高精度閉環(huán)全自動(dòng)線切割機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熊強(qiáng)強(qiáng)，彭東林，陳錫候，萬(wàn)文略，奚建平

（重慶理工大學(xué) 機(jī)械檢測(cè)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(dòng)線切割機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熊強(qiáng)強(qiáng)，彭東林，陳錫候，萬(wàn)文略，奚建平

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

0 引言

在機(jī)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(lái)傳統(tǒng)的線切割機(jī)中的慢走絲工藝進(jìn)行加工，由于只能在X-Y方面上使用插補(bǔ)逼近算法，所以生產(chǎn)加工出來(lái)的工件分度精度普遍不是很高，僅達(dá)數(shù)十角秒，滿足不了某些特殊場(chǎng)合的要求。為此，在國(guó)產(chǎn)的普通線切割機(jī)的基礎(chǔ)上，結(jié)合基于時(shí)柵位移傳感器（達(dá)到了120個(gè)對(duì)極，也即720個(gè)槽）的高精度空心式分度轉(zhuǎn)臺(tái)和基于單片機(jī)的鉬絲磨損自動(dòng)測(cè)量裝置，構(gòu)成一個(gè)高精度閉環(huán)全自動(dòng)線切割機(jī)系統(tǒng)，以此來(lái)滿足特殊加工的要求，實(shí)驗(yàn)表明效果良好。

1 鉬絲直徑數(shù)據(jù)自動(dòng)采集裝置

傳統(tǒng)的線切割機(jī)工作的原理是使繞在運(yùn)絲筒上的鉬絲沿運(yùn)絲筒的回轉(zhuǎn)方向以一定的速度移動(dòng)，裝在機(jī)床工作臺(tái)上的工件由工作臺(tái)按預(yù)定控制軌跡相對(duì)與電極絲做成型運(yùn)動(dòng)。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(zhǎng)時(shí)間的使用鉬絲切割將會(huì)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(huì)比第一個(gè)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(shí)間越久，這種現(xiàn)象就會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。根據(jù)實(shí)際測(cè)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(gè)直齒時(shí)，直徑大約只有14um。

設(shè)計(jì)的鉬絲直徑數(shù)據(jù)自動(dòng)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(jī)構(gòu)的兩套步進(jìn)電機(jī)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(dòng)采集裝置原理圖

首先由單片機(jī)控制電路通過控制步進(jìn)電機(jī)來(lái)操控機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)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(jī)控制電路控制采集機(jī)構(gòu)進(jìn)行采集。此位置的數(shù)據(jù)采集完畢后，則控制步進(jìn)電機(jī)將傳感器再次移動(dòng)到下一個(gè)位置，再次進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)設(shè)定的不同位置進(jìn)行測(cè)量后，然后求平均值。同時(shí)將傳感器通過運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)送回原始位置，最后將測(cè)得的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)對(duì)鎢鉬絲直徑進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)測(cè)試，實(shí)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(shí)際裝置見如圖2所示。

圖2 鉬絲直徑數(shù)據(jù)采集裝置實(shí)物圖

2 閉環(huán)全自動(dòng)控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用國(guó)產(chǎn)的KB-3000線切割機(jī)床，整個(gè)閉環(huán)全自動(dòng)控制系統(tǒng)由鉬絲直徑數(shù)據(jù)自動(dòng)采集裝置、線切割機(jī)控制系統(tǒng)及高精度空心分度轉(zhuǎn)臺(tái)組成。其工作原理如圖3所示。

圖3 閉環(huán)全自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理圖

當(dāng)分度轉(zhuǎn)臺(tái)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(dòng)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(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算出鉬絲補(bǔ)償?shù)膮?shù)，然后將此參數(shù)傳遞給閉環(huán)全自動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)則控制線切割機(jī)根據(jù)這個(gè)參數(shù)對(duì)需要加工的工件進(jìn)行切割加工。當(dāng)切割完成后向分度轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)發(fā)出切割加工完成，需要進(jìn)行分度的信號(hào)。圓分度轉(zhuǎn)臺(tái)根據(jù)這個(gè)信號(hào)對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行分度，從而使轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)到下一個(gè)所需要的加工的位置上。閉環(huán)全自動(dòng)控制系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 閉環(huán)全自動(dòng)控制系統(tǒng)

3 高精度空心式分度轉(zhuǎn)臺(tái)

傳統(tǒng)的線切割機(jī)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(tái)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(diǎn)，但是圓分度卻不是它的強(qiáng)項(xiàng)，誤差達(dá)到數(shù)十角秒。為此，利用它走X-Y方向精度高的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了增加一臺(tái)精度較高的圓分度轉(zhuǎn)臺(tái)放置在線切割機(jī)床的工作臺(tái)上面。機(jī)床只需要走X-Y直線坐標(biāo)，加工完成一個(gè)直齒后就退出，利用圓分度轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)到一個(gè)事先預(yù)定的角度α，其數(shù)學(xué)表達(dá)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(tái)的精度所決定。全自動(dòng)分度控制系統(tǒng)的工作原理如圖5所示。

圖5 全自動(dòng)分度控制系統(tǒng)的工作原理

該分度轉(zhuǎn)臺(tái)以時(shí)柵位移傳感器所測(cè)得的當(dāng)時(shí)工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移作為反饋數(shù)據(jù)，對(duì)比用戶之前所輸入的需要加工的內(nèi)齒的齒數(shù)所計(jì)算出來(lái)的絕對(duì)分度位置，控制步進(jìn)電機(jī)逐步逼近到絕對(duì)分度位置，從而實(shí)現(xiàn)在加工過程中的無(wú)積累誤差的高精度分度。

在驅(qū)動(dòng)裝置部分，圓分度轉(zhuǎn)臺(tái)主要采用的是普通的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，其步距角為1.8°，最大空載啟動(dòng)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(gè)脈沖的當(dāng)量可以達(dá)到0.009°。同時(shí)，由于分度轉(zhuǎn)臺(tái)采用的傳動(dòng)方式是渦輪與蝸桿的嚙合傳動(dòng)方式，所以為了保持其傳動(dòng)的穩(wěn)定性，步進(jìn)電機(jī)與分度轉(zhuǎn)臺(tái)的蝸桿采用傳動(dòng)比為1:2的同步帶輪來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。

開始研發(fā)該圓分度轉(zhuǎn)臺(tái)時(shí)采用普通的圓分度轉(zhuǎn)臺(tái)，由于工作臺(tái)的臺(tái)面是實(shí)心的，于是支撐工件的小立柱在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中將不可避免的和機(jī)床的下鉬絲臂發(fā)生干涉。在試驗(yàn)過程中，曾使用多個(gè)小立柱來(lái)支撐工件，在其轉(zhuǎn)動(dòng)過程中快要發(fā)生碰撞的時(shí)候，就馬上停下來(lái)并且取出該小立柱；而當(dāng)其轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)心圓分度轉(zhuǎn)臺(tái)工作的示意圖如圖6所示。

圖6 普通實(shí)心圓分度轉(zhuǎn)臺(tái)工作示意圖

當(dāng)采用空心轉(zhuǎn)臺(tái)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(tái)，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(tái)工作示意圖

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

圖8 高精度空心式圓分度轉(zhuǎn)臺(tái)

4 結(jié)論

經(jīng)過改造后的機(jī)床基本上實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，整個(gè)加工過程實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化。從線切割機(jī)自動(dòng)進(jìn)絲、退絲，切割，到鉬絲直徑數(shù)據(jù)測(cè)量裝置對(duì)于鉬絲磨損的測(cè)量，再到高精度空心式轉(zhuǎn)臺(tái)的自動(dòng)分度，整個(gè)加工過程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，不需要人工進(jìn)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(dá)到了轉(zhuǎn)臺(tái)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(shí)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(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，應(yīng)用廣泛等等特點(diǎn)，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(chǎng)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(duì)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(jì)了一種高精度閉環(huán)全自

動(dòng)線切割機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過基于單片機(jī)的鉬絲直徑數(shù)據(jù)自動(dòng)采集裝置獲得測(cè)量數(shù)據(jù)，然后將測(cè)量結(jié)果反饋到線切割機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，最后再通過基于時(shí)柵位移傳感器的高精度空心式分度轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行分度，從而實(shí)現(xiàn)精密線切割加工。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)具有加工精度高、可靠性好，成本低等特點(diǎn)，極大的提高了生產(chǎn)效率。

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

熊強(qiáng)強(qiáng)（1982 -）男，江西南昌人，碩士研究生，主要從事計(jì)算機(jī)輔助測(cè)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