旋轉(zhuǎn)超聲機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文

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1旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)的發(fā)展歷程

1927年，美國(guó)物理學(xué)家伍德(RWWOOD)和盧米斯(AELOOMIS)做了超聲加工試驗(yàn)，利用超聲振動(dòng)對(duì)玻璃板進(jìn)行雕刻和快速鉆孔。1951年，美國(guó)的科恩(KOLN)制成第一臺(tái)實(shí)用的超聲加工機(jī)。1964年，英國(guó)人LEGGE提出使用燒結(jié)或電鍍金剛石刀具的旋轉(zhuǎn)超聲加工的方法，克服了一般超聲加工深孔時(shí)加工速度低和精度差的缺點(diǎn)。在20世紀(jì)70年代中期，美國(guó)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(yīng)用階段;超聲車(chē)削、鉆孔、鏜孔，已處于試驗(yàn)性生產(chǎn)設(shè)備原形階段;超聲振動(dòng)切削系統(tǒng)已供工業(yè)應(yīng)用，目前已形成部分標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)超聲加工的研究始于20世紀(jì)50年代末。20世紀(jì)60年代，中國(guó)成功研制了超聲振動(dòng)加工深小孔的機(jī)床。1973年，上海超聲波電子儀器廠研制了CNM-2型超聲研磨機(jī)。1984年，中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所成功研制了超聲旋轉(zhuǎn)加工樣機(jī)，該樣機(jī)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(xué)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了完全數(shù)控化的旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)床，其數(shù)控系統(tǒng)由Z軸進(jìn)給控制、旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制、自動(dòng)頻率跟蹤控制等功能模塊組成。天津大學(xué)也在旋轉(zhuǎn)超聲加工方面做出了很多研究，對(duì)機(jī)床進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)研究。河南理工大學(xué)研究設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)超聲機(jī)床的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)超聲機(jī)床整體包括旋轉(zhuǎn)超聲機(jī)床本體、多軸聯(lián)動(dòng)電控系統(tǒng)、超聲振動(dòng)系統(tǒng)、切削液系統(tǒng)等。

2.1旋轉(zhuǎn)超聲機(jī)床

機(jī)床本體包括W、X、Y、Z四軸，工作臺(tái)支架，機(jī)床外罩和機(jī)床底座。W、X、Y、Z四軸，即旋轉(zhuǎn)軸加上水平兩軸和垂直運(yùn)動(dòng)一軸，其中旋轉(zhuǎn)軸采用步進(jìn)電機(jī)控制，其余三軸均采用交流伺服電機(jī)連接絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)的方式;X、Y、Z三軸均安裝有正、負(fù)、零限位，保證軸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程安全及準(zhǔn)確回零，同時(shí)三軸均安裝了光柵尺，其精度為1000pulse/mm，保證工作臺(tái)的位置反饋和精確運(yùn)動(dòng)。其中Z軸為垂直運(yùn)動(dòng)軸，其工作臺(tái)上安裝有機(jī)床主軸系統(tǒng)，質(zhì)量約為50kg，故Z軸電機(jī)帶有抱閘功能，以保證Z軸滑臺(tái)在電機(jī)非使能狀態(tài)下不下滑。工作臺(tái)支架用20mm厚鋼板焊接，其頂端安裝高精度三角卡盤(pán)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(jī)床外罩固定于機(jī)床底座上，分為上下兩部分，上半部分包括背板、左右側(cè)板和前面板，其中左右側(cè)板分別裝有一扇可拉開(kāi)的旋轉(zhuǎn)門(mén)，以供方便維修及查看機(jī)床;前面板裝有滑槽和兩扇可裝卸的推拉玻璃門(mén)，方便在機(jī)床加工時(shí)觀察，機(jī)床檢修時(shí)可卸下;四板相互連接及與機(jī)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(jī)床后方下半部分無(wú)遮擋，方便切削液回路的布設(shè)。機(jī)床底座承受整座機(jī)床的質(zhì)量，四角均有高度調(diào)節(jié)滑槽及固定螺釘，以保證機(jī)床在固定安裝后其臺(tái)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(qū)動(dòng)器，24V開(kāi)關(guān)電源，光耦電路板，繼電器和保險(xiǎn)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(hào)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(dòng)功能、程序及配置掉電保持功能?？刂破髟谝M(jìn)X、Y、Z三軸光柵尺信號(hào)的同時(shí)，引進(jìn)了三軸電機(jī)的編碼器信號(hào)，方便查看電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)在其開(kāi)關(guān)量輸入接口接入了三軸的正、負(fù)、零開(kāi)關(guān)信號(hào)，以設(shè)置軟件限位和軟件零位。主軸電機(jī)配置為軸A，只有編碼器反饋信號(hào)，采用位置控制模式。X、Y、Z三軸限位信號(hào)與控制器接口均采用光耦隔離的方式連接，Z軸抱閘打開(kāi)動(dòng)作從ACR9000控制器發(fā)出的Z軸使能信號(hào)接出，采用光耦隔離后，接入繼電器給Z軸電機(jī)抱閘電路供電，以保證使用安全。

2.3超聲振動(dòng)系統(tǒng)

超聲振動(dòng)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(jī)床的主軸系統(tǒng)內(nèi)，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(zhuǎn)超聲加工中是核心部件，其性能直接影響到加工質(zhì)量、加工效率和主軸的壽命。因此超聲主軸變幅桿的設(shè)計(jì)需要從實(shí)際條件和實(shí)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(chǔ)上利用有限元對(duì)該裝配進(jìn)行模態(tài)分析驗(yàn)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(mén)、出水管、冷卻管閥門(mén)、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(guò)濾功能，揚(yáng)程10m，保證切削液回路的動(dòng)力供應(yīng)。出口閥門(mén)位于自吸清水泵的出水處，可調(diào)節(jié)切削液出水速度，在停止使用時(shí)關(guān)閉閥門(mén)可防止出水口空氣進(jìn)入泵內(nèi)導(dǎo)致泵內(nèi)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(mén)上，水平鐵管固定于機(jī)床立柱側(cè)面，中間用蛇皮軟管連接，保證水路暢通的同時(shí)增加了系統(tǒng)的柔性。冷卻管閥門(mén)連接水平出水管及冷卻管，可根據(jù)加工需要隨時(shí)調(diào)節(jié)切削液的流量大小。回流采用在機(jī)床臺(tái)面左右兩側(cè)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(shí)的負(fù)壓導(dǎo)致管路變形。水箱分為進(jìn)水部分和出水部分，進(jìn)水處安裝一層過(guò)濾網(wǎng)以保證水箱內(nèi)切削液的清潔，同時(shí)出水部分蓋板只留出供入水管進(jìn)入的孔，方便入水管的固定及保證水箱內(nèi)切削液的清潔，底部裝有滾輪，方便拖出更換切削液。

3結(jié)束語(yǔ)

目前，自行研發(fā)的旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)床已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)4軸聯(lián)動(dòng)，并且各軸運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定、精確，為后期開(kāi)展研究旋轉(zhuǎn)超聲加工表面質(zhì)量試驗(yàn)和刀具磨損試驗(yàn)研究奠定了基礎(chǔ)。

作者：徐超亮 湯曉華 夏天煜 馮緒清 單位：北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院