高速走丝线切割机的断丝保护电路
摘要：断丝保护是指：在钼丝发生断丝时，使运丝电机立即停止的功能。实现该功能的电路很多，本文介绍了一个实例，并特别指出了电路中隔离二极管的作用，为实际应用提供了一种可行的方法。
关键词：快走丝电火花线切割、断丝保护
0 前言
在高速走丝电火花线切割加工（HSWEDM）中，电极丝（通常为钼丝）是往复运动、重复使用的，加工中的钼丝会逐渐损耗。所以，钼丝使用到一定程度，就要更换，否则可能会在运行中断丝（钼丝断脱）。而且，线切割加工的工况较为复杂，除了钼丝损耗可能造成的断丝外，还有其他多种因素（比如脉冲电源故障等）引起的断丝。因此，从某种意义上说，线切割加工中的断丝是不可避免的。
一旦发生断丝，如果没有相关控制电路断开电源，则运丝电机将继续转动、工作台进给也不会停止，钼丝会被绕乱，故人工停机后不能在断丝处继续加工。所以，倘若断丝后能立即停止机床运行，保持好断丝前的状态，则为在断丝处继续加工创造了条件，钼丝也有可能能够被继续使用，从而达到了提高工效和减少浪费的目的。
断丝保护电路，就是为实现这一目标而设置的。
1 断丝保护电路的种类（参见参考文献[1]）
要实现断丝保护，首先就要获取断丝信号。从原理上说，可以采用光电式：检测加工部位钼丝的有无，获得一个电信号；也可采用重锤式：当钼丝断开后，适当质量的重锤落下，带动一个灵敏的微动开关动作，获得一个开关信号；或者是张力式：钼丝松弛后，张力消失，微动开关动作。
考虑到钼丝的导电性，实际应用中，也可以从电路的通断方面着手（参考文献：莫操君《高速走丝电火花线切割机电气原理与维修》）。
1.1 钼丝碰触式断丝保护
参见图1，X1、X2是断丝信号的两个检测点。当脉冲电源到钼丝的进电点（硬质合金导电块）未与丝架绝缘时，X1可以利用该进电点，X2则固定于立柱上且与立柱绝缘。X2上安装有一段适当长度的裸铜线——正常情况下，X1、X2在电气上未形成通路；而当钼丝断开，松弛的钼丝就会碰触到X2伸出的粗铜线上。当丝架与储丝筒组合件未绝缘时，此时X1、X2就形成了通路。
这样一来，就取得了钼丝完好与断丝情况下的两个完全不同的信号。实际可行的信号获取方案确定后，电路上的实现方法则灵活多样。图2给出一个参考电路：若X1、X2连通，KA1就会动作。只要取KA1的动断点去控制主电路，就能够实现断丝保护。
1.2 电流通路式断丝保护
（1）图2中，在正常加工情况下，X1、X2两点间是没有电流流过的。若担心钼丝断开时，不能100%碰触到X2，那么也可采用电流通路式方案：钼丝完好，X1、X2连通；断丝，则X1、X2断开。这时，需要把X2移到丝架上（参见图1），且要求X2与丝架绝缘；其安装可参考X1或导电轮的安装方式。电路见图3，可以取KA1的动合点去控制主电路。
（2）事实上，电路的方案可视具体情况选取。在“电流通路式”方式下，根据不同的需要，还可设计出形式多样的电路，图4就是另外的一种形式；它采用动断点去控制主电路，避免了KA1线圈的长期通电。
电路工作过程为：当钼丝完好时，X1、X2之间是短接的，通过二极管VD1、电阻R2，三极管VT1基极被钳位而截止，KA1线圈两端没有电压，KA1断开；主电路（参见图5）能正常工作，运丝电机可起动。而当发生断丝时，VT1导通，KA1动作，主电路接触器KM1断开，运丝电机停转。随之脉冲电源截止输出，步进电机停止转动，从而实现了断丝保护。
当然，要使用断丝保护，必须要有运丝电机停机制动措施，例如能耗制动，这方面的内容可参看文献[1]。
2 断丝保护电路应用实例
2.1 隔离二极管的作用
一次，某用户要求在其老机床[2]上，加装断丝保护功能，并坚决反对使用图2方案（检测点的安装由用户负责）。于是，根据实际情况，参照文献[1]图3-19b（即本文图4），设计了一个电路如图6所示。设想用电容进行滤波，而取消隔离二极管VD1，以免抬高VT1基极电压。
制作完毕，在三极管VT1基极引出一段导线（代替X2）。检查无异常后，通电，继电器KA1接通，发光二极管VL1点亮；将所引出导线（X2）对地（X1）接通，KA1断开。反复多次，动作可靠。
图6中，KA2是控制器上的继电器触点，作为加工完毕“自动停机”用。因为该信号与KA1信号的功能一致，所以图6中把它们一起使用。这样做，能够避免把高电压引入到控制器。SA1是为方便上钼丝和调试等情况而设置的开关，用以“取消断丝保护”功能。
随后，把电路板安装到控制箱内。当时X2还未安装好（需要另行钻孔），而该机床丝架与床身采取了绝缘措施。因此，试把钼丝进电点当作X2使用，而把X1接于床身（与走丝机构电气上相通）。由于通过X1、X2之间的电流很小，所以对储丝筒轴承等零件的影响不大。
通电试机，运丝电机刚起动即停；接通SA1，运丝电机能够被起动，当控制器程序运行完毕，KA2动断点断开时，KA1能可靠动作。几次就滤波、延时等方面调整图6电路，试图实现断丝保护，多次试验，均不十分可靠。后来注意到图4电路中的二极管，才悟出：可能是钼丝上的干扰信号太强，滤波电路无法抑制其变化，导致三极管VT1导通。
看来，图4中的隔离二极管VD1，难以用简单方法将其取消，或者暂未找到适用的简易方法，所以决定仍然保留。
2.2 修改后的电路
于是，增加二极管VD1，其他部分作了适当变化，把图6有关部分修改成了图7。为了简化图面，图7中没有表示出与图6相同的电源部分、以及“自动停机”触点KA2和“取消断丝保护”开关SA1，接线方式与前面相同。
试机，运丝电机能正常运行，但断丝保护不太可靠，可能是因为丝架与床身绝缘不是太好或者两者之间的电容量较大。后来，用户重新装设了X2，实际运行，断丝保护电路能可靠动作。后来，类似电路也曾用于不同厂家的机床上。
图7中，VL1作指示用，这在继电器KA1本身未带LED指示时，便于观察继电器工作状态。VL2用来补偿VD1上的压降，使VT1能可靠截止；这是就地取材的结果，当然也可以使用稳压管等元件。其他元器件的选用，也可视方便而定，只要能安全可靠工作就行。
前面已经提到，VD1是隔离干扰电压用；而VD2意在保护VT1的发射结，是否需要，可通过试验确定。C1使KA1延时动作，提高电路稳定性，以免在钼丝与导电块稍有接触不良时，KA1就动作。KA1可选用小型继电器，例如MY3等。
当然，电路结构及参数，实际应用时，应当依据具体情况有所调整。同时注意，机床不同，情况会各异，比如有的丝架与床身绝缘，有的则是走丝机构与床身绝缘。再一次提醒的是，机床必须具有运丝电机“停机制动”功能，才能加装断丝保护电路，否则可能造成运丝机构超行程而拉断钼丝故障。
3．结语
过去生产的一些线切割机床，一般没有配备断丝保护功能，给使用带来不便，而目前这类机床仍有不少的用户（注：该文作于2007年1月）。所以，如果能简单地加装这一功能，则具有实际的意义。本文示例中介绍的“电流通路式”方案，虽然在钼丝中通有电流，但电流值很小，因此对通常的加工不会觉得有影响。
而钼丝碰触式电路，正常加工时没有电流流过X1、X2，所以不会对通路中的轴承等造成电腐蚀。对于图3与图2电路，只是使用方法上的不一样；又比如图2与图4，图2不需要设置“取消断丝保护”开关，而图4的功能更灵活一些。其实，在KA1接入到主电路的方式上，也会因为机床的不同，而有许多的比较。关于这部分的讨论，本文从略。
需强调也是最重要的一个问题是要注意安全。
由于存在外露导电件，电路中变压器二次侧电压一般宜取～6V、～12V等低压，所使用的变压器要加强绝缘。床身要有电气安全保护措施，例如视电网情况采取合格的接零或接地保护。电路的改装，应不降低原有性能。改装过程中及改装完毕，必须向操作者切实说明有关注意事项。
（莫其麟，于20120402贴出；原作于2007年1月28日）
参考文献：
[1] 莫操君．高速走丝电火花线切割机电气原理与维修［Ｍ］．北京：机械工业出版社，2007．
[2] 江南电子仪器厂 TPCW-2535线切割机机床电器图册[Z]．1987．
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