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旋轉超聲輔助微細電火花加工系統研究

2018-3-29 來源：北方土業大學機電土程學院作者：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對復合刃磨和微坑織構形成及分布的影響規律，提供了實驗裝置支持，研發了基于效率和微坑織構驅動的旋轉超聲電火花加上平臺數控系統。該平臺采用基于上控PC的開放式數控系統，實現了旋轉超聲加上的自動化，探討了數控系統的軟/硬件結構、功能模塊劃分、數控界而設計及脈沖電源設計等關鍵技術。結果表明:該系統運行安全可靠。

關鍵詞:旋轉超聲;數控系統;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域愈來愈重要，其刃磨技術和刃磨品質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。適用于硬脆性材料加工的微細特種加工技術呈現多樣化發展的趨勢，主要有電火花加工(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，并且具備對大多數脆硬材料適用的微細加工方法是目前先進制造領域的一個迫切需求。

旋轉超聲加工技術(Rotary Ultrasonic Machining,RUM)是一種復合特種加工工藝。文中研發的旋轉超聲電火花加工平臺是為超硬材料刀具多元智能融合加工提供新的實驗裝置，特別用于智能化復合加工中對效率和精度要求較高的領域。為高端刀具的高效精密刃磨及刀具的減摩提供實驗裝置支持。專用數控系統是旋轉超聲加工平臺的核心，其集成了加工工藝和全自動化加工過程控制，對機床的穩定性、可靠性、加工精度和效率有著至關重要的影響。開放式體系結構己成為現代數控系統的發展方向，具有更好的通用性、柔性、適應性和擴展性。文中主要探討該平臺開放式數控系統的關鍵技術。

1、旋轉超聲電火花加工平臺結構設計

該平臺是精細電火花加工試驗裝置，其具有旋轉超聲加工特點，相比于其他電火花加工裝置有效率高、精度高的特點，適用于較高要求的特種電火花加工。

平臺本體總體布局見圖1。主體采用X一Y、Z三軸工作臺，三軸分別采用電機帶動導軌絲杠運動，導軌上裝有滑板;X, Y軸呈90°交叉疊放，Z軸豎直立于加工平臺上，工作臺可以在水平面內實現X, Y兩軸的直線運動，而Z軸在垂直方向運動。各軸均安裝有滑動板，X軸的活動板上安裝Y軸，Y軸滑動板上安裝工作液槽及工作臺，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軸滑板的工作臺上.Z軸的主要部分是回轉主軸，采用立式結構，內嵌超聲發生換能器和電火花脈沖電源發生器;回轉軸C軸繞Z軸轉動，將主軸安裝于Z軸運動部件的滑動板上;回轉主軸內裝嵌有變幅桿，其整體為階梯型變截面桿結構，端部是與主軸連接的法蘭結構，安裝方式是內入式，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。

圖1 旋轉超聲加共平臺本體總體布局圖

該平臺將超聲振動、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驅動，智能化的采取不同的復合方式和加工參數，來達到提高工件加工效率、保證刃磨精度的目的。

2、數控系統硬件設計

綜合考慮可靠性、實時性、定位精度和機床成本等因素，采用基于運動控制卡和工控機構成的主從開放式體系結構。

數控系統硬件基本構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動控制卡、三臺伺服電機(帶編碼器)、三臺伺服驅動器;X一Y及Z軸導軌上限位開關和接近開關等反饋機構;電源和工作液泵等執行機構。數控系統硬件模塊包括控制柜、狀態監測、顯示與開關面板、輸入設備和數控界面等。運動控制卡為整個數控系統硬件的核心，采用ART公司的USB1020四軸處理實時反饋和控制算法。上位機由工控機+觸摸屏構成，主要處理數據通信、參數設置和界面顯示。運動控制卡與工控機之間采用USB總線通訊方式，提高了數據傳輸速度和抗干擾能力。為了近距離觀察和操作方便性，設計了手控盒控制面板，利用并行IO信號進行通信。

圖2 數控系統硬件主要構成

圖3 數控系統硬件功能模塊

為提高加工平臺的自動化程度，以滿足超硬材料多元智能融合加工需求，旋轉超聲電火花加工平臺各軸設計指標見表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反饋系統，更好地控制各軸的運動位置。每軸配有兩個限位開關，以確定正限位、負限位和零位。旋轉Z軸采用步進電機控制。

表1 旋轉超聲電火花加工平臺各軸設計指標

3、數控系統軟件界面設計

基于力一便性和產品化設計原則，采用C#編寫分屏數控界面，界面示例如圖4所示。數控界面擴展了鼠標、工業鍵盤快捷鍵、觸摸屏等，滿足不同操作者的習慣，獲得更大程度上的操作方便性。

數控界面主要由機床原點、各軸運動、外部停止、參數設置、刀具參數以及開關操作等功能模塊分屏界面組成。在各分屏界面中，具有狀態顯示和按鈕控制相應功能，實現輔助操作、參數設置和全自動化加工的所有功能。每個分屏界面都包括當前狀態、動作時間、實時時間和功能按鈕區等部分。界面以綠色和藍色作為主背景，減輕操作者長期操作引起的視覺疲勞。

歡迎界面作為初始數控界面，點擊“進入系統”進入操作界面。機床原點界面(如圖4 (a)所示)，用于機床上電后確定各軸的物理原點，以完成3個數控軸所在小標系的回零操作。各軸運動界面(如圖4 (b)所示)，實現各軸的點動微調。點動過程中分為連續點動和單步點動。同時，還可以對點動速度進行設計。開關操作界面(如圖4 (c)所示)，用于總開關、各軸啟動/停止、暫停等操作。刀具參數設置界面(如圖4 (d)所示)，用于對刀具直徑補償、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、加土用脈沖電源設計

微細電火花加工是一種非接觸式的、無宏觀切削力的微細加工方法。微能脈沖電源是微細電火花加工系統的關鍵技術，其性能好壞直接關系到微細電火花加工工藝指標的優劣。

為滿足加工精度需要，設計一種可控式RC脈沖電源。利用上位機和CPLD設置脈沖參數產生脈沖序列控制信號，識別處理實時加工狀態信息，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度快，能夠滿足加工精度的要求。功率管采用專門集成驅動芯片TPS2812。同時，利用高精度比較器LM307 N對放電狀態進行實時監測，從而保證加工精度的實現。

電源按7個功能模塊進行設計，如圖5, 6所示。包括:主放電回路模塊、檢測模塊、控制模塊、隔離驅動模塊、工作電源模塊、極性選擇模塊和串行通信模塊。