数控旋转超声波加工技术的基础研究

论文摘要

超声波加工是目前加工玻璃、钻石、工程陶瓷等硬度高、脆性大材料的一种有效的方法。传统超声波加工主要用于打孔和拷贝加工，虽然可以加工复杂型腔零件，但需要制作与被加工型腔凹凸相反的工具，加工成本高，周期长，而且存在加工过程中工具磨损严重等问题，严重影响了加工的精度和效率，不能满足现代生产的要求。本文主要研究将旋转超声波加工技术与基于PMAC的开放式数控系统相结合形成数控旋转超声波加工技术，以实现硬脆材料复杂型腔的加工。数控旋转超声波加工系统在铣床床体上安装了三个精密工作台并设计了旋转超声振动装置，加工过程中工具既可做超声振动又可做旋转运动。为了测量切削力，选择了悬臂式称重传感器作为测量装置。数控系统是以工业控制机（IPC）和可编程多轴控制器（PMAC）构成的主从分布式双微处理器结构，以此作为系统的控制中心，它采用PEWIN3．20 PRO作为控制软件控制伺服装置驱动各坐标轴，从而实现复杂型腔的加工。为了探讨悬浮磨粒旋转超声波加工的工艺规律，进行了材料去除率试验、切削力试验，试验结果表明分层厚度和X-Y轴进给速度对材料去除率和切削力的影响较大，而选择合适的转速和磨粒，可获得较好的加工效果。这为今后在现实生产中如何选择加工参数提供了理论依据。为了验证系统加工复杂型腔的能力，进行了三维型腔加工试验，同时对材料去除机理进行了分析，为后续的研究打下了基础。与传统超声波加工相比，数控旋转超声波加工大大地简化了超声波加工工艺过程的控制，避免了传统超声波加工在复杂型腔加工时复杂工具的制作，提高了整个系统的加工柔性，从而进一步降低了成本。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究目的及意义
• 1.2 国内外USM技术和开放式数控系统概述
• 1.2.1 USM技术发展概述
• 1.2.1.1 国外USM技术发展概述
• 1.2.1.2 国内USM技术发展概述
• 1.2.2 开放式数控系统发展概述
• 1.3 课题研究工作
• 1.3.1 数控旋转超声波加工试验系统的开发
• 1.3.2 数控旋转超声波加工的工艺规律研究
• 1.3.3 复杂型腔加工的可行性试验
• 第二章 超声波加工技术
• 2.1 传统超声波加工
• 2.1.1 传统超声波加工原理
• 2.1.2 传统超声波加工特点
• 2.1.3 传统超声波加工设备
• 2.2 旋转超声波加工
• 2.2.1 旋转超声波加工原理
• 2.2.2 旋转超声波加工特点
• 第三章 数控旋转超声波加工试验系统开发
• 3.1 数控旋转超声波加工原理
• 3.2 数控旋转超声波加工试验系统设计
• 3.2.1 数控旋转超声波加工机械本体
• 3.2.1.1 机床设计
• 3.2.1.2 超声波发生器选型
• 3.2.1.3 旋转超声振动装置设计
• 3.2.1.4 切削力测量装置
• 3.2.1.5 磨料悬浮液循环系统
• 3.2.2 基于PMAC的数控硬件系统设计
• 3.2.2.1 工控机选型
• 3.2.2.2 运动控制器选型
• 3.2.2.3 通用数字I/O功能模块
• 3.2.3 伺服系统设计
• 3.2.3.1 伺服电机选型
• 3.2.3.2 伺服驱动单元选型
• 3.2.3.3 伺服电机软件设置..
• 3.3 数控超声波旋转加工试验系统调试
• 3.3.1 PMAC设置
• 3.3.2 PMAC的PID调节
• 3.4 数控旋转超声波运动程序
• 3.4.1 运动程序流程图
• 3.4.2 定义坐标系和坐标轴
• 3.4.3 运动程序的执行
• 第四章 数控旋转超声波加工的试验研究
• 4.1 数控旋转超声波加工工艺试验
• 4.1.1 材料去除率试验
• 4.1.1.1 试验设备及试验设计
• 4.1.1.2 单因素试验
• 4.1.1.3 正交试验
• 4.1.2 切削力试验
• 4.1.2.1 转速对切削力的影响试验
• 4.1.2.2 进给速度对切削力的影响试验
• 4.1.2.3 分层厚度对切削力的影响试验
• 4.1.2.4 磨料粒度对切削力的影响试验
• 4.1.2.5 切削力控制试验
• 4.2 复杂型腔件加工试验
• 4.3 数控旋转超声波加工的材料去除机理
• 第五章 总结与展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录