一种基于主轴的超声波发生器电路设计

潘喜利 段玉成

摘要：本項目涉及的是一种基于主轴的超声波发生器电路设计。该电路适用于数控加工设备中采用超声波发生器与数控机床连接的实现。首先介绍了项目的需求，然后提出了电气设计原理和具体设计方案，并提供了电气原图，最后进行了总结。

关键词：超声波发生器;主轴;电路设计

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）12-0015-01

1 项目简介

目前国内用于纸基蜂窝芯材料加工的超声波数控设备，只能靠进口，价格在千万元人民币以上，国内还没有厂家生产。本项目涉及一种基于主轴的超声波发生器电路设计，满足超声波主轴对纸基蜂窝芯材料加工的要求;配置杭州电子科技大学研发的一套超声波主轴系统，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[1]。

2 电气原理设计

项目将原先的数控机床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。超声主轴发生器主要实现电信号转换刀具的振动，即实现尖刀角度的控制或圆片刀旋转运动;数控系统通过电气接口与超声发生器连接，实现电流电压温度监测，以及发生器启停、圆刀及直刀模式切换、高低功率切换输出等的控制[2-3]。

3 电气图设计

围绕超声发生器（超声电源）主要有4个电气接口，根据超声主轴功能需求，设计电气接口图如图1所示。图1右下角的单向交流供电接口，可以另外配以10A空气断路器及上电指示灯，主要提供发生器的基本电能及简单保护。

图1右上角的接口，主要用于数控系统输出控制超声发生器（超声电源）工作，便于数控系统集成（手动控制、MDI 控制及NC程序自动控制），数控系统需要提供4路继电器输出，分别控制发生器启停、圆刀及直刀模式切换、高低功率切换输出控制，端口说明：1.KM1继电器输出，≥2A，发生器启动/停止;2.KM2继电器输出，≥2A高/低功率切换;3.KM3继电器输出，≥2A，圆刀/直刀模式切换;4.KM4继电器输出，≥2A，预留扩展。

图1左上角的接口，主要用于数控系统获取超声发生器（超声电源）工作状态信息，便于数控系统集成（状态监测及简单阈值报警），数控系统需要提供6路数据采集端口。端口说明为：Y1：0-10V，约20hz模拟电压信号（预留），用于预留输入;Y2：0-10V，约20hz模拟电压信号（温度2），用于计算和显示功率管温度2;Y3：0-10V，约20hz模拟电压信号（温度1），用于计算和显示功率管温度1;Y4：0-10V，约50hz模拟电压信号（均电压），用于计算和显示刀具振幅;Y5：0-10V，约50hz模拟电压信号（均电流），用于计算和显示工作电流;Y6：0-24V，约20Khz方波电压信号（频率），用于计算和显示超声工作频率。

图1左下角的接口用于超声发生器与超声主轴的连接，将超声发生器的超声约20KHz高频电压信号传输给超声主轴中的换能器，从而驱动变幅杆和刀具振动切削。该接口电气特性为：工作频率约20KHz，电压等级310V，极数3线，最大电流10A。注意，传输线缆需要屏蔽处理[4]。

4 结语

该互锁逻辑控制电路工作时，通过拨动电柜上的钥匙开关来实现数控系统部分的切换，使其中某一种系统用于真实加工教学，另一种系统用于模拟仿真教学，从而实现两种不同数控系统的教学与生产的双重功效[5]。

参考文献

[1] 曾兴斌，张青波，翁正国，等.国内超声波技术的新进展[C]//2017年西安-上海声学学会第五届声学学术交流会议论文集.2017.

[2] 原艺博.超声波发生器控制电路的研究[D].西安石油大学，2019.

[3] 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，2015.

[4] 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，2014.

[5] 丁学成.超声振动铣磨电主轴的研制[D].哈尔滨工业大学，2006.

A Circuit Design of  Ultrasonic Generator Based on Dpindle

PAN Xi-li， DUAN Yu-cheng

（School of  Automotive Engineering， Xiangyang Vocational and Technical College， Xiangyang  Hubei  441050）

Abstract：This project involves a kind of circuit design of ultrasonic generator based on spindle. The circuit is suitable for the realization of connecting ultrasonic generator and NC machine tool in NC machining equipment. First of all， the requirements of the project are introduced， then the electrical design principle and specific design scheme are proposed， and the electrical original drawing is provided， finally， the summary is made.

Key words：ultrasonic generator; spindle;circuit design