一种数控机床的超声波主轴设计

潘喜利 孙小芳

摘要：本项目涉及的是一种数控机床的超声波主轴设计。首先介绍了项目的简介，然后提出了电气配置，并通过系统设计和电气设计介绍了设计方案，最后介绍了项目的应用前景和意义。

关键词：超声波主轴;华中数控系统;纸基蜂窝芯材料

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）10-0027-01

目前用于纸基蜂窝芯材料的加工主要使用超声波数控设备，而该设备目前只能靠进口，国内还没有厂家生产。本次项目即基于华中数控系统进行了一种数控机床的超声波主轴设计，解决了超声波数控设备设计的核心问题[1]。

1 项目简介

现有美国辛辛那提公司生产的1台型号为5AHP高速五轴龙门铣床，为满足企业用户加工纸基蜂窝芯材料的要求，要求通过数控机床改造后增加超聲波主轴切削功能，用于纸基蜂窝芯材料的加工。项目设计安装超声波主轴加工模式的系统软件，通过开机来选择该加工模式，选择超声波主轴加工时，满足超声波主轴对纸基蜂窝芯材料加工的要求，并具备尖直刀和圆刀两类刀具的切换和控制功能[2]。

2 电气配置

（1）采用国产华中HNC-848C/M数控系统进行电气控制系统升级改造。6轴6联动、双轴同步、RTCP功能、15寸TFT彩色显示屏、带USB接口、R232接口和网络功能。（2）数控系统采用华中HPW-145U型电源供电。可提供DC24V电源，支持AC220V输入电源掉电报警信号，提供UPS功能。（3）主轴系统采用HSV-160US-050超声波主轴驱动。（4）选配杭州电子科技大学研发的一套超声波主轴电气控制系统。

3 设计方案

3.1 系统设计

通过数控系统的R232通讯口与超声波发生器实现485协议方式通讯，将超声波加工工艺指标纳入数控系统控制。通过数控系统对超声波的启停、故障处理、频率、振幅、电压、电流、功率、温度等进行实时控制，以达到最佳加工效果。并通过系统的软件二次开发，在数控系统上增设超声波加工界面，用于超声波发生器状态监控与参数标定[3]。

3.2 电气设计

超声主轴模块内部包含压电换能器、变幅杆、刀具等声学系统，还包含气电滑环部件，主要实现电信号转换刀具的振动。另外，超声主轴内置电主轴电机，主要实现尖刀角度的控制或圆片刀旋转运动。

项目将原先的铣削主轴头更换为超声切削主轴，并升级电气及控制系统，从而实现蜂窝芯结构零件的超声切削加工。主轴电气连接设计如图1所示，项目设计采用数控系统控制驱动模块，驱动模块直接控制超声波主轴的内置电机，并处理超声波主轴的内置电机编码器的反馈信号，实现零件曲面成型的位置运动控制[4]。

（1）超声波主轴伺服电机编码器反馈;（2）超声波主轴伺服电机动力输出;（3）超声波主轴系统与数控系统485通讯;（4）超声输出到主轴;（5）超声控制输出;（6）超声数据回检;（7）超声控制电源。

如图1所示，项目设计采用数控系统控制超声波电气柜，通过超声波电气柜控制超声波发生器，然后超声波发生器将约20KHz高频电压信号传输给超声主轴中的换能器，从而驱动超声主轴变幅杆和刀具，实现主轴的振动切削控制。

为防止干扰，将超声波发生器远离数控装置进行安装，并将干扰源采取隔离、屏蔽措施，确保系统正常运行[5]。

4 结语

数控机床的超声波主轴设计，是一次新的探索，也是超声波主轴在国内数控系统中应用的一次突破。我们将随时跟踪和掌握设备运行中的各种状况和信息，不断完善设备的加工性能，优化系统参数，为今后同类设备的更完美改造打下良好的基础。

参考文献

[1] 马中秋.可更换刀具超声波切割主轴的研制[D].杭州电子科技大学，2014.

[2] 肖健雄.蜂窝材料数控超声波机床结构优化设计[D].杭州电子科技大学，2013.

[3] 沈莹镔.尖形切割刀超声波声学系统研究[D].杭州电子科技大学，2013.

[4] 张明.一种超声波振动钻床主轴设计[J].制造技术与机床，1999（8）：22-23.

[5] 冯晓艳，刘军，包文财.超声波探伤机主轴结构分析及工作原理[J].包钢科技，2015（05）：13-15.