CN104354068B - 一种高速铣削电主轴切削颤振的主动抑制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速铣削电主轴切削颤振的主动抑制装置，包括磁悬浮轴承铣削电主轴、变频器、磁悬浮轴承控制器和信号辅助处理部件；磁悬浮轴承铣削电主轴安置于铣床上，用以加工工件及抑制颤振；变频器与所述磁悬浮轴承铣削电主轴的电机相连，用于驱动所述电机旋转及控制其启停；所述磁悬浮轴承控制器通过控制主轴内部的径向磁悬浮轴承以产生抑制主轴振动的磁场力；信号辅助处理部件用以对上述各器件在铣削加工过程中所传递的信号进行调理。本发明可以大幅提高主轴-刀具系统的动态刚度和阻尼，从而抑制了颤振的发生，提高了切削加工的稳定性及效率。

Description

一种高速铣削电主轴切削颤振的主动抑制装置

技术领域

本发明属于高速铣削技术领域，更具体地，涉及一种高速铣削电主轴切削颤振的主动抑制装置。

背景技术

随着航空、航天、汽车等工业的发展，超高速自动化加工已成为机械加工的发展趋势，这对数控加工机床主轴轴承的要求越来越高。目前，国内外数控机床电主轴支承轴承主要有动/静压轴承、陶瓷轴承和磁悬浮轴承等。动静压轴承由于受到轴承内滚动体表面速度的限制，无法达到期望的超高转速；相比而言，陶瓷轴承可将转速提高20％～30％，但轴承的寿命较短，最多仅有数千小时。

随着计算机、自动控制和微电子技术的发展，一种全新的机电一体化轴承—磁悬浮轴承应运而生。该类型轴承可实现对转子的无接触支承，故可将主轴转速提高到5000～80000r/min，且可实现上万小时的长寿命服役。但高速加工易出现颤振现象，严重影响切削效率、加工表面质量和刀具/机床的寿命。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高速铣削电主轴切削颤振的主动抑制装置，旨在解决现有技术中高速加工过程中易出现的严重影响切削效率、加工表面质量和刀具/机床寿命的颤振现象。

本发明提供了一种高速铣削电主轴切削颤振的主动抑制装置，包括磁悬浮轴承铣削电主轴、变频器、磁悬浮轴承控制器和信号辅助处理部件；所述磁悬浮轴承铣削电主轴安置于铣床上，用以加工工件及抑制颤振；所述变频器与所述磁悬浮轴承铣削电主轴的电机相连，用于驱动所述电机旋转及控制其启停；所述磁悬浮轴承控制器通过控制主轴内部的径向磁悬浮轴承以产生抑制主轴振动的磁场力；所述信号辅助处理部件用以对铣削加工过程中上述各器件之间传递的信号进行调理。

其中，磁悬浮轴承铣削电主轴包括电机、两个径向磁悬浮轴承、两个轴向磁悬浮轴承、两个辅助轴承、转子、刀柄和冷却部件；所述电机位于主轴中部，冷却部件紧靠主轴电机，两个径向磁悬浮轴承位于电机两侧，两个辅助轴承分别与两个径向磁悬浮轴承紧靠在一起，两个轴向磁悬浮轴承位于主轴末端，即远离刀具一侧，且位于两个径向磁悬浮轴承以外，转子位于主轴中心，贯穿于整个主轴，刀柄则位于主轴前端。

其中，所述信号辅助处理部件包括径向位移传感器、轴向位移传感器，滤波器，第一功率放大器和第二功率放大器；两个径向位移传感器分别紧靠两个径向磁悬浮轴承安置，一个轴向位移传感器则紧靠两个轴向磁悬浮轴承安置，上述三个位移传感器的输出端与滤波器相连，滤波器的输出端连接在第一功率放大器的输入端，第一功率放大器的输出端连接在控制器的第一输入端，控制器的第二输出端与第二功率放大器的输入端相连，第二功率放大器的输出端连接到两个径向磁悬浮轴承与两个轴向磁悬浮轴承的输入端。

其中，所述径向位移传感器和所述轴向位移传感器均为电感式位移传感器。

其中，所述信号辅助处理部件还包括连接在第一功率放大器与磁悬浮轴承控制器之间的AD信号转换电路，以及连接在磁悬浮轴承控制器与第二功率放大器之间的DA信号转换电路。

其中，工作时，通过变频器驱动所述电机带动主轴旋转，并在两个径向磁悬浮轴承的支承下实现主轴的悬浮；两个径向位移传感器通过滤波器、第一功率放大器与磁悬浮轴承控制器相连，在主轴高速旋转时，当刀具端发生颤振，径向位移传感器将检测到的颤振信号送到磁悬浮轴承控制器中进行处理，磁悬浮轴承控制器用于与主机PC相连，在主机中显示主轴的振动位移，并将控制信号发送到磁悬浮轴承控制器中，经磁悬浮轴承控制器处理后的输出信号传递给第二功率放大器，第二功率放大器的输出电流与径向磁悬浮轴承相连，通过改变其内部线圈的电流大小和方向从而产生相应的磁场力以抑制主轴的颤振。

本发明可以大幅提高主轴-刀具系统的动态刚度和阻尼，从而抑制了颤振的发生，提高了切削加工的效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于磁悬浮轴承铣削电主轴的用于主动抑制颤振的模块结构示意图；

图2为验证本发明实施例的有效性而提供的基于磁悬浮轴承的用于模拟产生切削颤振的模块；

图3为本发明实施例提供的高速铣削电主轴切削颤振的激励模拟和主动抑制装置结构示意图；

其中，1为基于磁悬浮轴承的用于模拟产生切削颤振的模块、2为基于磁悬浮轴承铣削电主轴的用于主动抑制颤振的模块、101为径向位移传感器、102为径向磁悬浮轴承、103为滤波器、104为功率放大器、105为功率放大器、106为驱控板、107为支架、108为刀具、201为刀柄、202为辅助轴承、203为径向位移传感器、204为径向磁悬浮轴承、205为冷却部件、206为电机、207为径向磁悬浮轴承、208为径向位移传感器、209为轴向磁悬浮轴承、210为轴向位移传感器、211为轴向磁悬浮轴承、212为辅助轴承、213为转子、214为滤波器、215为第一功率放大器、216为第二功率放大器、217为磁悬浮轴承控制器、218为PC、219为变频器、220为工作台。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

切削加工过程中的颤振现象严重影响了切削加工的切除量、切削转速、表面质量等，而颤振的发生很大程度上是因为主轴-刀具系统的动态刚度、阻尼无法满足大切削量以及高转速的要求。

磁悬浮轴承铣削电主轴可以在切削过程中动态调节主轴-刀具系统的刚度和阻尼，实现切削颤振抑制，保证切削稳定性。因此，磁悬浮轴承铣削电主轴适用于高速高精加工机床。本发明将基于磁悬浮轴承的用于模拟产生切削颤振的模块与基于磁悬浮轴承铣削电主轴的用于主动抑制颤振的模块相结合，通过PC施加模拟颤振信号指令，并实施颤振信号的检测以及控制器参数的调节，能够验证磁悬浮轴承铣削电主轴对切削颤振的抑制能力。

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

在本发明实施例中，高速铣削电主轴切削颤振的主动抑制装置，用于主动抑制颤振；如图1所示，包括磁悬浮轴承铣削电主轴、主轴电机的驱控部件—变频器219、磁悬浮轴承控制器217、信号辅助处理部件。其中磁悬浮轴承铣削电主轴安置于铣床上用以加工工件及抑制颤振，变频器219与主轴电机206相连，用于驱动主轴电机206旋转及控制其启停，磁悬浮轴承控制器217通过控制主轴内部的径向磁悬浮轴承(204、207)以产生所需的磁场力进而控制主轴的振动，信号辅助处理部件用以对铣削加工过程中上述各部件之间传递的信号进行调理。

其中，磁悬浮轴承铣削电主轴包括电机206、两个径向磁悬浮轴承204、207、两个轴向磁悬浮轴承209、211、两个辅助轴承202、212、转子213、刀柄201、冷却部件205等器件；主轴电机206为大功率密度的高速电机，通过变频器219直接驱动；磁悬浮轴承控制器217是一个基于DSP的集成控制器，内部涉及电流以及位移双环控制，以实现对磁悬浮轴承铣削电主轴5个自由度位移的精确控制；信号辅助处理部件包括径向位移传感器203、208以及轴向位移传感器210(均为电感式位移传感器)，滤波器214，功率放大器215、216，A/D和D/A信号转换电路。

磁悬浮轴承铣削电主轴固定于高刚度的工作台220上，其变频器219与主轴电机206相连以控制主轴旋转，两个径向位移传感器203、208安装于磁悬浮轴承铣削主轴内部并与滤波器214相连，滤波器214通过第一功率放大器215连接到控制器217中，控制器217与主机PC218相连；同时控制器217的输出通过第二功率放大器216与两个径向磁悬浮轴承204、207连接以产生抑制主轴振动的磁场力。

在本发明实施例中，高速铣削电主轴切削颤振的主动抑制装置的基本工作原理为：通过变频器219驱动主轴电机206带动主轴旋转，并在两个径向磁悬浮轴承204、207的支承下实现主轴的悬浮；两个径向位移传感器203、208通过滤波器214、第一功率放大器215与磁悬浮轴承控制器217相连，在主轴高速旋转时，当刀具108端发生颤振，径向位移传感器203、208将检测到的颤振信号送到磁悬浮轴承控制器217中进行处理，磁悬浮轴承控制器217与主机PC218相连，在主机中显示主轴的振动位移，并将控制信号发送到磁悬浮轴承控制器217中，经磁悬浮轴承控制器217处理后的输出信号通过D/A变换传递给第二功率放大器216，第二功率放大器216的输出电流与径向磁悬浮轴承204、207相连，通过改变其内部线圈的电流大小和方向从而产生相应的磁场力以抑制主轴的颤振。

为了进一步验证本发明实施例提供的高速铣削电主轴切削颤振的主动抑制装置可以有效抑制切削加工过程中产生的颤振，现提供一种基于磁悬浮轴承的用于模拟产生切削颤振的模块1，该模块能够在无机床实验平台以及实际切削加工的情况下对切削颤振进行有效的模拟，满足对切削颤振的深入研究。

其中，如图2所示，基于磁悬浮轴承的用于模拟产生切削颤振的模块1具体包括：径向位移传感器101、径向磁悬浮轴承102、滤波器103、功率放大器104、105、A/D转换器、D/A转换器、驱控板106、刀具108与支架107。其中，径向磁悬浮轴承102与径向位移传感器101安装在高刚度的支架107上并与工作台220固定，刀具108穿过径向磁悬浮轴承102与径向位移传感器101并与二者保持同心，主机PC218与驱控板106相连，驱控板106的输出经功率放大器105后与径向磁悬浮轴承102连接；径向位移传感器101与滤波器103相连，其输出端通过功率放大器104连接到驱控板106，驱控板106的输出连接到主机PC218。该模块的工作原理为：主机PC218向驱控板106发送颤振指令，驱控板106接收到指令，对颤振指令进行解析并转化为径向磁悬浮轴承102不同相位的控制输出，进而经功率放大器105处理后发送给径向磁悬浮轴承102，使其产生引起刀具108颤振的磁场力，作用于刀具108末端而使主轴发生颤振；同时，径向位移传感器101通过滤波器103以及功率放大器104与驱控板106相连接，驱控板106同时将径向位移传感器101检测到的振动信号传输给主机PC218进行显示。

本发明将颤振的激励模拟与主轴对颤振的主动抑制整合在一起，系统地模拟切削加工过程中从颤振产生到被抑制的整个过程；如图3所示，具体为：

首先，将基于磁悬浮轴承的用于模拟产生切削颤振的模块1与基于磁悬浮轴承铣削电主轴的用于主动抑制颤振的模块2安装在高刚度工作台220上，且基于磁悬浮轴承的用于模拟产生切削颤振的模块1中的部分组件安装于高刚度的支架107上并与工作台220固定，确保：基于磁悬浮轴承的用于模拟产生切削颤振的模块1的刀具108(圆柱形无刃刀具)与径向磁悬浮轴承102同心；基于磁悬浮轴承的用于模拟产生切削颤振的模块1的刀具108与径向磁悬浮轴承102之间的气隙宽度大于等于径向磁悬浮轴承204、207和主轴转子213之间的气隙宽度；基于磁悬浮轴承的用于模拟产生切削颤振的模块1中的径向磁悬浮轴承102和基于磁悬浮轴承铣削电主轴的用于主动抑制颤振的模块2中的磁悬浮轴承铣削电主轴的轴心重合。初始时刻，主轴转子213静止于主轴内部的辅助轴承202与212上。

其次，禁止基于磁悬浮轴承的用于模拟产生切削颤振的模块1的驱控板106输出电流指令，即径向磁悬浮轴承102不产生磁场力，同时给基于磁悬浮轴承铣削电主轴的用于主动抑制颤振的模块2通电，在磁悬浮轴承控制器217中使用PD(比例-微分)控制，使磁悬浮轴承铣削电主轴的转子213悬浮并稳定，然后通过变频器219使转子213启动工作，达到设定转速后，在磁悬浮轴承控制器217中引入PID(比例-积分-微分)控制，调节控制参数，使转子213稳定工作，并达到最小振动状态。转子213稳定旋转后，径向位移传感器101处检测到刀具108末端在X、Y方向(X、Y方向在垂直于刀具108的平面内)的振动，并将该振动信号传递给滤波器103后经功率放大器104放大，然后通过A/D转换传递给驱控板106，驱控板106对信号处理后将该振动信号输出到PC218中显示。记录此时径向位移传感器101检测到的刀具108末端的振动波形W1。

然后，启动颤振激励模拟，其过程为：运行驱控板106到功率放大器105的输出电流指令，在主机PC218中向驱控板106发送颤振指令，驱控板接收到指令，对颤振指令进行解析并转化为针对径向磁悬浮轴承102不同相位的控制输出，其输出信号经功率放大器105处理后发送给径向磁悬浮轴承102，使其产生引起刀具108颤振的磁场力，作用于刀具108末端，而使主轴发生颤振。注意：主机中发送的颤振指令不能使刀具108接触到径向磁悬浮轴承102，以免对其造成损伤。因此时磁悬浮轴承控制器217中的参数并未做调整，则主轴将处于颤振状态，观测并记录径向位移传感器101检测到的刀具108末端的振动波形W2。

最后，利用磁悬浮轴承铣削电主轴抑制切削颤振，其过程为：当颤振激励模拟启动后，两个径向位移传感器203和208检测到主轴在X、Y方向偏离中心的位移，将其转为电信号，通过滤波器214、第一功率放大器215与磁悬浮轴承控制器217相连，然后在磁悬浮轴承控制器217中与参考位移信号进行比较，对磁悬浮轴承铣削电主轴四个自由度的位移偏差进行PID控制，之后将磁悬浮轴承控制器217输出的差动电压信号通过D/A转换后经第二功率放大器216处理，转化为电流信号，作用在径向磁悬浮轴承204和207上，产生相应的磁场力对转子213的颤振进行抑制。在此过程中不断调节各组PID参数，并在主机PC218中观测径向位移传感器101处的颤振波形，直到主轴的颤振得到明显抑制，即径向位移传感器101处的振动幅值达到最小，以实现抑制主轴颤振的目的，记录下此时径向位移传感器101检测到的刀具108末端的振动波形W3。

整个过程都是在主轴空载的情况下进行，通过比较径向位移传感器101检测到的刀具108末端的振动波形W1、W2和W3，可以清楚的观测到，在主轴稳定悬浮、被施加颤振激励以及颤振得到主动抑制三种情况下刀具108末端的振动情况。通过对比主轴稳定悬浮情况下刀具108末端的振动波形W1和主轴被施加颤振激励情况下刀具108末端的振动波形W2，可以证明本发明所辅助设计的基于磁悬浮轴承的用于模拟产生切削颤振的模块1能够有效的模拟切削加工所产生的颤振现象；通过对比主轴被施加颤振激励情况下刀具108末端的振动波形W2和颤振得到主动抑制的情况下刀具108末端的振动波形W3，可以证明本发明所设计的基于磁悬浮轴承铣削电主轴的用于主动抑制颤振的模块2能够有效的抑制切削加工过程中所产生的颤振。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高速铣削电主轴切削颤振的主动抑制装置，其特征在于，包括：磁悬浮轴承铣削电主轴、变频器(219)、磁悬浮轴承控制器(217)和信号辅助处理部件；所述磁悬浮轴承铣削电主轴安置于铣床上，用以加工工件及抑制颤振；所述变频器(219)与所述磁悬浮轴承铣削电主轴的电机(206)相连，用于驱动所述电机(206)旋转及控制其启停；所述磁悬浮轴承控制器(217)通过控制主轴内部的径向磁悬浮轴承(204、207)以产生抑制主轴振动的磁场力；所述信号辅助处理部件用以对铣削加工过程中上述各器件之间传递的信号进行调理；

所述磁悬浮轴承铣削电主轴包括电机(206)、两个径向磁悬浮轴承(204、207)、两个轴向磁悬浮轴承(209、211)、两个辅助轴承(202、212)、转子(213)、刀柄(201)和冷却部件(205)；

所述电机(206)位于主轴中部，冷却部件(205)紧靠主轴电机(206)，两个径向磁悬浮轴承(204、207)位于电机(206)两侧，两个辅助轴承(202、212)分别与两个径向磁悬浮轴承(204、207)紧靠在一起，两个轴向磁悬浮轴承(209、211)位于主轴末端，即远离刀具(108)一侧，且位于两个径向磁悬浮轴承(204、207)以外，转子(213)位于主轴中心，贯穿于整个主轴，刀柄(201)则位于主轴前端。

2.如权利要求1所述的主动抑制装置，其特征在于，所述信号辅助处理部件包括径向位移传感器(203、208)、轴向位移传感器(210)，滤波器(214)，第一功率放大器(215)和第二功率放大器(216)；

两个径向位移传感器(203、208)分别紧靠两个径向磁悬浮轴承(204、207)安置，一个轴向位移传感器(210)则紧靠两个轴向磁悬浮轴承(209、211)安置，上述三个位移传感器的输出端与滤波器(214)相连，滤波器(214)的输出端连接在第一功率放大器(215)的输入端，第一功率放大器(215)的输出端连接在控制器(217)的第一输入端，控制器的第二输出端与第二功率放大器(216)的输入端相连，第二功率放大器(216)的输出端连接到两个径向磁悬浮轴承(204、207)与两个轴向磁悬浮轴承(209、211)的输入端。

3.如权利要求2所述的主动抑制装置，其特征在于，所述径向位移传感器(208)或所述轴向位移传感器(210)为电感式位移传感器。

4.如权利要求2所述的主动抑制装置，其特征在于，所述信号辅助处理部件还包括连接在第一功率放大器(215)与磁悬浮轴承控制器(217)之间的AD信号转换电路，以及连接在磁悬浮轴承控制器(217)与第二功率放大器(216)之间的DA信号转换电路。

5.如权利要求2-4任一项所述的主动抑制装置，其特征在于，工作时，通过变频器(219)驱动所述电机(206)带动主轴旋转，并在两个径向磁悬浮轴承(204、207)的支承下实现主轴的悬浮；两个径向位移传感器(203、208)通过滤波器(214)、第一功率放大器(215)与磁悬浮轴承控制器(217)相连，在主轴高速旋转时，当刀具(108)端发生颤振，径向位移传感器(203、208)将检测到的颤振信号送到磁悬浮轴承控制器(217)中进行处理，磁悬浮轴承控制器(217)用于与主机PC(218)相连，在主机中显示主轴的振动位移，并将控制信号发送到磁悬浮轴承控制器(217)中，经磁悬浮轴承控制器(217)处理后的输出信号传递给第二功率放大器(216)，第二功率放大器(216)的输出电流与径向磁悬浮轴承(204、207)相连，通过改变其内部线圈的电流大小和方向从而产生相应的磁场力以抑制主轴的颤振。