一種數(shù)控機(jī)床的超聲波主軸設(shè)計(jì)

潘喜利 孫小芳

摘要：本項(xiàng)目涉及的是一種數(shù)控機(jī)床的超聲波主軸設(shè)計(jì)。首先介紹了項(xiàng)目的簡(jiǎn)介，然后提出了電氣配置，并通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電氣設(shè)計(jì)介紹了設(shè)計(jì)方案，最后介紹了項(xiàng)目的應(yīng)用前景和意義。

關(guān)鍵詞：超聲波主軸;華中數(shù)控系統(tǒng);紙基蜂窩芯材料

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(shù)控設(shè)備，而該設(shè)備目前只能靠進(jìn)口，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有廠家生產(chǎn)。本次項(xiàng)目即基于華中數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了一種數(shù)控機(jī)床的超聲波主軸設(shè)計(jì)，解決了超聲波數(shù)控設(shè)備設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題[1]。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

現(xiàn)有美國(guó)辛辛那提公司生產(chǎn)的1臺(tái)型號(hào)為5AHP高速五軸龍門(mén)銑床，為滿足企業(yè)用戶加工紙基蜂窩芯材料的要求，要求通過(guò)數(shù)控機(jī)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(xiàng)目設(shè)計(jì)安裝超聲波主軸加工模式的系統(tǒng)軟件，通過(guò)開(kāi)機(jī)來(lái)選擇該加工模式，選擇超聲波主軸加工時(shí)，滿足超聲波主軸對(duì)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(guó)產(chǎn)華中HNC-848C/M數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行電氣控制系統(tǒng)升級(jí)改造。6軸6聯(lián)動(dòng)、雙軸同步、RTCP功能、15寸TFT彩色顯示屏、帶USB接口、R232接口和網(wǎng)絡(luò)功能。（2）數(shù)控系統(tǒng)采用華中HPW-145U型電源供電?？商峁〥C24V電源，支持AC220V輸入電源掉電報(bào)警信號(hào)，提供UPS功能。（3）主軸系統(tǒng)采用HSV-160US-050超聲波主軸驅(qū)動(dòng)。（4）選配杭州電子科技大學(xué)研發(fā)的一套超聲波主軸電氣控制系統(tǒng)。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)的R232通訊口與超聲波發(fā)生器實(shí)現(xiàn)485協(xié)議方式通訊，將超聲波加工工藝指標(biāo)納入數(shù)控系統(tǒng)控制。通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)對(duì)超聲波的啟停、故障處理、頻率、振幅、電壓、電流、功率、溫度等進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，以達(dá)到最佳加工效果。并通過(guò)系統(tǒng)的軟件二次開(kāi)發(fā)，在數(shù)控系統(tǒng)上增設(shè)超聲波加工界面，用于超聲波發(fā)生器狀態(tài)監(jiān)控與參數(shù)標(biāo)定[3]。

3.2 電氣設(shè)計(jì)

超聲主軸模塊內(nèi)部包含壓電換能器、變幅桿、刀具等聲學(xué)系統(tǒng)，還包含氣電滑環(huán)部件，主要實(shí)現(xiàn)電信號(hào)轉(zhuǎn)換刀具的振動(dòng)。另外，超聲主軸內(nèi)置電主軸電機(jī)，主要實(shí)現(xiàn)尖刀角度的控制或圓片刀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

項(xiàng)目將原先的銑削主軸頭更換為超聲切削主軸，并升級(jí)電氣及控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)蜂窩芯結(jié)構(gòu)零件的超聲切削加工。主軸電氣連接設(shè)計(jì)如圖1所示，項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用數(shù)控系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)模塊直接控制超聲波主軸的內(nèi)置電機(jī)，并處理超聲波主軸的內(nèi)置電機(jī)編碼器的反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)零件曲面成型的位置運(yùn)動(dòng)控制[4]。

（1）超聲波主軸伺服電機(jī)編碼器反饋;（2）超聲波主軸伺服電機(jī)動(dòng)力輸出;（3）超聲波主軸系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)485通訊;（4）超聲輸出到主軸;（5）超聲控制輸出;（6）超聲數(shù)據(jù)回檢;（7）超聲控制電源。

如圖1所示，項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用數(shù)控系統(tǒng)控制超聲波電氣柜，通過(guò)超聲波電氣柜控制超聲波發(fā)生器，然后超聲波發(fā)生器將約20KHz高頻電壓信號(hào)傳輸給超聲主軸中的換能器，從而驅(qū)動(dòng)超聲主軸變幅桿和刀具，實(shí)現(xiàn)主軸的振動(dòng)切削控制。

為防止干擾，將超聲波發(fā)生器遠(yuǎn)離數(shù)控裝置進(jìn)行安裝，并將干擾源采取隔離、屏蔽措施，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)控機(jī)床的超聲波主軸設(shè)計(jì)，是一次新的探索，也是超聲波主軸在國(guó)內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用的一次突破。我們將隨時(shí)跟蹤和掌握設(shè)備運(yùn)行中的各種狀況和信息，不斷完善設(shè)備的加工性能，優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，為今后同類設(shè)備的更完美改造打下良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[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(xué)，2014.

[2] 肖健雄.蜂窩材料數(shù)控超聲波機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].杭州電子科技大學(xué)，2013.

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

[4] 張明.一種超聲波振動(dòng)鉆床主軸設(shè)計(jì)[J].制造技術(shù)與機(jī)床，1999（8）：22-23.

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