旋轉超聲機床的機電系統設計

徐超亮，湯曉華，夏天煜，馮緒清

(北京工商大學材料與機械工程學院，北京 100048)

1 旋轉超聲加工原理

旋轉超聲加工(RUM)是集傳統金剛石磨削加工和超聲加工(USM)于一體的復合加工技術，是加工硬脆材料的一種有效加工方式［1］，刀具隨主軸做高速旋轉的同時沿著軸向做超聲頻振動。材料的去除主要依靠傳統超聲加工和磨削加工的復合，旋轉超聲加工原理如圖1 所示［2］，具有加工精度高、切削力小以及加工表面質量好等優點，是加工硬脆材料比較理想的方法。

圖1 旋轉超聲加工原理圖

2 旋轉超聲加工技術的發展歷程

1927年，美國物理學家伍德(R W WOOD)和盧米斯(A E LOOMIS)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［3］。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，已處于生產應用階段;超聲車削、鉆孔、鏜孔，已處于試驗性生產設備原形階段;超聲振動切削系統已供工業應用，目前已形成部分標準［4］。

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400 W，工作頻率為7～22 kHz，加工精度為:圓柱度0.03 mm，圓度小于0.005 mm［5］。清華大學已經開發出了完全數控化的旋轉超聲加工機床，其數控系統由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［6］。天津大學也在旋轉超聲加工方面做出了很多研究［7］，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，該裝置作為立式數控銑床的一種附件，可安裝在立式數控銑床上，方便裝卸［8］。

3 旋轉超聲機床的機電系統設計

旋轉超聲機床整體包括旋轉超聲機床本體、多軸聯動電控系統、超聲振動系統、切削液系統等。如圖2 所示。

圖2 旋轉超聲加工機床

3.1 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1 000 pulse/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，質量約為50 kg，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下不下滑。工作臺支架用20 mm 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600 mm，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。

3.2 電控系統

電控系統包括控制器，W、X、Y、Z 四軸及主軸驅動器，24 V 開關電源，光耦電路板，繼電器和保險絲。控制器以ACR9000 為核心，采用全閉環回路，速度控制模式，ACR9000 控制器型號為P3U8M0，即可以有USB 口、串口、以太網口為通信接口，具有八軸聯動功能、程序及配置掉電保持功能。控制器在引進X、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。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。如圖3 所示。

圖3 電控系統

3.3 超聲振動系統

超聲振動系統由超聲波發生器、變頻電源、超聲頭、滑環及電刷組成，如圖4 所示，其中超聲頭與滑環及電刷安裝在機床的主軸系統內，超聲波發生器和變頻電源外置。

圖4 超聲振動系統

超聲頭安裝于主軸系統的滾筒內，滑環以平鍵與滾筒連接，電刷安裝在主軸系統的底板上，其碳刷與滑環切向接觸，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，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分析驗證［9］。

3.4 切削液系統

切削液系統包括自吸清水泵、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，如圖5 所示。

圖5 切削液系統

其中自吸清水泵擁有過濾功能，揚程10 m，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的柔性。冷卻管閥門連接水平出水管及冷卻管，可根據加工需要隨時調節切削液的流量大小。回流采用在機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。

4 結束語

目前，自行研發的旋轉超聲加工機床已經能實現4 軸聯動，并且各軸運動穩定、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。

［1］張承龍，馮平法.旋轉超聲鉆削的切削力數學模型及試驗研究［J］.機械工程學報，2011，47(15):149 -155.

［2］牛進毅，苗岱，李永珍.旋轉超聲加工在工程陶瓷中的運用［J］.物流工程與管理，2012(7):135 -137.

［3］THOE T B，ASPINWALL D K，WISE M L H.Review on Ultrasonic Machining［J］.Int J Mechanical Tools Manufacture，1988，38(4):239 -255.

［4］機電工業部蘇州電加工機床研究所.電加工［M］.北京:機械工業出版社，1988.

［5］張勤儉，楊小慶.超聲加工技術的現狀及其發展趨勢［J］.電加工與模具，2012(5):11 -15.

［6］鄭書友，馮平法，徐西鵬.旋轉超聲加工技術研究進展［J］.清華大學學報:自然科學版，2009，49(11):1799 -1804.

［7］王懷斌，宮虎，房豐洲.旋轉超聲加工系統的研究［J］.航空精密制造技術，2010(4):12 -17.

［8］袁小飛，成全，王燕，等.關于立式數控銑床旋轉超聲銑頭的研究［J］.機械設計與制造，2010(11):150 -152.

［9］夏天煜，湯曉華，羅紅旗，等.旋轉超聲加工變幅桿有限元分析［J］.木材加工機械，2011(6):1 -3.