2 超聲切割振動系統(tǒng)
 
　　超聲切割振動系統(tǒng)主要由超聲換能器丽优、超聲變幅桿歹恬、切割刀片。其中手趣，超聲換能器的作用是將電信號轉(zhuǎn)換為聲信號晌该；變幅桿是超聲加工設(shè)備中的一個重要組成部分。它主要有兩個作用：（1）聚能作用——即將機(jī)械振動位移或速度振幅放大绿渣，或者把能量集中在較小的輻射面上進(jìn)行聚能朝群；（2）有效地將聲能傳遞給負(fù)載——作為機(jī)械阻抗的變換器，在換能器和聲負(fù)載之間進(jìn)行阻抗匹配中符，使超聲能量由換能器更有效地向負(fù)載傳輸姜胖。
 
　　本系統(tǒng)采用的超聲變幅桿和切割刀片的組合形式，如圖2所示淀散，為了獲得較大的振幅放大倍數(shù)（ Am ）右莱，采用階梯形變幅桿；為了改善或減弱截面突變處的應(yīng)力集中档插，在截面突變處采用圓弧過渡方式慢蜓。
 
　　（1）切割刀片尺寸的影響郭膛。通過變換不同長度與寬度的切割刀片（厚度不變）與換能器進(jìn)行匹配晨抡，在有限元分析下得出隨著刀片長度的增加，整體固有頻率下降的規(guī)律芳倒，且下降的規(guī)律基本呈線性變化领明；而刀片寬度變大時，整體固有頻率也下降, 且下降趨勢更大一些姓赂。另外袋凶，隨著刀片長度的增加，超聲變幅桿和切割刀片組合后的放大倍數(shù)（ Am） 呈上升趨勢痢腋；隨著刀片寬度的降低弦捶，放大倍數(shù)略有上升。因此可以選取合適的長度與寬度調(diào)整整體固有頻率和振幅放大系數(shù)二场。
 
　〉吃摇（2）切割刀片材料的影響。
 
　　切割刀片材料的改變必然對組合體的聲學(xué)參量產(chǎn)生一定的影響缤棍。為了研究材料性質(zhì)的影響而又不失實(shí)用性莉狠，選取的刀片材料分別為硬質(zhì)合金和鋁。通過有限元方法分析了刀片材料對整體超聲性質(zhì)的影響衅快，由模擬結(jié)果可以得出堪俩，選擇硬鋁為切割刀片材料對組合體的固有頻率影響很小般甲；材料為硬質(zhì)合金時肋乍，固有頻率變化范圍很大鹅颊。從振幅放大倍數(shù)的有限元分析結(jié)果來看，材料性質(zhì)的改變對振幅放大倍數(shù)影響不大墓造。
 
　　切割刀片的加入使得整體的固有頻率下降堪伍，為了與超聲振子的頻率匹配，提高超聲變幅桿的固有頻率可以減小乃至抵消加入切割刀片引起的頻率下降觅闽。通過實(shí)驗(yàn)分析出結(jié)果與模擬的結(jié)果十分接近帝雇。
 
　　3 超聲切割機(jī)械裝置
 
　　超聲波切割機(jī)械裝置包括驅(qū)動系統(tǒng)、氣動控制選項和機(jī)械平臺谱煤，主要完成切割壓力的施加摊求、切割深度的精確定位禽拔、切割速度的控制和切割工件的固定等幾項功能刘离。超聲切割試驗(yàn)中極限切割速度是一個非常重要的指標(biāo)，是在有限的行程中獲得一段勻速切割行程睹栖，必須提高機(jī)械裝置速度控制的動態(tài)特性硫惕。系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動部件，THK精密滾珠絲杠導(dǎo)軌副為傳動器宜切，切割速度可達(dá)10m/min察贵。為了滿足工藝需求，切割裝置安裝在五軸龍門式機(jī)床的鋪帶頭上（圖3）孤咏，其中五軸聯(lián)動以滿足曲面鋪帶的基本要求旋喊，而切割系統(tǒng)由切割橫向進(jìn)給軸、切刀旋轉(zhuǎn)軸和切刀軸向進(jìn)給軸組成山刨。切割系統(tǒng)根據(jù)切割模式可以隨動于龍門定位平臺哲陷。

該機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)由工控機(jī)（IPC）、可編程多軸控制器（Programmable Multi-Axis Controller, PMAC）随港、開關(guān)量控制板卡（PCL-725,PCL-730）墙议、I/O接口、伺服驅(qū)動裝置和電源驅(qū)動裝置組成溃登。作為數(shù)控系統(tǒng)的核心, 工控機(jī)負(fù)責(zé)整個控制系統(tǒng)的信息處理與后臺操作久挖，并向各下位機(jī)發(fā)出命令, 協(xié)調(diào)運(yùn)動量與開關(guān)動作量的聯(lián)合操作。運(yùn)動控制器接收上位機(jī)的控制指令犬捧，以此控制各軸電機(jī)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工歹对。本系統(tǒng)采用美國DELTA TAU公司專門開發(fā)的PMAC作為運(yùn)動控制單元，它使用的CPU是Motorola公司的DSP56001/56002數(shù)字信號處理器（40MHz）强重，可同時控制8個運(yùn)動軸同步實(shí)現(xiàn)聯(lián)動绞呈。除了能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)行程序外，還能監(jiān)控PLC后臺程序竿屹，兩者由于時序不同并不相互沖突报强。在執(zhí)行運(yùn)動程序之前灸姊，PMAC必須對運(yùn)動性指令和非運(yùn)動性指令進(jìn)行預(yù)先計算, 從而協(xié)調(diào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動。

超聲切割試驗(yàn)
 
　　在鋪放過程中秉溉，碳纖維預(yù)浸帶與一層背襯紙粘合在一起力惯，背襯紙起導(dǎo)向作用。切割過程中要求只能切斷預(yù)浸帶召嘶，不能切斷導(dǎo)向作用的背襯紙父晶，而本試驗(yàn)中碳纖維預(yù)浸帶的厚度是0.12mm，背襯紙的厚度也只有0.1mm弄跌，這就導(dǎo)致用傳統(tǒng)方法很難將切割深度始終控制在0.1mm左右甲喝，無法實(shí)現(xiàn)既將預(yù)浸帶切斷而又不傷及背襯紙。該系統(tǒng)利用超聲波在變幅桿輸出端的振幅及精密軸進(jìn)行定位铛只，使振幅和切割深度控制在要求的范圍之內(nèi)贵本，保證背襯紙不被切斷。同時尸校，在切割過程中由于頻繁的振動使得切割刀頭的溫度迅速上升穴愕，進(jìn)而影響切割質(zhì)量，甚至?xí)尦暟l(fā)生器報警中斷輸出替程。為此渗蜀，在切割頭上加入風(fēng)冷裝置來冷卻切割刀頭。
　　為了解自動鋪帶過程中風(fēng)冷時間對專用超聲切割系統(tǒng)穩(wěn)定性能的影響撕陈，自行設(shè)計物理仿真試驗(yàn)平臺历喊，模擬自動鋪帶機(jī)超聲切割的工作狀態(tài)，如圖4所示生凯。該簡易平臺具有橫向移動軸1個法竭，旋轉(zhuǎn)軸1個，橫向移動軸實(shí)現(xiàn)切割運(yùn)動方向的進(jìn)給危劫，旋轉(zhuǎn)軸是為了模擬鋪帶頭在不同旋轉(zhuǎn)角度下的切割效果彭旬。

在該物理平臺上，我們設(shè)計了3個實(shí)驗(yàn)來逐步研究容诬。首先娩梨，保持超聲切刀連續(xù)間歇性運(yùn)行，其過程如下：超聲切刀下降览徒，超聲切刀啟動狈定，快速切割至預(yù)浸帶另一側(cè)，后抬起切刀习蓬，關(guān)閉超聲切刀纽什；立刻再次下降切刀，使超聲切刀啟動躲叼，快速返回至原來一側(cè)芦缰，關(guān)閉切刀企巢，并抬起。此過程中包含兩次切割過程让蕾，如此往復(fù)切割10次后停止浪规。待切割刀頭溫度經(jīng)風(fēng)冷降下后再旋轉(zhuǎn)45°、90°分別切割探孝。連續(xù)切割次數(shù)和冷卻時間如表1所示

　在不同角度切割下笋婿，通過精密軸定位，使切刀振幅和切割深度控制在要求的范圍之內(nèi)迈堂，進(jìn)而控制預(yù)浸帶兩端的切割深度一致并保證不切斷背襯紙列啃。在單次連續(xù)切割過程中，為了解切刀溫度上升對超聲切割系統(tǒng)的影響耀佣，對超聲電源工作的頻率和功率變化進(jìn)行了試驗(yàn)分析屉馋，變化趨勢如圖5和圖6所示。

由圖中可看出拂是，在連續(xù)切割次數(shù)不多的情況下酬裆，電源頻率與電源功率隨切割次數(shù)的增加呈單調(diào)變化辟侠；雖然單次連續(xù)切割次數(shù)只有10次逃缔，但是切割后測得的切割刀頭平均溫度已上升至57.5℃。由此可見眨柑，電源頻率隨切割刀頭的溫度上升單調(diào)下降泄廓，而電源功率隨切割刀頭的溫度上升單調(diào)上升，并且該溫度還在電源工作接受范圍內(nèi)坪腔，不會引起電源報警輸出权浸。