旋轉超聲機床系統(tǒng)設計論文

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1旋轉超聲加工技術的發(fā)展歷程

1927年，美國物理學家伍德(RWWOOD)和盧米斯(AELOOMIS)做了超聲加工試驗，利用超聲振動對玻璃板進行雕刻和快速鉆孔。1951年，美國的科恩(KOLN)制成第一臺實用的超聲加工機。1964年，英國人LEGGE提出使用燒結或電鍍金剛石刀具的旋轉超聲加工的方法，克服了一般超聲加工深孔時加工速度低和精度差的缺點。在20世紀70年代中期，美國在超聲鉆中心孔、聲光整加工、磨削、拉管和焊接等方面，已處于生產(chǎn)應用階段;超聲車削、鉆孔、鏜孔，已處于試驗性生產(chǎn)設備原形階段;超聲振動切削系統(tǒng)已供工業(yè)應用，目前已形成部分標準。我國超聲加工的研究始于20世紀50年代末。20世紀60年代，中國成功研制了超聲振動加工深小孔的機床。1973年，上海超聲波電子儀器廠研制了CNM-2型超聲研磨機。1984年，中國科學院聲學研究所成功研制了超聲旋轉加工樣機，該樣機功率為400W，工作頻率為7～22kHz，加工精度為:圓柱度0.03mm，圓度小于0.005mm。清華大學已經(jīng)開發(fā)出了完全數(shù)控化的旋轉超聲加工機床，其數(shù)控系統(tǒng)由Z軸進給控制、旋轉電機控制、自動頻率跟蹤控制等功能模塊組成。天津大學也在旋轉超聲加工方面做出了很多研究，對機床進行了模塊化設計研究。河南理工大學研究設計了旋轉超聲銑頭裝置，該裝置作為立式數(shù)控銑床的一種附件，可安裝在立式數(shù)控銑床上，方便裝卸。

2旋轉超聲機床的機電系統(tǒng)設計

旋轉超聲機床整體包括旋轉超聲機床本體、多軸聯(lián)動電控系統(tǒng)、超聲振動系統(tǒng)、切削液系統(tǒng)等。

2.1旋轉超聲機床

機床本體包括W、X、Y、Z四軸，工作臺支架，機床外罩和機床底座。W、X、Y、Z四軸，即旋轉軸加上水平兩軸和垂直運動一軸，其中旋轉軸采用步進電機控制，其余三軸均采用交流伺服電機連接絲杠帶動工作臺移動的方式;X、Y、Z三軸均安裝有正、負、零限位，保證軸的往復運動行程安全及準確回零，同時三軸均安裝了光柵尺，其精度為1000pulse/mm，保證工作臺的位置反饋和精確運動。其中Z軸為垂直運動軸，其工作臺上安裝有機床主軸系統(tǒng)，質量約為50kg，故Z軸電機帶有抱閘功能，以保證Z軸滑臺在電機非使能狀態(tài)下不下滑。工作臺支架用20mm厚鋼板焊接，其頂端安裝高精度三角卡盤用于工件的夾持，總高度為600mm，以保證工件具有足夠高度與主軸刀具接觸。機床外罩固定于機床底座上，分為上下兩部分，上半部分包括背板、左右側板和前面板，其中左右側板分別裝有一扇可拉開的旋轉門，以供方便維修及查看機床;前面板裝有滑槽和兩扇可裝卸的推拉玻璃門，方便在機床加工時觀察，機床檢修時可卸下;四板相互連接及與機床連接處均涂有防水膠，防止切削液的泄漏。下半部分包括左、右、前三塊板，機床后方下半部分無遮擋，方便切削液回路的布設。機床底座承受整座機床的質量，四角均有高度調節(jié)滑槽及固定螺釘，以保證機床在固定安裝后其臺面的水平度。

2.2電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)包括控制器，W、X、Y、Z四軸及主軸驅動器，24V開關電源，光耦電路板，繼電器和保險絲?？刂破饕訟CR9000為核心，采用全閉環(huán)回路，速度控制模式，ACR9000控制器型號為P3U8M0，即可以有USB口、串口、以太網(wǎng)口為通信接口，具有八軸聯(lián)動功能、程序及配置掉電保持功能?？刂破髟谝MX、Y、Z三軸光柵尺信號的同時，引進了三軸電機的編碼器信號，方便查看電機的運行狀態(tài)。同時在其開關量輸入接口接入了三軸的正、負、零開關信號，以設置軟件限位和軟件零位。主軸電機配置為軸A，只有編碼器反饋信號，采用位置控制模式。X、Y、Z三軸限位信號與控制器接口均采用光耦隔離的方式連接，Z軸抱閘打開動作從ACR9000控制器發(fā)出的Z軸使能信號接出，采用光耦隔離后，接入繼電器給Z軸電機抱閘電路供電，以保證使用安全。

2.3超聲振動系統(tǒng)

超聲振動系統(tǒng)由超聲波發(fā)生器、變頻電源、超聲頭、滑環(huán)及電刷組成，其中超聲頭與滑環(huán)及電刷安裝在機床的主軸系統(tǒng)內，超聲波發(fā)生器和變頻電源外置。筒連接，電刷安裝在主軸系統(tǒng)的底板上，其碳刷與滑環(huán)切向接觸，為超聲頭中的陶瓷換能器供電。其中超聲主軸在旋轉超聲加工中是核心部件，其性能直接影響到加工質量、加工效率和主軸的壽命。因此超聲主軸變幅桿的設計需要從實際條件和實際需求出發(fā)，利用解析法確定變幅桿的大致尺寸及裝配尺寸，在此基礎上利用有限元對該裝配進行模態(tài)分析驗證。

2.4切削液系統(tǒng)

切削液系統(tǒng)包括自吸清水泵、出口閥門、出水管、冷卻管閥門、冷卻管及噴嘴、回流管、入水管及水箱。其中自吸清水泵擁有過濾功能，揚程10m，保證切削液回路的動力供應。出口閥門位于自吸清水泵的出水處，可調節(jié)切削液出水速度，在停止使用時關閉閥門可防止出水口空氣進入泵內導致泵內氣壓增大。出水管由豎直和水平兩段4分鐵管組成，豎直鐵管安裝在出口閥門上，水平鐵管固定于機床立柱側面，中間用蛇皮軟管連接，保證水路暢通的同時增加了系統(tǒng)的柔性。冷卻管閥門連接水平出水管及冷卻管，可根據(jù)加工需要隨時調節(jié)切削液的流量大小?；亓鞑捎迷跈C床臺面左右兩側各打一通孔，再以管道接回水箱的方式。入水管采用植入螺旋型鐵絲的塑料管，方便連接且不因工作時的負壓導致管路變形。水箱分為進水部分和出水部分，進水處安裝一層過濾網(wǎng)以保證水箱內切削液的清潔，同時出水部分蓋板只留出供入水管進入的孔，方便入水管的固定及保證水箱內切削液的清潔，底部裝有滾輪，方便拖出更換切削液。

3結束語

目前，自行研發(fā)的旋轉超聲加工機床已經(jīng)能實現(xiàn)4軸聯(lián)動，并且各軸運動穩(wěn)定、精確，為后期開展研究旋轉超聲加工表面質量試驗和刀具磨損試驗研究奠定了基礎。

作者：徐超亮 湯曉華 夏天煜 馮緒清 單位：北京工商大學材料與機械工程學院