楊繼森 萬文略 高忠華 陳錫侯 鄭方燕 王先全

(重慶理工大學(xué)機(jī)械檢測技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，重慶 400050)

時柵角位移傳感器采用類似于交流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)形式產(chǎn)生勻速的旋轉(zhuǎn)磁場來完成“以時間測空間”［1］。因此，需要加工如圖1中所示的定子勵磁線圈。它實(shí)際上是一個內(nèi)齒環(huán)，對等分性有很高的要求。為了保證勻速旋轉(zhuǎn)磁場的穩(wěn)定性和均勻性，通常采用提高勵磁繞組對極的方案，目前高精度的時柵傳感器已經(jīng)提高到了120對極(720槽)。原采用傳統(tǒng)的線切割機(jī)中走絲工藝進(jìn)行加工，但普通的線切割機(jī)沒有配備分度工作轉(zhuǎn)臺，通常依靠線切割機(jī)床工作臺在X-Y方向進(jìn)行插補(bǔ)逼近算法完成，加工出的零件分度精度不高，達(dá)數(shù)十角秒，且效率很低、成本很高。為此，在國產(chǎn)普通線切割機(jī)上，加上自制的分度轉(zhuǎn)臺和鉬絲測量系統(tǒng)構(gòu)成一個新型的全自動線切割加工系統(tǒng)，是一個簡單而有效的加工方案。

1 高精度空心轉(zhuǎn)臺

線切割機(jī)使用方式比較靈活，可用于加工各種表面形狀比較復(fù)雜的零件。線切割機(jī)工作臺走X、Y直線精度雖高，圓分度卻不是它的強(qiáng)項，而自制的時柵角位移傳感器卻能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的圓分度測量，精度達(dá)到±1.2"。因此，設(shè)計了一臺高精度的圓分度轉(zhuǎn)臺置于機(jī)床工作臺上，機(jī)床只需走X-Y直線坐標(biāo)，加工完一個齒后即退出?？糠侄绒D(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動一個預(yù)定角度β后，再加工第二個齒。于是內(nèi)齒環(huán)工件的分度精度取決于分度轉(zhuǎn)臺的精度。

式中Z為總的內(nèi)齒數(shù)。

在該加工方案中有一個技術(shù)難題，如圖2所示，如果采用普通的分度轉(zhuǎn)臺，臺面是實(shí)心的，支撐工件的小立柱在轉(zhuǎn)動的過程中必然和機(jī)床的下鉬絲臂發(fā)生干涉。早期的生產(chǎn)過程中，曾采用多個小立柱支撐工件，當(dāng)轉(zhuǎn)動過程中快發(fā)生碰撞時，就停下來取下該立柱，然后繼續(xù)加工；當(dāng)繞過下鉬絲臂后再裝上。這種做法不僅效率低下(采用4個小立柱支撐，至少要拆裝四次小立柱)，而且在拆裝立柱的過程中極易發(fā)生工件移位，致使工件精度喪失而報廢。

采用空心分度轉(zhuǎn)臺后的加工如圖3所示。此時下鉬絲臂置于整個分度轉(zhuǎn)臺之下，大立柱支撐分度轉(zhuǎn)臺，轉(zhuǎn)臺本身不動，只是工作臺帶動工件作分度轉(zhuǎn)動。鉬絲自上而下穿過工件和轉(zhuǎn)臺中心，小立柱支撐工件轉(zhuǎn)動，整個加工過程中再不會發(fā)生下鉬絲臂與立柱的干涉現(xiàn)象。自行研發(fā)的空心分度轉(zhuǎn)臺采用了中空的軸系和自制時柵角位移傳感器。其中時柵傳感器精度達(dá)到±1.2"，空心分度轉(zhuǎn)臺的分度精度達(dá)到±2"，非常適合完成類似的高精度分度線切割加工。

2 鉬絲自動測量與補(bǔ)償

2.1 鉬絲直徑測量

線切割機(jī)工作原理是將電極絲(鉬絲)置于電源負(fù)極，加工工件置于電源正極。當(dāng)極間施加脈沖電壓時，鉬絲與工件之間的電解液將會放電，瞬時高溫將使工件剝離與汽化，達(dá)到加工目的。長時間的使用將導(dǎo)致鉬絲的磨損(變細(xì))，那么加工最后一個齒的齒槽就會比第一個齒的齒槽小(盡管分度是精確的)。工件齒越多、工件越厚(或同時重疊加工的工件越多)、鉬絲越舊，這種現(xiàn)象越嚴(yán)重［2］。據(jù)實(shí)測，用一根直徑為0.18 mm的鉬絲開始加工，加工到最后一個齒時，直徑只有約0.14 mm。

為了實(shí)現(xiàn)高精度線切割加工，應(yīng)該對鉬絲的磨損進(jìn)行有效的補(bǔ)償，所設(shè)計的鉬絲自動測量機(jī)構(gòu)如圖4所示，主要由數(shù)顯千分尺和兩套電動機(jī)執(zhí)行機(jī)械構(gòu)成。在加工完一個齒后的自動分度定位期間，驅(qū)動電動機(jī)驅(qū)動測量裝置移動到適當(dāng)位置，測量電動機(jī)驅(qū)動千分尺測出當(dāng)前鉬絲的直徑。測量千分尺采用的是容柵式數(shù)顯千分尺，輸出為二進(jìn)制串行數(shù)據(jù)，通過單片機(jī)I/O接口模擬其串行通信協(xié)議可以接收其輸出的測量數(shù)據(jù)［3］，根據(jù)實(shí)測接收到的測量數(shù)據(jù)，誤差小于 1 μm，能夠滿足使用要求。

2.2 鉬絲直徑補(bǔ)償

為了使鉬絲中心的加工軌跡反映出切割零件的輪廓，加工時必須有一定的間隙補(bǔ)償，補(bǔ)償原理如圖5所示。

間隙補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確與否將會直接影響加工尺寸精度，放電間隙與工件材料、結(jié)構(gòu)、鉬絲張緊情況、走絲速度、運(yùn)行狀態(tài)、工作液種類、供液情況和清潔程度、脈沖電源電參數(shù)等因素有關(guān)，一般通過用和待加工零件相同尺寸、相同材料的試切工件，相同加工條件(相同切割速度、相同切割電流等)試切后，根據(jù)試切工件加工后的尺寸進(jìn)行計算所得［4］。間隙補(bǔ)償量為

式中：δ為放電間隙，經(jīng)過試切后確定為0.009 mm；r為鉬絲半徑，在加工過程中通過鉬絲測量系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時測量，并反饋到線切割機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償。

3 自動分度控制

時柵空心分度轉(zhuǎn)臺采用步進(jìn)電動機(jī)作為驅(qū)動裝置。該步進(jìn)電動機(jī)為兩相混合式步進(jìn)電動機(jī)，驅(qū)動最大靜轉(zhuǎn)矩6.0 N·m，最大空載啟動轉(zhuǎn)速240 r/min，步距角為1.8°。分度轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動是采用蝸輪與蝸桿嚙合傳動(蝸輪與蝸桿的傳動比1∶180)，為了保證傳動的平穩(wěn)性，步進(jìn)電動機(jī)與分度轉(zhuǎn)臺的蝸桿采用傳動比為1∶2的同步帶輪傳動。步進(jìn)電動機(jī)的細(xì)分驅(qū)動器能夠?qū)崿F(xiàn)最高200倍的脈沖細(xì)分，即步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器輸出的驅(qū)動脈沖的當(dāng)量為

式中：P為步進(jìn)電動機(jī)步距角；Z1為驅(qū)動器的細(xì)分倍數(shù)；Z2為同步帶輪的傳動比；Z3為蝸輪與蝸桿的傳動比。

安裝到空心分度轉(zhuǎn)臺中的時柵角位移傳感器能夠隨著分度轉(zhuǎn)臺一起轉(zhuǎn)動，并實(shí)時地測量出分度轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動角位移，自動分度控制系統(tǒng)利用角位移傳感器實(shí)時測量出的分度轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動的角位移數(shù)據(jù)作為反饋，構(gòu)成閉環(huán)控制，以達(dá)到高精度分度定位的目的。

由于步進(jìn)電動機(jī)啟動轉(zhuǎn)速較低，如果以要求的高速直接啟動，會因速度超過極限啟動頻率而發(fā)生堵轉(zhuǎn)或根本不能啟動。電動機(jī)轉(zhuǎn)動到目標(biāo)位置時如果采取突然停機(jī)的方式停止，則會因系統(tǒng)的慣性而出現(xiàn)過沖現(xiàn)象［5］。為了更加平穩(wěn)地控制電動機(jī)，對電動機(jī)的驅(qū)動采用三段式速度控制，分為加速段、勻速段和減速段，如圖6所示。

4 系統(tǒng)控制

選用國產(chǎn)KB-3000線切割機(jī)床，全系統(tǒng)控制框圖如圖7所示。整個控制系統(tǒng)是由自動分度控制系統(tǒng)、鉬絲自動測量與補(bǔ)償系統(tǒng)和線切割機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成。系統(tǒng)以自動分度控制系統(tǒng)的分度狀態(tài)信息作為反饋數(shù)據(jù)，構(gòu)成系統(tǒng)閉環(huán)控制，以實(shí)現(xiàn)全自動高精度內(nèi)齒線切割加工。

自動分度控制系統(tǒng)通過隔離接口采樣線切割機(jī)控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行判斷，當(dāng)判斷結(jié)果為“加工完成”后，自動分度控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的分度參數(shù)驅(qū)動分度轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動到下一個加工位置。由于鉬絲磨損是一個緩慢變化的過程，因此沒有必要每加工完一個齒就進(jìn)行補(bǔ)償，可以在加工完多個齒后進(jìn)行一次補(bǔ)償。本系統(tǒng)設(shè)定為加工完5個齒后進(jìn)行一次補(bǔ)償，自動分度控制系統(tǒng)對加工過程進(jìn)行統(tǒng)計，每加工完5個齒，向鉬絲測量系統(tǒng)發(fā)送“啟動測量”命令，控制接口在接收到自動分度系統(tǒng)反饋的“分度完成”信息后，并且在接收到鉬絲測量系統(tǒng)發(fā)送的補(bǔ)償數(shù)據(jù)后，向線切割機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)送“分度完成”信息和補(bǔ)償數(shù)據(jù)，線切割機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)補(bǔ)償參數(shù)確定該位置的線切割加工參數(shù)，然后驅(qū)動走絲機(jī)構(gòu)進(jìn)行線切割加工。加工完成后將工作狀態(tài)數(shù)據(jù)反饋給自動分度控制系統(tǒng)，重復(fù)上述過程，直到完成所有線切割加工任務(wù)為止，加工系統(tǒng)的工作現(xiàn)場如圖8所示。

5 結(jié)語

經(jīng)過改造后的線切割機(jī)床如圖8所示。上置分度轉(zhuǎn)臺即為自行研制的空心轉(zhuǎn)臺。整個加工過程實(shí)現(xiàn)了全自動化：按預(yù)定程序完成全部自動進(jìn)絲、退絲；自動分度定位；鉬絲自動測量；全部加工過程無需人工干預(yù)，工效比原來提高20多倍，分度精度基本上復(fù)現(xiàn)了轉(zhuǎn)臺的分度精度，約為±2.5"。齒槽寬度的偏差則控制在0.01 mm以內(nèi)，全面實(shí)現(xiàn)預(yù)定指標(biāo)，加工出的720槽的勵磁線圈如圖1所示。該系統(tǒng)不僅可以用于時柵傳感器勵磁線圈的加工，而且可以用于類似需要高精度分度線切割加工的場合，加工精度高，生產(chǎn)效率將大大提高。

［1］彭東林，張興紅，劉小康，等.基于時空轉(zhuǎn)換的精密位移測量新方法與傳統(tǒng)方法的比較［J］.儀器儀表學(xué)報，2006 ，27(4)：423-426.

［2］蹇玲.線切割加工中間隙補(bǔ)償值的確定［J］.機(jī)械工程，2009(1)：23-24.

［3］馬黎明.電動直移式數(shù)顯千分尺［J］.機(jī)械工程師，2004(12)：67-68.

［4］任福君，姜永成.大厚度復(fù)雜曲面線切割絲損在線檢測及補(bǔ)償［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2008，44(6)：237-242.

［5］王勇，王偉，楊文濤.步進(jìn)電機(jī)升降速曲線控制系統(tǒng)設(shè)計及其應(yīng)用［J］.控制工程，2008，15(5)：576-579.