旋轉(zhuǎn)超聲輔助微細(xì)電火花加工系統(tǒng)研究
2016-12-28 來源：北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 作者：徐明剛，張振，馬小林，黃文勇
摘要：為研究超硬材料多元智能融合加工策略以及超聲振動(dòng)對(duì)復(fù)合刃磨和微坑織構(gòu)形成及分布的影響規(guī)律，提供了實(shí)驗(yàn)裝置支持，研發(fā)了基于效率和微坑織構(gòu)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)超聲電火花加工平臺(tái)數(shù)控系統(tǒng)。該平臺(tái)采用基于工控Pc的開放式數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)超聲加工的自動(dòng)化，探討了數(shù)控系統(tǒng)的軟／硬件結(jié)構(gòu)、功能模塊劃分、數(shù)控界面設(shè)計(jì)及脈沖電源設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)果表明：該系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠。
關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)超聲；數(shù)控系統(tǒng)；電火花加工
0.前言
以PCD為代表的超硬材料刀具在高速切削加工領(lǐng)域愈來愈重要，其刃磨技術(shù)和刃磨品質(zhì)直接決定著刀具的綜合性能和加工精度?。由于超硬材料的極高·硬度使得其高效高品質(zhì)刃磨十分困難，不能滿足現(xiàn)代高速切削對(duì)高端刀具日益增長(zhǎng)的需求悼J。適用于硬脆性材料加工的微細(xì)特種加工技術(shù)呈現(xiàn)多樣化發(fā)展的趨勢(shì)，主要有電火花加工(EDM)、電化學(xué)加工(ECM)、射流加工(AJM／WJM)、超聲加工(usM)、激光加工(Laser Machining)等，但上述加工方法均存在各自的局限性。因此尋求一種可靠、高效，并且具備對(duì)大多數(shù)脆硬材料適用的微細(xì)加工方法是目前先進(jìn)制造領(lǐng)域的一個(gè)迫切需求。
旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)(Rotary ultL夠onic Machining，RuM)是一種復(fù)合特種加工工藝Ho。文中研發(fā)的旋轉(zhuǎn)超聲電火花加工平臺(tái)是為超硬材料刀具多元智能融合加工提供新的實(shí)驗(yàn)裝置，特別用于智能化復(fù)合加工中對(duì)效率和精度要求較高的領(lǐng)域。為高端刀具的高效精密刃磨及刀具的減摩提供實(shí)驗(yàn)裝置支持。專用數(shù)控系統(tǒng)是旋轉(zhuǎn)超聲加工平臺(tái)的核心，其集成了加工工藝和全自動(dòng)化加工過程控制，對(duì)機(jī)床的穩(wěn)定性、可靠性、加工精度和效率有著至關(guān)重要的影響。開放式體系結(jié)構(gòu)已成為現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向”3，具有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性和擴(kuò)展性¨1。文中主要探討該平臺(tái)開放式數(shù)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。
1.旋轉(zhuǎn)超聲電火花加工平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
該平臺(tái)是精細(xì)電火花加工試驗(yàn)裝置，其具有旋轉(zhuǎn)超聲加工特點(diǎn)，相比于其他電火花加工裝置有效率高、精度高的特點(diǎn)，適用于較高要求的特種電火花加工。
平臺(tái)本體總體布局見圖1。主體采用x—y、z三軸工作臺(tái)，三軸分別采用電機(jī)帶動(dòng)導(dǎo)軌絲杠運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)軌上裝有滑板；x、y軸呈900交叉疊放，z軸豎直立于加工平臺(tái)上，工作臺(tái)可以在水平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)x、y兩軸的直線運(yùn)動(dòng)，而z軸在垂直方向運(yùn)動(dòng)。各軸均安裝有滑動(dòng)板，x軸的活動(dòng)板上安裝y軸，y軸滑動(dòng)板上安裝工作液槽及工作臺(tái)，液體槽用2 mm厚鋼板焊接而成，底部留有圓孔，用于排掉加工液；固定在y軸滑板的工作臺(tái)上。
圖l旋轉(zhuǎn)超聲加工平臺(tái)本體總體布局圖
z軸的主要部分是回轉(zhuǎn)主軸．采用立式結(jié)構(gòu)，內(nèi)嵌超聲發(fā)生換能器和電火花脈沖電源發(fā)生器：回轉(zhuǎn)軸C軸繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)．將主軸安裝于Z軸運(yùn)動(dòng)部件的滑動(dòng)板上；回轉(zhuǎn)主軸內(nèi)裝嵌有變幅桿。其整體為階梯型變截面桿結(jié)構(gòu)。端部是與主軸連接的法蘭結(jié)構(gòu)。安裝方式是內(nèi)人式．即部分變幅桿嵌入在主軸里面，剩余部分裸露在主軸外面，供連接加工裝置用。
該平臺(tái)將超聲振動(dòng)、電火花、磨削3種加工方式有機(jī)智能融合，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。在各加工階段以不同的目標(biāo)驅(qū)動(dòng)，智能化的采取不同的復(fù)合方式和加工參數(shù)，來達(dá)到提高工件加工效率、保證刃磨精度的目的。
2.數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
綜合考慮可靠性、實(shí)時(shí)性、定位精度和機(jī)床成本等因素，采用基于運(yùn)動(dòng)控制卡和工控機(jī)構(gòu)成的主從開放式體系結(jié)構(gòu)。
數(shù)控系統(tǒng)硬件基本構(gòu)成和功能模塊分別如圖2和圖3所示。硬件主要包括一塊運(yùn)動(dòng)控制卡、三臺(tái)伺服電機(jī)(帶編碼器)、三臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器；x—l，及z軸導(dǎo)軌上限位開關(guān)和接近開關(guān)等反饋機(jī)構(gòu)：電源和工作液泵等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。數(shù)控系統(tǒng)硬件模塊包括控制柜、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、顯示與開關(guān)面板、輸入設(shè)備和數(shù)控界面等。運(yùn)動(dòng)控制卡為整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)硬件的核心，采用ART公司的UsBl020四軸處理實(shí)時(shí)反饋和控制算法。上位機(jī)由工控機(jī)+觸摸屏構(gòu)成，主要處理數(shù)據(jù)通信、參數(shù)設(shè)置和界面顯示。運(yùn)動(dòng)控制卡與工控機(jī)之間采用usB總線通訊方式，提高了數(shù)據(jù)傳輸速度和抗干擾能力。為了近距離觀察和操作方便性，設(shè)計(jì)了手控盒控制面板，利用并行IO信號(hào)進(jìn)行通信。
圖2數(shù)控系統(tǒng)硬件主要構(gòu)成
圖3數(shù)控系統(tǒng)硬件功能模塊
為提高加工平臺(tái)的自動(dòng)化程度，以滿足超硬材料多元智能融合加工需求，旋轉(zhuǎn)超聲電火花加工平臺(tái)各伺服電機(jī)自身的旋轉(zhuǎn)編碼器為反饋系統(tǒng)，更好地控制各軸的運(yùn)動(dòng)位置。每軸配有兩個(gè)限位開關(guān)，以確定正軸設(shè)計(jì)指標(biāo)見表1。x—l，、Z軸都采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)， 限位、負(fù)限位和零位。旋轉(zhuǎn)z軸采用步進(jìn)電機(jī)控制。
表l旋轉(zhuǎn)超聲電火花加工平臺(tái)各軸設(shè)計(jì)指標(biāo)
3.數(shù)控系統(tǒng)軟件界面設(shè)計(jì)
基于方便性和產(chǎn)品化設(shè)計(jì)原則，采用C#編寫分屏數(shù)控界面，界面示例如圖4所示。數(shù)控界面擴(kuò)展了鼠標(biāo)、工業(yè)鍵盤快捷鍵、觸摸屏等，滿足不同操作者的習(xí)慣，獲得更大程度上的操作方便性。
圖4分屏數(shù)控界面示例
數(shù)控界面主要由機(jī)床原點(diǎn)、各軸運(yùn)動(dòng)、外部停止、參數(shù)設(shè)置、刀具參數(shù)以及開關(guān)操作等功能模塊份屏界面組成。在各分屏界面中，具有狀態(tài)顯示和按鈕控制相應(yīng)功能，實(shí)現(xiàn)輔助操作、參數(shù)設(shè)置和全自動(dòng)化加工的所有功能。每個(gè)分屏界面都包括當(dāng)前狀態(tài)、動(dòng)作時(shí)間、實(shí)時(shí)時(shí)間和功能按鈕區(qū)等部分。界面以綠色和藍(lán)色作為主背景，減輕操作者長(zhǎng)期操作引起的視覺疲勞。
歡迎界面作為初始數(shù)控界面，點(diǎn)擊“進(jìn)入系統(tǒng)”進(jìn)入操作界面。機(jī)床原點(diǎn)界面(如圖4(a)所示)，用于機(jī)床上電后確定各軸的物理原點(diǎn)，以完成3個(gè)數(shù)控軸所在坐標(biāo)系的回零操作。各軸運(yùn)動(dòng)界面(如圖4(b)所示)，實(shí)現(xiàn)各軸的點(diǎn)動(dòng)微調(diào)。點(diǎn)動(dòng)過程中分為連續(xù)點(diǎn)動(dòng)和單步點(diǎn)動(dòng)。同時(shí)，還可以對(duì)點(diǎn)動(dòng)速度進(jìn)行設(shè)計(jì)。開關(guān)操作界面(如圖4(c)所示)，用于總開關(guān)、各軸啟動(dòng)／停止、暫停等操作。刀具參數(shù)設(shè)置界面(如圖4(d)所示)，用于對(duì)刀具直徑補(bǔ)償、長(zhǎng)度設(shè)置、進(jìn)給率調(diào)整等參數(shù)的設(shè)置。
4.加工用脈沖電源設(shè)計(jì)
微細(xì)電火花加工是一種非接觸式的、無宏觀切削力的微細(xì)加工方法伸。91。微能脈沖電源是微細(xì)電火花加工系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，其性能好壞直接關(guān)系到微細(xì)電火花加工工藝指標(biāo)的優(yōu)劣。
為滿足加工精度需要，設(shè)計(jì)一種可控式Rc脈沖電源。利用上位機(jī)和CPLD設(shè)置脈沖參數(shù)產(chǎn)生脈沖序列控制信號(hào)，識(shí)別處理實(shí)時(shí)加工狀態(tài)信息，來達(dá)到改善加工環(huán)境的目的.1“。利用兩個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管響應(yīng)速度快，能夠滿足加工精度的要求。功率管采用專門集成驅(qū)動(dòng)芯片rI’Ps2812。同時(shí)，利用高精度比較器LM307N對(duì)放電狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而保證加工精
圖6脈沖電源主程序框架圖
5.電火花加工平臺(tái)驅(qū)動(dòng)策略
以車刀為對(duì)象，基于效率和表面微織構(gòu)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行PcD刀具多元智能融合刃磨實(shí)驗(yàn)¨3‘141。而對(duì)于非導(dǎo)電的超硬刀具材料，亦可通過輔助電極等方式實(shí)現(xiàn)刃磨。其驅(qū)動(dòng)路線圖見圖7。
系統(tǒng)根據(jù)具體要求將該過程智能分為動(dòng)態(tài)的3個(gè)階段：
(1)效率驅(qū)動(dòng)階段，即加工初始階段。選取大的放電規(guī)準(zhǔn)及磨削參數(shù)，去除大部分的材料加工余量，提高刃磨效率。
(2)精度驅(qū)動(dòng)階段。該階段以磨削為主，去除大規(guī)準(zhǔn)電火花粗加工表面產(chǎn)生的變質(zhì)層及顯微裂紋，得到精準(zhǔn)的刀具幾何尺寸及光滑的切削刀面。
(3)微坑織構(gòu)驅(qū)動(dòng)階段。精加工階段已經(jīng)獲得了刀具的幾何尺寸及光潔的切削刀面，在該階段主要采取微能脈沖放電與超聲振動(dòng)結(jié)合的方式進(jìn)行表面改性，形成微織構(gòu)結(jié)構(gòu)。微能脈沖放電在刀具表面蝕密布的小凹坑，超聲振動(dòng)起到改善間隙放電狀態(tài)及凹坑形貌的作用。
6.結(jié)束語
對(duì)旋轉(zhuǎn)超聲電火花加工平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中，主要對(duì)平臺(tái)的軟硬件和脈沖電源進(jìn)行了詳細(xì)論述，設(shè)計(jì)了數(shù)控系統(tǒng)的加工界面。為研究超硬材料刀具多元智能融合加工提供了實(shí)驗(yàn)設(shè)備，同時(shí)也為高端刀具的高效精密刃磨及刀具的減摩提實(shí)驗(yàn)裝備支持。
投稿箱：
如果您有機(jī)床行業(yè)、企業(yè)相關(guān)新聞稿件發(fā)表，或進(jìn)行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機(jī)床行業(yè)、企業(yè)相關(guān)新聞稿件發(fā)表，或進(jìn)行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相關(guān)信息
業(yè)界視點(diǎn)
| 更多
行業(yè)數(shù)據(jù)
| 更多
- 2025年1月 新能源汽車銷量情況
- 2024年12月 新能源汽車產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年12月 基本型乘用車（轎車）產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年12月 軸承出口情況
- 2024年12月 分地區(qū)金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年12月 金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 分地區(qū)金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 軸承出口情況
- 2024年11月 基本型乘用車（轎車）產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 新能源汽車產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 新能源汽車銷量情況
- 2024年10月 新能源汽車產(chǎn)量數(shù)據(jù)
博文選萃
| 更多
- 機(jī)械加工過程圖示
- 判斷一臺(tái)加工中心精度的幾種辦法
- 中走絲線切割機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)
- 國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床何去何從？
- 中國(guó)的技術(shù)工人都去哪里了？
- 機(jī)械老板做了十多年，為何還是小作坊？
- 機(jī)械行業(yè)最新自殺性營(yíng)銷，害人害己！不倒閉才
- 制造業(yè)大逃亡
- 智能時(shí)代，少談點(diǎn)智造，多談點(diǎn)制造
- 現(xiàn)實(shí)面前，國(guó)人沉默。制造業(yè)的騰飛，要從機(jī)床
- 一文搞懂?dāng)?shù)控車床加工刀具補(bǔ)償功能
- 車床鉆孔攻螺紋加工方法及工裝設(shè)計(jì)
- 傳統(tǒng)鉆削與螺旋銑孔加工工藝的區(qū)別