低速走丝电火花线切割机床的数控系统与普通数控机床的控制系统一样，其英文名称为Nu-merical Control System，简称NC，早期是由硬件电路构成的硬件数控，故称为Hard NC。随着大规模集成电路技术、电子技术、计算机技术、模糊控制技术和网络技术的发展，新一代数控系统技术水平大大提高，也促进了线切割数控机床的蓬勃发展。尤其是低速走丝电火花线切割机床的性能在高速度、高精度、高可靠性和复合化、智能化方面取得了长足的进步。低速走丝电火花线切割机床的数控系统多采用专用计算机实现数字程序控制，因此该控制系统也称为计算机数字控制系统（Computer Numerical Control System，简称CNC），其主要特点是输入存储、数控加工、差补运算及机床的各种控制功能都是通过程序来实现。计算机与其他装置之间可通过接口设备连接，当控制对象改变时，只需要改变软件和接口。因此，CNC数控技术的核心是由计算机通过功能强大的软件实现对加工过程、输入输出装置、主轴驱动装置和伺服进给装置及检测装置提供的各种信息进行处理和控制，从而使整个加工过程实现自动化。另外，该技术与脉冲电源技术和机床电器技术密切结合开发出了具有高性能、多功能及高扩展性的数字控制电源。
3.6.2.1 低速走丝电火花线切割加工机床数控系统硬件构成
图3.6-8所示为低速走丝电火花线切割机床数控系统的硬件结构框图。
图3.6-8 低速走丝线切割机床数控系统硬件结构框图
1.主存和处理演算系统
它是由工业控制计算机主板、硬盘、软驱及强大功能的专用软件所组成。主板包括CPU和内存，是整个控制系统的核心。主存和处理演算系统用于保存和驱动整个系统的所有软件程序，以及机器运行中使用的所有数据，还担负着直接控制机床主体和电源系统的任务。
2.人机操作接口系统
由显示器、键盘等构成的操控面板组成。操作人员可以通过该系统输入各种数据，自动送入主存系统处理、演算，并向操作人员提供和报告系统各个方面的运行状况。
3.手控盒
为操作者操控机床提供方便，将操作过程中使用频率高的开关及按钮组合为一体即为手控盒。
4.数控接口板系统
主存系统、处理演算系统和数控接口板系统共同构成CNC装置。接口板系统是由一组大型PLC电路和各种集成电路根据所需功能设计的专用电路板构成的。它的主要任务如下：
2）为防止干扰引起的误动作，使用各种光电隔离器将CNC和机床之间的信号在电器上加以隔离。
3）采用模拟量传送时，在CNC和机床电器设备之间接入数/模（D/A）和模/数（A/D）转换电路。
5.伺服控制系统
伺服控制系统是低速走丝线切割加工机床数控装置的重要组成部分，用以实现各轴在加工过程中沿预置加工轨迹进给的位置伺服控制和速度伺服控制。伺服系统的性能是决定机床切割精度、表面粗糙度值和加工效率的重要因素之一，低速走丝线切割伺服控制系统的详细内容见本书3.6.2.2节。
6.加工状态检测系统
它采用高速器件对加工过程中间隙电压、脉冲峰值电流、脉冲宽度、走丝速度、电极丝张力、工作液的温度、工作液电导率的变化等一系列数据的实时在线跟踪，将各种信号状态及时反馈给CNC系统并由该系统发出调整指令，对加工过程作出自适应控制。
7.数据输入、输出系统
由外部存储设备（各类软盘、U盘等）构成，用于输入NC程序及图形文件。
8.机床输入输出系统
通过CNC装置向机床发出各类指令，从机床向CNC装置发出各类指令的窗口。输入功能包括：接收来自机床各个轴的限位信号；接收来自机床操作面板的输入的各种信号；接收各个轴的零位信号及各压力传感器及断丝信号。输出功能包括：输出丝的张力及走丝速度的控制信号。输出水处理单元电器控制信号，包括高压喷流泵的高、低压切换信号，喷流泵的运转与停止等各种信号。
9.脉冲电源控制系统
以实现最稳定、最高效的加工为目的，采用各类控制手段对放电状态、脉冲电流实施不间断监视。设置加工电源的各种参数，控制加工电源的开通与停止。设置的加工参数包括：ON（ti脉冲宽度）、OFF（to脉冲间隔）、MAO（电源智能控制参数）、Ip（
放电峰值电流）、V（电压）、C（电容）、SV（伺服参考电压）、Sf（伺服速度）等。
10.电动机驱动控制系统
由CNC装置发出命令，驱动控制系统使各轴电动机运转，进行各种伺服加工、移动和定位。目前单项走丝线切割控制系统均可以实现X、Y、U、V四轴联动与Z轴定位的数控功能。
11.机床电器控制系统
为整个机床的电器系统提供电源；操控整个机床的开启与关闭；接受各个接口板发出的信号，经过处理后去控制外围设备，包括走丝系统、工作液处理系统、冷却系统等。
3.6.2.2 低速走丝电火花线切割加工机床主轴伺服控制系统及技术参数
低速走丝电火花线切割加工机床的主轴伺服控制系统可分为主轴运动方向控制系统、主轴运动速度控制系统和主轴电动机驱动与控制系统。
1.主轴运动方向控制系统
主轴运动方向控制又可以认为是对间隙电压的控制，间隙电压用符号u表示。在切割加工过程中，脉冲宽度、脉冲间隔、放电脉冲峰值电流是控制单个放电脉冲能量的主要参数，单个脉冲能量对于加工精度和加工效率起着至关重要的作用。而关于电极丝相对工件沿加工轨迹的进给与回退的控制是由u决定的，该参数对加工稳定性和加工效率影响很大。低速走丝电火花线切割加工与电火花成形加工一样，都存在着间隙效应，即随着放电间隙的大小变换直接影响对工件加工蚀除量的多少。在加工过程中，直接测量电极丝与工件之间的放电间隙是非常困难的事，一般从间隙两端取平均电压值作为衡量间隙的尺度。在加工的过程中，平均加工电压是根据电极间的状态变动的。根据u的设定确定一定的标准电压，即伺服参考电压SV，如果电极间的平均电压高于该值，则电极丝进给；低于该值，则沿原轨迹回退，以此来保证电极丝与工件之间的放电间隙总是保持在设定的范围内。
一般低速走丝电火花线切割机床是将平均加工电压控制分为若干个等级。SV的等级数值越大，电极间的平均间隙就越大，而且一定时间内的放电次数减少，放电状态稳定，但使得加工速度降低。相反，SV设定值变低时，电极间的平均间隙会变小，一定时间内放电次数增多，加工速度加快，但是加工状态变得不稳定，是导致断丝的主要原因之一。表3.6-4列出了国内外部分机床SV等级的设定范围。
表3.6-4 国内外部分机床SV等级设定范围
2.主轴运动速度控制
主轴运动速度控制又称为主轴伺服速度控制，用符号Sf表示。其作用是在开始加工之前，设定工作台相对于电极丝进给和回退的速度。当SV设定好后，切割过程中，电极间的平均间隙电压高于SV设定电压，主轴会以Sf设定的速度进给，而间隙平均电压低于SV设定电压时，主轴以Sf设定的速度回退。一般低速走丝线切割机床不让操作者直接输入主轴运动速度，而是将该伺服速度分为若干等级，表3.6-5列出了国内外部分机床Sf等级的设定范围。伺服速度的方式一般有三种：第一种，判断电极间的电压比SV低还是高，以适当的速度进行伺服；第二种，不管电极间的电压如何，用Sf设定的值，按照一定的速度进行伺服；第三种，通过考虑有补偿的程序轨迹来控制进给速度。Sf值的设定与SV有关，如果设定的两个参数匹配，会使加工状态保持稳定，加工效率提高，否则会使加工状态不稳定，是造成频繁断丝的主要原因之一。
表3.6-5 国内外部分机床Sf等级设定范围
3.主轴电动机驱动及控制系统
低速走丝电火花线切割机床可以实现五轴四联动的位置闭环控制（X轴、Y轴、U轴、V轴联动，Z轴定位控制），目前国内外高性能低速走丝电火花线切割机床上使用的电动机多为交流伺服电动机和直线电动机。
（1）交流伺服电动机控制系统 低速走丝电火花线切割机床一般使用交流伺服电动机作为执行机构，控制系统采用全闭环控制，其伺服驱动系统的结构如图3.6-9所示。在半闭环控制的基础上，工作台上加装精密直线光栅尺作为位置检测元件，检测工作台实际移动距离，并将检测的机械位移量变成位置数字量，通过数字接口板系统反馈给主存系统。该位置反馈量与设定的加工轨迹数据进行比较，将其比较值转换成指令，驱动交流伺服电动机进行误差补偿。由于是全闭环控制，电动机与丝杠可制作成直接拖动方式，也可以通过一对齿形带轮减速后连接丝杠，这样电动机的功率可以小一些。由于采用高精度光栅尺作为全闭环控制检测元件，工作台的定位精度不完全取决于精密滚珠丝杠的精度，丝杠的螺距误差、反向间隙、磨损和齿形带轮传动误差都不会影响工作定位精度，所以全闭环的控制精度非常高。
图3.6-9 交流伺机电动机全闭环伺服控制系统结构示意图
（2）直线电动机控制系统 直线电动机是日本电加工业首先在低速走丝线切割机床上使用的。它是将主轴和主轴电动机合为一体，相当于电动机转子轴的磁铁板本身就是工作台，这样可以简化机床结构，提高主轴的传动精度。另外，直线电动机的输出功率大，且调速范围大，调速稳定，加速减速时间短。它的这些优良性能非常适合做低速走丝线切割的主轴驱动电机。图3.6-10是直线电动机全闭环控制系统结构示意图，主存系统发出程序指令通过数字接口板传送给驱动器，驱动直线电机带动工作台移动，工作台装有精密直线光栅尺，实时检测工作台定位精度，并将检测数据反馈到驱动器，与设定数据进行比较，比较值转换成指令再驱动电机进行补偿。
图3.6-10 直线电动机全闭环控制系统结构示意图
直线电动机具有电枢线圈和磁铁板。驱动器通过交变磁场来驱动工作台。因直线电动机是通过磁场非接触式直接驱动工作台，所以不存在因滚珠丝杠将旋转运动变成直线运动而引起的各种缺陷，如螺距误差、反向间隙、摩擦发热、磨损、耗能、弯曲等问题，使失动量减到最小。采用直线电动机达到纳米级定位并非只是单纯依赖于电动机本身，而是依靠于整体技术的进步：如导轨选用四个方向受约束的陶瓷空气静压导轨，因此不存在静摩擦与动摩擦的影响，无需润滑就能实现微小移动量；直线电机采用了先进的冷却系统作为辅助，使电枢线圈温度控制在室温的+2℃以内；使用人造陶瓷工作台，可起到不变形和隔磁的作用。由于采用了这些先进技术，才使工作台定位精度达到纳米级。
3.6.2.3 低速走丝电火花线切割加工过程参数控制
人们对加工过程参数进行控制的主要目的就是要在满足加工质量要求的前提下，使加工生产率最高，加工状态稳定。线切割加工过程中表示加工效果的工艺指标主要有切割速度、表面粗糙度值、电极丝损耗和加工精度。加工参数主要有脉冲宽度、脉冲间隔、峰值电流、加工电压、伺服参考间隙电压、伺服进给速度、丝的张力、丝的速度以及工作液的性能和喷流压力等。这些参数的优化设定是指通过选取合适的加工参数来获得最佳的加工效果。
电火花线切割参数优化通常包括两部分：一是加工前加工参数的优化设定（离线）；二是在加工过程中对加工参数自动优化的调整（在线）。在进行电火花线切割加工参数设定时，参数组合不是唯一的，必须满足所有的加工指标要求。但是，对于已知的加工指标要求和加工条件，存在一个优化的参数组合使得加工高效稳定地进行。这组优化的参数是通过优化技术来获得的，新一代低速走丝电火花线切割数控系统针对上述参数采用优化技术，不断设计出了许多有利于提高加工精度、表面质量、加工效率和加工稳定性的对策。
1.智能脉冲电源控制
日本沙迪克和瑞士阿奇夏米尔等公司都对加工过程中的脉冲电源进行智能控制。例如，日本沙迪克公司设置了MAO参数，用户可以根据加工的水准设定该参数的数值，在加工过程中系统将MAO值作为判断间隙状态是否稳定的基准，不断地监视放电状况。当要发生集中放电时，就立即减小脉冲能量或加大放电间隔时间，该对策针对防止断丝非常有效；瑞士阿奇夏米尔公司设计的智能脉冲电源，使过程控制监控测量传感器位于火花放电最近的地方，具有快捷的响应能力以及可作“现场”处理的实时、特殊的放电功能。这些控制系统都具有超级的计算能力，使信息交流全部数字化，并在几纳秒内执行指令，而采用高速的数字技术保证了加工的可靠性，可避免电磁干扰和环境影响。
2.变截面加工自适应
通过该功能可简单方便地选择截面形式，只需要鼠标一点，即可自动调节几何尺寸、加工程序或放电参数，确保变截面加工表面一致性，在不同的冲液和工件厚度情况下，可确保放电加工的安全与经济。
3.动态拐角控制
由于在切割拐角时电极丝的滞后，会造成工件角部塌陷。另外，在工件拐角的地方，容易出现集中放电，所以在拐角的地方容易断丝。为了提高拐角切割精度和加工的稳定性，采取了多项动态拐角处理策略，如改变走丝路径、改变加工速度（薄板）、自动调节水压、控制加工能量等。通过采用综合的拐角控制策略，使工件的角部形状误差大幅度减少。由于是提前优化放电切割路径，补偿拐角误差，所以加工过程中无时间损失，可全速切割。工件形状越复杂，拐角越多，节省的时间也越多，同时还能节省电极丝。
4.电极丝挠度控制
在多遍切割中实时测量和校正电极丝的挠度，降低轮廓误差，减小“凹心”或“凸肚”，使各测量截面同时达到精度和粗糙度值要求。
5.电极丝损耗自动预先补偿
通过分别校正上下导丝模的偏移量，可自动补偿由于电极丝损耗和上下冲液不一致造成垂直切割时的锥度偏差。
3.6.2.4 低速走丝电火花线切割加工机床数控系统软件的构成
一般高性能的低速走丝机床数控系统软件运行于DOS平台（也有的运行于Windows XP系统），不仅具有很好的人机对话界面，而且功能强大，稳定、快捷，实时性强，整个机床的软件系统是由许多可以实现不同功能的软件模块所组成。
1.手动模块
图3.6-11所示为手动模块系统方框图。
手动模块的功能如下：
（1）无代码 只要输入数据就可以方便快捷的进行加工前必须的移动、定位等准备操作。
（2）加工准备 进行加工前的准备，确定加工前的各项起始数据。
（3）MDI（手工数据输入） 手动模块中的MDI（Manual Data Input）子模块中，可输入简单的NC程序，不必切换到加工模块，便可运行。运行完毕，输入的程序将被自动清除。
2.编辑模块
图3.6-12所示为编辑模块系统方框图。
编辑模块的功能如下：
（1）自动编程 借助于强大的CAD制作图形及数据转换软件的功能，将各种工件的图形快速、高效、准确地转换成NC代码。
（2）NC程序的编辑 可对于正在打开的已经汇编好NC程序进行删除、复制、剪切、粘贴、置换等修改操作。
（3）文件 进行各种文件操作，如文件的显示、复制、删除、重新命名、装载、保存和显示内容等。
图3.6-11 手动模块系统方框图
（4）图形 对于由NC程序所升成的加工程序图形的描画条件进行设定和描画。
（5）条件检索 通过输入检索条件，可自动从加工条件数据库中检索到必要的加工条件，而且可以对其进行重新编辑。
3.加工模块
执行已生成的NC程序，加工模块的构成如图3.6-13所示。
加工模块的功能如下：
（1）NC加工 读取内存中的NC程序或调用文件，并执行加工。
（2）文件加工 读取硬盘中的NC程序，并执行加工。
4.显示模块
显示（DISPLAY）模块的主要功能是显示系统的状态，其主要构成如图3.6-14所示。
(www.xing528.com)
图3.6-12 编辑模块系统方框图
图3.6-13 加工模块系统方框图
显示模块的功能如下：
（1）显示状态 显示执行NC程序的基本内容。
（2）坐标显示 显示全坐标值与当前位置坐标值。
（3）维护 显示机床的各项消耗品使用的时间和次数等。
5.设定模块
设定模块是为保持数控电源与主机相匹配的一些数据设置，模块构成如图3.6-15所示。
图3.6-14 显示模块系统方框图
图3.6-15 设定模块系统方框图
设定模块的功能如下：
（1）标志 为保持数控电源和主机的电动机匹配性的一些数据设置，包括NC程序指令的初始预定、坐标系变换约定、停电复位模式、屏幕保护及系统时间设定、U/V轴补正制以及设置其他辅助设施的默认值等。
（2）通信 设定有关串行口通信、日历、打印机、鼠标等选项的各种条件。
（3）加工数据 确定程序开始状态的标识设置。
6.管理模块
管理模块是为了维护和保养设备而设置的一些功能，模块构成如图3.6-16所示。
管理模块的功能如下：
（1）管理系统 进行系统软件版本升级的操作。
（2）检查 进行设备输入输出的检查。
（3）参数 设定确保NC装置与设备及电动机的整合性的参数。
图3.6-16 管理模块系统方框图
3.6.2.5 低速走丝线切割加工机床指令代码
1.指令
低速走丝电火花线切割机床的数控语言均采用国际标准的ISO代码，它提供了丰富而强大的编辑功能。ISO代码由许多指令行组成，每一个指令行由一个或几个指令组合而成，指令按照功能可以分为准备功能、输送功能、辅助功能等。指令的构成如下：
指令=指令代码+数据
2.指令代码
指令代码决定了指令的功能，它是由字母（A～Z）构成，决定了跟在它后面的数据的意义。低速走丝电火花线切割机床所使用的指令代码的意义见表3.6-6。
表3.6-6 指令代码和含义
3.指令代码与指令数据
（1）A指令 指定锥度角度，不同型号机床输入数值见表3.6-7。
表3.6-7 A数据输入范围
（2）C指令 指定加工条件号，输入3位以内的数据，如C000、C001等。加工条件先在自身文件内寻找（实行中或准备实行的文件中），在没有的情况下到系统文件（CONDITION FILE）中查找，否则系统提示错误代码信息。系统文件已经给出了《加工条件手册》中所选用的全部加工条件。注意，C777为垂直校正用加工条件、C888为断丝复归专用加工条件，在NC程序中不能使用。用户可在CONDITION FILE文件中编制自己的加工条件，并保存以备今后调用。
（3）D、H指令 补正量（或偏移量）序列号，可输入3位以内的数据（000～999），如D001、D000及H001、H000等。而实际数值在OFFSET FILE中设定。
（4）F指令 设定加工进给速度（SF）。可输入500～360000000范围内的值。例如，输入F500000时，即表示以5mm/min的速度进给。
（5）G指令 具有指定直线插补、圆弧插补等准备功能，可输入3位以内的数。如G054、G001等。若代码后的数字在两位（00～99）以下，也可以略去前面的0，只输入两位以下的数，机器也可以解读，如G54、G1等。
（6）I、J指令 圆弧中心坐标数据，可输入±99999.9999mm范围内的数据。
（7）L指令 子程序重复的次数，不同型号机床输入数值见表3.6-8。
表3.6-8 L数据输入范围
（8）M指令 用于指定程序执行的控制及机械部分的ON/OFF状态，可输入3位以内的数。
（9）N指令 顺序号通常可以输入4位数，如N0001、N0002等。如果输入N1或N2，在调用子程序时会出错。序号指令的范围一般为0000～9999。
（10）P指令 子程序编号的指定同N一样，通常可输入4位无符号整数。
（11）Q指令 以文件为单位，在加工中调用硬盘内的程序，并执行被调出的程序进行加工。例如，Q1620表示1620.NC被调出并执行。
（12）T指令 指定机械控制功能，可输入3位以内的数，如T80、T81等。
（13）X、Y、U、V、Z指令 用于指定轴移动数据，可输入±999999.999范围内数据。对于X、Y、U、V、Z位采用米制时，数据含小数点时单位为mm，数据为整数时单位为μm；采英制时，数据含小数点时单位为英寸，数据为整数时单位为1/100000英寸。
4.G代码
G代码具有指定直线插补、圆弧插补等功能，指令代码及功能见表3.6-9。
表3.6-9 G代码功能一览表
5.T代码
通过T代码，可在NC程序里方便地对操作面板上的操作开关进行控制，而不需要用手去操作。其指令代码及功能见表3.6-10。
表3.6-10 T代码功能一览表
6.M代码
M代码为一些常用的辅助功能代码，其指令代码及功能见表3.6-11。
表3.6-11 M代码功能一览表
3.6.2.6 低速走丝线切割加工机床数控编程及工件加工操作流程
1.数控编程
低速走丝线切割机床的数控编程可分为手工编程和自动编程两种。通过输入指令的方式将加工工艺过程和图形输入即为手工编程。一般手工编程只适合于切割简单，且不重复加工或不用保存的图形，特点是易于操作和修改程序。对于复杂的图形，手工编程的工作量很大，而且容易出错。为了简化编程工作，利用计算机自动编程是低速走丝线切割机床的优势。
自动编程是以CAD绘图为基础的自动编程方法（即语言式自动编程和图形交互式自动编程），其方法是根据待加工的零件图形，按照机械绘图的步骤，在计算机屏幕上绘出零件图形，编程人员根据菜单提示的内容反复与计算机对话，选择菜单目录或回答计算机提问，从零件图形的定义、走丝路径的确定到加工参数的选择，整个编程过程都是在交互的方式下完成的，不存在语言编程问题。计算机内部将图形文件自动转换成数控加工程序（ISO代码）后，将NC程序传输给CNC系统。自动编程的方法简单，对于操作者的编程能力、数学知识、计算机水平要求不高，稍加培训就可胜任。
2.编程软件
由美国人研制的ESPRIT低速走丝电火花线切割绘图式计算机编程软件已经被世界上许多生产高端低速走丝电火花线切割设备的公司所使用。该软件功能强大，简单易学，采用Windows界面和Parasolid的建模核心技术，其加工参数设置与线切割机床控制参数完全相同。ESPRIT可以读取所有CAD软件，如AutoCAD、SolidWorks、CATLA、Pro/ENGINEER、Solid Edge和NX等所绘出的图形和文件，并生成相应的切割路径。还可以做到使控制机与编程机合二为一，在控制加工的同时，可以“脱机”进行自动编程。自动编程的流程如图3.6-17所示。
3.工件加工操作流程
低速走丝电火花线切割机床自动化程度很高，操作面板上各种开关（表示操作面板、远程控制的硬开关）、按钮（在LCD显示屏内可用手触摸反映的部分）、按键（表示键盘上的键）繁多，熟悉这些按键及操作流程是操作者学习操控数控机床的入门课程。图3.6-18给出了低速走丝电火花线切割机床操作流程图。
图3.6-17 低速走丝电火花线切割机床自动编程流程图
图3.6-18 低速走丝电火花线切割加工机床操作流程图
3.6.2.7 低速走丝电火花线切割加工机床的数控系统类型和主要技术参数
表3.6-12介绍了部分国内外生产厂在市场上销售的低速走丝电火花线切割机床的数控系统类型和主要技术参数。
表3.6-12 低速走丝电火花线切割机床的数控系统类型和主要技术参数
（续）
3.6.2.8 低速走丝线切割加工机床数控系统常见故障和维修方法
表3.6-13给出了低速走丝电火花线切割加工机床数控系统常见故障和处理方法。
表3.6-13 低速走丝电火花线切割加工机床数控系统常见故障和处理方法
（续）
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