專利名稱：工業(yè)應(yīng)用型主動磁懸浮機床電主軸的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于高檔數(shù)控機床的電主軸，特別是一種工業(yè)應(yīng)用型主動磁懸浮機床電主軸。
背景技術(shù)：
隨著科技的發(fā)展進步，高速切削在航空航天、汽車和摩托車、模具等機械制造工業(yè)的金屬加工領(lǐng)域得以迅速發(fā)展，在某種程度上徹底改變了金屬切削的狀況，大大提高了金屬切削的效率和表面加工精度，在很多情況下實現(xiàn)了以銑代磨、以車代磨，如模具的硬銑削、硬車削作為最終精加工工序等。要實現(xiàn)高速切削，除了機床的高速進給系統(tǒng)、高速切削刀具系統(tǒng)之外，機床主軸的高速高精度化是另一個必備條件。采用高速電主軸技術(shù)是實現(xiàn)機床主軸高速化的一個主要途徑。
電主軸是將電機內(nèi)置于機床主軸內(nèi)部、實現(xiàn)電機與主軸一體化功能的內(nèi)裝式電機主軸單元，它省去了皮帶、齒輪、聯(lián)軸節(jié)等中間傳動和變速機構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、機械效率高、噪聲低、振動小和精度高等特點；由于它采用交流變頻技術(shù)，可在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實現(xiàn)無級變速，以適應(yīng)各種工況和負載變化的要求；利用電機矢量控制技術(shù)，它不僅可以滿足強力切削時低速大扭矩的要求，還可以實現(xiàn)準確的C軸定位及傳動的功能，適應(yīng)對C軸功能要求的車削、鏜銑等加工中心及其它數(shù)控機床的需要。因此，電主軸是機械加工中心和數(shù)控機床的關(guān)鍵配套件，是數(shù)控機床的心臟，可應(yīng)用于數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、各種高速離心機、高速旋碾機、高速試驗機等領(lǐng)域，還可應(yīng)用于航空、航天、生物技術(shù)、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工、粉末冶金等行業(yè)。所有這些優(yōu)點的發(fā)揮必須建立在電主軸具有良好的軸承支承技術(shù)基礎(chǔ)之上。
目前，國內(nèi)外已有技術(shù)中對電主軸的軸承支承技術(shù)，工業(yè)應(yīng)用的電主軸全部采用滾動軸承、滑動軸承或氣懸浮軸承等，還沒有采用磁懸浮軸承支承的電主軸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種工業(yè)應(yīng)用型主動磁懸浮機床電主軸，具有較高的極限轉(zhuǎn)速、極小的摩擦、較長的壽命和較大的工作范圍，并具有剛度阻尼可調(diào)、無需潤滑、無污染等優(yōu)點。
為達到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種工業(yè)應(yīng)用型主動磁懸浮機床電主軸，包括帶有推力盤的主軸，其特征在于主軸套裝兩個轉(zhuǎn)子鐵芯而由兩個徑向磁軸承支承，推力盤兩側(cè)分別由兩個推力磁軸承支承，并設(shè)有主軸位置控制系統(tǒng)。
上述的主軸位置控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是主軸的外圓側(cè)面和端面附近裝有位移傳感器，位移傳感器的電信號輸出連接控制器，控制器的輸出經(jīng)功率放大器而控制徑向磁軸承和推力磁軸承。
上述的主軸位置控制系統(tǒng)共有5路通道，其中控制器每路通道的電路由二塊TL071型芯片、一塊TL072型芯片、三塊TL074型芯片、四個可調(diào)電阻、22個電阻和四個電容組成。
本機床電主軸的機械結(jié)構(gòu)為一個殼體包容著主軸、電機和磁軸承，主軸的中部套裝電機的轉(zhuǎn)子鐵芯，而其外安裝電機靜子線圈，位于電機的一側(cè)主軸上固定套裝推力盤，推力盤的兩側(cè)裝有推力磁軸承，主軸的兩端部套裝轉(zhuǎn)子鐵芯，其外安裝兩個徑向磁軸承，在轉(zhuǎn)子鐵芯的固定套筒端面處的前蓋上裝有軸向傳感器，在靠近徑向磁軸承外側(cè)主軸外圓處的前蓋和后小蓋上安裝有4個徑向傳感器；電機靜子線圈的外圓有水套與殼體構(gòu)成水冷腔而連通水管接頭。
上述的殼體的兩端有前蓋和后蓋，前蓋外裝有法蘭盤和法蘭圈，前、后蓋內(nèi)設(shè)有輔助軸承，前蓋前面有防塵蓋和前小蓋，后蓋后面有后小蓋，兩個徑向磁軸承的外圓上有軸承套，推力盤外和兩個推力磁軸承之間有隔圈。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出特點和顯著優(yōu)點本發(fā)明中的主軸徑向軸承和推力軸承均采用磁軸承，并設(shè)有主軸位置控制系統(tǒng)，對電機靜子進行冷卻，從而達到與現(xiàn)有技術(shù)相比較極大提高轉(zhuǎn)速、減小摩擦、延長壽命和擴大工作范圍的目的，并具有支承剛度阻尼可調(diào)、無需潤滑、無污染等優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明一個實施例的軸承技術(shù)方案結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1示例中的主動磁懸浮軸承及其主軸位置控制系統(tǒng)方框圖。
圖3是圖2中主軸位置控制系統(tǒng)中控制器的每路通道電路圖。
圖4是圖1示例的機械結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例是參見圖1，本工業(yè)應(yīng)用型主動磁懸浮機床電主軸的軸承技術(shù)方案由徑向磁軸承1、推力磁軸承2、主軸4、傳感器8、9、功率放大器6和控制器7等構(gòu)成閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，圖2示出主動磁懸浮軸承及其主軸位置控制系統(tǒng)的工作原理框圖由主動磁懸浮支承柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的機電耦合動力學理論分析系統(tǒng)的動力學性能，把得到的最佳控制參數(shù)主動輸入給控制器7，系統(tǒng)在工作時給定主軸4的參考零位值，徑向和軸向均有傳感器8、9測量主軸4的位移信號。當某一方向上的外載荷發(fā)生干擾變化時，作用在主軸4上的力將失去平衡，從而使主軸4在該方向發(fā)生位移，傳感器8、9將該位移信號反饋給控制器7，控制器7對該信號進行比較處理，根據(jù)主軸4位移的變化，發(fā)出一個調(diào)整信號，經(jīng)功率放大器6后輸出至磁軸承1、2的線圈，從而改變線圈中的電參量，使各方向上產(chǎn)生的電磁拉力將主軸4重新拉回至參考零位，主軸4在新的系統(tǒng)力作用下達到新的平衡。
整個控制系統(tǒng)共有5路通道，圖3示出其控制器7每路通道的電路圖，它采用線性集成運算放大器構(gòu)成比例積分微分控制環(huán)節(jié)，簡稱PID控制環(huán)節(jié)。其中U為電壓，R為電阻，C為電容，線性集成運算放大器IC1和IC6的型號為TL071，IC3的型號為TL072，IC2、IC4和IC5的型號為TL074，通過調(diào)節(jié)圖中可調(diào)電阻Rs、Rp、Ri、Rd的阻值，可調(diào)節(jié)軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學性能和穩(wěn)定性。
圖4示出本工業(yè)應(yīng)用型主動磁懸浮機床電主軸的機械結(jié)構(gòu)一個殼體15包容著主軸4、電機14和磁軸承1、2，主軸4的中部套裝電機的轉(zhuǎn)子鐵芯，而其外安裝電機靜子線圈14，位于電機14的一側(cè)主軸4上固定套裝推力盤5，推力盤5的兩側(cè)裝有推力磁軸承2，主軸4的兩端部套裝轉(zhuǎn)子鐵芯3，其外安裝兩個徑向磁軸承1，在轉(zhuǎn)子鐵芯3的固定套筒端面處的前蓋25上裝有軸向傳感器9，在靠近徑向磁軸承1外側(cè)主軸4外圓處的前蓋25和后小蓋18上安裝有4個徑向傳感器8；電機靜子線圈14的外圓有水套21與殼體15構(gòu)成水冷腔而連通水管接頭19。殼體15的兩端有前蓋25和后蓋16，前蓋外裝有法蘭盤12和法蘭圈13，前、后蓋25、16內(nèi)設(shè)有輔助軸承24、17，前蓋25前面有防塵蓋10和前小蓋11，后蓋16后面有后小蓋18，兩個徑向磁軸承1的外圓上有軸承套20、23，推力盤5外和兩個推力磁軸承2之間有隔圈22。
整個主動磁懸浮軸承及其主軸位置控制系統(tǒng)的工作原理是由主動磁懸浮支承柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的機電耦合動力學理論分析系統(tǒng)的動力學性能，把得到的最佳控制參數(shù)(Rs、Rp、Ri、Rd的阻值)主動輸入給控制器7，系統(tǒng)在工作時給定主軸4的參考零位值，徑向和軸向均有傳感器8、9測量主軸4的位移信號。當某一方向上的外載荷發(fā)生干擾變化時，作用在主軸4上的力將失去平衡，從而使主軸4在該方向發(fā)生位移，傳感器8、9將該位移信號反饋給控制器7，控制器7對該信號進行比較處理，根據(jù)主軸4位移的變化，發(fā)出一個調(diào)整信號，經(jīng)功率放大器6后輸出至磁軸承1、2的線圈，從而改變線圈中的電參量，使各方向上產(chǎn)生的電磁拉力將主軸4重新拉回至參考零位，主軸4在新的系統(tǒng)力作用下達到新的平衡。由于采用了由主動磁懸浮支承柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的機電耦合動力學理論分析得到的最佳控制參數(shù)，系統(tǒng)能平穩(wěn)地越過臨界轉(zhuǎn)速，安全到達工作轉(zhuǎn)速，并獲得高的回轉(zhuǎn)精度，實現(xiàn)了高速高精度化。
例如，對于本實施例設(shè)計工作轉(zhuǎn)速為50,000rpm的某銑床電主軸，通過求解主動磁懸浮支承柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的機電耦合動力學振動方程MX″+CX′+KX＝0可以算得表1所示的一組最佳主動控制參數(shù)，表2為這組控制參數(shù)下的最佳動力學性能。
表1 一組最佳控制參數(shù)

表2 對應(yīng)表1控制參數(shù)的動力學性能

由表2可以看出，失穩(wěn)轉(zhuǎn)速129,030rpm遠大于設(shè)計工作轉(zhuǎn)速50,000rpm，在設(shè)計工作轉(zhuǎn)速50,000rpm附近沒有臨界轉(zhuǎn)速，且偏離值大于40％，在工作轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)，其轉(zhuǎn)子動力學性能最佳。由于采用了由主動磁懸浮支承柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的機電耦合動力學理論分析得到的最佳控制參數(shù)，系統(tǒng)能平穩(wěn)地越過臨界轉(zhuǎn)速，安全到達工作轉(zhuǎn)速，并獲得高的回轉(zhuǎn)精度，實現(xiàn)了高速高精度化。
由于主動磁懸浮軸承具有傳統(tǒng)軸承所無法比擬的許多優(yōu)越性能，本發(fā)明與現(xiàn)有傳統(tǒng)機械軸承支承的電主軸相比具有如下有益效果(1)主動磁懸浮軸承支承的電主軸轉(zhuǎn)速比滾動軸承支承的電主軸轉(zhuǎn)速大約高1~4倍，比滑動軸承支承的電主軸轉(zhuǎn)速大約高2.5倍，實現(xiàn)了機床電主軸的高速化。
(2)維護成本低，壽命長。由于主動磁懸浮軸承是靠磁場力來懸浮軸頸，相對運動表面之間沒有接觸，不存在摩擦、磨損和接觸疲勞產(chǎn)生的壽命問題，而電子元器件的可靠性在額定工作條件下大大高于機械零部件，所以主動磁懸浮軸承支承的電主軸的壽命和可靠性均遠高于傳統(tǒng)機械軸承支承的電主軸。
(3)主動磁懸浮軸承支承的電主軸不需潤滑，對環(huán)境無污染。
(4)主動磁懸浮軸承支承的電主軸其動力學參數(shù)(如剛度、阻尼等)可以通過調(diào)節(jié)控制器參數(shù)方便地進行調(diào)節(jié)，其回轉(zhuǎn)精度可以達到微米級或更高，剛度可以根據(jù)實際要求來設(shè)計。因此主動磁懸浮軸承支承的電主軸的回轉(zhuǎn)精度比傳統(tǒng)機械軸承支承的電主軸高，實現(xiàn)了機床電主軸的高精度化。
(5)由于采用了主動控制，不僅實現(xiàn)了高速高精度化，而且不需任何附加投資可提高機床電主軸的信息處理能力，如工況檢測、預(yù)報和故障診斷等。
權(quán)利要求
1.一種工業(yè)應(yīng)用型主動磁懸浮機床電主軸，包括帶有推力盤(5)的主軸(4)，其特征在于主軸(4)套裝兩個轉(zhuǎn)子鐵芯(3)而由兩個徑向磁軸承(1)支承，推力盤(5)兩側(cè)分別由兩個推力磁軸承(2)支承，并設(shè)有主軸位置控制系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)應(yīng)用型主動磁懸浮機床電主軸，其特征在于主軸位置控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是主軸(4)的外圓側(cè)面和端面附近裝有位移傳感器(8、9)，位移傳感器(8、9)的電信號輸出連接控制器(7)，控制器(7)的輸出經(jīng)功率放大器(6)而控制徑向磁軸承(1)和推力磁軸承(2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的工業(yè)應(yīng)用型主動磁懸浮機床電主軸，其特征在于控制系統(tǒng)共有5路通道，其中控制器每路通道的電路由二塊TL071型芯片(IC1、IC6)、一塊TL072型芯片(IC3)、三塊TL074型芯片(IC2、IC4、IC5)、四個可調(diào)電阻(Rp、Rs、Ri、Rd)、22個電阻(R)和四個電容(C1、C2、Ci、Cd)組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)應(yīng)用型主動磁懸浮機床電主軸，其特征在于機械結(jié)構(gòu)為一個殼體(15)包容著主軸(4)、電機(14)和磁軸承(1、2)，主軸(4)的中部套裝電機的轉(zhuǎn)子鐵芯，而其外安裝電機靜子線圈(14)，位于電機(14)的一側(cè)主軸(4)上固定套裝推力盤(5)，推力盤(5)的兩側(cè)裝有推力磁軸承(2)，主軸(4)的兩端部套裝轉(zhuǎn)子鐵芯(3)，其外安裝兩個徑向磁軸承(1)，在轉(zhuǎn)子鐵芯(3)的固定套筒端面處的前蓋(25)上裝有軸向傳感器(9)，在靠近徑向磁軸承(1)外側(cè)主軸(4)外圓處的前蓋(25)和后小蓋(18)上安裝有4個徑向傳感器(8)；電機靜子線圈(14)的外圓有水套(21)與殼體(15)構(gòu)成水冷腔而連通水管接頭(19)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的工業(yè)應(yīng)用型主動磁懸浮機床電主軸，其特征在于殼體(15)的兩端有前蓋(25)和后蓋(16)，前蓋(25)外裝有法蘭盤(12)和法蘭圈(13)，前、后蓋(25、16)內(nèi)設(shè)有輔助軸承(24、17)，前蓋(25)前面有防塵蓋(10)和前小蓋(11)，后蓋(16)后面有后小蓋(18)，兩個徑向磁軸承(1)的外圓上有軸承套(20、23)，推力盤(5)外和兩個推力磁軸承(2)之間有隔圈(22)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種工業(yè)應(yīng)用型主動磁懸浮機床電主軸。它包含有帶有推力盤的主軸，主軸套裝兩個轉(zhuǎn)子鐵芯而由兩個徑向磁軸承支承，推力盤兩側(cè)分別由兩個推力磁軸承支承，并設(shè)有主軸位置控制系統(tǒng)。本發(fā)明能極大地提高轉(zhuǎn)速、減小摩擦、延長壽命和擴大工作范圍，并具有支承剛度阻尼可調(diào)、無需潤滑、無污染等優(yōu)點。
文檔編號B23B19/02GK1528548SQ20031010794
公開日2004年9月15日 申請日期2003年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月16日
發(fā)明者張鋼, 汪希平, 李松生, 張建生, 楊新洲, 吳國慶, 張 鋼 申請人:上海大學