CN108326326A - 一种智能电主轴磨削加工方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能电主轴磨削加工方法及系统，本发明基于智能电主轴当前的磨削工艺参数计算磨削力的大小，在得到当前的磨削力的基础上，采用下述方法①或方法②确定智能电主轴轴承的可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力；方法①为查找预设的磨削力档位、可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力两者之间的映射关系，方法②为查找预设的磨削力、可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力两者之间的映射关系，最终调节可控节流器的控制油腔的压力，使得可控节流器的控制油腔的压力等于当前的磨削力对应的可控节流器目标控制油腔压力，从而实现静压轴承刚度的最大化，能够显著提高磨削效率和磨削表面质量。

Description

一种智能电主轴磨削加工方法及系统

技术领域

本发明涉及高速精密机床电主轴、智能磨削、液体静压轴承电主轴，具体涉及一种智能电主轴磨削加工方法及系统。

背景技术

现代装备制造业的发展，对高速精密机床提出了越来越高的要求，其中一个显著特点是，对机床的智能化要求越来越高。电主轴作为机床的核心功能部件，对机床的加工精度和加工效率具有直接而重要的影响，因此电主轴的智能化程度也直接影响着机床的智能化程度。

电主轴在机床工作过程中，直接带动工件或工具(砂轮、刀具等)高速旋转，实现对零件表面材料的去除(切削、磨削、抛光等)和精密加工。当电主轴加工条件和工艺参数(如工件材料、砂轮速度、磨削深度、进给速度等)发生变化时，工件反作用于工具(刀具、砂轮)，进而反作用于电主轴的轴端，使得电主轴的轴端的径向载荷、轴向载荷和扭矩不断变化。这些载荷最终由电主轴的定转子和轴承来承受，定转子输出扭矩抵消外部的扭矩载荷，电主轴的轴承承受外部的径向载荷和轴向载荷。

通常情况下，电主轴的轴承只在特定的转速和承载能力范围内具有优越的刚度和寿命性能，可有效支撑电主轴高效率、高精度、高可靠性(长寿命)加工。当外部加工条件变化，导致工作转速和承载能力超出这一范围之后，轴承并不是工作在最合理的工作状态，或者工作效率降低、或者加工精度下降、或者精度寿命缩短。现代制造业对智能电主轴的一个最重要的需求就是，当外部加工条件和加工参数变化后，电主轴系统能够自动优化轴承的刚度等性能，使电主轴始终工作在高效率、高精度、长寿命的理想工作状态。

目前电主轴所采用的轴承，主要有液体静压轴承、滚动轴承、气体静压轴承。由于液体静压轴承由于具有特有的“误差均化效应”，其回转精度远高于滚动轴承式主轴；同时由于液体介质不可压缩，其承载能力和刚度远高于气体静压轴承；因此液体静压轴承在要求回转精度高、承载能力强的高速精密机床电主轴中获得了广泛应用。

目前工程上采用的这些电主轴的轴承的承载能力和刚度特性都是基本固定的。即使外部的切削载荷、转速等加工参数发生变化，电主轴的轴承特性基本上都是不变的。这导致电主轴一旦制造出来，其动态特性就不能被操作者主动调控，只能被动地随外部加工条件的变化而变化。现有的电主轴在由于存在着上述，影响了它们在工程上的进一步推广应用。

目前，现有的电主轴普遍采用小孔节流、毛细管节流、环面缝隙节流、薄膜反馈节，PM流量控制器、滑阀反馈节流和内表面反馈节流等节流形式。这些节流方式存在共同的缺点：即节流特性不“可控”，节流器一旦安装到主轴上，其节流特性就不能被主动调控，只能被动地随轴承油腔压力变化。这导致采用现有节流器的液体动静压电主轴，其最佳的油膜刚度，仅对于主轴在特定的载荷和转速范围内有效，一旦载荷或者转速范围扩大导致油膜动压效应显著变化，“最佳节流比”就不再成立，所预期的“最佳油膜刚度”也难以保证。

专利号为ZL201210032461.8的中国专利文献公开了一种可控节流器，该技术方案应用在液体静压轴承电主轴上，可通过调节控制油腔的压力优化节流比，实现不同工况下油膜刚度的最大化。该技术方案主要是为了克服现有的采用各种节流器的液体静压轴承电主轴刚度特性不能被主动调控的不足。如图1所示，带有该可控节流器的智能电主轴包括内嵌电机定子6的机座3，机座3和电机定子6的之间设有电机定子封水套5。机座3的两端分别设有前端盖2和后端盖13，电机定子6中插设有带有电机转子7的主轴1，主轴1分别贯穿前端盖2和后端盖13，且主轴1的前端固定有砂轮法兰17，砂轮法兰17上设有通过锁紧螺母18安装固定的砂轮16。机座3上位于前端盖2的内侧设有前径向轴承4，机座3上位于后端盖13的内侧设有后轴承9，后轴承9通过后轴承座8安装固定在机座3上，后端盖13和后轴承9之间分别安装有调整垫12、锁紧螺母11以及止推轴承环10。前径向轴承4上装设有四个前轴承可控节流器15，后轴承9上装设有四个后轴承可控节流器14，后轴承可控节流器14、前轴承可控节流器15均一端与主轴1的外壁间隙连通、另一端与机座3上的控制油路连通。后轴承可控节流器14、前轴承可控节流器15的结构相同。其中，主轴1高速旋转，带动砂轮16或刀具对工件进行加工；前端盖2密封前轴承内孔与主轴外圆之间间隙流出的液体，回到机座3的底部；机座3作为前后轴承和电机定子的支撑件，收集从轴承间隙流出的液体，回油回到油箱；前径向轴承4作为主轴的前支撑，轴承内孔表面与主轴外圆之间充满液体介质；电机定子封水套5外有螺旋槽，通冷却介质，对电机定子进行冷却；电机定子6作为电主轴的动力源，与转子配合输出扭矩；电机转子7过盈联结在主轴上，随主轴高速旋转，输出扭矩对外做功；后轴承座8作为后轴承的支撑座；后轴承9作为主轴的后支撑，轴承内孔表面与主轴外圆之间充满液体介质；止推轴承环10套在主轴上，随主轴旋转，其左端面与后轴承端面之间充满液体，其右端面与后端盖左端面之间充满液体，对主轴1的轴向移动起限位作用；锁紧螺母11：将止推轴承环固定在主轴1上，随主轴1高速旋转：调整垫12：安装件，通过配加工其厚度，调整止推轴承环与前后端面之间的间隙大小；13、后端盖13：对液体介质起密封作用，同时作为止推轴承的端面；后轴承可控节流器14、前轴承可控节流器15通过改变节流间隙的长度，改变轴承内部油腔的压力，从而调整前后径向轴承的刚度；砂轮16用于磨削工件随主轴1一起旋转，砂轮法兰17用于将砂轮16固定连接到主轴1上，砂轮法兰锁紧螺母18用于锁紧砂轮法兰17到主轴1上。

如图2所示，可控节流器由节流器盖141、节流器套筒142、阶梯节流柱143和弹簧144组成。节流器盖141装设于节流器套筒142的端部，节流器套筒142内设有阶梯状中心孔1421，阶梯节流柱装143设于节流器套筒142内，弹簧144抵设于阶梯节流柱143顶端和节流器盖141的内壁之间。阶梯节流柱143包括形成阶梯状的大径柱、中径柱、小径柱，阶梯状中心孔1421包括形成阶梯状的大径孔、中径孔、小径孔，阶梯节流柱143的大径柱、阶梯状中心孔1421的大径孔紧密配合形成控制油腔145，阶梯节流柱143的中径柱与阶梯状中心孔1421的大径孔之间形成进油腔146，阶梯节流柱143的小径柱插设在阶梯状中心孔1421的小径孔中且与阶梯状中心孔1421的中径孔之间形成集成油腔147，阶梯节流柱143的小径柱中设有轴承油腔148。节流器套筒142上开设有与进油腔146连通的输油通道，阶梯节流柱143的中径柱上开设有连通进油腔146与控制油腔145的输油通道，阶梯节流柱143的小径柱上开设有连通集成油腔147与轴承油腔148的输油通道。在工作时，可控节流器的供油油路分为两路，一路为工作油路，油液首先进入可控节流器的进油通道、再经环面间隙节流后进入集成油腔147，接着进入到轴承油腔148；另一路为控制油路，控制油路的油液在变频调速电机带动的定量泵的作用下，进入到可控节流器的控制油腔145，再经过出油通道流回油箱。控制油腔145的压力如下式所示；

p_r0＝Q₀R_h0

上式中，p_r0表示轴承油腔148的压力，R_h0表示出油孔的液阻，Q₀为进入油腔的流量，与定量泵的转速成正比。

众所周知，电主轴在重载、中载和轻载等不同加工工况下，主轴的偏心率和油腔压力不同。根据油腔压力的变化，可通过调节进入控制油腔的流量的大小来改变控制油腔145的压力。控制油腔145压力的变化，将改变可控节流器的环面缝隙节流长度，从而改变节流比。可控节流器通过对节流比的调控，可实现对液体静压轴承油膜刚度的优化。可控节流液体静压轴承的调控方法为：利用压力传感器测量主轴工作时的油腔压力值p_m；根据加工载荷和油腔压力，利用刚度优化模型计算对应最佳节流比的控制油腔压力目标值p_c；当p_c＝p_m时，不需要调控，只要保持控制油腔出油液阻不变即可；当p_c>p_m时，通过调节控制油腔出油液阻大小使控制油腔的出油液阻和压力增大，阶梯节流柱向下移动，节流器的节流液阻增大，轴承的油腔压力和出油流量减小；当p_c<p_m时，反之。但是，上述方法仍然不足以实现电主轴根据外部加工参数的变化自动调整节流参数，实现电主轴的智能磨削的目的。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种智能电主轴磨削加工方法及系统，本发明基于智能电主轴当前的磨削工艺参数计算磨削力的大小，在得到当前的磨削力的基础上，采用下述方法①或方法②确定智能电主轴轴承的可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力；方法①为查找预设的磨削力档位、可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力两者之间的映射关系，方法②为查找预设的磨削力、可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力两者之间的映射关系，最终调节可控节流器的控制油腔的压力，使得可控节流器的控制油腔的压力等于当前的磨削力对应的可控节流器目标控制油腔压力，从而实现静压轴承刚度的最大化，能够显著提高磨削效率和磨削表面质量。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种智能电主轴磨削加工方法，实施步骤包括：

1)根据智能电主轴当前的磨削工艺参数计算当前的磨削力；

2)采用下述方法①或方法②确定智能电主轴轴承的可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力；方法①:根据当前的磨削力以及预设的磨削力档位取值范围确定当前的磨削力档位，查找预设的磨削力档位、可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力两者之间的映射关系，确定当前的磨削力档位对应的可控节流器目标控制油腔压力；方法②:查找预设的磨削力、可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力两者之间的映射关系，确定当前的磨削力对应的可控节流器目标控制油腔压力；

3)调节可控节流器的控制油腔的压力，使得可控节流器的控制油腔的压力等于当前的磨削力对应的可控节流器目标控制油腔压力。

优选地，步骤1)中根据智能电主轴当前的磨削工艺参数计算当前的磨削力的函数表达式如式(1)所示；

式(1)中，F_t表示当前的切向磨削力，F_n表示当前的法向磨削力，当前的磨削力由当前的切向磨削力F_t和当前的法向磨削力F_n构成，α表示磨削力比，u_ch表示磨削材料单位切削变形比能，b表示磨削材料单位切削宽度，δ_w表示磨削材料单位切削深度，v_w表示工件的进给速度，v_g表示砂轮的磨削线速度。

优选地，步骤3)具体是指利用变频调速电机调节定量泵的转速，改变输入到智能电主轴的可控节流器的控制油腔的流量，使得可控节流器的控制油腔的压力在出油液阻的阻尼作用下自动调整到当前的磨削力对应的可控节流器目标控制油腔压力。

优选地，所述利用变频调速电机调节定量泵的转速的函数表达式如式(2)所示；

式(2)中，n表示定量泵的转速，p_k表示当前的磨削力对应的可控节流器目标控制油腔压力，q₀表示定量泵每旋转一周泵出的油量，R_k表示可控节流器控制油腔的液阻。

本发明还提供一种智能电主轴磨削加工系统，包括计算机系统，所述计算机系统被编程以执行本发明智能电主轴磨削加工方法的步骤。

本发明智能电主轴磨削加工方法具有下述优点：本发明基于智能电主轴当前的磨削工艺参数计算磨削力的大小，在得到当前的磨削力的基础上，采用下述方法①或方法②确定智能电主轴轴承的可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力；方法①为查找预设的磨削力档位、可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力两者之间的映射关系，方法②为查找预设的磨削力、可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力两者之间的映射关系，最终调节可控节流器的控制油腔的压力，使得可控节流器的控制油腔的压力等于当前的磨削力对应的可控节流器目标控制油腔压力，从而实现静压轴承刚度的最大化，能够显著提高磨削效率和磨削表面质量；本发明智能电主轴磨削加工系统为本发明智能电主轴磨削加工方法对应的系统，因此同样也具有本发明智能电主轴磨削加工方法的前述优点，故在此不再赘述。

附图说明

图1为现有技术的可控节流液体静压轴承的结构示意图。

图2为现有技术的可控节流器的结构示意图。

图3为本发明实施例方法的基本流程示意图。

图4为本发明实施例智能电主轴对工件的磨削加工结构示意图。

图5为本发明实施例智能电主轴的控制原理示意图。

具体实施方式

实施例一：

如图3所示，本实施例智能电主轴磨削加工方法的实施步骤包括：

1)根据智能电主轴当前的磨削工艺参数计算当前的磨削力；

2)采用下述方法①确定智能电主轴轴承的可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力；此外，也可以根据需要采用实施例二所示的方法②确定智能电主轴轴承的可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力；

方法①:根据当前的磨削力以及预设的磨削力档位取值范围确定当前的磨削力档位，查找预设的磨削力档位、可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力两者之间的映射关系，确定当前的磨削力档位对应的可控节流器目标控制油腔压力；

3)调节可控节流器的控制油腔的压力，使得可控节流器的控制油腔的压力等于当前的磨削力对应的可控节流器目标控制油腔压力。

本实施例中，步骤1)中根据智能电主轴当前的磨削工艺参数计算当前的磨削力的函数表达式如式(1)所示；

式(1)中，F_t表示当前的切向磨削力，F_n表示当前的法向磨削力，当前的磨削力由当前的切向磨削力F_t和当前的法向磨削力F_n构成，α表示磨削力比，u_ch表示磨削材料单位切削变形比能，b表示磨削材料单位切削宽度，δ_w表示磨削材料单位切削深度，v_w表示工件的进给速度，v_g表示砂轮的磨削线速度。

本实施例的磨削力档位、可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力两者之间的映射关系中，通过将0～最大磨削力划分为多个磨削力档位，然后将0～最大控制油腔压力也划分为多个可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力档位，建立包含磨削力档位、可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力之间的映射关系，其存储方式可以采用映射表或者其他方式来实现，最大控制油腔压力可通过计算或根据经验指定，也可以根据可控节流器匹配的定量泵的最大液压压力确定。

本实施例中，步骤3)具体是指利用变频调速电机调节定量泵的转速，改变输入到智能电主轴的可控节流器的控制油腔的流量，使得可控节流器的控制油腔的压力在出油液阻的阻尼作用下自动调整到当前的磨削力对应的可控节流器目标控制油腔压力。毫无疑问，调节可控节流器的控制油腔的压力并不局限于本实施例中采用的上述特例，也可以根据需要采用其他可行的调节可控节流器的控制油腔的压力方法，在此不再赘述。

本实施例中，利用变频调速电机调节定量泵的转速的函数表达式如式(2)所示；

式(2)中，n表示定量泵的转速，p_k表示当前的磨削力对应的可控节流器目标控制油腔压力，q₀表示定量泵每旋转一周泵出的油量，R_k表示可控节流器控制油腔的液阻。

本实施例智能电主轴磨削加工方法的步骤1)～步骤3)为基于当前的磨削工艺参数做出的控制，当磨削工艺参数改变时，则控制单元自动根据变化了得磨削工艺参数，重新计算磨削力的大小，开始新一轮的循环。

本实施例还提供一种智能电主轴磨削加工系统，包括计算机系统，该计算机系统被编程以执行本实施例前述智能电主轴磨削加工方法的步骤，该计算机系统可以根据需要采用基于CPU、DSP或者FPGA处理器的计算机系统，也可以根据需要选择独立或者集成在智能电主轴上，其结构可以根据需要变化形式，在此不再赘述。

如图4所示，智能电主轴的主轴1上安装有砂轮16，用于对砂轮16外侧的工件进行磨削作业。如图5所示，智能电主轴的控制系统包括CNC机床控制系统、电机控制器、节流器控制器。其中，电机驱动器主要对电主轴内的电机定子和电机转子进行控制，通过控制电机的转速、电流和电压，调节电主轴输出的扭矩大小。其中，节流器控制器主要对电主轴内部的可控节流器内的控制油腔的压力进行调控，通过调控控制油腔的压力，改变可控节流器的节流长度，从而改变液体静压轴承内部油腔的压力，改变轴承的刚度等承载特性。节流器控制器具体包括变频调速电机、定量泵，用于通过变频调速电机调节定量泵的转速、以改变输入到智能电主轴的可控节流器的控制油腔的流量，使得可控节流器的控制油腔的压力在出油液阻的阻尼作用下自动调整到当前的磨削力对应的可控节流器目标控制油腔压力，进而实现节流。CNC机床数控系统的功能是：当操作者输入电主轴加工工件的有关参数(磨削速度、进给速度、磨削深度、工件材料等)信息后，确定智能电主轴轴承的可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力，给节流器控制器发出指令，调控节流器改变液体静压轴承电主轴的刚度特性。同时，数控系统也给电机控制器发出指令，电机控制器改变电主轴内电机定转子的工作频率和电压等，输出所需要的扭矩特性。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，其主要区别点为：本实施例中具体是采用方法②确定智能电主轴轴承的可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力。

方法②:查找预设的磨削力、可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力两者之间的映射关系，确定当前的磨削力对应的可控节流器目标控制油腔压力。

本实施例的磨削力、可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力两者之间的映射关系中，通过将0～最大磨削力、0～最大控制油腔压力进行对应，建立包含磨削力档位、可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力之间的映射关系，其存储方式可以采用映射表或者其他方式来实现，最大控制油腔压力可通过计算或根据经验指定，也可以根据可控节流器匹配的定量泵的最大液压压力确定。此外，也可以根据需要，根据电主轴及其可控节流器的结构模型参数，建立磨削力、可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力两者的函数关系式作为磨削力、可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力两者之间的映射关系。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (5)

1.一种智能电主轴磨削加工方法，其特征在于实施步骤包括：

1)根据智能电主轴当前的磨削工艺参数计算当前的磨削力；

2)采用下述方法①或方法②确定智能电主轴轴承的可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力；方法①:根据当前的磨削力以及预设的磨削力档位取值范围确定当前的磨削力档位，查找预设的磨削力档位、可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力两者之间的映射关系，确定当前的磨削力档位对应的可控节流器目标控制油腔压力；方法②:查找预设的磨削力、可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力两者之间的映射关系，确定当前的磨削力对应的可控节流器目标控制油腔压力；

3)调节可控节流器的控制油腔的压力，使得可控节流器的控制油腔的压力等于当前的磨削力对应的可控节流器目标控制油腔压力。

2.根据权利要求1所述的智能电主轴磨削加工方法，其特征在于，步骤1)中根据智能电主轴当前的磨削工艺参数计算当前的磨削力的函数表达式如式(1)所示；

式(1)中，F_t表示当前的切向磨削力，F_n表示当前的法向磨削力，当前的磨削力由当前的切向磨削力F_t和当前的法向磨削力F_n构成，α表示磨削力比，u_ch表示磨削材料单位切削变形比能，b表示磨削材料单位切削宽度，δ_w表示磨削材料单位切削深度，v_w表示工件的进给速度，v_g表示砂轮的磨削线速度。

3.根据权利要求1所述的智能电主轴磨削加工方法，其特征在于，步骤3)具体是指利用变频调速电机调节定量泵的转速，改变输入到智能电主轴的可控节流器的控制油腔的流量，使得可控节流器的控制油腔的压力在出油液阻的阻尼作用下自动调整到当前的磨削力对应的可控节流器目标控制油腔压力。

4.根据权利要求3所述的智能电主轴磨削加工方法，其特征在于，所述利用变频调速电机调节定量泵的转速的函数表达式如式(2)所示；

式(2)中，n表示定量泵的转速，p_k表示当前的磨削力对应的可控节流器目标控制油腔压力，q₀表示定量泵每旋转一周泵出的油量，R_k表示可控节流器控制油腔的液阻。

5.一种智能电主轴磨削加工系统，包括计算机系统，其特征在于所述计算机系统被编程以执行权利要求1～4中任意一项所述智能电主轴磨削加工方法的步骤。