y＝｜y_e｜，若y＜x，则G＝Gy (见图3.25(a))；若y＞x，则G＝Gx (见图3.25(b))；若y＝x，则Gx，Gy均可。由上可知，圆弧计数方向由圆弧终点的坐标绝对值大小决定，其确定方法与直线刚好相反，即取与圆弧终点处走向较平行的轴作为计数方向，具体如图3.25(c)所示。

图3.25　圆弧编程G的确定

3)J的确定

圆弧编程中J的取值方法:由计数方向G确定投影方向，若G＝Gx，则将圆弧向X轴投影；若G＝Gy，则将圆弧向Y轴投影。J值为各个象限圆弧投影长度绝对值的和。如在图3.25(a)、(b)中，J1，J2，J3大小分别如图中所示，J＝｜J1｜＋｜J2｜＋｜J3｜。

4)Z的确定

加工指令Z按切割的走向可分为顺圆S和逆圆N，于是共有8种指令:SR1，SR2，SR3，SR4，NR1，NR2，NR3，NR4，具体可参考前文。

3.3.3　ISO代码的手工编程方法

线切割的ISO代码主要有G指令(准备功能指令)、M指令(辅助功能指令)等，其格式与意义部分与数控铣床、车床的代码相同，如表3.4所示。

加工圆弧或者直线的线切割ISO代码程序段的格式为

Nxxxx Gxx Xxxxxxx Yxxxxxx Ixxxxxx Jxxxxxx

其中，N表示程序段号，xxxx为1～4位数的序号，G表示准备功能，其后的两位数xx表示不同的功能，X，Y表示直线或者圆弧的终点坐标，I，J为圆弧插补的圆心坐标，其后的xxxxxx为1～6位数字坐标值。

而辅助功能的线切割ISO代码程序段格式一般为

Nxxxx Mxx

其中，N表示程序段号，M表示辅助功能。

表3.4　线切割ISO代码含义

上述指令中，G40，G41，G42，G90，G91为模态指令，即指定该指令后在遇到下一条指令前，该指令一直有效。

指令G90设定当前编程为绝对坐标方式。即设定图形中某点为坐标原点，该模式的所有X，Y，I，J坐标为相对于该原点的绝对坐标。

指令G91设定当前编程为相对坐标方式。此时，X，Y，I，J的坐标值为以当前切割段起点坐标为原点的相对坐标值。

指令G92用于指定工件坐标系原点。即将当前钼丝位置设定为距离坐标原点的一定距离处。

在基本的ISO指令之外，有些厂家为了完成锥度、上下异形、多次切割等特殊的加工要求，通常扩展ISO代码来完成相应的功能。如采用G50，G51，G52取消和指定等锥左偏、右偏加工等。下面的程序段为某线切割编程系统为实现上下异形加工而制订的程序段格式，即

Nxxxx Gxx Xxxxxxx Yxxxxxx Ixxxxxx Jxxxxxx Gxx Uxxxxxx Vxxxxxx Ixxxxxx Jxxxxxx 。

其中，前半段G，X，Y，I，J指令指定了XY平面的加工轨迹，后半段的G，U，V，I，J指令指定了对应的UV平面加工轨迹，从而实现上下异形的加工。

3.3.4　电火花线切割数控编程实例

线切割手工编程在加工零件图的基础上，通常需要通过以下步骤完成:

①确定加工路线。从起始点开始，安排切入段，沿工件加工路径的各加工段以及切出段，确定整个零件的加工路线。

②计算参数值。针对加工路径每段，计算相应段或者各坐标点的x，y等值，同时确定其他相应参数。

③填写程序单。按照采用的代码格式，分段填写对应的加工程序单，完成手工编程。

下面给出几个具体的零件图形及其相应实例程序段(注:在本章图形所标注的尺寸中若无说明，单位都为mm)。

图3.26　编程图形

例1　按A—B—C—D—A的加工路径加工如图3.36所示的零件。

解　①根据已经确定的加工路径，计算每段相应的坐标值及参数，从而确定该图形的3B代码程序段为

BBB40000GxL1

B1B9B90000GyL1

B30000B40000B60000GxNR1

B1B9B90000GyL4

②ISO对绝对坐标编程。设定A点为钼丝起始点，根据每段计算A，B，C，D的坐标，其ISO代码程序段为

N01 G90

N02 G92 X15000 Y10000

N03 G01 X55000 Y10000

N04 G01 X65000 Y100000

N05 G03 X5000 Y100000 I35000 J60000

N06 G01 X15000 Y10000

③ISO相对坐标编程。设A点为起始点，计算每段终点相对于起点的坐标，最终确定ISO代码程序段为

N01 G91

N02 G01 X40000 Y0

N03 G01 X10 Y90000

N04 G03 X－60000 Y0I－20000 J－40000

N05 G01 X10000 Y－90000

例2　编制加工如图3.27(a)所示的线切割加工程序。已知线切割加工用的电极丝直径为0.18 mm，单边放电间隙为0.01 mm，图中A点为穿丝孔，加工方向沿A—B—C—D—E—F—G—H—A进行。

解　①分析现用线切割加工凸模状的零件图，实际加工中由于钼丝半径和放电间隙的影响，钼丝中心运行的轨迹形状如图3.27(b)所示的虚线，即加工轨迹与零件图相差一个补偿量，补偿量的大小为在加工中需要注意的是E′ F′圆弧的编程，圆弧EF(见图3.27(a))与圆弧E′ F′ (见图3.27(b))有较多不同点，它们的特点比较如下表:

图3.27　编程图形

(a)零件图　(b)钼丝轨迹图

②计算并编制圆弧E′ F′的3B代码。在图3.27(b)中，最难编制的是圆弧E′ F′ ，其具体计算过程如下:

以圆弧E′ F′的圆心为坐标原点，建立直角坐标系，则E′点的坐标为

根据对称原理可得F′的坐标为(－19.900，0.1)。

根据上述计算可知圆弧E′ F′的终点坐标的Y的绝对值小，故计数方向为Y。圆弧E′ F′在第一、第二、第三、第四象限分别向Y轴投影得到长度的绝对值分别为0.1 mm，19.9 mm，19.9 mm，0.1 mm，故J＝40000。

圆弧E′ F′首先在第一象限顺时针切割，故加工指令为SR1。由上可知，圆弧E′ F′的3B代码如下表:

③经过上述分析计算，可得轨迹形状的3B程序为

BBB2900GyL2

B40100BB40100GxL1

BB40200B40200GyL2

BBB20200GxL3

B19900B100B40000GySR1

B20200BB20200GxL3

BB40200B40200GyL4

B40200BB40100GxL1

BB2900B2900GyL4

④对于ISO代码编程而言，主要是计算上述点的坐标。设A′点的坐标为(0，0)，可计算出如图3.27(b)所示的B′ C′ D′ E′ F′ G′ H′各点坐标如下表:

则可编制以A点(A′点)为工件坐标系原点的ISO绝对编程程序代码为

N0001 G92 X0 Y0

N0002 G01 X0 Y1100

N0003 G01 X41900 Y1100

N0004 G01 X41900 Y44900

N0005 G01 X18100 Y44900

N0006 G02 X－18100 Y44900 I0 J43000

N0007 G01 X－41900 Y44900

N0008 G01 X0 Y1100

N0009 G01 X0 Y0

N0010 M02

3.3.5　计算机辅助编程

当零件复杂或者具有非圆曲线时，手工编程工作量大，容易出错。因此，利用计算机辅助编程(自动编程)是近年来线切割系统的发展趋势。自动编程的思想是通过某种手段将零件的几何特征输入计算机辅助编程系统，编程系统通过处理后生成相应格式的加工程序代码，从而完成零件编程。传统的辅助编程系统通常通过特定的语言(APT语言)将零件信息输入计算机，而近年的发展趋势是编程系统直接读取零件图信息，通过后置处理后生成零件的加工程序。如图3.28所示为某线切割系统对AutoCAD生成的上下异形零件图自动生成的ISO加工程序。

图3.28　计算机辅助编程