專利名稱：一種高速主軸電磁式在線動(dòng)平衡方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高速主軸動(dòng)平衡方法，具體為一種高速主軸電磁式在線動(dòng)平衡 方法。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代機(jī)械正向高速、高效、高精度方向不斷發(fā)展， 因此限制和減少各種機(jī)械的振動(dòng)即進(jìn)行動(dòng)平衡顯得越來越重要。尤其對高速 加工機(jī)床，其主軸動(dòng)平衡水平的高低將直接關(guān)乎其所加工工件的精度。
高速主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力可用以下公式表示
尸=附e必2
式中，m為高速主軸系統(tǒng)質(zhì)量，e為高速主軸重心與其旋轉(zhuǎn)中心的偏心距， w為高速主軸的角速度(弧度/秒)，w = 2;r"/60， n為高速主軸轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/分)。
令[/ =膨，f/為不平衡量的質(zhì)徑積(g*mm)，通常用f/表示不平衡量的大 小?？梢娤到y(tǒng)旋轉(zhuǎn)時(shí)由不平衡量產(chǎn)生的不平衡離心力與速度的平方成正比， 在轉(zhuǎn)速很高的情況下，即使很小的不平衡量"，也會產(chǎn)生非常大的不平衡離 心力，引起機(jī)床的振動(dòng)，導(dǎo)致加工精度下降；甚至?xí)馆S承產(chǎn)生碰磨，使用 壽命大大降低。因此必須對高速主軸進(jìn)行動(dòng)平衡。
過去的平衡措施都為離線動(dòng)平衡,即通過多次起停試驗(yàn)測出不平衡量的大 小，增加或去除配重達(dá)到平衡的目的。因離線動(dòng)平衡需要停機(jī)作業(yè)，在時(shí)間 和費(fèi)用上會造成大量的損失，并且在有些不允許停機(jī)的工況下使用受到限制。 為減少損失、提高生產(chǎn)效率和加工精度、拓寬動(dòng)平衡應(yīng)用范圍，目前，己開 展有關(guān)高速主軸在線動(dòng)平衡的研究。在線動(dòng)平衡可在主軸的工作轉(zhuǎn)速下自動(dòng)
識別不平衡量的大小和相位，并自動(dòng)完成平衡工作，具有平衡效率高，平衡 精度高，操作簡便，自動(dòng)化程度髙等特點(diǎn)，且可以對高速主軸系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí) 在線監(jiān)測，將主軸的運(yùn)動(dòng)狀況始終控制在要求的精度范圍內(nèi)。因此高速主軸 在線動(dòng)平衡技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。
在線動(dòng)平衡中的關(guān)鍵技術(shù)是動(dòng)平衡頭的設(shè)計(jì)。廣泛應(yīng)用的動(dòng)平衡頭按平 衡的方法可分為以下三類①直接在線動(dòng)平衡頭。這種平衡頭是從質(zhì)量方面 入手，通過加重或去重的方法，將平衡圓盤的幾何中心調(diào)整到旋轉(zhuǎn)中心，主 要包括噴液法、噴涂法、激光去重法等。這種方法存在著諸如應(yīng)用轉(zhuǎn)速不能 過高，污染環(huán)境、動(dòng)平衡精度低等許多實(shí)際問題，應(yīng)用范圍相對狹窄。②間 接在線動(dòng)平衡頭。這種動(dòng)平衡頭是給轉(zhuǎn)軸長期提供一個(gè)與不平衡力大小相等、 方向相反的力，在轉(zhuǎn)軸工作時(shí)將其重心強(qiáng)行拉到旋轉(zhuǎn)中心。目前，這種平衡 頭主要包括電磁軸承型在線動(dòng)平衡頭和電磁圓盤型在線動(dòng)平衡頭，他們都有 一個(gè)嚴(yán)重的不足就是運(yùn)行過程中一直受到交變的旋轉(zhuǎn)電磁場所產(chǎn)生電磁力的 作用，對長期運(yùn)行的旋轉(zhuǎn)機(jī)械來說，旋轉(zhuǎn)電磁場產(chǎn)生的能耗大，且這種平衡 一般尺寸較大，應(yīng)用場合有限。③混合型在線動(dòng)平衡頭。這類動(dòng)平衡頭工作 時(shí)，由檢測系統(tǒng)測量轉(zhuǎn)子的振動(dòng)信號，通過控制系統(tǒng)，以某種方式調(diào)整平衡 頭內(nèi)部質(zhì)量分布，使其幾何中心與旋轉(zhuǎn)中心重合達(dá)到平衡的目的。根據(jù)驅(qū)動(dòng) 質(zhì)量調(diào)整的控制方式的不同，混合型在線動(dòng)平衡頭又可分為電動(dòng)機(jī)型、遙控 型以及電磁型在線動(dòng)平衡頭。這些形式的平衡頭的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且平 衡過程的響應(yīng)時(shí)間過長。
上述三種在線動(dòng)平衡無論是其裝置的形狀結(jié)構(gòu)還是控制方法現(xiàn)在都有較 成熟的技術(shù)，并在相關(guān)文獻(xiàn)中有較詳盡的介紹，但每種在線動(dòng)平衡裝置都存 在一些缺陷或不足。因此研制結(jié)構(gòu)簡單、可靠，精度高的高速主軸在線動(dòng)平 衡裝置，對于高速超精密加工有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有在線動(dòng)平衡因需要產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電磁場而受限于轉(zhuǎn) 速和能耗過大的缺點(diǎn)，特別是間接在線動(dòng)平衡裝置和混合型在線動(dòng)平衡裝置 存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、響應(yīng)時(shí)間長和穩(wěn)定性差等不足，針對有伸出端的機(jī)床主軸， 提供了一種響應(yīng)迅速，控制方便的電磁式在線動(dòng)平衡方法。
為達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的 一種高速主軸電磁式在線動(dòng)平衡方法，包括下述步驟 (1)在選定的主軸段上軸向依次排列至少三個(gè)鼠籠狀鐵芯，每個(gè)鐵芯軸 向繞有可通有直流電的線圈繞組，與鼠籠狀鐵芯對應(yīng)的主軸上設(shè)有套筒，該 套筒軸向分為對應(yīng)鼠籠狀鐵芯個(gè)數(shù)的多段，每段與單個(gè)鐵芯寬度相同，各段 周向分別設(shè)有包角為90度且軸向投影相互無重疊部分的凸臺，凸臺與鼠籠狀 鐵芯徑向之間形成調(diào)整氣隙；
(2) 當(dāng)位移傳感器監(jiān)測到主軸不平衡量時(shí)，由在線動(dòng)平衡系統(tǒng)的工控計(jì) 算機(jī)解算出不平衡量的大小和相位；
(3) 依據(jù)該不平衡量的大小和相位，計(jì)算機(jī)通過決策程序產(chǎn)生控制編碼 傳遞給驅(qū)動(dòng)電路對所述多個(gè)線圈繞組分別通入不同方向和大小的電流，即可 在軸向并列產(chǎn)生多個(gè)獨(dú)立的靜磁場，且相鄰兩磁場的方向相反；
(4) 多個(gè)獨(dú)立的靜磁場分別作用于套筒上對應(yīng)的凸臺，產(chǎn)生不同方向的 獨(dú)立電磁力Fn， n=l、 2、 3、，各電磁力的合力F= Fl+F2+F3+…與主軸上 的不平衡力相互抵消，本次在線平衡過程結(jié)束；
(5) 當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，無需對主軸再次平衡；若主軸轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，則根 據(jù)測速傳感器所測主軸轉(zhuǎn)速的變化，再次監(jiān)測主軸不平衡量的大小和相位， 重復(fù)步驟(2)到(4)，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)動(dòng)平衡。
上述方法中，所述主軸段上軸向依次排列四個(gè)鼠籠狀鐵芯，所述套筒軸 向?qū)?yīng)四個(gè)鼠籠狀鐵芯分為四段。所述包角為90度的凸臺軸向投影關(guān)系為 第一、第四兩段之間、第二、第三兩段之間相差180度；第一、第二兩段之 間、第三、第四兩段之間相差90度。所述套筒凸臺和鼠籠狀鐵芯徑向之間調(diào)
整氣隙的厚度可通過凸臺凸起的高度調(diào)整。
本發(fā)明所述高速機(jī)床主軸電磁式動(dòng)平衡裝置創(chuàng)新性地將周向多段獨(dú)立靜 磁場引入高速動(dòng)平衡設(shè)計(jì)，對應(yīng)的每個(gè)磁場中的軸段處安裝加工有凸臺的套 筒，從而使得每個(gè)靜磁場處由于氣隙不均勻而產(chǎn)生一個(gè)大小隨磁場強(qiáng)度變化、 方向始終與凸臺方向一致的電磁作用力，調(diào)整各組線圈繞組電流的大小即可 得到任意大小(設(shè)計(jì)范圍內(nèi))、任意方向的平衡力，克服了傳統(tǒng)電磁平衡法中 因轉(zhuǎn)速過高而使得電磁作用力方向的變化無法與轉(zhuǎn)速保持一致的問題。該平 衡方法具有平衡裝置結(jié)構(gòu)簡單緊湊、響應(yīng)時(shí)間短、動(dòng)平衡速度范圍寬等特點(diǎn)， 很好的實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)高速動(dòng)平衡的效果，在工程上有一定的實(shí)用價(jià)值。


圖1為幾種特殊的方向確定平面力系示意圖。
圖2為本發(fā)明高速主軸電磁式在線動(dòng)平衡裝置結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3為圖4高速主軸電磁式在線動(dòng)平衡裝置套筒結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4為圖3套筒軸向不同的剖視圖。
圖5為圖2單個(gè)鼠籠狀鐵芯電磁作用力示意圖。其中圖5b是圖5a的側(cè) 視圖。
圖6為本發(fā)明高速主軸電磁式在線動(dòng)平衡裝置控制原理示意圖。 圖2-圖6中的附圖標(biāo)記l-套筒，1'-套筒凸臺，2-鼠籠狀鐵芯，3-線 圈繞組，4-鐵芯支架，5-主軸，6、 7-主軸軸承，8-主軸殼體，9-高速動(dòng)平衡 裝置；10、 11-高精度電容式位移傳感器，12-測速傳感器。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明 本發(fā)明的設(shè)計(jì)思路如下由于平面內(nèi)任意一個(gè)力均可由該平面內(nèi)至少三 個(gè)確定方向的力的合力來表示，圖l所示分別為幾種特殊的方向確定力系示
意圖，如圖la的三方向確定力系(X，Y，Z)，圖lb的四方向確定力系 (X+， Y+， X-， Y-)，圖lc的六方向確定力系(X+，Y+，Z+，X-,Y-，Z-)，圖ld的八 方向確定力系(X+， Y+， Z+， W+， X-， Y-， Z-， W-)，甚至更多方向確定力系等。因此， 發(fā)明人提出通過控制確定力系的合力的大小和方向來抵消高速主軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生 的不平衡力，以達(dá)到高速主軸在線動(dòng)平衡的目的。
本發(fā)明一種高速主軸電磁式在線動(dòng)平衡裝置如圖2、圖3所示，包括有軸 向依次排列的四個(gè)鼠籠狀鐵芯2，每個(gè)鐵芯軸向纏繞有線圈繞組3，線圈繞組 3繞在每個(gè)鐵芯軸向輻條上，輻條個(gè)數(shù)依據(jù)所需平衡的軸的軸徑確定，在保 證單個(gè)輻條磁通量和線圈纏繞空間的前提下盡量保持其周向排列緊密(圖 5)。與鼠籠狀鐵芯對應(yīng)的主軸上設(shè)有套筒1，該套筒軸向?qū)挾扰c單個(gè)鐵芯寬 度相同的四段A、 B、 C、 D周向分別設(shè)有包角各為90度且軸向投影相互無重 疊部分的凸臺，鼠籠鐵芯設(shè)置在支架4中。
需要說明的是本發(fā)明采用四個(gè)鼠籠狀鐵芯即采用四個(gè)方向確定力系的結(jié) 構(gòu)是鑒于以下考慮首先三個(gè)方向確定力系為最簡單的結(jié)構(gòu)，理論上可以滿 足平衡要求，但由于實(shí)際應(yīng)用只漏磁的存在，使得三個(gè)鐵芯中位于兩邊的兩 個(gè)鐵芯產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度相對位于中間位置的鐵芯產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度較弱，給控 制帶來一定的不便。其次，方向確定力系的個(gè)數(shù)越多，控制產(chǎn)生的電磁合力 的大小和方向越精確，但同時(shí)結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜，整個(gè)裝置的體積也越大，限制 了該裝置在某些場合的應(yīng)用。因此本發(fā)明綜合考量以上因素做出了采用四個(gè) 鼠籠狀鐵芯的優(yōu)選實(shí)施例。另外，由于四個(gè)鼠籠狀鐵芯寬度窄且排列緊密， 因此忽略其產(chǎn)生的彎矩。
該平衡裝置的基本工作原理為當(dāng)給鼠籠狀鐵芯2上軸向纏繞的線圈繞 組3通入一定大小直流電后，則在周向同一半徑大小處產(chǎn)生均勻的靜磁場(圖 2中的箭頭代表磁場方向)，當(dāng)該裝置結(jié)構(gòu)確定時(shí)，其周圍每一點(diǎn)磁場強(qiáng)度的 大小僅與所通入電流的大小有關(guān)。因此，給四組線圈分別通入不同大小的電 流，即可在軸向并列產(chǎn)生四個(gè)獨(dú)立的靜磁場(控制電流方向，使得相鄰兩磁
場方向相反)。按圖4中所示某一時(shí)刻A-A、 B-B、 C-C、 D"D四^h截面相對位 置關(guān)系(四個(gè)凸臺T夾角各為90度，Y軸為A-A、 D-D凸臺角平分線，X軸 為B-B、 C-C凸臺角平分線，X與Y軸相互垂直)。在套筒l上依次加工出與 每個(gè)鼠籠狀鐵芯2寬度相等的四個(gè)周向凸臺，并將套筒固定安裝在與平衡裝 置對應(yīng)的主軸5上，因此，作用于套筒的電磁力等價(jià)于作用于主軸上的電磁 力。磁場強(qiáng)度一定的情況下，套筒l受到電磁作用力的大小僅與套筒和鐵芯 之間的氣隙厚度有關(guān)，調(diào)整凸臺的凸起高度即可確定合適的氣隙厚度。四個(gè) 獨(dú)立的靜磁場分別作用于套筒1上對應(yīng)的四個(gè)凸臺上，所產(chǎn)生的四個(gè)方向(方 向?yàn)橥古_角平分線方向且隨主軸同步旋轉(zhuǎn))獨(dú)立的電磁力Fn， n二l、 2、 3、 4 (如圖5所示)，四個(gè)方向的合力既為該電磁平衡裝置在主軸上的作用力，合 力的大小和方向可以通過控制四個(gè)線圈中電流的大小來控制。
整個(gè)高速主軸在線動(dòng)平衡系統(tǒng)的控制原理如圖6所示測速傳感器12 可測量實(shí)際工況下主軸5的轉(zhuǎn)速；設(shè)置在主軸殼體8中軸承6、 7用以支撐主 軸系統(tǒng)；高速動(dòng)平衡裝置9的結(jié)構(gòu)即為圖2所示；高精度電容式位移傳感器 10、 11用來拾取主軸5的振動(dòng)信號，通過與其連接的信號調(diào)理電路，解算出 主軸在該轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的不平衡量的大小，并與測速傳感器12 —起獲得不平衡 量的相位。在正常狀態(tài)下(不平衡量小于最大允許值)，鐵芯線圈3中沒有電 流通過，平衡裝置9與主軸5之間沒有相互作用；當(dāng)位移傳感器IO、 11監(jiān)測 到主軸的不平衡量超過最大允許值(如1微米)時(shí)，根據(jù)測量到的不平衡量 的大小和方向，通過工控計(jì)算機(jī)對驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出控制信號，驅(qū)動(dòng)電路依據(jù)控 制信號對鐵芯線圈3通入電流，使所加電磁合力F與不平衡力相互抵消，達(dá) 到動(dòng)平衡的目的。
本發(fā)明高速主軸電磁式在線動(dòng)平衡方法，包括下述具體步驟 (1)經(jīng)過特殊結(jié)構(gòu)加工的套筒l，四個(gè)并列放置的相同的鼠籠狀鐵芯2 以及軸向纏繞在鐵芯2上的線圈繞組3和鼠籠狀鐵芯2的固定裝置鐵芯支架 4四個(gè)部分。套筒1固定安裝在己選定的主軸段上，將鐵芯安裝在支架內(nèi)，并整體安裝于與套筒對應(yīng)的位置。
(2) 當(dāng)主軸在線動(dòng)平衡系統(tǒng)監(jiān)測到不平衡量時(shí)，由控制計(jì)算機(jī)解算出不 平衡量的大小和相位。
(3) 依據(jù)該不平衡量的大小和相位，通過計(jì)算機(jī)的控制決策系統(tǒng)產(chǎn)生控 制編碼并傳遞給平衡裝置的驅(qū)動(dòng)電路；接著驅(qū)動(dòng)電路依據(jù)控制編碼對四組線 圈分別通入不同大小的電流以產(chǎn)生不同大小的電磁力F1、 F2、 F3、 F4。
(4) 由四個(gè)獨(dú)立的電磁力產(chǎn)生的合力F- Fl+F2+F3+F4既為抵消主軸不 平衡量的平衡力，本次平衡過程結(jié)束。
若主軸工作轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，不平衡量則不會改變，因此無需對主軸再次平衡； 若主軸轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，則不平衡量的大小和相位都會隨著主軸的轉(zhuǎn)速變化而變 化，由于該平衡裝置有響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，因此可以根據(jù)所測轉(zhuǎn)速的不同， 隨時(shí)監(jiān)測主軸不平衡量的大小和相位，通過控制策略給驅(qū)動(dòng)電路不同的控制 編碼，隨時(shí)產(chǎn)生與不平衡量大小相等，方向相反的平衡力，從而達(dá)到實(shí)時(shí)動(dòng) 平衡的目的。
權(quán)利要求
1、一種高速主軸電磁式在線動(dòng)平衡方法，其特征在于，包括下述步驟(1)在選定的主軸段上軸向依次排列至少三個(gè)鼠籠狀鐵芯，每個(gè)鐵芯軸向繞有可通有直流電的線圈繞組，與鼠籠狀鐵芯對應(yīng)的主軸上設(shè)有套筒，該套筒軸向分為對應(yīng)鼠籠狀鐵芯個(gè)數(shù)的多段，每段與單個(gè)鐵芯寬度相同，各段周向分別設(shè)有包角為90度且軸向投影相互無重疊部分的凸臺，凸臺與鼠籠狀鐵芯徑向之間形成調(diào)整氣隙；(2)當(dāng)位移傳感器監(jiān)測到主軸不平衡量時(shí)，由在線動(dòng)平衡系統(tǒng)的工控計(jì)算機(jī)解算出不平衡量的大小和相位；(3)依據(jù)該不平衡量的大小和相位，計(jì)算機(jī)通過決策程序產(chǎn)生控制編碼傳遞給驅(qū)動(dòng)電路對所述多個(gè)線圈繞組分別通入不同方向和大小的電流，即可在軸向并列產(chǎn)生多個(gè)獨(dú)立的靜磁場，且相鄰兩磁場的方向相反；(4)多個(gè)獨(dú)立的靜磁場分別作用于套筒上對應(yīng)的凸臺，產(chǎn)生不同方向的獨(dú)立電磁力Fn，n＝1、2、3、…，各電磁力的合力F＝F1+F2+F3+…與主軸上的不平衡力相互抵消，本次在線平衡過程結(jié)束；(5)當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，無需對主軸再次平衡；若主軸轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，則根據(jù)測速傳感器所測主軸轉(zhuǎn)速的變化，再次監(jiān)測主軸不平衡量的大小和相位，重復(fù)步驟(2)到(4)，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)動(dòng)平衡。
2、 如權(quán)利要求l所述的高速主軸電磁式在線動(dòng)平衡方法，其特征在于， 所述主軸段上軸向依次排列四個(gè)鼠籠狀鐵芯，所述套筒軸向?qū)?yīng)四個(gè)鼠籠狀 鐵芯分為四段。
3、 如權(quán)利要求2所述的高速主軸電磁式在線動(dòng)平衡方法，其特征在于， 所述包角為90度的凸臺軸向投影關(guān)系為第一、第四兩段之間、第二、第三 兩段之間相差180度；第一、第二兩段之間、第三、第四兩段之間相差90度。
4、 如權(quán)利要求1所述的高速主軸電磁式在線動(dòng)平衡方法，其特征在于， 所述套筒凸臺和鼠籠狀鐵芯徑向之間調(diào)整氣隙的厚度可通過凸臺凸起的高度 調(diào)整。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高速主軸電磁式在線動(dòng)平衡方法，包括采用軸向產(chǎn)生并列的獨(dú)立靜磁場，對應(yīng)的每個(gè)磁場中的軸段處安裝加工有凸臺的套筒，從而使得每個(gè)靜磁場處由于氣隙不均勻而產(chǎn)生一個(gè)大小隨磁場強(qiáng)度變化、方向始終與凸臺方向一致的電磁作用力，克服了傳統(tǒng)電磁平衡法中因轉(zhuǎn)速過高而使得電磁作用力方向的變化無法與轉(zhuǎn)速保持一致的問題。調(diào)整該平衡裝置各組線圈繞組電流的大小即可得到任意大小(設(shè)計(jì)范圍內(nèi))、任意方向的平衡力。該平衡方法具有平衡裝置結(jié)構(gòu)簡單，加工安裝方便，動(dòng)平衡速度范圍寬，響應(yīng)時(shí)間短，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)高效的高速主軸在線動(dòng)平衡補(bǔ)償效果。
文檔編號H02K15/00GK101394122SQ20081023200
公開日2009年3月25日 申請日期2008年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月29日
發(fā)明者華 徐, 攀 戴, 馬求山, 馬石磊 申請人:西安交通大學(xué)