高精度等分齒形全自動線切割加工系統(tǒng)設計*

楊繼森 萬文略 高忠華 陳錫侯 鄭方燕 王先全

(重慶理工大學機械檢測技術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的結構形式產(chǎn)生勻速的旋轉磁場來完成“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。它實際上是一個內齒環(huán)，對等分性有很高的要求。為了保證勻速旋轉磁場的穩(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)的線切割機中走絲工藝進行加工，但普通的線切割機沒有配備分度工作轉臺，通常依靠線切割機床工作臺在X-Y方向進行插補逼近算法完成，加工出的零件分度精度不高，達數(shù)十角秒，且效率很低、成本很高。為此，在國產(chǎn)普通線切割機上，加上自制的分度轉臺和鉬絲測量系統(tǒng)構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 高精度空心轉臺

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

式中Z為總的內齒數(shù)。

在該加工方案中有一個技術難題，如圖2所示，如果采用普通的分度轉臺，臺面是實心的，支撐工件的小立柱在轉動的過程中必然和機床的下鉬絲臂發(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，當轉動過程中快發(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。

采用空心分度轉臺后的加工如圖3所示。此時下鉬絲臂置于整個分度轉臺之下，大立柱支撐分度轉臺，轉臺本身不動，只是工作臺帶動工件作分度轉動。鉬絲自上而下穿過工件和轉臺中心，小立柱支撐工件轉動，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到±1.2"，空心分度轉臺的分度精度達到±2"，非常適合完成類似的高精度分度線切割加工。

2 鉬絲自動測量與補償

2.1 鉬絲直徑測量

線切割機工作原理是將電極絲(鉬絲)置于電源負極，加工工件置于電源正極。當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，達到加工目的。長時間的使用將導致鉬絲的磨損(變細)，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)象越嚴重［2］。據(jù)實測，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。

為了實現(xiàn)高精度線切割加工，應該對鉬絲的磨損進行有效的補償，所設計的鉬絲自動測量機構如圖4所示，主要由數(shù)顯千分尺和兩套電動機執(zhí)行機械構成。在加工完一個齒后的自動分度定位期間，驅動電動機驅動測量裝置移動到適當位置，測量電動機驅動千分尺測出當前鉬絲的直徑。測量千分尺采用的是容柵式數(shù)顯千分尺，輸出為二進制串行數(shù)據(jù)，通過單片機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償，補償原理如圖5所示。

間隙補償?shù)臏蚀_與否將會直接影響加工尺寸精度，放電間隙與工件材料、結構、鉬絲張緊情況、走絲速度、運行狀態(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，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行計算所得［4］。間隙補償量為

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)進行實時測量，并反饋到線切割機控制系統(tǒng)進行補償。

3 自動分度控制

時柵空心分度轉臺采用步進電動機作為驅動裝置。該步進電動機為兩相混合式步進電動機，驅動最大靜轉矩6.0 N·m，最大空載啟動轉速240 r/min，步距角為1.8°。分度轉臺的轉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，步進電動機與分度轉臺的蝸桿采用傳動比為1∶2的同步帶輪傳動。步進電動機的細分驅動器能夠實現(xiàn)最高200倍的脈沖細分，即步進電動機驅動器輸出的驅動脈沖的當量為

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

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

由于步進電動機啟動轉速較低，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)生堵轉或根本不能啟動。電動機轉動到目標位置時如果采取突然停機的方式停止，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，對電動機的驅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)、鉬絲自動測量與補償系統(tǒng)和線切割機控制系統(tǒng)構成。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)，構成系統(tǒng)閉環(huán)控制，以實現(xiàn)全自動高精度內齒線切割加工。

自動分度控制系統(tǒng)通過隔離接口采樣線切割機控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，并進行判斷，當判斷結果為“加工完成”后，自動分度控制系統(tǒng)根據(jù)預先設定的分度參數(shù)驅動分度轉臺轉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行補償，可以在加工完多個齒后進行一次補償。本系統(tǒng)設定為加工完5個齒后進行一次補償，自動分度控制系統(tǒng)對加工過程進行統(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)送的補償數(shù)據(jù)后，向線切割機控制系統(tǒng)發(fā)送“分度完成”信息和補償數(shù)據(jù)，線切割機控制系統(tǒng)根據(jù)補償參數(shù)確定該位置的線切割加工參數(shù)，然后驅動走絲機構進行線切割加工。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)，重復上述過程，直到完成所有線切割加工任務為止，加工系統(tǒng)的工作現(xiàn)場如圖8所示。

5 結語

經(jīng)過改造后的線切割機床如圖8所示。上置分度轉臺即為自行研制的空心轉臺。整個加工過程實現(xiàn)了全自動化：按預定程序完成全部自動進絲、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，工效比原來提高20多倍，分度精度基本上復現(xiàn)了轉臺的分度精度，約為±2.5"。齒槽寬度的偏差則控制在0.01 mm以內，全面實現(xiàn)預定指標，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］.儀器儀表學報，2006 ，27(4)：423-426.

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

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

［4］任福君，姜永成.大厚度復雜曲面線切割絲損在線檢測及補償［J］.機械工程學報，2008，44(6)：237-242.

［5］王勇，王偉，楊文濤.步進電機升降速曲線控制系統(tǒng)設計及其應用［J］.控制工程，2008，15(5)：576-579.