（机械制造及其自动化专业论文）超声波分层铣削机床数控系统的开发.pdf

大连理工人学硕上论文 摘要 摘要 工程陶瓷在电子、冶金、化工、机械、能源、航空航天等众多 领域得到了广泛应用，可是它的加工却十分困难。从原理上讲，超 声波加工是解决工程陶瓷加工难题最有潜力的技术之一，然而目前 传统超声波成型加工处于十分落后的状态，它采用“形状拷贝原理”， 仅靠配重来调节加工压力和进给量等重要工艺参数，加工精度和加 工效率都很低，而且只能用于一维加工中。 为了改变这一现状，本文在普通超声波旋转加工中引入分层制造 的思想，提出了“超声波分层铣削加工”的技术路线。在此基础上， 以d o s 为平台开发了一个基于p c 机的2 5 轴开放式数控系统。 论文首先介绍了数控三维超声波旋转分层铣削加工的原理，之后 采用开放式、模块化结构设计了基于p c 机的数控系统的硬件部分。 在完成2 5 维数控功能的基础上，该系统使用压力传感器实时检测工 具和工件之间的加工压力，并以此压力信号对z 轴实施反馈控制， 以保持加工中的压力恒定。最后本文采用前后台控制模式和模块化 结构，用c 语言开发了完成数控系统功能的软件，并通过了调试。 该数控系统的研制完成使加工三维复杂型面的工程陶瓷零件成 为可能，为进一步研究超声波分层铣削加工的工艺规律提供基础实 验条件。 关键词：超声波工程陶瓷 分层铣削数控系统 太连理t 大学硕二l 论立 英文摘要 a b s t r a c t e n g i n e e r i n g c e r a m i ci su s e d w i d e l y i n m a n y f i e l d ss u c ha s e l e c t r o n i c s 、m e t a l l u r g y ，c h e m i s t r yi n d u s t r y 、m a c h i n e ，e n e r g yp o w e r ， a v i a t i o na n d s p a c e f l i g h t ，b u t i ti s v e r y d i f f i c u l tt om a c h i n e f o r p r i n c i p l e ，u l t r a s o n i cm a c h i n i n g i so n eo ft h em o s t p o t e n t i a l t e c h n o l o g i e sr e s o l v i n g d i f f i c u l t p r o b l e m o f e n g i n e e r i n g c e r a m i c h o w e v e r ，t r a d i t i o n a lu l t r a s o n i cm o l d i n gm a c h i n i n gi si nv e r yl o wl e v e l a t p r e s e n t i ta d o p t s “p r i n c i p l e o fs h a p e c o p y ”，o n l y b eu s e di no n e d i m e n s i o nm a c h i n i n g ，a n da d j u s t si m p o r t a n tm a c h i n i n gp r e s s u r ea n df e e d t e c h n i c sp a r a m e t e r so n l yb ye q u i p p e dw e i g h t ，s ot h em a c h i n i n gp r e c is i o n a n dm a c h i n i n ge f f i c i e n c ya r eb o t hv e r yp o o r i no r d e rt oc h a n g ee x i s t i n gs t a t e ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ei d e ao f l a y e r e dm a n u f a c t u r i n gi n t oc o m m o nu l t r a s o n i cr o t a r ym a c h i n i n g ，p u t s f o r w a r dt e c h n o l o g yw a yo f u l t r a s o n i cl a y e r e dm i l l i n gm a c h i n i n g ”，a n d d e v e l o p so n e 2 5a x e so p e nc n c s y s t e mu s i n gd o s a sp l a t f o r m a t f i r s t ，t h e p a p e r i n t r o d u c e s p r i n c i p l e o ft h r e ed i m e n s i o n u l t r a s o n i c r o t a r yl a y e r e dm i l l i n g n cm a c h i n i n g ，a n dt h e n d e s i g n s h a r d w a r ep a r to fo p e nc n c s y s t e m o nt h eb a s i so fa c c o m p l i s h i n g2 5 d i m e n s i o nn cf u n c t i o n ，t h es y s t e mr e a l i z e sp r e s s u r ef e e d b a c kc o n t r o l i nz a x i a l b yd e t e c t i n gm a c h i n i n gp r e s s u r e b e t w e e nt h et o o la n dt h e w o r k p i e c e i nr e a lt i m e w i t has e n s o ri no r d e rt o k e e pm a c h i n i n g p r e s s u r e i n v a r i a b l e ，f i n a l l y t h e p a p e rd e v e l o p sp r o g r a m w i t hc l a n g u a g e w h i c h a d o p t sp r o s c e n i u m - b a c k g r o u n d c o n t r o lm o d ea n d m o d u l a r i z e da r c h i t e c t u r e ，a n di tp a s s e st h ed e b u g g i n g t h ec n c s y s t e m h a sb e e n d e v e l o p e d w h i c hm a k e st h e m a n u f a c t u r i n go ft h ee n g i n e e r i n gc e r a m i c sp a r t sw i t ht h r e ed i m e n s i o n c o m p l e xs h a p ep o s s i b l e ，a n dc a ns u p p l yf u r t h e rr e s e a r c ho f t e c h n i c sl a w o fu l t r a s o n i cm a c h i n i n gw i t hb a s i ce x p e r i m e n tc o n d i t i o n k e y w o r d s ：u l t r a s o n i c l a y e r e dm i l l i n g e n g i n e e r i n gc e r a m i c c n c s y s t e m 人连理工大学硕十论文 第一章引言 第一章引言 1 1课题的提出 材料科学的发展日新月异，各种高性能的陶瓷材料不断涌现，它们在工程 上具有良好的应用前景。由于工程陶瓷具有硬度高、强度高、耐磨损、耐腐蚀、 耐高温、比重低和自润滑等优良特性，所以在电子、冶金、化工、机械、能源、 航空航天等众多领域得到了广泛应用。 陶瓷是由共价键、离子键或两者混合的化学键结合的物质，呈现出与金属 不同的性质，在常温下对剪切应力的变形阻力很大，且硬度很高。由于陶瓷晶体 是由阳离子和阴离子或阴离子和阴离子之间的化学键结合而成的，化学键具有 方向性，原子堆积密度低，原子间距离大，使陶瓷显示出很大的脆性，而成为难 加工材料。目前的机械加工方法如车削、钻削、磨削、研磨和抛光等只能用于 简单型面的加工，对于较复杂的型面，如有锐角要求的槽型零件和非回转体表 面，就无能为力了，而且机械加工难以保证加工精度和加工质量的要求。激光 加工( l b m ) 与材料的硬度等力学性能无关，陶瓷与金属比较，对激光的吸收率较 高。因此，利用激光对陶瓷材料特别是对薄板材料进行加工尤为适用。但是用 激光加工时，由于光束瞬时辐射，在材料表面产生局部高温，形成很大的温度梯 度。又由于陶瓷材料很硬脆。因此激光加工后，会产生一定应力变形和不同程度 的微裂纹。电火花加工( e d m ) 主要是通过电极间放电产生高温熔化和汽化蚀除 材料，因此材料的可加工性主要取决于材料的热学性质，如熔点、比热、导热系 数等，而材料的力学性能影响较小。电火花加工适合于超硬导电材料的加工， 但由于大多数陶瓷材料是电的绝缘体，所以很少用电火花加工法加工。电化学 加工( e c m ) 的原理是利用金属阳极溶解及电解液发生氧化还原反应，主要适用 于电导率高材料的加工，对于电导率低且化学稳定性好的工程陶瓷电化学加工 并不适合。 超声波加工( u s m ) 是利用悬浮磨料对工件的撞击作用和工作液的空化作用 去除工件上多余的材料，适合于加工硬脆材料，而且不会损害工件表面，所以 是加工陶瓷工件的理想方法。然而，目前超声波加工技术处于十分落后的状态， 传统的超声波成型加工方法是利用形状拷贝原理，将工具的形状复制到工件 上，仅靠配重来调节工具的加工压力和进给参数，这正如最初电火花加工中利 用配重调节放电间隙和进给速度一样，加工效率很低。而且只能用于一维加工 大近理r 火学硕士论文 第一章引言 中。要得到一定三维形状的工件就需要制作与工件形状凸凹相反的工具，这就 使得工具制造周期长，工件的制造成本提高。而且在工具加工工件过程中，存 在以下很多问题： 加工工具的更换比较麻烦； 由于加工中工具质量变化和力的传导等因素使加工速度和加工质量受到影 响； 加工工程陶瓷材料时，工具磨损严重，加工效率也比较低。国内超声波加工 机床功率小，工具输出振幅大都小于2 0pm ，而国外超声波加工机床输出振 幅可达8 0 p 珊。 当复杂型腔面积和深度大时，由于悬浮磨料在加工间隙内分布不均匀，导 致加工表面完整性不好。 针对以上情况，我们根据快速原型制造中的分层制造方法，在超声波三维 型面加工中提出了利用简单工具进行分层去除的数控加工方法。即在超声波三 维型面加工中，与快速成型加工相类似，首先采用分层切片软件对三维实体模 型进行切片，得到系列带有不同高度层面的二维几何信息，对这些几何信息 进行处理，生成具有刀补和刀具轨迹规划的数据文件。设计一台两轴半数控机 床，工具安装在z 轴，并由电机驱动旋转。在x 、y 平面内工作台实现两轴联 动，按照数据文件走刀，对每层进行铣削加工；z 轴方向上由电机驱动实现简 单的进给运动，在加工完一层后做进给，达到下一层加工的高度。加工中，仿 照传统的铣削加工方式，使用一根形状简单、旋转的圆柱型工具，利用工具的 底端进行铣削加工，采用类似快速成型加工的“分层去除技术”，根据c n c 程 序逐层加工出复杂的三维型面。 在这种加工模式下，如何解决z 轴加工压力恒定和由于工具损耗对加工 精度的影响就成为该数控加工方案的难点。 近年来，传感技术、控制技术及计算技术的发展为超声波加工技术的进步 提供了有力的支持，如：新型的压力传感器能快速准确地测量出超声波加工过 程中的瞬时加工压力；h 。控制理论方法提供了鲁棒性能好的控制器的设计手 段，从而降低了对控制模型精度的苛刻要求。使复杂机械系统参数摄动镇定控 制走向实用化；神经网络理论与方法为建立复杂的超声波加工机理关系模型奠 定了基础：同时计算机数控技术的飞速发展也为实时控制提供了技术上的保 障。这些均为实现超声波加工过程的压力反馈控制和工具头三坐标轨道控制奠 大连理工大学硕士论文 第一章引苦 定了技术基础。 本课题就是在这一背景下，根据生产实际的需要提出来的。并运用控制技 术改善超声波加工机床的性能，通过控制超声波加工过程中的重要压力参数以 稳定其加工过程，提高其生产率和加工精度，并实现用简单工具加工三维复杂 型面。 该系统的研制成功可以为超声波加工提供实验研究条件，通过理论分析， 可以深入认识超声波加工的工艺规律，建立超声波加工陶瓷材料的基本理论， 解决高性能陶瓷材料的加工难题，从而扩展陶瓷材料的应用范围。此外，也能 带动相关学科如：超声波电火花复合加工、超声波车削和超声波挤压等技术的 发展。 1 2 超声旋转加工技术的发展概况及超声波 分层去除制造技术的提出 1 2 1 超声旋转加工技术的发展概况 有关超声旋转加工的报告最早出现在2 0 世纪6 0 年代。英国h a r w e l l 国家 原子能权威机构是此理论的早期探索者之一，他们的研究需要在耐火材料成形 的特殊陶瓷上钻一些1 0 1 6 2 5 4 m m 的孔，传统机械加工的局限性激发了他们 探索新技术的兴趣。美国从1 9 6 9 年开始使用金刚石工具的超声旋转加工技术。 经过近4 0 年的时间，各国的研究者们进行了许多实验，研究出控制参数 ( 如超声波振幅、静压力、转速、金刚石类型、磨粒尺寸及连接类型等) 与加工 结果( 如材料去除率、工具磨损等) 之间的关系。建立了有关材料去除的塑性去 除、脆性去除等多种材料去除模型，并进行了实验验证。 1 9 7 0 年，t y r e l l 用金刚石空心钻在玻璃片边上加工出两个1 o m m 的孔，孔 深6 3 5 n u n ，相距仅0 5 m m ，每个孔的平均加工时间为1 4 分钟。他还使用金剐石 空心钻在厚8 8 9 m m 的氧化铍上加工出1 o m m 的孔，加工结束后，在钻芯抽出完 整的0 4 r a m 的工件材料。 1 9 9 2 年，p r a b h a k e r t a l d 和h a s e l k o n m 在大量超声旋转加工材料去除率 试验研究的基础上，给出预测材料去除率的经验模型，并对各种加工因素及其 交互作用对材料去除率的影响进行了分析和讨论。 对超声旋转加工中材料去除机理的研究，m a r k o v 等认为，脆性材料的破裂 是大量的微观裂纹及裂纹扩展到一定深度的结果。m a r k o v 和u s t i n o v 认为，超 声旋转加工中存在一个被加工材料的脆性断裂特别强烈的过程，它是被加工表 人连理t 大学硕士论文 第一章引言 面的微小裂纹交织成网和表面撕扯的结果。k u b o t a 等报道超声旋转加工中材 料以“贝壳”状的碎片形式去除。z j - p e i ，p m f e r r i r a 和m h a s e l k o r n 通过 实验证明，除了脆性断裂，塑性流动是超声旋转加工中材料去除的另一种主要 方式。 工程陶瓷不同加工工艺的研究表明，超声旋转加工在较低的加工压力和较 轻的表面损伤情况下，有较高的材料去除率，是有潜力的加工方法。t y r e l l 也 报道：使用超声振动，需要的加工压力小于无超声加工时的压力。 最近，国外又出现了超声旋转面铣削技术，由于r u m 钻深小孔时，其加工面 及碎片很难观察，为了克服这个困难，采用面铣削方法加工陶瓷，用扫描电镜观 察加工面和碎片。研究表明，陶瓷加工中，材料的去除机理包括塑性去除及脆性 去除。在一些加工条件下，塑性去除占主要地位，在另一些加工条件下，脆性去 除占主要地位；通过调整不同的加工参数，可以调整塑性去除及脆性去除的比 例。由于超声旋转加工只能加工原形孔和型腔，因此配以适当的数控系统，借鉴 数控铣削的方法就可以加工具有复杂三维型面的工程陶瓷，国外许多学者正在 开展三维轮廓微细旋转超声加工的研究。本论文提出的研制超声波分层铣削数 控系统就是在做这方面的工作。 1 2 2 分层去除制造技术的提出 分层去除制造技术是本课题提出的新的加工方法，它来源于快速原型制 造( r a p i dp r o t o t y p em a n u f a c t u r e ，简称r p m ) 。7 0 年代末，8 0 年代初，美 国3 m 公司，f 1 本的名古屋工业研究所和美国的u v p 公司分别提出了r p m 技术 的概念，即有选择地逐层固化光敏聚合物来制造三维物体u v p 公司抢先开发 了立体光照印刷造型系统( s l a ) ，并于1 9 8 6 年申请了专利，随后，组建了 3 d s y s t e m 公司，很快就开发了基于s l a 的商用机。 r p m 的加工思想方法与传统的“去除”加工完全不同，它是用材料逐层 或逐点堆积出零件的形状，所以也称作“增加”加工法，下面就简述它的原理。 任何一个零件可视为一个空间实体，它是由若干非几何意义的点或面迭加 而成，用三维c a d 软件可设计出该零件的三维c a d 电子模型，然后根据具体工 艺要求，按照一定的规则，象积分划分微元一样，将该模离散为一系列有序的 几何单元，一般是沿高度( 即z 方向) 离散为一系列的二维层面( 称为分层或 切片) ，得到一系列的二维几何信息，将这些信息与数控( c n c ) 成型技术相结 合，生成c n c 代码。成型机则在c n c 代码的控制下控制材料微量地、有规律地、 大连理工大学硕士论文 第一章引言 精确的迭加起来( 堆积) ，从而构成一个与电子模型对应的三维实体模型。通 过离散才能获得堆积的顺序、路径、限制和方式；通过堆积才能将材料构成 个三维实体。r p m 这种加工思想方法的突出优点在于取消一切专用工具，是零 件成型具有最大的柔性。其加工原理图如图卜l 所示。 图1 - 1r p m 技术成型原理图 f i g 1 1p r i n c i p l ef i g u r eo fr p mt e c h n o l o g ym o l d i n g 分层去除制造技术与快速原型制造技术相类似，采用与之“逆向”的成型 加工方法，它首先利用c a d 设计出三维电子模型，然后，通过一定的算法将模 型离散，得到一系列的切片。c a d c 埘软件分析每个切片以确定每层去除加工 的最佳路径，并进行刀具补偿，得到一个分层切片加工数据文件，c n c 利用这 个数据文件进行加工，实现分层去除制造。分层去除制造技术反用快速原型制 造的思想，以离散去除为指导；在控制上以计算机数控技术为基础，实现 c a d c a m c n c 一体化，极大地提高了加工的柔性和应用领域。目前关于分层制 造领域的分层去除技术研究得较少，而针对超声波加工中的分层去除技术的研 究尚属新兴技术。 i 3 数控系统体系结构的选择 大连理t 大学硕士论文第一章引言 1 3 1 专用封闭式结构的缺点 计算机数控( c n c ) 系统作为制造形状复杂、高质量、高精度产品所必备的 基础设备，已成为当今先进制造技术的一个重要组成部分。然而，现今市场上组 成c n c 系统( 以f a n u c ，s i m e n s 等为代表) 是专用的、封闭的体系结构。所谓 “专用”是指系统由专用硬件构成，母板、c p u 板、运动控制( m o t i o n c o n t r 0 1 ) 板及其体系结构( 总线、印刷电路板) 都与其他厂家的同类产品互不兼容。而所 谓“封闭”是指系统软件的封闭性，各数控系统生产厂商都不公开自己软件的 核心技术，也不支持统一的通讯协议，用户无法根据自己的经验和需要对数控 系统进行二次丌发，编写自己的应用软件模块并将其植入系统软件中，建立和 完善最适合用户需要的控制系统，而只能买来什么就用什么。整个数控系统缺 乏灵活性和可扩展性，给用户造成极大的不便。 虽然采用专用体系结构的数控系统具有结构简单、技术成熟、生产批量大、 成本低等优点，但是随着技术的进步，市场竞争的加剧，这种专用体系结构的数 控系统越来越暴露出其固有的缺陷。一方面，各控制系统间互连能力差，影响了 系统的相互集成，风格不一的操作方式以及专用件的大量使用，不但使用户培 训费用增加，还给数控设备用户( n c 系统的最终用户) 带来很多不便；另一方面 系统的封闭性使它的扩充和修改极为有限，造成数控设备制造商( n c 系统中间 用户) 对系统供应商的依赖，并难以将自己的专门技术、工艺经验集成入控制系 统并形成自己的产品特点，这将不利于提高主机产品的竞争力。此外，专用的 硬、软件结构也限制了系统本身的持续开发，使系统的开发投资大、周期长、 风险高、更新换代慢，不利于数控产品的技术进步。总之，数控系统的这一现状 已不能适应当今制造业市场变化与竞争，也不能满足现代制造业向信息化、敏 捷制造模式发展的需要。 1 3 2 开放式数控系统一c n c 开发的主流 ( 一) 开放式数控系统的概念 研究开放式数控系统的主要目的是解决变化频繁的需求与封闭控制系统 之间的矛盾，从而建立一个统一的可重构的系统平台，增强数控系统的柔性。通 俗地讲，开放的目的就是使n c 控制器与当今的p c 机类似，系统构筑于一个开放 的平台之上，具有模块化组织结构，允许用户根据需要进行选配和集成，更改或 扩展系统的功能迅速适应不同的应用需求，而且，组成系统的备功能模块可以 来源于不同的部件供应商并相互兼容。事实上，基于上述指导思想的开放式数 大连理丁大学硕士论文 第一章引言 控系统也符合i e e e 关于开放式系统的定义：能够在多种平台上运行，可以和其 他系统互操作，并能给用户提供一种统一风格的交互方式。根据这定义，开放 式数控系统应具有以下基本特征： ( 1 ) 可互操作性。通过提供标准化接口、通信和交互机制，使不同功能模块能以 标准的应用程序接口运行于系统平台之上，并获得平等的相互操作能力，协调 工作。 ( 2 ) 可移植性。系统的功能软件与设备无关，即应用统一的数据格式、交互模型、 控制机理，使构成系统的各功能模块可来源于不同的开发商，并且通过一致的 设备接口，使各功能模块能运行于不同供应商提供的硬件平台之上。 ( 3 ) 档次皆宜性。c n c 系统的功能、规模可以灵活设置，方便修改，既可以增加 硬件或软件构成功能更强的系统，也可以裁减其功能以适应低端应用。 ( 4 ) 可互补性。指构成系统的各硬件模块、功能软件的选用不受单一供应商的 控制，可根据其功能、可靠性及性能要求相互替换，而不影响系统整体的协调运 行。 ( 二) 开放途径 錾粉咎 并救磊晓开放体蕊 攘心播口结掏 鬯哿e j 刊。中 m n 鼯c = = = j i 口三。上磊j i 叶忏刊 控制 一垃主h 内1 疰层 l 图卜2控制系统的开放途径 f i g 1 2a p p r o a c h e st oi m p l e m e n tt h eo p e nc n c 如何使传统的专用型封闭式系统走向开放，不同的系统开发商及研究机构 对此提出了一些解决方案。按开放的层次不同可分3 种途径，它们的开放层次 不同，难度不等，获得的开放效果也相差很大。如图1 - 2 所示，虚线将控制系统 划分为人机控制( m a n m a c h i n ec o n t r o l ，删c ) 层和控制内核层两个层面。其中 控制内核是c n c 系统完成实时加工过程调度和控制的核心部分，一般和系统实 时性相联系。3 种方式就是基于对这两个层面开放的不同处理来区分的。 ( 1 ) 开放人机控制接口 人连理工大学硕十论文 第一章引吉 这种方式允许开发商或用户构造或集成自己的模块到人机控制接口 ( m a n m a c h i n e i n t e r f a c e ，m m i ) 中。这一手段为用户提供灵活制定适用于各自 特殊要求的操作界面和操作步骤的途径，一般使用于基于p c 作为图形化人机 控制界面的系统中。 ( 2 ) 开放系统核心接口 此方式除了提供上述方式的开放性能外，还允许用户添加自己特殊的模块 到控制核心模块中。通过开放系统的核心接口，用户可按照一定的规范将自己 特有的控制软件模块加到系统预先留出的内核接口上。 ( 3 ) 开放体系结构 开放体系结构的解决方案是一种更彻底的开放方案。它试图提供从软件到 硬件，从人机操作界面到底层控制内核的全方位开放。人们可以在开放体系结 构的标准及一系列规范的指导下，按需配置成功能可繁简、性能可高低、价格 可控制、不依赖于单一卖方的总成系统。从实现方法上，p c n c ( 个人计算机数 控) 是目前比较现实的n c 开放化的途径。也就是在p c 机硬件平台和操作系统 的基础上，使用市售的软件和硬件插卡，构造出数控系统功能。但是，现有p c 的操作系统缺乏实时性，可靠性尚有待提高。p c n c 主要可归纳为3 种：n c 板插 入到p c 中、p c 板插入n c 装置中、软件n c 。n c 板插入p c 中的形式，就是将运 动控制板或整个c n c 单元( 包括集成的p l c ) 插入到个人计算机的扩展槽中。p c 机作非实时处理，实时控制由c n c 单元或运动控制板来承担，这种方法能够方 便地实现人机界面的开放化和个性化，即上述第1 层次的开放；在此基础上， 借助于所插入n c 板的可编程能力，能部分实现系统核心接口的开放，即上述第 2 层次的开放。p c 板插入n c 中这一形式，主要为一些大型c n c 控制器制造商所 采用。其原因有两方面：一是许多用户对他们的产品很熟悉，也习惯使用；另一 方面是控制器制造商不可能在短时间内放弃他们传统的专用c n c 技术。因此， 才出现了这种折中方案，其做法就是在传统的c n c 中提供p c 前端接口，使其具 有p c 处理的柔性。显然，这种系统的n c 内核保持了原有的封闭性，故只能实 现上述第l 层次的开放。所谓软件n c ，是指n c 系统的各项功能，如编译、解释、 插补和p l c 等，均由软件模块来实现。这类系统借助现有的操作系统平台( 如 d o s ，w i n d o w s 等) ，在应用软件( 如c ，c + + ，v i s u a lc + + ，v i s u a lb a s i c 等) 的支 持下，通过对n c 软件的适当组织、划分、规范和开发，可望实现上述各个层次 的开放。应该指出，将开放系统的概念引入c n c 系统的发展需求中，表明系统走 向丌放的条件日趋成熟。然而，具有开放系统特征的开放体系结构c n c 系统仍 大连理t 大学硕士论文 第一章引言 处在成长期，有关开放体系结构c n c 系统科学、明确的定义及相应的规范标准 尚处在进一步的发展完善中。 1 3 ，3 小结 采用开放式控制系统结构对数控系统的生产厂家和用户都有好处。对于控 制系统生产厂家，他们可在共同的标准平台上建立广泛的合作，实现协作式开 发，大大缩短了系统的开发周期，降低了成本，增强了产品竞争力；对于机床生 产厂，不仅可以根据需要配置最合适的控制系统，还可将自己独特的软件集成 到系统控制器，形成自己的产品特色；最终用户可以说是开放式控制系统的最 大受益者，他们可以最大限度地按照自己的需要选择产品，配备合适的功能部 件，实现系统的集成和扩展，同时，开放也使系统的操作、维护更为方便。此外， 控制器的结构开放性也为数控技术能持续不断地吸收日新月异的计算机硬软 件最新成果创造了条件，有利于数控产品自身的更新换代，提高性能，增强竞争 力。这也正是开放式n c 控制器之所以被各发达国家视为重要的战略技术、纷 纷投入研究的重要原因。 本论文跟随数控系统开发的趋势，采用开放式体系结构，将n c 板插入到 p c 中，根据本课题的要求开发了一个p c b a s e d 数控系统，大大缩短了数控系 统的开发周期。 1 4 课题的主要工作 本课题是国家自然科学基金项目数控超声波成型加工三维型面陶瓷工件 的基础研究的子课题，主要任务是开发超声波旋转工具分层铣削机床的数控 系统。在研究陶瓷材料超声旋转加工机理之后。依据快速原型制造( r p m ) 的分 层制造思想，提出了超声波旋转工具分层铣削加工工程陶瓷的加工方法，据此 开发出一套2 5 轴的数控加工系统，实现超声波加工工程陶瓷的数字化控制。 本课题的工作具体体现在以下几个方面： 研究超声波旋转工具数控铣削加工的原理。 2 5 轴数控系统总体方案的设计。 系统硬件的设计。 数控系统软件的设计。 数控系统调试。 大连理工火学硕士论文 第二章超声波旋转工具分层铣削加工的原理 第二章超声波旋转工具分层铣削加工的原理 2 1 超声波旋转加工 目前，常用的超声波加工有两类：传统超声波加工和旋转超声波 加工。传统超声波加工是利用磨粒对工件的冲击进行加工的。含有磨 粒( 通常为立方氮化硼或碳化硅) 的磨料悬浮液输入到工具和工件表 面之间，工具以约2 0 k h z 的频率振动，磨粒在工具的振动下高速冲击 工件表面，导致工件表面被冲击处的微小体积材料碎裂脱落，这样就 得到了与工具表面相反的工件表面外形。它的缺陷在于：随着加工深 度的增加，磨料悬浮液要进入到工具与工件表面之间变得越来越困难， 加工效率随之降低：另外，随着磨料悬浮液的流动，孔径变大，孔加 工精度降低。旋转超声波加工( r u m ) 是在传统超声波加工的基础上发 展起来的，它与传统超声波加工不同之处在于：工具在作超声振动的 同时附加了旋转运动。这种加工方法与传统超声波加工相比，具有以 下优点：( 1 ) 加工速度快；( 2 ) 加工精度高；( 3 ) 工具磨损小；( 4 ) 对加工 材料的适应性广。 2 1 1超声波旋转加工机理 1 换能器2 变幅杆3 圆柱型工具 4 磨料混合液5 工件 图2 - l超声波旋转加工示意图 大连理t 大学硕士论文 第二章超声波旋转工具分层铣削加工的原理 本文介绍的是带磨料的超声旋转加工，下面以圆柱型工具加工工 艺为例，说明超声波旋转加工的机理，加工示意图如图2 1 所示， 圆柱型工具在加工工件时以恒定的压力作用于工件之上。工具做旋转 运动( 转速范围o - - 5 3 0 0 转分) ，同时在超声波换能器作用下做高频 ( 一 2 0 k h z ) 振动。 些研究人员已对传统超声波加工机理进行了大量研究，认为材 料去除的原因主要有：( 1 ) 在工具超声振动的作用下，磨粒对工件表 面的直接锤击；( 2 ) 高速磨粒对工件表面的冲击；( 3 ) 磨料悬浮液的空 化作用对工件表面的侵蚀。 超声波旋转加工的机理与传统超声波加工有很大不同。工具在以 0 0 l 0 0 2 m m 振幅振动的同时，还以一定的速度旋转。这就迫使工具 中的磨粒以很高的速度和加速度不断地冲击和划擦工件表面，把工作 区的材料粉碎成很小的微粒，并从工件上去除。图2 2 为超声波旋转 加工后某玻璃试件的表面微观组织。 图2 2超声波旋转加工后试件的表面微观组织 f i g 2 - 2m i c r o s t r u c t u r e so fw o r k p i e c es u r f a c e a f t e rr o t a r yu l t r a s o n i cm a c h i n i n g 从图2 2 中可以看出，由于工具的冲击和旋转，磨粒在工件表面的 不同位置上冲击出小坑，没有规律的微观小坑组成了宏观的有规律的 圆弧。 试验表明：在加工过程中，单纯的工具旋转或垂直振动对材料的去 除效果都比较差，而将二者组合之后，情况有很大改观。因此，有理由 大连理工大学硕士论文第二章超声波旋转工具分层铣削加工的原理 把材料去除的机理假设为：( 1 ) 锤击( 在超声振动冲击下的压痕和碎 裂) ；( 2 ) 磨蚀( 由于工具的旋转，嵌入工件表面的磨粒在工件表面上划 擦导致工件材料的去除) ：( 3 ) 抛磨或称撕扯作用( 由超声振动和工具 旋转运动的同时作用产生的) 。超声波旋转加工机理示意图见图2 - 3 。 躲 i 聃 南篡 由i 鼬 ( a ) 锤击( b ) 磨蚀 ( c ) 抛磨 图2 - 3 超声波旋转加工机理示意图 f i g 2 - 3m a c h i n i n gm e c h a n i s md i a g r a m o fr o t a r yu l t r a s o n i cm a c h i n i n g 2 2 超声波数控分层铣削加工 2 2 1 超声波分层铣削加工 图2 4 传统超声波加工原理 f i g 2 - 4p r i n c i p l eo ft r a d i t i o n a l u l t r a s o n i cm a c h i n i n g 压力传礤器 图2 - 5 超声波分层铣削加工原理 f i g 2 5p r i n c i p l eo fu l t r a s o n i c l a y e r e dm i l l i n gm a c h i n i n g 传统超声加工可以加工较复杂的型腔，但由于它需要制作与被加 大连理t 大学硕士论文 第二章超声波旋转工具分层铣削加工的原理 工型腔凸凹相反的工具，如图2 4 所示，所以工具制作非常复杂、并 且加工时工具磨损严重会导致成形精度差。当加工面积和深度大时， 由于悬浮磨料在加工间隙内分布不均匀，导致加工表面完整性不好，严 重限制了超声波加工技术在复杂型腔工程陶瓷零件加工中的应用。长 期以来，人们一直试图采用各种办法来减小超声加工中的工具磨损，提 高加工精度和效率，但由于影响工具损耗的因素众多，且工具各部分的 损耗是不均匀的，使得工具损耗具有较大的不确定性。 针对传统超声加工三维型腔工件中存在的成形精度差、工具磨损 严重等问题，基于快速原型制造分层制造的思想，并结合超声旋转加 工的优点，我们提出一种利用简单工具超声分层铣削加工三维陶瓷工 件的新技术，如图2 5 所示。 ( a ) 直角底端面工具加工示意图 ( b ) 带有倒角底端面工具加工示意图 图2 - 6 两种不同底端面工具加工示意图 f i g 2 - 6m a c h i n i n gs k e t c hm a po f t w ok i n do ft o o lw i t hd i f f e r e n tb o t t o ms e c t i o n 需要特别指出的是：在图2 - 5 中的加工工具底端面需要倒角，如 果是直角，那么只能在z 轴方向加工，而不能在x 、y 平面内走刀。 现以图2 - 6 来说明加工工具底端需要倒角的原因。如图2 6 所示，如 果采用直角底端面工具加工，就会出现图2 - 6 ( a ) 中所示的加工干涉区， 这将会使工件和或工具损坏。丽采用图2 - 6 ( b ) 中带有倒角底端面的 工具进行加工则不会出现这种情况。 本论文采用如下的加工模式和补偿策略： ( 1 ) 采用类似快速成形的分层加工模式。使工具的损耗补偿在每层内进 行。 ( 2 ) 合理优化加工路径，使工具端面损耗均匀一致，完成每一层加工后， 人连理工大学硕士论文第二章超声波旋转工具分层铣削加工的原理 工具端面仍然保持平面形状。 2 2 2超声波分层铣削数控机床组成及加工原理 图2 7 超声波分层铣削数控机床组成原理图 f i g 2 7c o m p o s i n gp r i n c i p l ed i a g r a mo fu l t r a s o n i c l a y e r e dm i l l i n gn cm a c h i n et o o l 超声波分层铣削数控机床原理图如图2 7 所示。加工工具采用简 单形状工具，如截面为圆形、方形、管状等，象铣刀一样在数控机床上 实现三维型腔的加工。机床本体采用数控立式铣床的框架结构，x 、y 轴都采用交流伺服电机驱动，精密滚珠丝杠螺母传动，x 、y 轴联动使工 作台带动工件完成x 、y 平面的加工轨迹。另一台交流电动机驱动换能 器、变幅杆、工具头作整体旋转运动，z 轴伺服电机驱动旋转电机、换 能器、变幅杆、工具头一起作z 向进给运动。x 、y 、z 三轴伺服电机 由插在计算机扩展槽内的p c l 一8 3 2 三轴伺服电机驱动卡控制。借助压 力传感器实时检测工具和工件间的加工压力，并以压力信号对z 轴实 人连理工大学硕士论文第二章超声波旋转工具分层铣削加工的原理 现恒定加工压力的反馈控制。伺服电机光电编码器反馈的位置信号与 压力传感器反馈的信号，使整个主轴系统构成半闭环控制。当压力传感 器的检测值比加工压力的预先设定值小时，z 轴跟据偏差值向下进给微 小位移使加工压力达到设定值：如果加工中检测压力值大于设定值，z 轴根据偏差值回退微小位移使加工压力达到设定值，通过循环的压力 反馈、数值比较以及控制进给实现z 轴的在线补偿，从而保证加工精 度。 超声波分层铣削数控机床采用分层去除的加工思想，分层去除加 工的c a m 软件采用清华大学快速激光成型机的l a r k 9 7 ，即先利用在 商用c a d 系统上设计出的三维零件模型( 实体或曲面形式) ，然后将 其外表面用小三角平面离散化。每个平面由其三个顶点和一个指向体 外的向量来描述。得到的数据为分层制造中常用的s t l 文件。此c a m 软件对离散化的三维零件模型进行处理，生成一个含有一系列切片信 息的数据文件，该文件名的后缀为c l i ，超声波分层铣削加工数控系 统按照该数据文件进行走刀，就可以加工出具有三维复杂型面的工程 陶瓷零件。该c a m 软件能与商用c a d 软件产生的三维模拟型面的s t l 格式文件兼容，具有分层切片、工具轨迹优化和加工参数智能选取等 功能，利用c a m 软件对离散化后的实体模型进行切片，厚度一般是 o 1 3 - 0 7 6 m m ，生成的数据文件中描述的是带有不同高度层面的二维走 刀信息。 改变超声波成型加工时复杂型面工具为形状简单的圆柱形工具，在 计算机控制下，利用c n c 程序，在x 、y 平面内实现二维轮廓加工， 在z 轴方向上实现逐层进给，把复杂型面的成型加工转变为逐层去除 加工。这样，工具与工件问的加工发生在工具的端面，把三维的工具 磨损和补偿问题转变为二维平面内的轮廓加工和z 方向上的工具磨损 和补偿问题。只要在加工过程当中，实时补偿z 轴方向上工具的磨损， 就可以实现工具的合理补偿。通过优化加工路径，可以提高加工的效 率。 2 2 3 超声波分层铣削数控加工的优点及难点 ( 一) 超声波分层铣削数控加工的优点 大连理工大学硕士论文第二章超声波旋转工具分层铣削加工的原理 由于超声波加工过程极其复杂，影响其加工效率的因素很多，尤 其对于成型加工，其工艺规律的研究十分困难。而超声数控分层铣削 加工可以对传统成型加工有困难、甚至无法加工的工件进行加工。采 用简单工具分层加工的策略实现复杂型面的超声波加工，将有很大的 理论和实践意义。首先，每层厚度很小，使工具磨损只产生在端面， 极大地简化了工艺过程，佼工艺规律的建模变得简单可行。同时，由 于工具损耗的补偿是在每一平面层的加工过程中进行的，也简化了数 控工具补偿的难度，从而有效地保证加工过程的可控性和被加工工件 的精度。而且，借助测力传感器实现加工压力的稳定控制，并可根据 z 轴坐标在线检测结果，控制x 、y 轴联动。此外，利用电火花混粉 加工的工作液循环装置实现超声波加工中的工作液循环，以保证加工 间隙悬浮工作液均匀。 ( 二) 超声波分层铣削数控加工的难点 用简单工具( 如圆柱形) 像铣刀一样进行超声成形加工，其关键是 工具损耗的在线补偿和控制技术。此外，需要大量的工艺实验研究各种 工艺参数( 重点包括简单工具尺寸、分层厚度、加工压力、工具运动轨 迹等) 对工具损耗的影响规律，在此基础上建立简单工具轴向补偿的数 学模型。分层厚度对成形精度的影响很大，这种分层加工方式不可避免 地会使型腔轮廓出现阶梯效应，分层厚度越小，加工精度越高，但会使 加工效率降低。超声分层铣削加工是一种新技术，其最佳分层厚度、工 具轨迹、最佳加工压力等工艺参数的确定及其对工具磨损、材料去除 率等的影响还有待于进一步的实验研究。 2 2 4 超声波分层铣削数控机床加工的实现途径 从对超声波分窿铣削加工工艺的分析可以知道它对数控机床要求 的运动为：主轴的旋转运动，x 、y 平面内工作台( 或工具) 的两轴联 动，z 轴方向上的进给运动，实质上是一台2 5 轴联动数控机床。传统 的超声波加工中，工件和工具问的加工压力是靠工具头的自重和滑轮 机构的配重来调整，加卸载梯度大，且不能在线控制：利用现代控制 技术，完全可以做到对加工压力的实时检测和控制，将有力消除压力 不可精确控制对加工的影响。本文使用电阻应变式测力传感器将之 大连埋工大学硕士论文第二章超声波旋转工具分层铣削加工的原理 置于被加工工件底下测量工具和工件之间的稳态加工压力，利用数据 采集卡p c l 8 1 8 l 采集压力传感器送来的数据，经处理后送往p c 机， p c 机将此压力信号与数控系统设定的压力值进行比较，产生一个偏差 信号，伺服系统依据此偏差信号来调节z 轴的微位移，使工具和工件 之间的加工压力趋近于数控系统设定的压力值。通过这样的反馈控制 方式，数控系统就能实现工具和工件之闻以稳定压力值进行加工，此 外，这种控制方式还能消除由于工具加工损耗对加工精度的影响。因 为工具损耗将会使工具和工件之间的压力值减小，伺服系统将驱动z 轴工具向工件微进给，使工具和工件的加工压力达到设定的压力值， 这样z 轴的微迸给就补偿了工具的损耗，使工件的加工精度得到保证。 数控机床在加工压力得到实时控制的条件下，从第一层开始，z 轴由上到下向工件进给一个加工层面厚度的位移，然后