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图3.2 主轴的结构
3.1.1超声波发生器
超声波发生器也称作超声电源，它是一种用以产生超声频电能并向超声换能器提供的装置。它的作用是将50Hz 的交流电转变为一定功率的超声频振荡, 用以提供工具头做超声频振动和切除工件材料所需的能量。按照所采用的工作原理，可以把超声波发生器分为模拟电路和数字电路两大类。模拟电路超声波发生器又分为振荡-放大型和逆变型两种。常用的是第一种。目前常用的超声波发生器功率为20～ 4000W。在传统的超声波加工系统中, 变幅杆和工具是装配在一起的, 通过调整其尺寸以达到机械谐振的目的。但现在可用频率跟踪发生器自动调整输出频率, 使其与变幅杆和工具组合的谐振频率相匹配, 且能调整因装配误差、工具磨损、换能器生热等因素而造成的较小误差。在设计超声波发生器时, 还应考虑安全性能, 例如: 自动切断电源以防变幅杆破裂、变幅杆和工具连接失效等故障。
振荡-放大型超声发生器实际上就是一个带有振荡电路的放大器。但由于超声波发生器驱动的是换能器这一特殊负载，所以在结构上又有自己的特点。框图如下图3.3所示。
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图3.3振荡-放大型超声波发生器框图
振荡-放大型超声波发生器主要包括：超声波振荡器、超声波放大器、匹配电路和频率自动跟踪。超声波振荡器的作用是产生一个一定频率的信号，用以推动后面的放大部分。它可以是一个独立的振荡器，也可以是一个反馈网络。习惯上把前一种称为它激式超声波发生器，后一种则称为自激式超声波发生器，它激时产生的超声波频率比较稳定并且可以在较宽的频率内调节。自激式超声波发生器的结构比较简单，且有利于实现频率的自动跟踪。超声波放大器的作用是将振荡信号放大至所需电平。超声波发生器与一般放大器的一个重要区别就在于它的匹配电路部分。超声波发生器与负载之间的匹配则除了阻抗之外，还有一样很重要的指标就是调谐，使之在工作频率上与负载中的电抗成分谐振。只有在同时进行了阻抗变换和调谐之后，整个系统才算匹配，换能器才能正常地工作。超声波发生器与超声换能器的匹配方法是：首先应准确测量换能器的动态阻抗及其变化范围，然后合理选择发生器的输出阻抗和匹配回路的单元值，用逐步逼近的方法，通过反复测试，即可实现发生器与换能器之间的匹配。 3.1.2超声换能器
超声波换能器是超声振动系统的核心部件。超声加工处理设备利用超声换能器的作用将超声波发生器产生的超声频电能转换成超声振动的机械能，并通过变幅杆进行振幅放大和聚能后再传输到工具头，进而实现对工件的超声加工。实现这种转变主要采用以下两种方法。（1） 磁致伸缩法（2） 压电效应法。 3.1.3超声变幅杆
由于超声换能器的伸缩变形量很小，最大振幅一般在0.005~0.01mm范围内，需要通过变幅杆对超声振幅加以放大才能用于实际加工。另外，变幅杆作为机械阻抗变换器，使超声能量由超声换能器有效地向负载传输。
为获得较大的振幅，变幅杆的材料要求声阻抗小，疲劳强度高，易于机械加工，抗腐蚀性好，为提高变幅杆的抗疲劳性及声学性能，还要求材料的纤维方向应与传播方向一致，因此变幅杆的材料一般进行锻造。本系统设计的变幅杆的材料选用疲劳强度高，
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加工性能好的45#钢，加工后进行调质处理[15]。
超声变幅杆其主要作用是改变换能器的振幅(一般是增大)、提高振速比、提高效率，提高机械品质因数，加强耐热性，扩大适应温度范围，延长换能器的使用寿命。超声波换能器通过安装变幅杆(超声波变幅器)调整了换能器与超声波工具头之间的负载匹配，减小了谐振阻抗，使其在谐振频率工作提高了电声转换效率，有效降低了超声波换能器的发热量，提高使用寿命。为了获得使变幅杆获得理想的轴向振动，当超声振动部分的长度一般为超声振动半波长的整数倍时，使振动体上任一点反射波刚好比入射波多半波长的整数倍。在本设计方案中最终定为设计一个半波长的具有圆锥形过渡段的变幅杆。 3.2主轴头的进给系统
主轴头伺服进给机构设计主轴伺服性能的好坏直接影响复合加工过程控制效果。交流伺服系统具有先进的控制系统，并且成本低、免维护，因而近年来得到了广泛的应用，其控制模式也由原来的全硬件控制模式发展为软硬件相结合控制模式或软件控制模式
[17]
。伺服驱动器内部高速处理器的应用推动了先进运动控制算法的应用，使交流伺服系
统显示出数字化、集成化、智能化和模块化的发展趋势。开放式控制软件和数字式AC伺服电机的结合在保证了数控系统的开放性和柔性的同时也保证了控制系统的可靠性。另外，步进电机的低速性能的改善和调速范围的提高，以及不同编码器的并行配置，可以实现最高达1?m/pules，移动速度可以达到3m/min的运动性能。随着滚动元件技术的不断发展、元件标准化和性价比的日趋合理，滚珠丝杠在机床设计中成为主轴传动的固定配置[18]。综上考虑，主轴驱动机构采用了滚动导轨、滚珠丝杠、交流伺服步进电机组成的高性能的直接拖动机构，大大简化了结构设计的同时提高了主轴的伺服性能。
机床主轴的设计，由步进电机、齿轮副、深沟球轴承、推力球轴承、滚珠丝杠副、主轴头和高精度集流环组成。伺服电机通过齿轮与滚珠丝杠连接，丝杠带动螺母及主轴头进行上下移动，两个直线导轨实现导向机构的支撑。由于滚珠丝杠副和直线导轨在加工制作时施加了消除间隙预紧力，同时数控系统实现丝杠的螺距误差补偿和反向间隙补偿，定位精度可以达到任意1000mm为5~10?m，重复定位精度为1~2?m，可以实现高的定位精度和重复定位精度。交流伺服电机由控制系统进行控制，滚珠丝杠的螺距为
5mm, 控制器配合交流伺服电机的位置编码器每转一周可以输出若干个位置分辨脉冲，
由此可以得到垂直方向上的最小进给量。
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3.3主轴头的旋转机构设计
主轴作为复合加工的关键部件，在实现伺服进给的同时还需要有高速旋转。主轴的转速是磨削加工工艺效果的主要影响因素;另外在进行圆孔加工时，适当的工具电极旋转速度不仅能够改善加工排屑情况，还可以提高加工形状精度。通过简单形状的工具，采用不同的工具加工，还可以实现异型孔加工，如果与其它轴联动还可以实现圆孔或型腔加工。由控制系统输出控制信号实现电机控制，经连轴器套筒带动主轴实现旋转，满足工具电极在一定范围内无级可调，实现主轴的高速旋转。
工具电极在进行超声振动的同时还需要进行高精度的旋转。因此，超声信号的输入问题是必须要首先解决。本系统是采用在主轴上端附加高精度的旋转集流环与碳刷来解决工具电极的旋转与工具超声波信号的输入干涉问题;由于压电换能器的电压高，当碳刷和集流环接触不良时，二者极易发生放电现象，因此，碳刷由弹簧支撑，主轴旋转过程中，在弹簧作用下，碳刷始终和集流环保持良好接触，顺利地实现主轴的超声振动和高速旋转同时进行。 3.4机床主体和数控工作台
在超声复合加工机床中，机床本体主要用于支撑、固定工件和电极，提供加工过程的各种运动，所以机床应具备一定的刚度、精度和抗振性。为了保证机床和立柱具有良好的刚性和抗振性，床身材料选择灰铸铁，经过两次时效处理消除内应力，最大程度的减少可能产生的变形，保证机床具有良好的稳定性和尺寸精度。
工作台是用来完成工件的支撑、安装夹紧和定位的，需要实现工件(即工作台)的X方向和Y方向移动。x轴和Y轴方向采用两套完全相同的运动机构作为伺服执行单元，由交流伺服电机驱动滚珠丝杠螺母副及拖板组成。工作台移动机构有较大的负载，因此选择台湾鼎银公司科技股份公司的AMT系列的L25-2020型数控型双坐标工作台。 工作台上的滚珠丝杠螺母副采用消间隙措施处理。 另外，在脉冲电火花加工过程中要求工作台与地面之间保持良好的绝缘状态，本机床中采用了具有良好绝缘性、稳定性和微小变形的花岗岩材料作为工作台与机床本体之间的绝缘体，工作台采用有T形槽的标准工作台，便于加工工件时用来固定工作液循环箱。
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4 主要结构的选择及设计计算
4.1滚珠丝杠副的选择计算 4.1.1滚珠丝杠副的导程
(I:传动比,电机直连丝杠时I?1；齿轮传动或同步带传动时按具体值计算。)
Ph ?vmax10m/min??5mm (4.1)
Nj2000r/minPh:公称导程。
Vmax:机械的最高运行速度；Nj:初定的电机最高转速。 4.1.2当量转速与当量载荷
各种方式下丝杠转速代号为Ni,单位:r/mm。 取 n1?60,n2?1500计算丝杠的轴向载荷(单位:N):
F i=?(W 1+W2+Fy) +Fx (4.2) 取值??1；F1?100?0.1?200?120N；F2?0?0.1?200?20N。 当量转速N(n)m =
1t1?n2t2?......niti(t (4.3)
1?t2?......ti)=
60?90?1500?1080?20?204r/min
3 Fiiin?3?Fnt?n (4.4)
iti?31203?60?90?203?1500?1060?90?1500?10?120.1N
4.1.3预期额定载荷
设计时选用滚珠丝杠螺母副的Ca? Cam。 按预期工作时间算（Lh）：
C?360n(FmfwammLh100f) (4.5)
afa为精度系数，根据预定精度按下表4.1选：
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