1 引言

　　在研制開發時柵位移傳感器的過程中，需要加工傳感器定子線圈。它實際上是一個內齒環，對齒形無要求，但對等分性有很高的要求，設計者希望達到優于±5”的分度精度。原采用傳統的線切割機慢走絲工藝，但即使在一臺高精度的進口機床上依靠x-y插補逼近加工方法，最后加工出的零件分度誤差也達數十角秒，且效率很低、成本很高。為此在國產普通線切割機上，加上自制的分度轉臺和鉬絲測量系統，達到了很好實用效果。

2 高精度空心轉臺

　　需要加工的傳感器定子線圈，線切割機可以靈活使用，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項。

　　線切割機通常采用X、Y，逼近方法，產生的角度誤差推導如下：

　　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。△是機床的定位誤差，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點產生的誤差角度為Φ(因為b點產生的誤差角度最大，岡此選擇b點進行分析)，b點對應的半徑為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θ=45°時達到最大值，然后逐漸減小。

　　經過計算，在△=3 μm時，加工半徑小于350 mm(如果機床的△比較大，這個半徑還要變大)時，線切割機床定位產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大。

　　為了解決這個問題，專門設計增加一臺高精度的圓分度轉臺置于機床丁作臺上，機床只需走x-y直線坐標，加工完一個直齒后即退出。靠分度轉臺轉動一個預定角度a后，再加丁第2個齒。于是內齒環工件的分度精度取決于分度轉臺的精度。

　　a=360°/Z(z為總的內齒數) (5)

　　但是這里有一個技術難題，如果采用普通的分度轉臺，臺面是實心的，支撐工件的小立柱在轉動的過程中將必然和機床的下鉬絲臂發生干涉。曾采用多個小立柱支撐工件，當轉動過程中快發生碰撞時，就停下來取出該立柱；當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生工件位移，致使工件精度喪失而報廢。

　　采用空心轉臺后的加工示意，此時下鉬絲臂置于整個轉臺之下，大立柱支撐轉臺但不動。鉬絲自上而下穿過工件和轉臺中心，小立柱支撐丁件轉動但整個加工過程不會發生與下鉬絲臂的干涉現象。自行研發的空心轉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到±1.2”，空心轉臺分度精度達到±2”。

??3 鉬絲自動檢測與補償??

　　線切割機工作原理是將電極絲(鉬絲)置于電源負極，加工工件置于電源正、負極。當極間施加電壓，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，達到加工目的。長時間的使用將導致鉬絲的磨損(變細)，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，這種現象越嚴重。據實測，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。

　　設計的鉬絲自動測量機構。它是由數顯千分尺和2套電機執行機械所構成。在切完一個齒后的分度轉位期間，步進電機1驅動機械裝置運行到適當位置，步進電機2驅動千分尺測出當時鉬絲的直徑。采用的容柵式數顯千分尺，輸出為二進制串行數據，約108 ms輸出一次。

　　其中，①步進電機1；②步進電機2；③數顯千分尺。自制的單片機數據處理與傳輸系統，經實測，誤差小于0.001mm，能夠滿足使用要求。將測試數據反饋回線切割機主機，自動對下一個齒的加工量予以補償調整。

4 局部閉環與全系統大閉環數控

　　選用國產KB-3000線切割機床，全系統控制。

　　4.1 局部閉環

　　自動分度系統是整個全系統大閉環控制系統中的～個相對獨立的局部控制系統，如圖5中部的虛線框所示，主要負責整個系統加工過程中的高精度自動分度轉位。該控制系統主要利用高性價比的兩相步進電機作為驅動裝置，以嵌入到空心分度轉臺中并隨著空心分度轉臺一起轉動的時柵角位移傳感器的測量值作為反饋數據，構成一個典型的閉環控制系統，達到系統所要求的高精度分度的目的。步進電機的步距角為1.80，經過驅動器200倍細分之后，每個脈沖當量為0.0090(1.8°／200)，再經過空心轉臺中蝸輪與蝸桿傳動之后(蝸輪與蝸桿的傳動比為1：180)，脈沖當量達到0.18”(0.009°／180=0.18”)，足夠滿足系統±2.5”的分度精度要求。閉環控制系統根據用戶輸入所需加工內齒的齒數，并根據當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，以便加工過程中進行無累加誤差的高精度自動分度。線切割機每切割完一個齒槽后，線切割中央處理系統向分度閉環系統發送“加工完成”狀態命令，分度系統在收到該狀態命令后，根據反饋的角位移測量數據采用分段步進，逐步逼近的閉環控制策略，每步進一段位移之后，再根據反饋數據確定下一段的步進位移，逐步步進到所需的分度位置。到達分度位置后向線切割中央處理系統發送“分度完成”狀態命令，通知其進行該位置的線切割加工任務。

　　4.2 全系統大閉環數控

　　整個控制系統是由自動分度局部閉環控制系統、鉬絲自動檢測與補償系統和線切割機控制系統構成，以自動分度閉環控制系統的分度工作狀態信息作為反饋數據，構成全系統大閉環控制系統，以實現全自動高精度內齒線切割加工。線切割中央處理系統收到自動分度控制系統的“分度完成”狀態命令后，根據鉬絲自動檢測與補償系統所測量的鉬絲直徑，計算出鉬絲補償參數，再根據補償參數確定該位置的線切割加工參數。完成該位置的線切割加工任務之后，向自動分度控制系統發送“加工完成”狀態命令，通知其分度轉位到下一個加工位置。

　　經過改造后的線切割機床。上置分度轉臺即為自行研制的空心轉臺。整個加工過程實現了全自動化：按預定程序完成全部自動進絲、退絲；自動分度轉位；鉬絲自動補償．．．全部加工過程無需人工干預，工效比原來提高20多倍，分度精度基本上復現了轉臺的分度精度，約為±2.5”(用海德漢圓光柵及細分卡對系統檢定后得出的結論)。齒槽寬度的偏差則控制在0.010mm其中，①線切割中央控制機；②圓時柵電氣箱；③數控數顯箱；④線切割機X、Y數顯箱；⑤鉬絲自檢機構；⑥上鉬絲臂；⑦被加工工件；⑧空心轉臺；⑨下鉬絲臂。

5 結論

　　本項研究采用基于圓時柵傳感器的空心轉臺，去實現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。但是當誤差修正技術被引入其中之后，就可能實現“精度遞增”，這將是本項目的創新性研究前景之一。

通過本項工作，還可以有幾點展望：

　　1)空心轉臺適用于大型內齒加工，如風電、航母、大型礦山冶金機械等。而中空的轉臺機構很難采用中心安裝的傳統圓光柵等傳感器，而圖l所示的時柵正好派上用場。據調研，大型高精度空心轉臺在國內尚屬空白，進口產品價格昂貴驚人，因此其市場前景極其廣闊。

　　2)帶內環精密回轉分度加工功能的線切割機床尚未見報道，據稱在用途廣泛的雕刻機市場推廣前景廣闊。而鉬絲自測補償系統的采用，將使現有線切割機床加工精度上一個檔次。