CN1528548A - 工业应用型主动磁悬浮机床电主轴 - Google Patents

工业应用型主动磁悬浮机床电主轴 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种工业应用型主动磁悬浮机床电主轴。它包含有带有推力盘的主轴，主轴套装两个转子铁芯而由两个径向磁轴承支承，推力盘两侧分别由两个推力磁轴承支承，并设有主轴位置控制系统。本发明能极大地提高转速、减小摩擦、延长寿命和扩大工作范围，并具有支承刚度阻尼可调、无需润滑、无污染等优点。

Description

工业应用型主动磁悬浮机床电主轴
技术领域
本发明涉及一种应用于高档数控机床的电主轴，特别是一种工业应用型主动磁悬浮机床电主轴。
背景技术
随着科技的发展进步，高速切削在航空航天、汽车和摩托车、模具等机械制造工业的金属加工领域得以迅速发展，在某种程度上彻底改变了金属切削的状况，大大提高了金属切削的效率和表面加工精度，在很多情况下实现了以铣代磨、以车代磨，如模具的硬铣削、硬车削作为最终精加工工序等。要实现高速切削，除了机床的高速进给系统、高速切削刀具系统之外，机床主轴的高速高精度化是另一个必备条件。采用高速电主轴技术是实现机床主轴高速化的一个主要途径。
电主轴是将电机内置于机床主轴内部、实现电机与主轴一体化功能的内装式电机主轴单元，它省去了皮带、齿轮、联轴节等中间传动和变速机构，具有结构紧凑、机械效率高、噪声低、振动小和精度高等特点；由于它采用交流变频技术，可在额定转速范围内实现无级变速，以适应各种工况和负载变化的要求；利用电机矢量控制技术，它不仅可以满足强力切削时低速大扭矩的要求，还可以实现准确的C轴定位及传动的功能，适应对C轴功能要求的车削、镗铣等加工中心及其它数控机床的需要。因此，电主轴是机械加工中心和数控机床的关键配套件，是数控机床的心脏，可应用于数控车床、数控铣床、数控磨床、各种高速离心机、高速旋碾机、高速试验机等领域，还可应用于航空、航天、生物技术、医疗卫生、食品加工、粉末冶金等行业。所有这些优点的发挥必须建立在电主轴具有良好的轴承支承技术基础之上。
目前，国内外已有技术中对电主轴的轴承支承技术，工业应用的电主轴全部采用滚动轴承、滑动轴承或气悬浮轴承等，还没有采用磁悬浮轴承支承的电主轴。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工业应用型主动磁悬浮机床电主轴，具有较高的极限转速、极小的摩擦、较长的寿命和较大的工作范围，并具有刚度阻尼可调、无需润滑、无污染等优点。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种工业应用型主动磁悬浮机床电主轴，包括带有推力盘的主轴，其特征在于主轴套装两个转子铁芯而由两个径向磁轴承支承，推力盘两侧分别由两个推力磁轴承支承，并设有主轴位置控制系统。
上述的主轴位置控制系统的结构是：主轴的外圆侧面和端面附近装有位移传感器，位移传感器的电信号输出连接控制器，控制器的输出经功率放大器而控制径向磁轴承和推力磁轴承。
上述的主轴位置控制系统共有5路通道，其中控制器每路通道的电路由二块TL071型芯片、一块TL072型芯片、三块TL074型芯片、四个可调电阻、22个电阻和四个电容组成。
本机床电主轴的机械结构为：一个壳体包容着主轴、电机和磁轴承，主轴的中部套装电机的转子铁芯，而其外安装电机静子线圈，位于电机的一侧主轴上固定套装推力盘，推力盘的两侧装有推力磁轴承，主轴的两端部套装转子铁芯，其外安装两个径向磁轴承，在转子铁芯的固定套筒端面处的前盖上装有轴向传感器，在靠近径向磁轴承外侧主轴外圆处的前盖和后小盖上安装有4个径向传感器；电机静子线圈的外圆有水套与壳体构成水冷腔而连通水管接头。
上述的壳体的两端有前盖和后盖，前盖外装有法兰盘和法兰圈，前、后盖内设有辅助轴承，前盖前面有防尘盖和前小盖，后盖后面有后小盖，两个径向磁轴承的外圆上有轴承套，推力盘外和两个推力磁轴承之间有隔圈。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出特点和显著优点：本发明中的主轴径向轴承和推力轴承均采用磁轴承，并设有主轴位置控制系统，对电机静子进行冷却，从而达到与现有技术相比较极大提高转速、减小摩擦、延长寿命和扩大工作范围的目的，并具有支承刚度阻尼可调、无需润滑、无污染等优点。
附图说明
图1是本发明一个实施例的轴承技术方案结构示意图。
图2是图1示例中的主动磁悬浮轴承及其主轴位置控制系统方框图。
图3是图2中主轴位置控制系统中控制器的每路通道电路图。
图4是图1示例的机械结构示意图。
具体实施方式
本发明的一个优选实施例是：
参见图1，本工业应用型主动磁悬浮机床电主轴的轴承技术方案由径向磁轴承1、推力磁轴承2、主轴4、传感器8、9、功率放大器6和控制器7等构成闭环反馈控制系统，图2示出主动磁悬浮轴承及其主轴位置控制系统的工作原理框图：由主动磁悬浮支承柔性转子系统的机电耦合动力学理论分析系统的动力学性能，把得到的最佳控制参数主动输入给控制器7，系统在工作时给定主轴4的参考零位值，径向和轴向均有传感器8、9测量主轴4的位移信号。当某一方向上的外载荷发生干扰变化时，作用在主轴4上的力将失去平衡，从而使主轴4在该方向发生位移，传感器8、9将该位移信号反馈给控制器7，控制器7对该信号进行比较处理，根据主轴4位移的变化，发出一个调整信号，经功率放大器6后输出至磁轴承1、2的线圈，从而改变线圈中的电参量，使各方向上产生的电磁拉力将主轴4重新拉回至参考零位，主轴4在新的系统力作用下达到新的平衡。
整个控制系统共有5路通道，图3示出其控制器7每路通道的电路图，它采用线性集成运算放大器构成比例积分微分控制环节，简称PID控制环节。其中U为电压，R为电阻，C为电容，线性集成运算放大器IC1和IC6的型号为TL071，IC3的型号为TL072，IC2、IC4和IC5的型号为TL074，通过调节图中可调电阻Rs、Rp、Ri、Rd的阻值，可调节轴承-转子系统的动力学性能和稳定性。
图4示出本工业应用型主动磁悬浮机床电主轴的机械结构：一个壳体15包容着主轴4、电机14和磁轴承1、2，主轴4的中部套装电机的转子铁芯，而其外安装电机静子线圈14，位于电机14的一侧主轴4上固定套装推力盘5，推力盘5的两侧装有推力磁轴承2，主轴4的两端部套装转子铁芯3，其外安装两个径向磁轴承1，在转子铁芯3的固定套筒端面处的前盖25上装有轴向传感器9，在靠近径向磁轴承1外侧主轴4外圆处的前盖25和后小盖18上安装有4个径向传感器8；电机静子线圈14的外圆有水套21与壳体15构成水冷腔而连通水管接头19。壳体15的两端有前盖25和后盖16，前盖外装有法兰盘12和法兰圈13，前、后盖25、16内设有辅助轴承24、17，前盖25前面有防尘盖10和前小盖11，后盖16后面有后小盖18，两个径向磁轴承1的外圆上有轴承套20、23，推力盘5外和两个推力磁轴承2之间有隔圈22。
整个主动磁悬浮轴承及其主轴位置控制系统的工作原理是：由主动磁悬浮支承柔性转子系统的机电耦合动力学理论分析系统的动力学性能，把得到的最佳控制参数(Rs、Rp、Ri、Rd的阻值)主动输入给控制器7，系统在工作时给定主轴4的参考零位值，径向和轴向均有传感器8、9测量主轴4的位移信号。当某一方向上的外载荷发生干扰变化时，作用在主轴4上的力将失去平衡，从而使主轴4在该方向发生位移，传感器8、9将该位移信号反馈给控制器7，控制器7对该信号进行比较处理，根据主轴4位移的变化，发出一个调整信号，经功率放大器6后输出至磁轴承1、2的线圈，从而改变线圈中的电参量，使各方向上产生的电磁拉力将主轴4重新拉回至参考零位，主轴4在新的系统力作用下达到新的平衡。由于采用了由主动磁悬浮支承柔性转子系统的机电耦合动力学理论分析得到的最佳控制参数，系统能平稳地越过临界转速，安全到达工作转速，并获得高的回转精度，实现了高速高精度化。
例如，对于本实施例设计工作转速为50,000rpm的某铣床电主轴，通过求解主动磁悬浮支承柔性转子系统的机电耦合动力学振动方程：
                            MX″+CX′+KX＝0
可以算得表1所示的一组最佳主动控制参数，表2为这组控制参数下的最佳动力学性能。
                     表1  一组最佳控制参数
通道     Rs(kΩ)     Rp(kΩ)     Ri(kΩ)     Rd(kΩ)
    1     8.900     0.341     6.626     0.498
    2     7.918     0.593     4.810     0.357
    3     8.955     0.643     1.351     0.798
    4     4.712     0.594     3.200     0.579
    5     7.621     0.543     3.997     0.558
表2  对应表1控制参数的动力学性能
  一阶   二阶   三阶   四阶   五阶   六阶
  临界转速(rpm)   25807   28119   72891   82116   117030   136780
  对数衰减率δ   0.314   0.227   0.347   0.614   0.040   -0.014
  失稳转速(rpm)                                    129,030
由表2可以看出，失稳转速129,030rpm远大于设计工作转速50,000rpm，在设计工作转速50,000rpm附近没有临界转速，且偏离值大于40％，在工作转速下运转比较平稳，其转子动力学性能最佳。由于采用了由主动磁悬浮支承柔性转子系统的机电耦合动力学理论分析得到的最佳控制参数，系统能平稳地越过临界转速，安全到达工作转速，并获得高的回转精度，实现了高速高精度化。
由于主动磁悬浮轴承具有传统轴承所无法比拟的许多优越性能，本发明与现有传统机械轴承支承的电主轴相比具有如下有益效果：
(1)主动磁悬浮轴承支承的电主轴转速比滚动轴承支承的电主轴转速大约高1~4倍，比滑动轴承支承的电主轴转速大约高2.5倍，实现了机床电主轴的高速化。
(2)维护成本低，寿命长。由于主动磁悬浮轴承是靠磁场力来悬浮轴颈，相对运动表面之间没有接触，不存在摩擦、磨损和接触疲劳产生的寿命问题，而电子元器件的可靠性在额定工作条件下大大高于机械零部件，所以主动磁悬浮轴承支承的电主轴的寿命和可靠性均远高于传统机械轴承支承的电主轴。
(3)主动磁悬浮轴承支承的电主轴不需润滑，对环境无污染。
(4)主动磁悬浮轴承支承的电主轴其动力学参数(如刚度、阻尼等)可以通过调节控制器参数方便地进行调节，其回转精度可以达到微米级或更高，刚度可以根据实际要求来设计。因此主动磁悬浮轴承支承的电主轴的回转精度比传统机械轴承支承的电主轴高，实现了机床电主轴的高精度化。
(5)由于采用了主动控制，不仅实现了高速高精度化，而且不需任何附加投资可提高机床电主轴的信息处理能力，如工况检测、预报和故障诊断等。

Claims (5)

1.一种工业应用型主动磁悬浮机床电主轴，包括带有推力盘(5)的主轴(4)，其特征在于主轴(4)套装两个转子铁芯(3)而由两个径向磁轴承(1)支承，推力盘(5)两侧分别由两个推力磁轴承(2)支承，并设有主轴位置控制系统。
2.根据权利要求1所述的工业应用型主动磁悬浮机床电主轴，其特征在于主轴位置控制系统的结构是：主轴(4)的外圆侧面和端面附近装有位移传感器(8、9)，位移传感器(8、9)的电信号输出连接控制器(7)，控制器(7)的输出经功率放大器(6)而控制径向磁轴承(1)和推力磁轴承(2)。
3.根据权利要求2所述的工业应用型主动磁悬浮机床电主轴，其特征在于控制系统共有5路通道，其中控制器每路通道的电路由二块TL071型芯片(IC1、IC6)、一块TL072型芯片(IC3)、三块TL074型芯片(IC2、IC4、IC5)、四个可调电阻(Rp、Rs、Ri、Rd)、22个电阻(R)和四个电容(C1、C2、Ci、Cd)组成。
4.根据权利要求1所述的工业应用型主动磁悬浮机床电主轴，其特征在于机械结构为：一个壳体(15)包容着主轴(4)、电机(14)和磁轴承(1、2)，主轴(4)的中部套装电机的转子铁芯，而其外安装电机静子线圈(14)，位于电机(14)的一侧主轴(4)上固定套装推力盘(5)，推力盘(5)的两侧装有推力磁轴承(2)，主轴(4)的两端部套装转子铁芯(3)，其外安装两个径向磁轴承(1)，在转子铁芯(3)的固定套筒端面处的前盖(25)上装有轴向传感器(9)，在靠近径向磁轴承(1)外侧主轴(4)外圆处的前盖(25)和后小盖(18)上安装有4个径向传感器(8)；电机静子线圈(14)的外圆有水套(21)与壳体(15)构成水冷腔而连通水管接头(19)。
5.根据权利要求4所述的工业应用型主动磁悬浮机床电主轴，其特征在于壳体(15)的两端有前盖(25)和后盖(16)，前盖(25)外装有法兰盘(12)和法兰圈(13)，前、后盖(25、16)内设有辅助轴承(24、17)，前盖(25)前面有防尘盖(10)和前小盖(11)，后盖(16)后面有后小盖(18)，两个径向磁轴承(1)的外圆上有轴承套(20、23)，推力盘(5)外和两个推力磁轴承(2)之间有隔圈(22)。
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Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Assignee: Fujian Chenggong Machine Co., Ltd.

Assignor: Shanghai University

Contract fulfillment period: 2009.5.28 to 2014.5.28 contract change

Contract record no.: 2009350000140

Denomination of invention: Industrial-application type active magnetic suspension machine tool motor spindle

Granted publication date: 20080903

License type: Exclusive license

Record date: 2009.7.13

LIC Patent licence contract for exploitation submitted for record

Free format text: EXCLUSIVE LICENSE; TIME LIMIT OF IMPLEMENTING CONTACT: 2009.5.28 TO 2014.5.28; CHANGE OF CONTRACT

Name of requester: FUJIAN CHENGGONG MACHINE TOOL CO., LTD.

Effective date: 20090713

C17 Cessation of patent right
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20080903

Termination date: 20111016