CN101394122A - 一种高速主轴电磁式在线动平衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速主轴电磁式在线动平衡方法，包括采用轴向产生并列的独立静磁场，对应的每个磁场中的轴段处安装加工有凸台的套筒，从而使得每个静磁场处由于气隙不均匀而产生一个大小随磁场强度变化、方向始终与凸台方向一致的电磁作用力，克服了传统电磁平衡法中因转速过高而使得电磁作用力方向的变化无法与转速保持一致的问题。调整该平衡装置各组线圈绕组电流的大小即可得到任意大小(设计范围内)、任意方向的平衡力。该平衡方法具有平衡装置结构简单，加工安装方便，动平衡速度范围宽，响应时间短，能够实现实时高效的高速主轴在线动平衡补偿效果。

Description

一种高速主轴电磁式在线动平衡方法

技术领域

本发明涉及高速主轴动平衡方法，具体为一种高速主轴电磁式在线动平衡方法。

背景技术

随着科学技术的进步，现代机械正向高速、高效、高精度方向不断发展，因此限制和减少各种机械的振动即进行动平衡显得越来越重要。尤其对高速加工机床，其主轴动平衡水平的高低将直接关乎其所加工工件的精度。

高速主轴旋转时产生的离心力可用以下公式表示：

F＝meω²

式中，m为高速主轴系统质量，e为高速主轴重心与其旋转中心的偏心距，ω为高速主轴的角速度(弧度/秒)，ω＝2πn/60，n为高速主轴转速(转/分)。

令U＝me，U为不平衡量的质径积(g·mm)，通常用U表示不平衡量的大小。可见系统旋转时由不平衡量产生的不平衡离心力与速度的平方成正比，在转速很高的情况下，即使很小的不平衡量U，也会产生非常大的不平衡离心力，引起机床的振动，导致加工精度下降；甚至会使轴承产生碰磨，使用寿命大大降低。因此必须对高速主轴进行动平衡。

过去的平衡措施都为离线动平衡，即通过多次起停试验测出不平衡量的大小，增加或去除配重达到平衡的目的。因离线动平衡需要停机作业，在时间和费用上会造成大量的损失，并且在有些不允许停机的工况下使用受到限制。为减少损失、提高生产效率和加工精度、拓宽动平衡应用范围，目前，已开展有关高速主轴在线动平衡的研究。在线动平衡可在主轴的工作转速下自动识别不平衡量的大小和相位，并自动完成平衡工作，具有平衡效率高，平衡精度高，操作简便，自动化程度高等特点，且可以对高速主轴系统进行实时在线监测，将主轴的运动状况始终控制在要求的精度范围内。因此高速主轴在线动平衡技术越来越受到人们的关注。

在线动平衡中的关键技术是动平衡头的设计。广泛应用的动平衡头按平衡的方法可分为以下三类：①直接在线动平衡头。这种平衡头是从质量方面入手，通过加重或去重的方法，将平衡圆盘的几何中心调整到旋转中心，主要包括喷液法、喷涂法、激光去重法等。这种方法存在着诸如应用转速不能过高，污染环境、动平衡精度低等许多实际问题，应用范围相对狭窄。②间接在线动平衡头。这种动平衡头是给转轴长期提供一个与不平衡力大小相等、方向相反的力，在转轴工作时将其重心强行拉到旋转中心。目前，这种平衡头主要包括电磁轴承型在线动平衡头和电磁圆盘型在线动平衡头，他们都有一个严重的不足就是运行过程中一直受到交变的旋转电磁场所产生电磁力的作用，对长期运行的旋转机械来说，旋转电磁场产生的能耗大，且这种平衡一般尺寸较大，应用场合有限。③混合型在线动平衡头。这类动平衡头工作时，由检测系统测量转子的振动信号，通过控制系统，以某种方式调整平衡头内部质量分布，使其几何中心与旋转中心重合达到平衡的目的。根据驱动质量调整的控制方式的不同，混合型在线动平衡头又可分为电动机型、遥控型以及电磁型在线动平衡头。这些形式的平衡头的缺点是结构较复杂，且平衡过程的响应时间过长。

上述三种在线动平衡无论是其装置的形状结构还是控制方法现在都有较成熟的技术，并在相关文献中有较详尽的介绍，但每种在线动平衡装置都存在一些缺陷或不足。因此研制结构简单、可靠，精度高的高速主轴在线动平衡装置，对于高速超精密加工有着重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的是解决现有在线动平衡因需要产生旋转电磁场而受限于转速和能耗过大的缺点，特别是间接在线动平衡装置和混合型在线动平衡装置存在结构复杂、响应时间长和稳定性差等不足，针对有伸出端的机床主轴，提供了一种响应迅速，控制方便的电磁式在线动平衡方法。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种高速主轴电磁式在线动平衡方法，包括下述步骤：

(1)在选定的主轴段上轴向依次排列至少三个鼠笼状铁芯，每个铁芯轴向绕有可通有直流电的线圈绕组，与鼠笼状铁芯对应的主轴上设有套筒，该套筒轴向分为对应鼠笼状铁芯个数的多段，每段与单个铁芯宽度相同，各段周向分别设有包角为90度且轴向投影相互无重叠部分的凸台，凸台与鼠笼状铁芯径向之间形成调整气隙；

(2)当位移传感器监测到主轴不平衡量时，由在线动平衡系统的工控计算机解算出不平衡量的大小和相位；

(3)依据该不平衡量的大小和相位，计算机通过决策程序产生控制编码传递给驱动电路对所述多个线圈绕组分别通入不同方向和大小的电流，即可在轴向并列产生多个独立的静磁场，且相邻两磁场的方向相反；

(4)多个独立的静磁场分别作用于套筒上对应的凸台，产生不同方向的独立电磁力Fn，n＝1、2、3、…，各电磁力的合力F＝F1+F2+F3+…与主轴上的不平衡力相互抵消，本次在线平衡过程结束；

(5)当主轴转速稳定，无需对主轴再次平衡；若主轴转速不稳定，则根据测速传感器所测主轴转速的变化，再次监测主轴不平衡量的大小和相位，重复步骤(2)到(4)，实现在线实时动平衡。

上述方法中，所述主轴段上轴向依次排列四个鼠笼状铁芯，所述套筒轴向对应四个鼠笼状铁芯分为四段。所述包角为90度的凸台轴向投影关系为：第一、第四两段之间、第二、第三两段之间相差180度；第一、第二两段之间、第三、第四两段之间相差90度。所述套筒凸台和鼠笼状铁芯径向之间调整气隙的厚度可通过凸台凸起的高度调整。

本发明所述高速机床主轴电磁式动平衡装置创新性地将周向多段独立静磁场引入高速动平衡设计，对应的每个磁场中的轴段处安装加工有凸台的套筒，从而使得每个静磁场处由于气隙不均匀而产生一个大小随磁场强度变化、方向始终与凸台方向一致的电磁作用力，调整各组线圈绕组电流的大小即可得到任意大小(设计范围内)、任意方向的平衡力，克服了传统电磁平衡法中因转速过高而使得电磁作用力方向的变化无法与转速保持一致的问题。该平衡方法具有平衡装置结构简单紧凑、响应时间短、动平衡速度范围宽等特点，很好的实现了实时高速动平衡的效果，在工程上有一定的实用价值。

附图说明

图1为几种特殊的方向确定平面力系示意图。

图2为本发明高速主轴电磁式在线动平衡装置结构示意图。

图3为图4高速主轴电磁式在线动平衡装置套筒结构示意图。

图4为图3套筒轴向不同的剖视图。

图5为图2单个鼠笼状铁芯电磁作用力示意图。其中：图5b是图5a的侧视图。

图6为本发明高速主轴电磁式在线动平衡装置控制原理示意图。

图2-图6中的附图标记：1-套筒，1’-套筒凸台，2-鼠笼状铁芯，3-线圈绕组，4-铁芯支架，5-主轴，6、7-主轴轴承，8-主轴壳体，9-高速动平衡装置；10、11-高精度电容式位移传感器，12-测速传感器。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明

本发明的设计思路如下：由于平面内任意一个力均可由该平面内至少三个确定方向的力的合力来表示，图1所示分别为几种特殊的方向确定力系示意图，如图1a的三方向确定力系(X，Y，Z)，图1b的四方向确定力系(X+，Y+，X-，Y-)，图1c的六方向确定力系(X+，Y+，Z+，X-，Y-，Z-)，图1d的八方向确定力系(X+，Y+，Z+，W+，X-，Y-，Z-，W-)，甚至更多方向确定力系等。因此，发明人提出通过控制确定力系的合力的大小和方向来抵消高速主轴旋转产生的不平衡力，以达到高速主轴在线动平衡的目的。

本发明一种高速主轴电磁式在线动平衡装置如图2、图3所示，包括有轴向依次排列的四个鼠笼状铁芯2，每个铁芯轴向缠绕有线圈绕组3，线圈绕组3绕在每个铁芯轴向辐条上，辐条个数依据所需平衡的轴的轴径确定，在保证单个辐条磁通量和线圈缠绕空间的前提下尽量保持其周向排列紧密(图5)。与鼠笼状铁芯对应的主轴上设有套筒1，该套筒轴向宽度与单个铁芯宽度相同的四段A、B、C、D周向分别设有包角各为90度且轴向投影相互无重叠部分的凸台，鼠笼铁芯设置在支架4中。

需要说明的是本发明采用四个鼠笼状铁芯即采用四个方向确定力系的结构是鉴于以下考虑：首先三个方向确定力系为最简单的结构，理论上可以满足平衡要求，但由于实际应用只漏磁的存在，使得三个铁芯中位于两边的两个铁芯产生的磁场强度相对位于中间位置的铁芯产生的磁场强度较弱，给控制带来一定的不便。其次，方向确定力系的个数越多，控制产生的电磁合力的大小和方向越精确，但同时结构也越复杂，整个装置的体积也越大，限制了该装置在某些场合的应用。因此本发明综合考量以上因素做出了采用四个鼠笼状铁芯的优选实施例。另外，由于四个鼠笼状铁芯宽度窄且排列紧密，因此忽略其产生的弯矩。

该平衡装置的基本工作原理为：当给鼠笼状铁芯2上轴向缠绕的线圈绕组3通入一定大小直流电后，则在周向同一半径大小处产生均匀的静磁场(图2中的箭头代表磁场方向)，当该装置结构确定时，其周围每一点磁场强度的大小仅与所通入电流的大小有关。因此，给四组线圈分别通入不同大小的电流，即可在轴向并列产生四个独立的静磁场(控制电流方向，使得相邻两磁场方向相反)。按图4中所示某一时刻A-A、B-B、C-C、D-D四个截面相对位置关系(四个凸台1’夹角各为90度，Y轴为A-A、D-D凸台角平分线，X轴为B-B、C-C凸台角平分线，X与Y轴相互垂直)。在套筒1上依次加工出与每个鼠笼状铁芯2宽度相等的四个周向凸台，并将套筒固定安装在与平衡装置对应的主轴5上，因此，作用于套筒的电磁力等价于作用于主轴上的电磁力。磁场强度一定的情况下，套筒1受到电磁作用力的大小仅与套筒和铁芯之间的气隙厚度有关，调整凸台的凸起高度即可确定合适的气隙厚度。四个独立的静磁场分别作用于套筒1上对应的四个凸台上，所产生的四个方向(方向为凸台角平分线方向且随主轴同步旋转)独立的电磁力Fn，n＝1、2、3、4(如图5所示)，四个方向的合力既为该电磁平衡装置在主轴上的作用力，合力的大小和方向可以通过控制四个线圈中电流的大小来控制。

整个高速主轴在线动平衡系统的控制原理如图6所示：测速传感器12可测量实际工况下主轴5的转速；设置在主轴壳体8中轴承6、7用以支撑主轴系统；高速动平衡装置9的结构即为图2所示；高精度电容式位移传感器10、11用来拾取主轴5的振动信号，通过与其连接的信号调理电路，解算出主轴在该转速下产生的不平衡量的大小，并与测速传感器12一起获得不平衡量的相位。在正常状态下(不平衡量小于最大允许值)，铁芯线圈3中没有电流通过，平衡装置9与主轴5之间没有相互作用；当位移传感器10、11监测到主轴的不平衡量超过最大允许值(如1微米)时，根据测量到的不平衡量的大小和方向，通过工控计算机对驱动电路发出控制信号，驱动电路依据控制信号对铁芯线圈3通入电流，使所加电磁合力F与不平衡力相互抵消，达到动平衡的目的。

本发明高速主轴电磁式在线动平衡方法，包括下述具体步骤：

(1)经过特殊结构加工的套筒1，四个并列放置的相同的鼠笼状铁芯2以及轴向缠绕在铁芯2上的线圈绕组3和鼠笼状铁芯2的固定装置铁芯支架4四个部分。套筒1固定安装在已选定的主轴段上，将铁芯安装在支架内，并整体安装于与套筒对应的位置。

(2)当主轴在线动平衡系统监测到不平衡量时，由控制计算机解算出不平衡量的大小和相位。

(3)依据该不平衡量的大小和相位，通过计算机的控制决策系统产生控制编码并传递给平衡装置的驱动电路；接着驱动电路依据控制编码对四组线圈分别通入不同大小的电流以产生不同大小的电磁力F1、F2、F3、F4。

(4)由四个独立的电磁力产生的合力F＝F1+F2+F3+F4既为抵消主轴不平衡量的平衡力，本次平衡过程结束。

若主轴工作转速稳定，不平衡量则不会改变，因此无需对主轴再次平衡；若主轴转速不稳定，则不平衡量的大小和相位都会随着主轴的转速变化而变化，由于该平衡装置有响应速度快的特点，因此可以根据所测转速的不同，随时监测主轴不平衡量的大小和相位，通过控制策略给驱动电路不同的控制编码，随时产生与不平衡量大小相等，方向相反的平衡力，从而达到实时动平衡的目的。

Claims (4)

1、一种高速主轴电磁式在线动平衡方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)在选定的主轴段上轴向依次排列至少三个鼠笼状铁芯，每个铁芯轴向绕有可通有直流电的线圈绕组，与鼠笼状铁芯对应的主轴上设有套筒，该套筒轴向分为对应鼠笼状铁芯个数的多段，每段与单个铁芯宽度相同，各段周向分别设有包角为90度且轴向投影相互无重叠部分的凸台，凸台与鼠笼状铁芯径向之间形成调整气隙；

(2)当位移传感器监测到主轴不平衡量时，由在线动平衡系统的工控计算机解算出不平衡量的大小和相位；

(3)依据该不平衡量的大小和相位，计算机通过决策程序产生控制编码传递给驱动电路对所述多个线圈绕组分别通入不同方向和大小的电流，即可在轴向并列产生多个独立的静磁场，且相邻两磁场的方向相反；

(4)多个独立的静磁场分别作用于套筒上对应的凸台，产生不同方向的独立电磁力Fn，n＝1、2、3、…，各电磁力的合力F＝F1+F2+F3+…与主轴上的不平衡力相互抵消，本次在线平衡过程结束；

(5)当主轴转速稳定，无需对主轴再次平衡；若主轴转速不稳定，则根据测速传感器所测主轴转速的变化，再次监测主轴不平衡量的大小和相位，重复步骤(2)到(4)，实现在线实时动平衡。

2、如权利要求1所述的高速主轴电磁式在线动平衡方法，其特征在于，所述主轴段上轴向依次排列四个鼠笼状铁芯，所述套筒轴向对应四个鼠笼状铁芯分为四段。

3、如权利要求2所述的高速主轴电磁式在线动平衡方法，其特征在于，所述包角为90度的凸台轴向投影关系为：第一、第四两段之间、第二、第三两段之间相差180度；第一、第二两段之间、第三、第四两段之间相差90度。

4、如权利要求1所述的高速主轴电磁式在线动平衡方法，其特征在于，所述套筒凸台和鼠笼状铁芯径向之间调整气隙的厚度可通过凸台凸起的高度调整。

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