本文關(guān)鍵詞：機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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旋轉(zhuǎn)超聲機(jī)床的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2014-07-11

旋轉(zhuǎn)超聲加工（RUM）已經(jīng)被廣泛用于加工各種硬脆材料，是一種新型的復(fù)合加工方法。目前，旋轉(zhuǎn)超聲機(jī)床已經(jīng)完成4個(gè)自由度的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)四軸聯(lián)動(dòng)，為后期展開超聲試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

旋轉(zhuǎn)超聲加工原理

旋轉(zhuǎn)超聲加工是集傳統(tǒng)金剛石磨削加工和超聲加工（USM）于一體的復(fù)合加工技術(shù)，是加工硬脆材料的一種有效加工方式，刀具隨主軸做高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)沿著軸向做超聲頻振動(dòng)。材料的去除主要依靠傳統(tǒng)超聲加工和磨削加工的復(fù)合。

旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)的發(fā)展歷程

1927年，美國物理學(xué)家伍德（R W. Wood）和盧米斯（A.E Loomis）做了超聲加工試驗(yàn)，利用超聲振動(dòng)對玻璃板進(jìn)行雕刻和快速鉆孔。1951年，美國的科恩（Koln）制成第一臺實(shí)用的超聲加工機(jī)。1964年，英國人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70年代中期，美國在超聲鉆中心孔、磨削、拉管和焊接等方面，已處于生產(chǎn)應(yīng)用階段。超聲車削、鉆孔、鏜孔，已處于試驗(yàn)性生產(chǎn)設(shè)備原形階段。通過工業(yè)應(yīng)用的超聲振動(dòng)切削系統(tǒng)，目前已形成部分標(biāo)準(zhǔn)。

中國超聲加工的研究始于20世紀(jì)50年代末期。20世紀(jì)60年代，中國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出CNM-2型超聲研磨機(jī)。1984年，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所成功研制超聲旋轉(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)開發(fā)出完全數(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，并對機(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。

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。

旋轉(zhuǎn)超聲機(jī)床結(jié)構(gòu)

機(jī)床本體包括W、X、Y、Z四軸、工作臺支架、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1,000 pulse/mm，保證工作臺的位置反饋和精確運(yùn)動(dòng)。Z軸為垂直運(yùn)動(dòng)軸，其工作臺上安裝有機(jī)床主軸系統(tǒng)，重量約為50kg，故Z軸電機(jī)帶有抱閘功能，以保證Z軸滑臺在電機(jī)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(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的旋轉(zhuǎn)門，以方便維修及查看機(jī)床。前面板裝有滑槽和兩扇可裝卸的推拉玻璃門，方便在機(jī)床加工時(shí)觀察，在機(jī)床檢修時(shí)可卸下。四板相互連接且與機(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)床的重量，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，其臺面的水平度。

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開關(guān)電源、光耦電路板、繼電器和保險(xiǎn)絲。控制器以ACR9000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，即有USB口、串口、以太網(wǎng)口為通訊接口，具有八軸聯(lián)動(dòng)功能，程序及配置掉電保持功能。控制器在引進(jìn)X、Y、Z三軸光柵尺信號的同時(shí)，引進(jìn)了三軸電機(jī)的編碼器信號，方便查看電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)在其開關(guān)量輸入接口，接入了三軸的正、負(fù)、零開關(guān)信號，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，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(dòng)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(jī)抱閘電路供電，以保證使用安全。

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。超聲頭安裝于主軸系統(tǒng)的滾筒內(nèi)，滑環(huán)以平鍵與滾筒連接，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。因此在超聲主軸變幅桿的設(shè)計(jì)過程中，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)上利用有限元對該裝配進(jìn)行模態(tài)分析驗(yàn)證。

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(yáng)程10m，保證切削液回路的動(dòng)力供應(yīng)。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(shí)關(guān)閉閥門可防止出水口空氣進(jìn)入泵內(nèi)而導(dǎo)致泵內(nèi)氣壓增大。出水管由豎直和水平兩段四分鐵管組成，豎直鐵管安裝在出口閥門上，水平鐵管固定于機(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)床臺面左右兩側(cè)各打一個(gè)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，方便連接且能不因工作時(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)水處安裝一層過濾網(wǎng)以保證水箱內(nèi)切削液的清潔；出水部分蓋板只留出供入水管進(jìn)入的孔，，方便入水管的固定并保證水箱內(nèi)切削液的清潔；底部裝有滾輪，方便拖出及更換切削液。(end)

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