一種基于主軸的超聲波發(fā)生器電路設(shè)計(jì)

潘喜利 段玉成

摘要：本項(xiàng)目涉及的是一種基于主軸的超聲波發(fā)生器電路設(shè)計(jì)。該電路適用于數(shù)控加工設(shè)備中采用超聲波發(fā)生器與數(shù)控機(jī)床連接的實(shí)現(xiàn)。首先介紹了項(xiàng)目的需求，然后提出了電氣設(shè)計(jì)原理和具體設(shè)計(jì)方案，并提供了電氣原圖，最后進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：超聲波發(fā)生器;主軸;電路設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）12-0015-01

1 項(xiàng)目簡介

目前國內(nèi)用于紙基蜂窩芯材料加工的超聲波數(shù)控設(shè)備，只能靠進(jìn)口，價格在千萬元人民幣以上，國內(nèi)還沒有廠家生產(chǎn)。本項(xiàng)目涉及一種基于主軸的超聲波發(fā)生器電路設(shè)計(jì)，滿足超聲波主軸對紙基蜂窩芯材料加工的要求;配置杭州電子科技大學(xué)研發(fā)的一套超聲波主軸系統(tǒng)，通過數(shù)控系統(tǒng)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(jìn)行實(shí)時控制，以達(dá)到最佳加工效果[1]。

2 電氣原理設(shè)計(jì)

項(xiàng)目將原先的數(shù)控機(jī)床銑削主軸頭更換為超聲切削主軸，并升級電氣及控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)蜂窩芯結(jié)構(gòu)零件的超聲切削加工。超聲主軸發(fā)生器主要實(shí)現(xiàn)電信號轉(zhuǎn)換刀具的振動，即實(shí)現(xiàn)尖刀角度的控制或圓片刀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動;數(shù)控系統(tǒng)通過電氣接口與超聲發(fā)生器連接，實(shí)現(xiàn)電流電壓溫度監(jiān)測，以及發(fā)生器啟停、圓刀及直刀模式切換、高低功率切換輸出等的控制[2-3]。

3 電氣圖設(shè)計(jì)

圍繞超聲發(fā)生器（超聲電源）主要有4個電氣接口，根據(jù)超聲主軸功能需求，設(shè)計(jì)電氣接口圖如圖1所示。圖1右下角的單向交流供電接口，可以另外配以10A空氣斷路器及上電指示燈，主要提供發(fā)生器的基本電能及簡單保護(hù)。

圖1右上角的接口，主要用于數(shù)控系統(tǒng)輸出控制超聲發(fā)生器（超聲電源）工作，便于數(shù)控系統(tǒng)集成（手動控制、MDI 控制及NC程序自動控制），數(shù)控系統(tǒng)需要提供4路繼電器輸出，分別控制發(fā)生器啟停、圓刀及直刀模式切換、高低功率切換輸出控制，端口說明：1.KM1繼電器輸出，≥2A，發(fā)生器啟動/停止;2.KM2繼電器輸出，≥2A高/低功率切換;3.KM3繼電器輸出，≥2A，圓刀/直刀模式切換;4.KM4繼電器輸出，≥2A，預(yù)留擴(kuò)展。

圖1左上角的接口，主要用于數(shù)控系統(tǒng)獲取超聲發(fā)生器（超聲電源）工作狀態(tài)信息，便于數(shù)控系統(tǒng)集成（狀態(tài)監(jiān)測及簡單閾值報(bào)警），數(shù)控系統(tǒng)需要提供6路數(shù)據(jù)采集端口。端口說明為：Y1：0-10V，約20hz模擬電壓信號（預(yù)留），用于預(yù)留輸入;Y2：0-10V，約20hz模擬電壓信號（溫度2），用于計(jì)算和顯示功率管溫度2;Y3：0-10V，約20hz模擬電壓信號（溫度1），用于計(jì)算和顯示功率管溫度1;Y4：0-10V，約50hz模擬電壓信號（均電壓），用于計(jì)算和顯示刀具振幅;Y5：0-10V，約50hz模擬電壓信號（均電流），用于計(jì)算和顯示工作電流;Y6：0-24V，約20Khz方波電壓信號（頻率），用于計(jì)算和顯示超聲工作頻率。

圖1左下角的接口用于超聲發(fā)生器與超聲主軸的連接，將超聲發(fā)生器的超聲約20KHz高頻電壓信號傳輸給超聲主軸中的換能器，從而驅(qū)動變幅桿和刀具振動切削。該接口電氣特性為：工作頻率約20KHz，電壓等級310V，極數(shù)3線，最大電流10A。注意，傳輸線纜需要屏蔽處理[4]。

4 結(jié)語

該互鎖邏輯控制電路工作時，通過撥動電柜上的鑰匙開關(guān)來實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)部分的切換，使其中某一種系統(tǒng)用于真實(shí)加工教學(xué)，另一種系統(tǒng)用于模擬仿真教學(xué)，從而實(shí)現(xiàn)兩種不同數(shù)控系統(tǒng)的教學(xué)與生產(chǎn)的雙重功效[5]。

參考文獻(xiàn)

[1] 曾興斌，張青波，翁正國，等.國內(nèi)超聲波技術(shù)的新進(jìn)展[C]//2017年西安-上海聲學(xué)學(xué)會第五屆聲學(xué)學(xué)術(shù)交流會議論文集.2017.

[2] 原藝博.超聲波發(fā)生器控制電路的研究[D].西安石油大學(xué)，2019.

[3] 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)，2015.

[4] 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)，2014.

[5] 丁學(xué)成.超聲振動銑磨電主軸的研制[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，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