杨继森 万文略 高忠华 陈锡侯 郑方燕 王先全

(重庆理工大学机械检测技术与装备教育部工程研究中心，重庆 400050)

时栅角位移传感器采用类似于交流电动机的结构形式产生匀速的旋转磁场来完成“以时间测空间”［1］。因此，需要加工如图1中所示的定子励磁线圈。它实际上是一个内齿环，对等分性有很高的要求。为了保证匀速旋转磁场的稳定性和均匀性，通常采用提高励磁绕组对极的方案，目前高精度的时栅传感器已经提高到了120对极(720槽)。原采用传统的线切割机中走丝工艺进行加工，但普通的线切割机没有配备分度工作转台，通常依靠线切割机床工作台在X-Y方向进行插补逼近算法完成，加工出的零件分度精度不高，达数十角秒，且效率很低、成本很高。为此，在国产普通线切割机上，加上自制的分度转台和钼丝测量系统构成一个新型的全自动线切割加工系统，是一个简单而有效的加工方案。

1 高精度空心转台

线切割机使用方式比较灵活，可用于加工各种表面形状比较复杂的零件。线切割机工作台走X、Y直线精度虽高，圆分度却不是它的强项，而自制的时栅角位移传感器却能够实现高精度的圆分度测量，精度达到±1.2"。因此，设计了一台高精度的圆分度转台置于机床工作台上，机床只需走X-Y直线坐标，加工完一个齿后即退出。靠分度转台转动一个预定角度β后，再加工第二个齿。于是内齿环工件的分度精度取决于分度转台的精度。

式中Z为总的内齿数。

在该加工方案中有一个技术难题，如图2所示，如果采用普通的分度转台，台面是实心的，支撑工件的小立柱在转动的过程中必然和机床的下钼丝臂发生干涉。早期的生产过程中，曾采用多个小立柱支撑工件，当转动过程中快发生碰撞时，就停下来取下该立柱，然后继续加工；当绕过下钼丝臂后再装上。这种做法不仅效率低下(采用4个小立柱支撑，至少要拆装四次小立柱)，而且在拆装立柱的过程中极易发生工件移位，致使工件精度丧失而报废。

采用空心分度转台后的加工如图3所示。此时下钼丝臂置于整个分度转台之下，大立柱支撑分度转台，转台本身不动，只是工作台带动工件作分度转动。钼丝自上而下穿过工件和转台中心，小立柱支撑工件转动，整个加工过程中再不会发生下钼丝臂与立柱的干涉现象。自行研发的空心分度转台采用了中空的轴系和自制时栅角位移传感器。其中时栅传感器精度达到±1.2"，空心分度转台的分度精度达到±2"，非常适合完成类似的高精度分度线切割加工。

2 钼丝自动测量与补偿

2.1 钼丝直径测量

线切割机工作原理是将电极丝(钼丝)置于电源负极，加工工件置于电源正极。当极间施加脉冲电压时，钼丝与工件之间的电解液将会放电，瞬时高温将使工件剥离与汽化，达到加工目的。长时间的使用将导致钼丝的磨损(变细)，那么加工最后一个齿的齿槽就会比第一个齿的齿槽小(尽管分度是精确的)。工件齿越多、工件越厚(或同时重叠加工的工件越多)、钼丝越旧，这种现象越严重［2］。据实测，用一根直径为0.18 mm的钼丝开始加工，加工到最后一个齿时，直径只有约0.14 mm。

为了实现高精度线切割加工，应该对钼丝的磨损进行有效的补偿，所设计的钼丝自动测量机构如图4所示，主要由数显千分尺和两套电动机执行机械构成。在加工完一个齿后的自动分度定位期间，驱动电动机驱动测量装置移动到适当位置，测量电动机驱动千分尺测出当前钼丝的直径。测量千分尺采用的是容栅式数显千分尺，输出为二进制串行数据，通过单片机I/O接口模拟其串行通信协议可以接收其输出的测量数据［3］，根据实测接收到的测量数据，误差小于 1 μm，能够满足使用要求。

2.2 钼丝直径补偿

为了使钼丝中心的加工轨迹反映出切割零件的轮廓，加工时必须有一定的间隙补偿，补偿原理如图5所示。

间隙补偿的准确与否将会直接影响加工尺寸精度，放电间隙与工件材料、结构、钼丝张紧情况、走丝速度、运行状态、工作液种类、供液情况和清洁程度、脉冲电源电参数等因素有关，一般通过用和待加工零件相同尺寸、相同材料的试切工件，相同加工条件(相同切割速度、相同切割电流等)试切后，根据试切工件加工后的尺寸进行计算所得［4］。间隙补偿量为

式中：δ为放电间隙，经过试切后确定为0.009 mm；r为钼丝半径，在加工过程中通过钼丝测量系统进行实时测量，并反馈到线切割机控制系统进行补偿。

3 自动分度控制

时栅空心分度转台采用步进电动机作为驱动装置。该步进电动机为两相混合式步进电动机，驱动最大静转矩6.0 N·m，最大空载启动转速240 r/min，步距角为1.8°。分度转台的转动是采用蜗轮与蜗杆啮合传动(蜗轮与蜗杆的传动比1∶180)，为了保证传动的平稳性，步进电动机与分度转台的蜗杆采用传动比为1∶2的同步带轮传动。步进电动机的细分驱动器能够实现最高200倍的脉冲细分，即步进电动机驱动器输出的驱动脉冲的当量为

式中：P为步进电动机步距角；Z1为驱动器的细分倍数；Z2为同步带轮的传动比；Z3为蜗轮与蜗杆的传动比。

安装到空心分度转台中的时栅角位移传感器能够随着分度转台一起转动，并实时地测量出分度转台的转动角位移，自动分度控制系统利用角位移传感器实时测量出的分度转台转动的角位移数据作为反馈，构成闭环控制，以达到高精度分度定位的目的。

由于步进电动机启动转速较低，如果以要求的高速直接启动，会因速度超过极限启动频率而发生堵转或根本不能启动。电动机转动到目标位置时如果采取突然停机的方式停止，则会因系统的惯性而出现过冲现象［5］。为了更加平稳地控制电动机，对电动机的驱动采用三段式速度控制，分为加速段、匀速段和减速段，如图6所示。

4 系统控制

选用国产KB-3000线切割机床，全系统控制框图如图7所示。整个控制系统是由自动分度控制系统、钼丝自动测量与补偿系统和线切割机控制系统构成。系统以自动分度控制系统的分度状态信息作为反馈数据，构成系统闭环控制，以实现全自动高精度内齿线切割加工。

自动分度控制系统通过隔离接口采样线切割机控制系统的工作状态数据，并进行判断，当判断结果为“加工完成”后，自动分度控制系统根据预先设定的分度参数驱动分度转台转动到下一个加工位置。由于钼丝磨损是一个缓慢变化的过程，因此没有必要每加工完一个齿就进行补偿，可以在加工完多个齿后进行一次补偿。本系统设定为加工完5个齿后进行一次补偿，自动分度控制系统对加工过程进行统计，每加工完5个齿，向钼丝测量系统发送“启动测量”命令，控制接口在接收到自动分度系统反馈的“分度完成”信息后，并且在接收到钼丝测量系统发送的补偿数据后，向线切割机控制系统发送“分度完成”信息和补偿数据，线切割机控制系统根据补偿参数确定该位置的线切割加工参数，然后驱动走丝机构进行线切割加工。加工完成后将工作状态数据反馈给自动分度控制系统，重复上述过程，直到完成所有线切割加工任务为止，加工系统的工作现场如图8所示。

5 结语

经过改造后的线切割机床如图8所示。上置分度转台即为自行研制的空心转台。整个加工过程实现了全自动化：按预定程序完成全部自动进丝、退丝；自动分度定位；钼丝自动测量；全部加工过程无需人工干预，工效比原来提高20多倍，分度精度基本上复现了转台的分度精度，约为±2.5"。齿槽宽度的偏差则控制在0.01 mm以内，全面实现预定指标，加工出的720槽的励磁线圈如图1所示。该系统不仅可以用于时栅传感器励磁线圈的加工，而且可以用于类似需要高精度分度线切割加工的场合，加工精度高，生产效率将大大提高。

［1］彭东林，张兴红，刘小康，等.基于时空转换的精密位移测量新方法与传统方法的比较［J］.仪器仪表学报，2006 ，27(4)：423-426.

［2］蹇玲.线切割加工中间隙补偿值的确定［J］.机械工程，2009(1)：23-24.

［3］马黎明.电动直移式数显千分尺［J］.机械工程师，2004(12)：67-68.

［4］任福君，姜永成.大厚度复杂曲面线切割丝损在线检测及补偿［J］.机械工程学报，2008，44(6)：237-242.

［5］王勇，王伟，杨文涛.步进电机升降速曲线控制系统设计及其应用［J］.控制工程，2008，15(5)：576-579.