CN1907607A - 无轴承无电机磁动力数控机床电主轴系统 - Google Patents

Abstract

为使数控机床主轴系统具有自悬浮和自驱动能力，实现机床主轴无磨损、高转速、高精度、大功率的运行。提供了一种无轴承无电机磁动力数控机床电主轴系统，其中包括壳体(4)、主轴(2)、套压在主轴中间的推力圆盘(8)及两端的两个转子铁芯(5)，主轴(2)两端的转子铁芯(5)与其相对应的定子(6)构成主轴的悬浮和旋转装置，并设有主轴的悬浮控制系统和转速控制系统；推力圆盘(8)与两侧的电磁铁(7)构成主轴的轴向磁悬浮轴承，并设有轴向位置控制系统。主轴系统的结构紧凑，缩短了主轴的轴向长度，既提高了主轴的刚性，又提高了主轴的输出功率；并取消了电机的驱动，将其功能融入了径向部件之中，实现了机床主轴的悬浮和旋转。

Description

无轴承无电机磁动力数控机床电主轴系统

                    技术领域

本发明涉及一种数控机床主轴系统，更具体地指一种能够实现高转速、大功率、大扭矩的无轴承、无电机磁动力数控机床主轴系统。

                    背景技术

机床的主轴系统是机床实现旋转运动的执行件，它承受切削力、进给力，驱动力及系统自重等，并保证与机床其它有关组件有精确的相对位置。传统的机床主轴系统由电动机、带传动单元、齿轮传动单元和主轴组成，零部件多，传动链长，传动效率比较低，不能满足高速、高效和高精度的加工要求。

为提高主轴转速，目前高速大功率主轴单元基本采用集成内装式电主轴，这种结构基本上取消了带传动、齿轮及联轴节等中间传动环节，其主轴由内装式电机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床主轴的“零传动”。这种结构具有机械效率高、结构紧凑、噪声低、振动小和精度高等特点，但由于其支撑采用机械轴承，在高速运行时寿命比较短，目前即使采用最新的陶瓷轴承可以将最高转速提高20％～30％，但这种轴承的寿命最多也只有数千小时。

随着对主轴转速和功率的进一步提高，功率和转速越来越大，传统的机械轴承难以满足主轴所需要的超高速、大功率要求。通常采用气浮、液浮和磁悬浮轴承作为主轴的支撑，但气浮和液浮轴承需要配套的气压、液压系统，造成主轴系统结构复杂、能耗大、效率低。磁悬浮轴承的应用使得这种超高速、大功率的主轴成为可能，使得主轴具有转速高、刚度好、可靠性高、动态特性可调等优点。但是由于磁悬浮轴承本身体积较大，而且在主轴的轴向分布有两个径向轴承、一个轴向轴承、高速电机和两个辅助轴承，因此，一方面主轴的轴向尺寸比较长，使得主轴转子刚度小，限制了其临界转速的提高；另一方面，也限制了高速电机的功率输出。

专利文件CN1528548A中公开了一种工业应用型主动磁悬浮机床电主轴，但该发明中采用了驱动电机，从而使主轴的长度大大增加，对主轴刚性要求较高；同时该发明中的磁浮轴承也只能起到径向悬浮作用，并不能驱动主轴的旋转运动。

                        发明内容

本发明的目的就是要提供一种新型数控机床电主轴系统，其具有自悬浮和自驱动能力，实现机床主轴无磨损、高转速、高精度、大功率的运行。

为实现此目的，本发明所设计的机床主轴系统采用了磁悬浮轴承和感应电动机技术，舍弃了传统的高速电机和机械轴承，取而代之的是两个自主设计开发的磁动力部件，实现对主轴转子的旋转驱动、轴向位置控制和径向位置控制功能。这里将实现主轴旋转和径向位置控制的部件简称为“径向部件”，将轴向控制部件称为“轴向部件”。

本发明采用下述的技术方案：

一种无轴承无电机磁动力数控机床电主轴系统，包括壳体、主轴、套压在主轴中间和两端的推力圆盘及两个转子铁芯，其特征在于主轴两端的转子铁芯与其相对应的定子构成主轴的悬浮和旋转，并设有主轴的悬浮和旋转控制系统。推力圆盘与两侧的电磁铁构成主轴的轴向磁悬浮轴承，并设有轴向位置控制系统。

上述的主轴悬浮和旋转控制系统的结构是：主轴端部装有磁码盘，其附近安装转速检测探头，其输出的转速信号与数字控制器DSP相连接，数字控制器DSP的输出信号由变频逆变装置送给4极转矩控制绕组，实现主轴的转速控制；安装在主轴两端的4个电涡流位移传感器经A/D与数字控制器DSP相连，有数字控制器DSP输出的信号由变频逆变装置送给2极悬浮控制绕组，实现主轴的悬浮控制。

上述的主轴轴向位置控制系统是：主轴端面装有电涡流传感器，电涡流传感器的输出信号经A/D转换器与数字控制器DSP相连，数字控制器DSP的输出信号经D/A转换器由开关功率放大器控制电磁铁的磁悬浮力，实现主轴的轴向位置控制。

本无轴承、无电机磁动力数控机床电主轴系统的机械结构为：机壳包容着主轴、径向部件和轴向部件，主轴的两端部套装着径向部件的转子铁芯，而其外安装着径向部件的定子部分，由硅钢片冲压而成，内部绕有4极转速控制绕组线圈和2极悬浮控制绕组线圈，位于两径向部件中间，在主轴上固定套装推力盘，推力盘两侧安装有推力磁轴承，合称轴向部件。在两端盖处，主轴外圆附近安装了4个径向电涡流位移传感器，其中两两相对安装，实现差动测量；在主轴的末端的端面上安装1个轴向电涡流位移传感器。在主轴突出后端盖的部分，套装有磁码盘，并安装有转速检测探头，连接固定在机床床身。机壳壁中通有冷却水管，并接有水管接头。机壳两端安装前后两个端盖，各安装一个径向辅助保护轴承，在主轴末端安装有轴向辅助保护轴承。

本发明同时给出一种实现数控机床主轴系统无轴承无电机的方法，该方法是在数控机床上安装壳体、主轴，在主轴中间套压推力圆盘及两端的两个转子铁芯，两个转子铁芯分别设置在推力圆盘的两侧位置，为转子铁芯设置相对应的定子，定子中分别设置具有悬浮和旋转功能的两组线圈，并配置主轴的悬浮控制系统和转速控制系统。该方法还包括以下技术措施：推力圆盘的两侧加装电磁铁构成主轴的轴向磁悬浮轴承，并配置轴向位置控制系统；机壳壁中安装冷却水管，并接水管接头；机壳前后两个端盖各安装一个径向辅助保护轴承，在主轴末端安装有轴向辅助保护轴承。

综上所述，本发明的技术方案主要针对数控机床主轴的高精度、大功率的切削加工而设计，实现主轴的悬浮、转速等控制，大大的超出了电机的简单功能范围。本发明的优点在于：与直接应用磁悬浮轴承支撑和高频电机驱动的机床电主轴系统相比较，主轴系统的结构紧凑，缩短了主轴的轴向长度，即提高了主轴的刚性，又提高了主轴的输出功率。同时取消了电机的驱动，将其功能融入了径向部件之中，并成对使用，使输出功率成倍增加。

                    附图说明

附图1为径向部件悬浮力产生示意图。

附图2为轴向部件悬浮力产生示意图。

附图3为无轴承无电机磁动力数控机床主轴系统机械结构示意图。

附图4为无轴承无电机磁动力数控机床主轴系统技术方案示意图。

                   具体实施方式

以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。

本发明所述的主轴系统悬浮原理如图1所示，当悬浮绕组中没有通入电流时，转矩绕组电流产生的4极磁场均匀对称，磁场中气隙磁通密度处处相等，转子上无悬浮力。当悬浮绕组通入某一方向的电流时，产生如图1所示的2极磁场与，原来的4极磁场叠加，使得气隙中某个区域磁场增强，而其对称区域磁场减弱，不平衡的气隙磁通密度使转子上产生出沿Y轴正方向的磁拉力。相反，如果在悬浮绕组上通入反方向电流，合成的气隙磁场将产生沿Y轴负方向的磁力。这样，通过控制悬浮绕组电流大小及方向可在转子上产生任意方向的可控悬浮力，用以抵消由于转子偏心而产生的单边磁拉力。由磁悬浮力表达式

             F＝k·I_4m·I_2m·sin(₄-₂)

可知只需控制4极转矩绕组和2极悬浮绕组的电流强度及相位差，就可以在任意时刻控制磁场合力的大小和方向，通过控制系统，实现主轴的稳定悬浮。这里k为与定、转子参数有关的一个系数，可以通过计算求得。

参见图3，由图可见，本发明无轴承无电机磁动力数控机床主轴系统，包括主轴2，径向部件和轴向部件，主轴的两端套装着径向部件的转子铁芯5，而其外安装着径向部件的定子部分6，由硅钢片冲压而成，内部绕有4极转速控制绕组线圈12和2极悬浮控制绕组线圈13，位于两径向部件中间，在主轴上固定套装推力盘8，推力盘两侧安装有电磁铁7，合称轴向部件。在两端盖1、9处，主轴2外圆附近安装了4个径向电涡流位移传感器11；在主轴2的末端端面上安装1个轴向电涡流位移传感器17。在主轴2突出后端盖1的部分，套装有磁码盘15，并安装有转速检测探头14，连接固定在机床床身。机壳壁中通有冷却水管，并接有水管接头。机壳两端安装前后两个端盖1、9，各安装一个径向辅助保护轴承10，在主轴末端安装有轴向辅助保护轴承16。

结合附图1，附图2和附图3对本系统以及其中的径向部件和轴向部件的工作原理作如下解释：分布于主轴两端的“径向部件”结构与传统的感应式电机结构相似，有转子5和定子6两部分，其全部用硅钢片叠压而成，转子5采用异步电机的鼠笼式结构，而定子6中的绕组则包括一套4极绕组线圈12和一套2极绕组线圈13。根据其作用不同，分别为转矩绕组和悬浮绕组，其中4极绕组线圈12，即转矩绕组。与传统的异步电机作用相似，产生使转子旋转的电磁转矩，通过系统中的变频逆变装置，实现对主轴转子的转速及输出转矩控制。而2极绕组线圈13，即悬浮绕组，其作用则是与转矩绕组相互作用，产生可控的悬浮力。

而中间位置的“轴向部件”，控制主轴转子的轴向位置，从图4中可以看到，任意时刻当推力圆盘8偏离平衡位置时，由轴向电涡流位移传感器17检测出推力圆盘8偏离平衡位置的位移，传感器的检测信号与给定的参考信号比较后得到位置误差信号，数字控制器19根据给定的控制算法计算出转子回复到原平衡位置所需要的控制信号，经功率放大器20变换成电流或电压输出，驱动电磁铁7产生相应的电磁恢复力，使推力圆盘8回复到其平衡位置，从而实现主轴的轴向位置控制。图2中向量合力F＝F₁-F₂，即为轴向控制力，通过改变绕组中的电流强度，从而改变磁场中的两处气隙的强度，控制磁场内部的拉力F₁、F₂，来实现控制目的。

参见附图3，当系统处于非工作状态时，制动装置3将主轴转子紧紧地固定，避免主轴在外界干扰下任意摆动。

当系统开始工作时，首先根据转速要求，转矩控制绕组通入启动电流。同时，电涡流位移传感器11和17检测主轴水平方向和竖直方向的位移，电涡流位移传感器11和17将检测到的位移信号送入数字控制器19，与给定信号比较得到主轴的位置偏差，由数字控制器19计算出主轴回复到中心平衡位置所需的径向和轴向回复力，由所得到的回复力计算出悬浮绕组和轴向控制绕组中所需的电流，经变频逆变装置输入悬浮控制绕组，以控制主轴的径向位移和轴向位移，实现主轴的悬浮控制。此时制动装置3打开，主轴转子将完全悬浮，仅受磁场作用力，向平衡位置移动，这即为启动的过程。同时启动磁码盘15检测出实时的转速，按照传统异步电机调速方法实现对主轴转速的调节。

在主轴系统的工作过程中，转子的驱动力和悬浮支撑力，完全由径向部件和轴向部件所承担，检测系统时刻监测主轴转子的位置偏移和转速变化，并将结果反馈于控制系统。当主轴受到径向或轴向的载荷时，系统将根据主轴转子转速及位置的变化相应的调整所有绕组中的电流的强度和频率以及相位，提供相应的承载力保证主轴的在工作过程中的位置及转速，实现稳定的工作状态。

系统的制动过程与传统的数控机床主轴系统相似，分为正常制动，紧急制动，超载保护制动，以及突然停电保护制动四个方式，其中前两种由操作者输入命令通过对绕组电流的控制得以实现，后两者则是在工作过程中由检测系统对主轴转子的工作状态进行回馈，通过制动装置强制实现制动，可能产生对系统不利的影响，应尽量避免。

Claims (10)

1.一种无轴承无电机磁动力数控机床电主轴系统，包括壳体(4)、主轴(2)、套压在主轴中间的推力圆盘(8)及两端的两个转子铁芯(5)，其特征在于主轴(2)两端的转子铁芯(5)与其相对应的定子(6)构成主轴的悬浮和旋转装置，并设有主轴的悬浮控制系统和转速控制系统；推力圆盘(8)与两侧的电磁铁(7)构成主轴的轴向磁悬浮轴承，并设有轴向位置控制系统。

2.如权利要求1所述的无轴承无电机磁动力数控机床电主轴系统，其特征在于所述定子(6)是由硅钢片冲压而成，其内部绕有4极转速控制绕组线圈(12)和2极悬浮控制绕组线圈(13)。

3.如权利要求2所述的无轴承无电机磁动力数控机床电主轴系统，其特征在于所述主轴转速控制系统按如下方式构造和工作：主轴(2)的端部装有磁码盘(15)，磁码盘(15)附近安装转速检测探头(14)，磁码盘(15)输出的转速信号与数字控制器DSP(19)相连接，数字控制器DSP(19)的输出信号由变频逆变装置(18)送给4极转矩控制绕组(12)，实现主轴的转速控制。

4.如权利要求2所述的无轴承无电机磁动力数控机床电主轴系统，其特征在于所述主轴悬浮控制系统按如下方式构造和工作：主轴(2)两端安装有4个电涡流位移传感器(11)构成测量系统，测量系统检测到的位移信号经A/D转换器与数字控制器DSP(19)相连，数字控制器DSP(19)输出的信号由变频逆变装置(18)送给2极悬浮控制绕组(13)，实现主轴的悬浮控制。

5.根据权利要求4所述的无轴承无电机磁动力数控机床电主轴系统，其特征在于所述的由电涡流位移传感器构成的测量系统按如下方式构造和工作：4个电涡流位移传感器(11)两两相对安装，实现差动测量。

6.如权利要求1所述的无轴承无电机磁动力数控机床电主轴系统，其特征在于所述的主轴轴向位置控制系统按如下方式构造和工作：主轴(2)末端的端面装有电涡流传感器(17)，电涡流传感器(17)的输出信号经A/D转换器与数字控制器DSP(19)相连，数字控制器DSP(19)的输出信号经D/A转换器由开关功率放大器(20)控制电磁铁(7)的磁悬浮力，实现主轴的轴向位置控制。

7.根据权利要求1所述的无轴承无电机磁动力数控机床电主轴系统，其特征在于所述的主轴系统机械结构为：机壳(4)包容着主轴(2)、径向部件和轴向部件，主轴的两端套装着径向部件的转子铁芯(5)，而其外安装着径向部件的定子部分(6)；位于两径向部件中间，在主轴上固定套装推力盘(8)，推力盘两侧安装有电磁铁(7)；在两端盖(1)、(9)处，主轴(2)两端附近安装了4个径向电涡流位移传感器(11)；在主轴(2)的末端的端面上安装1个轴向电涡流位移传感器(17)；在主轴(2)突出后端盖(1)的部分，套装有磁码盘(15)，并安装有转速检测探头(14)，连接固定在机床床身；机壳壁中通有冷却水管，并接有水管接头；机壳前后两个端盖(1)、(9)各安装一个径向辅助保护轴承(10)，在主轴末端安装有轴向辅助保护轴承(16)。

8.一种数控机床，其特征在于使用了如权利要求1至7中所述的任意一种无轴承无电机磁动力电主轴系统。

9.一种实现数控机床主轴系统无轴承无电机的方法，该方法是在数控机床上安装壳体、主轴，在主轴中间套压推力圆盘及两端的两个转子铁芯，两个转子铁芯分别设置在推力圆盘的两侧位置，为转子铁芯设置相对应的定子，定子中分别设置具有悬浮和旋转功能的两组线圈，并配置主轴的悬浮控制系统和转速控制系统。

10.如权利要求9所述的实现数控机床主轴系统无轴承无电机的方法，其特征在于该方法还包括以下技术措施：推力圆盘的两侧加装电磁铁构成主轴的轴向磁悬浮轴承，并配置轴向位置控制系统；机壳壁中安装冷却水管，并接水管接头；机壳前后两个端盖各安装一个径向辅助保护轴承，在主轴末端安装有轴向辅助保护轴承。

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