1 引言

　　在研制開發(fā)時(shí)柵位移傳感器的過程中，需要加工傳感器定子線圈。它實(shí)際上是一個(gè)內(nèi)齒環(huán)，對(duì)齒形無要求，但對(duì)等分性有很高的要求，設(shè)計(jì)者希望達(dá)到優(yōu)于±5”的分度精度。原采用傳統(tǒng)的線切割機(jī)慢走絲工藝，但即使在一臺(tái)高精度的進(jìn)口機(jī)床上依靠x-y插補(bǔ)逼近加工方法，最后加工出的零件分度誤差也達(dá)數(shù)十角秒，且效率很低、成本很高。為此在國(guó)產(chǎn)普通線切割機(jī)上，加上自制的分度轉(zhuǎn)臺(tái)和鉬絲測(cè)量系統(tǒng)，達(dá)到了很好實(shí)用效果。

2 高精度空心轉(zhuǎn)臺(tái)

　　需要加工的傳感器定子線圈，線切割機(jī)可以靈活使用，用于加工各種零件。但它走x、y直線精度雖高，圓分度卻不是它的強(qiáng)項(xiàng)。

　　線切割機(jī)通常采用X、Y，逼近方法，產(chǎn)生的角度誤差推導(dǎo)如下：

　　a點(diǎn)是理論上的定位點(diǎn)，用黑色實(shí)心圓點(diǎn)表示，r為理論點(diǎn)半徑。△是機(jī)床的定位誤差，工方向和y方向都有±△的誤差，在a點(diǎn)四周還有8個(gè)空心的點(diǎn)，這些點(diǎn)就是由定位誤差造成的。選取如圖所示的b點(diǎn)作為分析點(diǎn)，由于b點(diǎn)產(chǎn)生的誤差角度為Φ(因?yàn)閎點(diǎn)產(chǎn)生的誤差角度最大，岡此選擇b點(diǎn)進(jìn)行分析)，b點(diǎn)對(duì)應(yīng)的半徑為R。C點(diǎn)為輔助分析點(diǎn)。

　　可以看出隨著半徑的增加，產(chǎn)生的誤差角度值在降低。同樣，隨著半徑的減小，誤差角度會(huì)變大。為了弄清楚誤差角度和角度θ的關(guān)系，將圖3向Y、Z平面投影，并放大局部。

　每一根曲線代表在相同半徑下的誤差角度曲線。最上面那根曲線是半徑為30／n／n時(shí)對(duì)應(yīng)的曲線。分析可以得出：在半徑相同的前提下，隨著角度θ的增加，誤差角度在不斷變大，當(dāng)θ=45°時(shí)達(dá)到最大值，然后逐漸減小。

　　經(jīng)過計(jì)算，在△=3 μm時(shí)，加工半徑小于350 mm(如果機(jī)床的△比較大，這個(gè)半徑還要變大)時(shí)，線切割機(jī)床定位產(chǎn)生的角度誤差將大于2.5”，隨著加工半徑的減小，角度誤差將會(huì)變大，在加工半徑為30 inIil時(shí)最大角度誤差約為29”。

　　上述分析可知：線切割加工小半徑工件時(shí)的分度誤差相當(dāng)大。

　　為了解決這個(gè)問題，專門設(shè)計(jì)增加一臺(tái)高精度的圓分度轉(zhuǎn)臺(tái)置于機(jī)床丁作臺(tái)上，機(jī)床只需走x-y直線坐標(biāo)，加工完一個(gè)直齒后即退出。靠分度轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)預(yù)定角度a后，再加丁第2個(gè)齒。于是內(nèi)齒環(huán)工件的分度精度取決于分度轉(zhuǎn)臺(tái)的精度。

　　a=360°/Z(z為總的內(nèi)齒數(shù)) (5)

　　但是這里有一個(gè)技術(shù)難題，如果采用普通的分度轉(zhuǎn)臺(tái)，臺(tái)面是實(shí)心的，支撐工件的小立柱在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中將必然和機(jī)床的下鉬絲臂發(fā)生干涉。曾采用多個(gè)小立柱支撐工件，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中快發(fā)生碰撞時(shí)，就停下來取出該立柱；當(dāng)繞過下鉬絲臂后義再裝上。但這樣做效率太低，尤其是在拆裝立柱的過程中極易發(fā)生工件位移，致使工件精度喪失而報(bào)廢。

　　采用空心轉(zhuǎn)臺(tái)后的加工示意，此時(shí)下鉬絲臂置于整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)之下，大立柱支撐轉(zhuǎn)臺(tái)但不動(dòng)。鉬絲自上而下穿過工件和轉(zhuǎn)臺(tái)中心，小立柱支撐丁件轉(zhuǎn)動(dòng)但整個(gè)加工過程不會(huì)發(fā)生與下鉬絲臂的干涉現(xiàn)象。自行研發(fā)的空心轉(zhuǎn)臺(tái)采用了中空的軸系和自制時(shí)柵角位移傳感器。其中時(shí)柵傳感器精度達(dá)到±1.2”，空心轉(zhuǎn)臺(tái)分度精度達(dá)到±2”。

??3 鉬絲自動(dòng)檢測(cè)與補(bǔ)償??

　　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、負(fù)極。當(dāng)極間施加電壓，鉬絲與工件之問的電解液將會(huì)放電，瞬時(shí)高溫將使工件剝離與汽化，達(dá)到加工目的。長(zhǎng)時(shí)間的使用將導(dǎo)致鉬絲的磨損(變細(xì))，那么，加丁最后一個(gè)齒的齒槽就會(huì)比第一個(gè)齒的齒槽小(盡管分度是精確的)。工件齒越多、丁件越厚(或同時(shí)重迭加工的工件越多)、鉬絲越舊，這種現(xiàn)象越嚴(yán)重。據(jù)實(shí)測(cè)，用一根舊的0.180 mm鉬絲開始切齒，加工到最后一個(gè)齒只有約0.140 mm。

　　設(shè)計(jì)的鉬絲自動(dòng)測(cè)量機(jī)構(gòu)。它是由數(shù)顯千分尺和2套電機(jī)執(zhí)行機(jī)械所構(gòu)成。在切完一個(gè)齒后的分度轉(zhuǎn)位期間，步進(jìn)電機(jī)1驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置運(yùn)行到適當(dāng)位置，步進(jìn)電機(jī)2驅(qū)動(dòng)千分尺測(cè)出當(dāng)時(shí)鉬絲的直徑。采用的容柵式數(shù)顯千分尺，輸出為二進(jìn)制串行數(shù)據(jù)，約108 ms輸出一次。

　　其中，①步進(jìn)電機(jī)1；②步進(jìn)電機(jī)2；③數(shù)顯千分尺。自制的單片機(jī)數(shù)據(jù)處理與傳輸系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)測(cè)，誤差小于0.001mm，能夠滿足使用要求。將測(cè)試數(shù)據(jù)反饋回線切割機(jī)主機(jī)，自動(dòng)對(duì)下一個(gè)齒的加工量予以補(bǔ)償調(diào)整。

4 局部閉環(huán)與全系統(tǒng)大閉環(huán)數(shù)控

　　選用國(guó)產(chǎn)KB-3000線切割機(jī)床，全系統(tǒng)控制。

　　4.1 局部閉環(huán)

　　自動(dòng)分度系統(tǒng)是整個(gè)全系統(tǒng)大閉環(huán)控制系統(tǒng)中的～個(gè)相對(duì)獨(dú)立的局部控制系統(tǒng)，如圖5中部的虛線框所示，主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)加工過程中的高精度自動(dòng)分度轉(zhuǎn)位。該控制系統(tǒng)主要利用高性價(jià)比的兩相步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，以嵌入到空心分度轉(zhuǎn)臺(tái)中并隨著空心分度轉(zhuǎn)臺(tái)一起轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)柵角位移傳感器的測(cè)量值作為反饋數(shù)據(jù)，構(gòu)成一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，達(dá)到系統(tǒng)所要求的高精度分度的目的。步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.80，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器200倍細(xì)分之后，每個(gè)脈沖當(dāng)量為0.0090(1.8°／200)，再經(jīng)過空心轉(zhuǎn)臺(tái)中蝸輪與蝸桿傳動(dòng)之后(蝸輪與蝸桿的傳動(dòng)比為1：180)，脈沖當(dāng)量達(dá)到0.18”(0.009°／180=0.18”)，足夠滿足系統(tǒng)±2.5”的分度精度要求。閉環(huán)控制系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入所需加工內(nèi)齒的齒數(shù)，并根據(jù)當(dāng)前時(shí)柵傳感器反饋的角位移測(cè)量值自動(dòng)計(jì)算出各個(gè)“絕對(duì)”分度位置，以便加工過程中進(jìn)行無累加誤差的高精度自動(dòng)分度。線切割機(jī)每切割完一個(gè)齒槽后，線切割中央處理系統(tǒng)向分度閉環(huán)系統(tǒng)發(fā)送“加工完成”狀態(tài)命令，分度系統(tǒng)在收到該狀態(tài)命令后，根據(jù)反饋的角位移測(cè)量數(shù)據(jù)采用分段步進(jìn)，逐步逼近的閉環(huán)控制策略，每步進(jìn)一段位移之后，再根據(jù)反饋數(shù)據(jù)確定下一段的步進(jìn)位移，逐步步進(jìn)到所需的分度位置。到達(dá)分度位置后向線切割中央處理系統(tǒng)發(fā)送“分度完成”狀態(tài)命令，通知其進(jìn)行該位置的線切割加工任務(wù)。

　　4.2 全系統(tǒng)大閉環(huán)數(shù)控

　　整個(gè)控制系統(tǒng)是由自動(dòng)分度局部閉環(huán)控制系統(tǒng)、鉬絲自動(dòng)檢測(cè)與補(bǔ)償系統(tǒng)和線切割機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成，以自動(dòng)分度閉環(huán)控制系統(tǒng)的分度工作狀態(tài)信息作為反饋數(shù)據(jù)，構(gòu)成全系統(tǒng)大閉環(huán)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)高精度內(nèi)齒線切割加工。線切割中央處理系統(tǒng)收到自動(dòng)分度控制系統(tǒng)的“分度完成”狀態(tài)命令后，根據(jù)鉬絲自動(dòng)檢測(cè)與補(bǔ)償系統(tǒng)所測(cè)量的鉬絲直徑，計(jì)算出鉬絲補(bǔ)償參數(shù)，再根據(jù)補(bǔ)償參數(shù)確定該位置的線切割加工參數(shù)。完成該位置的線切割加工任務(wù)之后，向自動(dòng)分度控制系統(tǒng)發(fā)送“加工完成”狀態(tài)命令，通知其分度轉(zhuǎn)位到下一個(gè)加工位置。

　　經(jīng)過改造后的線切割機(jī)床。上置分度轉(zhuǎn)臺(tái)即為自行研制的空心轉(zhuǎn)臺(tái)。整個(gè)加工過程實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化：按預(yù)定程序完成全部自動(dòng)進(jìn)絲、退絲；自動(dòng)分度轉(zhuǎn)位；鉬絲自動(dòng)補(bǔ)償．．．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(tái)的分度精度，約為±2.5”(用海德漢圓光柵及細(xì)分卡對(duì)系統(tǒng)檢定后得出的結(jié)論)。齒槽寬度的偏差則控制在0.010mm其中，①線切割中央控制機(jī)；②圓時(shí)柵電氣箱；③數(shù)控?cái)?shù)顯箱；④線切割機(jī)X、Y數(shù)顯箱；⑤鉬絲自檢機(jī)構(gòu)；⑥上鉬絲臂；⑦被加工工件；⑧空心轉(zhuǎn)臺(tái)；⑨下鉬絲臂。

5 結(jié)論

　　本項(xiàng)研究采用基于圓時(shí)柵傳感器的空心轉(zhuǎn)臺(tái)，去實(shí)現(xiàn)圓時(shí)柵傳感器的繞組基體加工，是一種典型的“誤差遺傳”工藝方式。但是當(dāng)誤差修正技術(shù)被引入其中之后，就可能實(shí)現(xiàn)“精度遞增”，這將是本項(xiàng)目的創(chuàng)新性研究前景之一。

通過本項(xiàng)工作，還可以有幾點(diǎn)展望：

　　1)空心轉(zhuǎn)臺(tái)適用于大型內(nèi)齒加工，如風(fēng)電、航母、大型礦山冶金機(jī)械等。而中空的轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)很難采用中心安裝的傳統(tǒng)圓光柵等傳感器，而圖l所示的時(shí)柵正好派上用場(chǎng)。據(jù)調(diào)研，大型高精度空心轉(zhuǎn)臺(tái)在國(guó)內(nèi)尚屬空白，進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格昂貴驚人，因此其市場(chǎng)前景極其廣闊。

　　2)帶內(nèi)環(huán)精密回轉(zhuǎn)分度加工功能的線切割機(jī)床尚未見報(bào)道，據(jù)稱在用途廣泛的雕刻機(jī)市場(chǎng)推廣前景廣闊。而鉬絲自測(cè)補(bǔ)償系統(tǒng)的采用，將使現(xiàn)有線切割機(jī)床加工精度上一個(gè)檔次。