熊強強，彭東林，陳錫候，萬文略，奚建平

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

高精度閉環(huán)全自動線切割機系統(tǒng)設(shè)計

熊強強，彭東林，陳錫候，萬文略，奚建平

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

0 引言

在機械行業(yè)的工件加工中，經(jīng)常需要加工一些高精度的等分齒形的工件，如果采用原來傳統(tǒng)的線切割機中的慢走絲工藝進行加工，由于只能在X-Y方面上使用插補逼近算法，所以生產(chǎn)加工出來的工件分度精度普遍不是很高，僅達數(shù)十角秒，滿足不了某些特殊場合的要求。為此，在國產(chǎn)的普通線切割機的基礎(chǔ)上，結(jié)合基于時柵位移傳感器（達到了120個對極，也即720個槽）的高精度空心式分度轉(zhuǎn)臺和基于單片機的鉬絲磨損自動測量裝置，構(gòu)成一個高精度閉環(huán)全自動線切割機系統(tǒng)，以此來滿足特殊加工的要求，實驗表明效果良好。

1 鉬絲直徑數(shù)據(jù)自動采集裝置

傳統(tǒng)的線切割機工作的原理是使繞在運絲筒上的鉬絲沿運絲筒的回轉(zhuǎn)方向以一定的速度移動，裝在機床工作臺上的工件由工作臺按預(yù)定控制軌跡相對與電極絲做成型運動。脈沖電源的一極接工件，另一極接鉬絲。在工件與電極絲之間總是保持一定的放電間隙且噴灑工作液，電極之間的火花放電蝕出一定的縫隙，連續(xù)不斷的脈沖放電就切出了所需形狀和尺寸的工件。然而，長時間的使用鉬絲切割將會導(dǎo)致鉬絲受到不同程度上的磨損以至逐漸變細(xì)，于是加工到后面的齒的齒槽就會比第一個齒的齒槽要小。如果工件的齒數(shù)越多，工件越厚、鉬絲使用的時間越久，這種現(xiàn)象就會越來越嚴(yán)重。根據(jù)實際測量所得數(shù)據(jù)表明，使用一根直徑為18um的鉬絲開始加工，當(dāng)其加工到最后的一個直齒時，直徑大約只有14um。

設(shè)計的鉬絲直徑數(shù)據(jù)自動采集裝置由作為數(shù)據(jù)采集傳感器的容柵式數(shù)顯千分尺和作為執(zhí)行機構(gòu)的兩套步進電機所組成，其工作原理如圖1所示。

圖1 鉬絲直徑數(shù)據(jù)自動采集裝置原理圖

首先由單片機控制電路通過控制步進電機來操控機械運動機構(gòu)將傳感器送到指定位置（鎢鉬絲位置），然后鎖緊。傳感器到位后，單片機控制電路控制采集機構(gòu)進行采集。此位置的數(shù)據(jù)采集完畢后，則控制步進電機將傳感器再次移動到下一個位置，再次進行測量。根據(jù)設(shè)定的不同位置進行測量后，然后求平均值。同時將傳感器通過運動機構(gòu)送回原始位置，最后將測得的數(shù)據(jù)傳送給上位機對鎢鉬絲直徑進行補償。根據(jù)測試，實際接收到的鉬絲直徑數(shù)據(jù)誤差小于1um，滿足使用要求，實際裝置見如圖2所示。

圖2 鉬絲直徑數(shù)據(jù)采集裝置實物圖

2 閉環(huán)全自動控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用國產(chǎn)的KB-3000線切割機床，整個閉環(huán)全自動控制系統(tǒng)由鉬絲直徑數(shù)據(jù)自動采集裝置、線切割機控制系統(tǒng)及高精度空心分度轉(zhuǎn)臺組成。其工作原理如圖3所示。

圖3 閉環(huán)全自動控制系統(tǒng)工作原理圖

當(dāng)分度轉(zhuǎn)臺完成分度以后，發(fā)出分度完成的指令給鉬絲直徑數(shù)據(jù)自動采集裝置。接到指令后，該裝置開始采集鉬絲直徑的數(shù)據(jù)，并且根據(jù)這個數(shù)據(jù)計算出鉬絲補償?shù)膮?shù)，然后將此參數(shù)傳遞給閉環(huán)全自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)則控制線切割機根據(jù)這個參數(shù)對需要加工的工件進行切割加工。當(dāng)切割完成后向分度轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)發(fā)出切割加工完成，需要進行分度的信號。圓分度轉(zhuǎn)臺根據(jù)這個信號對于轉(zhuǎn)臺進行分度，從而使轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)到下一個所需要的加工的位置上。閉環(huán)全自動控制系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 閉環(huán)全自動控制系統(tǒng)

3 高精度空心式分度轉(zhuǎn)臺

傳統(tǒng)的線切割機雖然具有使用方式比較靈活，而且走直線的精度極高，特別是它的工作臺走X、Y直線，便于加工出各種表面形狀復(fù)雜的工件的優(yōu)點，但是圓分度卻不是它的強項，誤差達到數(shù)十角秒。為此，利用它走X-Y方向精度高的特點，設(shè)計出了增加一臺精度較高的圓分度轉(zhuǎn)臺放置在線切割機床的工作臺上面。機床只需要走X-Y直線坐標(biāo)，加工完成一個直齒后就退出，利用圓分度轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動到一個事先預(yù)定的角度α，其數(shù)學(xué)表達式如下：

其中，Z為總的內(nèi)齒數(shù)。那么，等分齒形的分度精度則由圓分度轉(zhuǎn)臺的精度所決定。全自動分度控制系統(tǒng)的工作原理如圖5所示。

圖5 全自動分度控制系統(tǒng)的工作原理

該分度轉(zhuǎn)臺以時柵位移傳感器所測得的當(dāng)時工作臺轉(zhuǎn)動的角位移作為反饋數(shù)據(jù)，對比用戶之前所輸入的需要加工的內(nèi)齒的齒數(shù)所計算出來的絕對分度位置，控制步進電機逐步逼近到絕對分度位置，從而實現(xiàn)在加工過程中的無積累誤差的高精度分度。

在驅(qū)動裝置部分，圓分度轉(zhuǎn)臺主要采用的是普通的兩相混合式步進電機，其步距角為1.8°，最大空載啟動轉(zhuǎn)速為240r/min，最大靜轉(zhuǎn)矩為6.0Nm。通過細(xì)分電路的200倍細(xì)分后，每個脈沖的當(dāng)量可以達到0.009°。同時，由于分度轉(zhuǎn)臺采用的傳動方式是渦輪與蝸桿的嚙合傳動方式，所以為了保持其傳動的穩(wěn)定性，步進電機與分度轉(zhuǎn)臺的蝸桿采用傳動比為1:2的同步帶輪來實現(xiàn)傳動。

開始研發(fā)該圓分度轉(zhuǎn)臺時采用普通的圓分度轉(zhuǎn)臺，由于工作臺的臺面是實心的，于是支撐工件的小立柱在轉(zhuǎn)動的過程中將不可避免的和機床的下鉬絲臂發(fā)生干涉。在試驗過程中，曾使用多個小立柱來支撐工件，在其轉(zhuǎn)動過程中快要發(fā)生碰撞的時候，就馬上停下來并且取出該小立柱；而當(dāng)其轉(zhuǎn)動繞過下鉬絲臂后又再次裝上。采用這種方法，不但效率很低，而且在拆裝立柱的操作過程中極其容易使工件發(fā)生移位，從而使工件的精度降低。普通實心圓分度轉(zhuǎn)臺工作的示意圖如圖6所示。

圖6 普通實心圓分度轉(zhuǎn)臺工作示意圖

當(dāng)采用空心轉(zhuǎn)臺后，其加工示意圖如圖7所示。

在圖6、圖7中，1)上鉬絲臂，2)下鉬絲臂，3)鉬絲，4)工件，5)小立柱，6)轉(zhuǎn)臺，7)大立柱，8)發(fā)生干涉的位置。

圖7 自制空心圓分度轉(zhuǎn)臺工作示意圖

此時，下鉬絲臂被放置在整個轉(zhuǎn)臺之下，而轉(zhuǎn)臺由大立柱所支撐且大立柱不動。鉬絲自上而下的穿過工件和轉(zhuǎn)臺中心位置，由小立柱支撐工件來轉(zhuǎn)動，在整個加工過程中工件不會與下鉬絲臂發(fā)生干涉現(xiàn)象。其中，由本實驗室自行研發(fā)的空心轉(zhuǎn)臺采用了中空的軸系和自己制造的時柵角位移傳感器，其時柵位移傳感器的精度達到了±1.2''，空心分度轉(zhuǎn)臺的分度精度則達到了±2''，非常適合于完成類似的高精度分度線切割加工。實際高精度空心式圓分度轉(zhuǎn)臺如圖8所示。

圖8 高精度空心式圓分度轉(zhuǎn)臺

4 結(jié)論

經(jīng)過改造后的機床基本上實現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，整個加工過程實現(xiàn)了全自動化。從線切割機自動進絲、退絲，切割，到鉬絲直徑數(shù)據(jù)測量裝置對于鉬絲磨損的測量，再到高精度空心式轉(zhuǎn)臺的自動分度，整個加工過程實現(xiàn)了自動化，不需要人工進行干預(yù)，工作效率一下子提高了許多倍。分度精度基本上達到了轉(zhuǎn)臺的分度精度，大約為±2.5''。齒槽的偏差控制在10um之內(nèi)，初步實現(xiàn)了預(yù)期的指標(biāo)。該套系統(tǒng)具有構(gòu)思新穎，方法簡單，實現(xiàn)方便，應(yīng)用廣泛等等特點，經(jīng)過稍加改造后即可適用于類似的需要高精度的分度線切割加工場合中，從而使生產(chǎn)效率和加工精度得以極大提高。

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Design of automatic closed-loop high-precision linear cutting system

XIONG Qiang-qiang, PENG Dong-lin, CHEN Xi-hou, WAN Wen-lve, XI Jian-ping

針對傳統(tǒng)線切割加工系統(tǒng)難以加工出高精度等分齒形的工件，作者設(shè)計了一種高精度閉環(huán)全自

動線切割機系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過基于單片機的鉬絲直徑數(shù)據(jù)自動采集裝置獲得測量數(shù)據(jù)，然后將測量結(jié)果反饋到線切割機的閉環(huán)控制系統(tǒng)進行補償，最后再通過基于時柵位移傳感器的高精度空心式分度轉(zhuǎn)臺進行分度，從而實現(xiàn)精密線切割加工。實踐表明，該系統(tǒng)具有加工精度高、可靠性好，成本低等特點，極大的提高了生產(chǎn)效率。

時柵位移傳感器；線切割機；閉環(huán)控制系統(tǒng)；分度轉(zhuǎn)臺

熊強強（1982 -）男，江西南昌人，碩士研究生，主要從事計算機輔助測試技術(shù)與儀器方面的研究。

TG659

A

1009-0134(2011)4(上)-0119-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(上).37

2010-11-14