1 引言

　　在研制開發(fā)時柵位移傳感器的過程中，需要加工傳感器定子線圈。它實際上是一個內(nèi)齒環(huán)，對齒形無要求，但對等分性有很高的要求，設(shè)計者希望達(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)，達(dá)到了很好實用效果。

2 高精度空心轉(zhuǎn)臺

　　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。

　　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點是理論上的定位點，用黑色實心圓點表示，r為理論點半徑?！魇菣C(jī)床的定位誤差，工方向和y方向都有±△的誤差，在a點四周還有8個空心的點，這些點就是由定位誤差造成的。選取如圖所示的b點作為分析點，由于b點產(chǎn)生的誤差角度為Φ(因為b點產(chǎn)生的誤差角度最大，岡此選擇b點進(jìn)行分析)，b點對應(yīng)的半徑為R。C點為輔助分析點。

　　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時對應(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°時達(dá)到最大值，然后逐漸減小。

　　經(jīng)過計算，在△=3 μm時，加工半徑小于350 mm(如果機(jī)床的△比較大，這個半徑還要變大)時，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，角度誤差將會變大，在加工半徑為30 inIil時最大角度誤差約為29”。

　　上述分析可知：線切割加工小半徑工件時的分度誤差相當(dāng)大。

　　為了解決這個問題，專門設(shè)計增加一臺高精度的圓分度轉(zhuǎn)臺置于機(jī)床丁作臺上，機(jī)床只需走x-y直線坐標(biāo)，加工完一個直齒后即退出?？糠侄绒D(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動一個預(yù)定角度a后，再加丁第2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。

　　a=360°/Z(z為總的內(nèi)齒數(shù)) (5)

　　但是這里有一個技術(shù)難題，如果采用普通的分度轉(zhuǎn)臺，臺面是實心的，支撐工件的小立柱在轉(zhuǎn)動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廢。

　　采用空心轉(zhuǎn)臺后的加工示意，此時下鉬絲臂置于整個轉(zhuǎn)臺之下，大立柱支撐轉(zhuǎn)臺但不動。鉬絲自上而下穿過工件和轉(zhuǎn)臺中心，小立柱支撐丁件轉(zhuǎn)動但整個加工過程不會發(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”，空心轉(zhuǎn)臺分度精度達(dá)到±2”。

??3 鉬絲自動檢測與補(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，加丁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、丁件越厚(或同時重迭加工的工件越多)、鉬絲越舊，這種現(xiàn)象越嚴(yán)重。據(jù)實測，用一根舊的0.180 mm鉬絲開始切齒，加工到最后一個齒只有約0.140 mm。

　　設(shè)計的鉬絲自動測量機(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。在切完一個齒后的分度轉(zhuǎn)位期間，步進(jìn)電機(jī)1驅(qū)動機(jī)械裝置運(yùn)行到適當(dāng)位置，步進(jìn)電機(jī)2驅(qū)動千分尺測出當(dāng)時鉬絲的直徑。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)實測，誤差小于0.001mm，能夠滿足使用要求。將測試數(shù)據(jù)反饋回線切割機(jī)主機(jī)，自動對下一個齒的加工量予以補(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)

　　自動分度系統(tǒng)是整個全系統(tǒng)大閉環(huán)控制系統(tǒng)中的～個相對獨(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)整個系統(tǒng)加工過程中的高精度自動分度轉(zhuǎn)位。該控制系統(tǒng)主要利用高性價比的兩相步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動裝置，以嵌入到空心分度轉(zhuǎn)臺中并隨著空心分度轉(zhuǎn)臺一起轉(zhuǎn)動的時柵角位移傳感器的測量值作為反饋數(shù)據(jù)，構(gòu)成一個典型的閉環(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)動器200倍細(xì)分之后，每個脈沖當(dāng)量為0.0090(1.8°／200)，再經(jīng)過空心轉(zhuǎn)臺中蝸輪與蝸桿傳動之后(蝸輪與蝸桿的傳動比為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)前時柵傳感器反饋的角位移測量值自動計算出各個“絕對”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分度。線切割機(jī)每切割完一個齒槽后，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

　　整個控制系統(tǒng)是由自動分度局部閉環(huán)控制系統(tǒng)、鉬絲自動檢測與補(bǔ)償系統(tǒng)和線切割機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成，以自動分度閉環(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)，以實現(xiàn)全自動高精度內(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)鉬絲自動檢測與補(bǔ)償系統(tǒng)所測量的鉬絲直徑，計算出鉬絲補(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)位到下一個加工位置。

　　經(jīng)過改造后的線切割機(jī)床。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；自動分度轉(zhuǎn)位；鉬絲自動補(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)臺的分度精度，約為±2.5”(用海德漢圓光柵及細(xì)分卡對系統(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圓時柵電氣箱；③數(shù)控數(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；⑨下鉬絲臂。

5 結(jié)論

　　本項研究采用基于圓時柵傳感器的空心轉(zhuǎn)臺，去實現(xiàn)圓時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，就可能實現(xiàn)“精度遞增”，這將是本項目的創(chuàng)新性研究前景之一。

通過本項工作，還可以有幾點展望：

　　1)空心轉(zhuǎn)臺適用于大型內(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所示的時柵正好派上用場。據(jù)調(diào)研，大型高精度空心轉(zhuǎn)臺在國內(nèi)尚屬空白，進(jìn)口產(chǎn)品價格昂貴驚人，因此其市場前景極其廣闊。

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