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旋轉超聲輔助微細電火花加工係統研究

2018-3-29 來源：北方土業大學機電（diàn）土程學院作者：徐明剛，張振，馬小林，黃文勇（yǒng）

摘要:為研究超硬材料多元智能融合（hé）加工策略以及超聲振動對複合刃磨和微坑織構（gòu）形成及分布的影響規律，提（tí）供了實驗裝置支持，研發了基於效率和微坑織構驅動的旋轉超聲電火花加（jiā）上平（píng）台數控係統。該平台采用基於上控（kòng）PC的開放式數控係統，實現了旋轉超聲加上的自動（dòng）化，探討了數控係統的軟/硬件結構（gòu）、功能模塊劃分、數控界而設計及脈衝電源設計等關鍵技術。結（jié）果表明（míng）:該係統（tǒng）運行安全可靠。

關鍵（jiàn）詞:旋轉超聲;數控係統;電（diàn）火花加工

0、前言

以PCD為代表（biǎo）的（de）超（chāo）硬材料刀具在高速切削加工領域愈來愈（yù）重要，其刃磨技術和刃（rèn）磨品質直接決定著刀具的綜合性能和加工精度。由於超硬材料的極高硬度使得其高效高（gāo）品質刃磨十分困難，不能滿足現代高速切削對高端刀具日益增長的需求。適用於硬脆性材料（liào）加工的微（wēi）細特種加工技術呈現多樣化發（fā）展的趨（qū）勢，主要有電火花加工（gōng）(EDM)、電化學加工(ECM} ,射流加工(AJM / WJM、超聲加工(USM)、激光加工(Laser Machining)等，但（dàn）上述加工方法均存在各自的（de）局限性。因此尋求一種可靠、高效，並且具備對大多數脆硬材料適用的微細加工方法是目前先進（jìn）製造（zào）領域的一（yī）個迫切需求。

旋轉超聲加（jiā）工技術(Rotary Ultrasonic Machining,RUM)是一種複合特種加工工藝。文中研發的旋轉超聲電（diàn）火花加（jiā）工平台是為超硬材料刀具多元智能融合加工提供新的（de）實驗裝置，特別用於（yú）智能化複合加工中對效率和精度要求較高的（de）領域。為高端刀（dāo）具（jù）的高效精密刃磨及刀具的減摩（mó）提供實驗裝置支持。專用數控係統（tǒng）是旋轉超聲加工平台的核心，其（qí）集成了加工（gōng）工藝和全自動（dòng）化加工過程（chéng）控製，對機床（chuáng）的穩定性、可靠性、加（jiā）工精度（dù）和效率有著至關重要（yào）的影響。開放式（shì）體係結構己成（chéng）為現代數控係統的（de）發展方向，具有更好的通用性、柔性、適應性（xìng）和擴展性（xìng）。文（wén）中主要探討該平台開放式數控係統的關鍵技術。

1、旋轉超聲電火花加工平台（tái）結構設計

該平台是精細電火花加工（gōng）試（shì）驗裝置，其具有旋轉超聲加工特點，相比於其他電火花加工裝置有效率高、精度高的（de）特點，適用於較高要求的特種電火花加工。

平台（tái）本體總體布局見圖1。主體采用X一Y、Z三軸工作台，三軸分別采（cǎi）用電機帶動導軌絲杠運動，導軌上裝有（yǒu）滑板;X, Y軸呈90°交叉疊放，Z軸豎直立於加工平台上，工（gōng）作台可以在水平麵內實現X, Y兩軸的直線（xiàn）運動，而Z軸在垂直方向運（yùn）動。各軸均安裝有滑動板，X軸的活動板上安裝Y軸，Y軸滑動板上安裝工（gōng）作液槽及工作台（tái），液體（tǐ）槽用2 mm厚鋼板焊接而成，底部留有圓孔（kǒng），用於排掉加工液;固定在（zài）Y軸滑板的（de）工作台上.Z軸的主要部分是回轉主軸，采用立式結構，內嵌超聲（shēng）發生換能器和電火花脈衝電（diàn）源（yuán）發生（shēng）器;回轉軸C軸繞Z軸轉動，將主軸安裝於Z軸運動部件的滑動板（bǎn）上;回轉主軸（zhóu）內裝嵌有變幅杆，其整體為階梯型變截麵杆結（jié）構，端部是與主軸連接的法蘭結構，安裝方式（shì）是內（nèi）入式，即部分變幅杆嵌入在主（zhǔ）軸裏麵，剩餘部分裸露在主軸外麵，供連接加工裝置用。

圖1 旋轉超聲加共平台本體總體布局圖

該平台將超聲振動、電火花、磨削3種加工方式有機智能融合，結構簡單。在各加工階段以不同的目標（biāo）驅動，智能化的（de）采取不同的複合方（fāng）式和加工（gōng）參數，來達（dá）到提（tí）高工件加工效率（lǜ）、保證刃磨精度的目的。

2、數控係統硬件設計（jì）

綜（zōng）合（hé）考慮可靠性、實時性、定位精度和機床成本（běn）等（děng）因素，采（cǎi）用基於運動控製卡和工（gōng）控機構成（chéng）的主從（cóng）開放式體係結構。

數控係統硬件基本構成和功能模塊分（fèn）別如圖2和圖（tú）3所示。硬件主要（yào）包括一塊運動控製卡、三台伺服電機(帶編碼器)、三台伺（sì）服驅動器;X一Y及Z軸導軌上（shàng）限位開關和接近開關等反饋機構;電源和工作液泵等執行（háng）機（jī）構。數（shù）控係統硬件模塊（kuài）包括控製櫃、狀態監測、顯示與開關麵（miàn）板、輸入設備和數控界（jiè）麵等。運動控製卡為整個數控係統硬件的核心，采用ART公司的USB1020四軸處理實時反饋和控製算法。上位機由工控機+觸摸屏構成（chéng），主要（yào）處理數據通信、參數設置和界麵顯示。運動控製卡與工（gōng）控機之間采用USB總線通訊方式，提高了數據傳輸速度和抗幹擾能力。為了近距離觀察和操作方便性，設計了手控盒控（kòng）製麵板，利用並行IO信號進行通信。

圖2 數控（kòng）係（xì）統硬件（jiàn）主要構成

圖3 數控係統硬（yìng）件功能模塊

為提高加工平台的自動化程度，以滿足（zú）超硬材料多元智能融合加工需求，旋轉超聲（shēng）電火花加工平台各軸設（shè）計指（zhǐ）標見表1. X一Y, Z軸都采用伺服電機驅動，伺服電機自身的旋轉編碼器為（wéi）反饋係統，更好地控製各軸的運動位置。每軸配有兩個限位開關，以確定正限位、負限位和零位（wèi）。旋轉Z軸采用步（bù）進電（diàn）機（jī）控製。

表1 旋轉（zhuǎn）超聲電火花加工平台各軸設計指標

3、數控係統軟件界麵設計

基於（yú）力一便性和產品化設計原則，采（cǎi）用C#編寫（xiě）分屏（píng）數控界麵，界麵示例如圖（tú）4所示。數控界麵擴展了鼠（shǔ）標、工業鍵盤快捷鍵、觸摸屏等（děng），滿足不同操作者的習慣，獲（huò）得更大程度上（shàng）的操作方便性。

數控界麵（miàn）主要由機床原點、各軸運動、外部停止、參數設置、刀具參數以（yǐ）及開（kāi）關操作等功能模塊分屏界麵組成。在（zài）各分屏（píng）界麵中，具有狀態顯示和按鈕控製相應功能，實現輔助操作、參數設置和全自動化加工的（de）所有功能。每個分屏界麵都包括當前狀態、動作時間、實（shí）時時間和功能按（àn）鈕區等部分。界麵以綠色（sè）和藍色作為主（zhǔ）背景，減輕操作者長期操作引起的視覺疲勞。

歡迎界麵作為初始數控界麵，點（diǎn）擊“進入係統”進入操作界麵。機床原點界麵（miàn）(如圖4 (a)所示)，用於機床上電（diàn）後確定各軸（zhóu）的物理原點，以完成（chéng）3個（gè）數控軸所在小標係的回零操作。各軸運動界麵(如圖4 (b)所示)，實現各軸的點動微調。點動（dòng）過程中分為連續點（diǎn）動和單步點動。同時，還可以對（duì）點動速度進行設計。開關操作界麵(如圖4 (c)所示)，用於總開關、各軸啟動/停止、暫停等（děng）操作。刀具參數設置界麵(如（rú）圖4 (d)所示)，用於對刀具直徑補償（cháng）、長度設置、進給率調整等參數的設置。

圖4 分屏數控界而示例

4、加土（tǔ）用脈衝電源設計

微細電火花加（jiā）工是一種非接觸式（shì）的、無宏觀切削力的微細加工方法。微能脈衝電（diàn）源是微細電火花加工係統的關鍵技術，其性能好壞直接關係到微（wēi）細電火花加工工藝（yì）指標的優劣。

為滿（mǎn）足加工精度（dù）需要，設計（jì）一種可控式RC脈（mò）衝電（diàn）源。利用上位機和CPLD設置脈衝參數產生脈衝序列控製信號，識別處理實時加（jiā）工狀態信息，來達到改善加工環境的目的。利用兩個功率場效應管響應速（sù）度（dù）快，能夠滿足加工精度的要求。功率管采用專（zhuān）門集成驅動芯片TPS2812。同（tóng）時，利用高精度比較器LM307 N對放電狀態進行實時（shí）監測，從而（ér）保證加工精度（dù）的實（shí）現。

電源按7個功（gōng）能（néng）模塊進行設計，如圖5, 6所示。包括（kuò）:主放電回路模塊、檢測（cè）模塊、控製模塊、隔離驅動模塊、工（gōng）作電（diàn）源模（mó）塊、極性選擇（zé）模塊和（hé）串行通信模塊。

圖5 脈衝電源（yuán）係統原理框圖

圖6 脈衝電源主程序框架圖

5、電火花加工平台驅動策略

以車刀為對象（xiàng），基於（yú）效（xiào）率和表（biǎo）麵微織構驅動，進行PCD刀具多元智能融合刃磨實驗（yàn）。而對於非導電的超硬刀具材料，亦可通過輔助電極（jí）等方（fāng）式（shì）實現刃磨。其驅動路線圖見圖（tú）7。

圖7 電（diàn）火花（huā）加工平台驅動路線圖

係統根據具體要求將該過程智能分（fèn）為動態的3個階段:

(1) 效率驅動階段，即加工（gōng）初始階段。選取大（dà）的放電規（guī）準及磨削參數，去除大部分的材料加工餘量，提高刃磨效率。

(2) 精度驅動階段。該階段以磨削為主，去除大規準電（diàn）火（huǒ）花粗（cū）加工表麵產（chǎn）生的變質層及顯微裂紋，得到精準（zhǔn）的刀具幾何尺寸及光滑（huá）的切削刀麵（miàn）。

(3) 微坑織（zhī）構（gòu）驅動階段。精加工階段己經獲得了刀具的幾何尺寸及光潔的切削（xuē）刀麵，在該階段主要采取微能脈衝放（fàng）電與超聲（shēng）振動結合的方式進行表麵改性，形成微織構結構。微能脈衝放電在刀具表麵蝕除（chú）密布的小四坑，超聲振動起到改善間隙放電狀（zhuàng）態及四坑形貌的作（zuò）用。

6、結束語

對旋轉超聲電火花加工平台進行設計。其中，主要對平台（tái）的軟硬件和脈衝電源進行了（le）詳細論述，設計了數控係統的加工界麵。為研究（jiū）超硬材料刀具多元智能融合加工提供了實驗設備，同時也為高端刀具的（de）高效精密刃磨及刀（dāo）具的減摩提實驗裝（zhuāng）備支持。

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