基于时栅传感器的精密数控线切割机研发

　　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、负极。当极间施加电压，钼丝与工件之问的电解液将会放电，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，加丁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、丁件越厚(或同时重迭加工的工件越多)、钼丝越旧，这种现象越严重。据实测，用一根旧的0.180 mm钼丝开始切齿，加工到最后一个齿只有约0.140 mm。

　　设计的钼丝自动测量机构如图7所示。它是由数显千分尺和2套电机执行机械所构成。在切完一个齿后的分度转位期间，步进电机1驱动机械装置运行到适当位置，步进电机2驱动千分尺测出当时钼丝的直径。采用的容栅式数显千分尺，输出为二进制串行数据，约108 ms输出一次。

图7钼丝自检机构

　　其中，①步进电机1；②步进电机2；③数显千分尺。自制的单片机数据处理与传输系统，经实测，误差小于0.001mm，能够满足使用要求。将测试数据反馈回线切割机主机，自动对下一个齿的加工量予以补偿调整。

4 局部闭环与全系统大闭环数控

　　选用国产KB-3000线切割机床，全系统控制框图如图8所示。

图8全系统闭环控制

　　4.1 局部闭环

　　自动分度系统是整个全系统大闭环控制系统中的～个相对独立的局部控制系统，如图5中部的虚线框所示，主要负责整个系统加工过程中的高精度自动分度转位。该控制系统主要利用高性价比的两相步进电机作为驱动装置，以嵌入到空心分度转台中并随着空心分度转台一起转动的时栅角位移传感器的测量值作为反馈数据，构成一个典型的闭环控制系统，达到系统所要求的高精度分度的目的。步进电机的步距角为1.80，经过驱动器200倍细分之后，每个脉冲当量为0.0090(1.8°／200)，再经过空心转台中蜗轮与蜗杆传动之后(蜗轮与蜗杆的传动比为1：180)，脉冲当量达到0.18”(0.009°／180=0.18”)，足够满足系统±2.5”的分度精度要求。闭环控制系统根据用户输入所需加工内齿的齿数，并根据当前时栅传感器反馈的角位移测量值自动计算出各个“绝对”分度位置，以便加工过程中进行无累加误差的高精度自动分度。线切割机每切割完一个齿槽后，线切割中央处理系统向分度闭环系统发送“加工完成”状态命令，分度系统在收到该状态命令后，根据反馈的角位移测量数据采用分段步进，逐步逼近的闭环控制策略，每步进一段位移之后，再根据反馈数据确定下一段的步进位移，逐步步进到所需的分度位置。到达分度位置后向线切割中央处理系统发送“分度完成”状态命令，通知其进行该位置的线切割加工任务。

　　4.2 全系统大闭环数控

　　整个控制系统是由自动分度局部闭环控制系统、钼丝自动检测与补偿系统和线切割机控制系统构成，以自动分度闭环控制系统的分度工作状态信息作为反馈数据，构成全系统大闭环控制系统，以实现全自动高精度内齿线切割加工。线切割中央处理系统收到自动分度控制系统的“分度完成”状态命令后，根据钼丝自动检测与补偿系统所测量的钼丝直径，计算出钼丝补偿参数，再根据补偿参数确定该位置的线切割加工参数。完成该位置的线切割加工任务之后，向自动分度控制系统发送“加工完成”状态命令，通知其分度转位到下一个加工位置。

　　经过改造后的线切割机床如图9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；自动分度转位；钼丝自动补偿．．．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”(用海德汉圆光栅及细分卡对系统检定后得出的结论)。齿槽宽度的偏差则控制在0.010mm其中，①线切割中央控制机；②圆时栅电气箱；③数控数显箱；④线切割机X、Y数显箱；⑤钼丝自检机构；⑥上钼丝臂；⑦被加工工件；⑧空心转台；⑨下钼丝臂。

图9改造完毕的高精度内齿加工线切割机

5 结论

　　本项研究采用基于圆时栅传感器的空心转台，去实现圆时栅传感器的绕组基体加工，是一种典型的“误差遗传”工艺方式。但是当误差修正技术被引入其中之后，就可能实现“精度递增”，这将是本项目的创新性研究前景之一。

通过本项工作，还可以有几点展望：

　　1)空心转台适用于大型内齿加工，如风电、航母、大型矿山冶金机械等。而中空的转台机构很难采用中心安装的传统圆光栅等传感器，而图l所示的时栅正好派上用场。据调研，大型高精度空心转台在国内尚属空白，进口产品价格昂贵惊人，因此其市场前景极其广阔。

　　2)带内环精密回转分度加工功能的线切割机床尚未见报道，据称在用途广泛的雕刻机市场推广前景广阔。而钼丝自测补偿系统的采用，将使现有线切割机床加工精度上一个档次。