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(zhì)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(zhì)量，四角均有高度調(diào)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(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(diào)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(nèi)導致泵內(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(diào)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(nèi)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(nèi)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(zhì)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