一種數控機床的超聲波主軸設計

潘喜利 孫小芳

摘要：本項目涉及的是一種數控機床的超聲波主軸設計。首先介紹了項目的簡介，然后提出了電氣配置，并通過系統設計和電氣設計介紹了設計方案，最后介紹了項目的應用前景和意義。

關鍵詞：超聲波主軸;華中數控系統;紙基蜂窩芯材料

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）10-0027-01

目前用于紙基蜂窩芯材料的加工主要使用超聲波數控設備，而該設備目前只能靠進口，國內還沒有廠家生產。本次項目即基于華中數控系統進行了一種數控機床的超聲波主軸設計，解決了超聲波數控設備設計的核心問題[1]。

1 項目簡介

現有美國辛辛那提公司生產的1臺型號為5AHP高速五軸龍門銑床，為滿足企業用戶加工紙基蜂窩芯材料的要求，要求通過數控機床改造后增加超聲波主軸切削功能，用于紙基蜂窩芯材料的加工。項目設計安裝超聲波主軸加工模式的系統軟件，通過開機來選擇該加工模式，選擇超聲波主軸加工時，滿足超聲波主軸對紙基蜂窩芯材料加工的要求，并具備尖直刀和圓刀兩類刀具的切換和控制功能[2]。

2 電氣配置

（1）采用國產華中HNC-848C/M數控系統進行電氣控制系統升級改造。6軸6聯動、雙軸同步、RTCP功能、15寸TFT彩色顯示屏、帶USB接口、R232接口和網絡功能。（2）數控系統采用華中HPW-145U型電源供電。可提供DC24V電源，支持AC220V輸入電源掉電報警信號，提供UPS功能。（3）主軸系統采用HSV-160US-050超聲波主軸驅動。（4）選配杭州電子科技大學研發的一套超聲波主軸電氣控制系統。

3 設計方案

3.1 系統設計

通過數控系統的R232通訊口與超聲波發生器實現485協議方式通訊，將超聲波加工工藝指標納入數控系統控制。通過數控系統對超聲波的啟停、故障處理、頻率、振幅、電壓、電流、功率、溫度等進行實時控制，以達到最佳加工效果。并通過系統的軟件二次開發，在數控系統上增設超聲波加工界面，用于超聲波發生器狀態監控與參數標定[3]。

3.2 電氣設計

超聲主軸模塊內部包含壓電換能器、變幅桿、刀具等聲學系統，還包含氣電滑環部件，主要實現電信號轉換刀具的振動。另外，超聲主軸內置電主軸電機，主要實現尖刀角度的控制或圓片刀旋轉運動。

項目將原先的銑削主軸頭更換為超聲切削主軸，并升級電氣及控制系統，從而實現蜂窩芯結構零件的超聲切削加工。主軸電氣連接設計如圖1所示，項目設計采用數控系統控制驅動模塊，驅動模塊直接控制超聲波主軸的內置電機，并處理超聲波主軸的內置電機編碼器的反饋信號，實現零件曲面成型的位置運動控制[4]。

（1）超聲波主軸伺服電機編碼器反饋;（2）超聲波主軸伺服電機動力輸出;（3）超聲波主軸系統與數控系統485通訊;（4）超聲輸出到主軸;（5）超聲控制輸出;（6）超聲數據回檢;（7）超聲控制電源。

如圖1所示，項目設計采用數控系統控制超聲波電氣柜，通過超聲波電氣柜控制超聲波發生器，然后超聲波發生器將約20KHz高頻電壓信號傳輸給超聲主軸中的換能器，從而驅動超聲主軸變幅桿和刀具，實現主軸的振動切削控制。

為防止干擾，將超聲波發生器遠離數控裝置進行安裝，并將干擾源采取隔離、屏蔽措施，確保系統正常運行[5]。

4 結語

數控機床的超聲波主軸設計，是一次新的探索，也是超聲波主軸在國內數控系統中應用的一次突破。我們將隨時跟蹤和掌握設備運行中的各種狀況和信息，不斷完善設備的加工性能，優化系統參數，為今后同類設備的更完美改造打下良好的基礎。

參考文獻

[1] 馬中秋.可更換刀具超聲波切割主軸的研制[D].杭州電子科技大學，2014.

[2] 肖健雄.蜂窩材料數控超聲波機床結構優化設計[D].杭州電子科技大學，2013.

[3] 沈瑩鑌.尖形切割刀超聲波聲學系統研究[D].杭州電子科技大學，2013.

[4] 張明.一種超聲波振動鉆床主軸設計[J].制造技術與機床，1999（8）：22-23.

[5] 馮曉艷，劉軍，包文財.超聲波探傷機主軸結構分析及工作原理[J].包鋼科技，2015（05）：13-15.