電主軸四軸聯(lián)動中兩個關(guān)鍵技術(shù)研究

楊 帆

（衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 衢州 324000）

1 前言

隨著數(shù)控技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展，越來越多的機械制造設(shè)備在不斷地向高速、高效、高精度、自動化領(lǐng)域發(fā)展。高速機床是實現(xiàn)高速加工的裝備基礎(chǔ)，高速大功率的內(nèi)裝電動機主軸單元（以下簡稱電主軸）作為高速機床的核心功能部件，是完成高速加工的關(guān)鍵件，其性能指標直接決定機床的發(fā)展水平，電主軸結(jié)構(gòu)的主要特征是將電機置于機床主軸內(nèi)部，直接驅(qū)動主軸，實現(xiàn)電機-主軸一體化的功能。

與國外相比，我國電主軸的研制和應(yīng)用水平處于相對落后狀態(tài)，同世界先進水平還有相當(dāng)?shù)牟罹?，迫切需要迎頭趕上。高速電主軸單元技術(shù)是制約我國高速加工技術(shù)發(fā)展的瓶頸。為了趕上高速加工技術(shù)發(fā)展的潮流，我國正在不斷加大對高速加工關(guān)鍵功能部件-高速電主軸單元的研究力度，并在十一五科技攻關(guān)計劃中提出了"高速電主軸單元的研制"項目。

基于電主軸聯(lián)動技術(shù)的數(shù)控鉆床研制正是在我國已經(jīng)進入高速列車時代，而高速列車制動裝置的專用數(shù)控加工設(shè)備“真空”現(xiàn)狀下展開的。通過四個電主軸一體化，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，從而達到高速、高精度以及高效率，降低系統(tǒng)傳動誤差的目的。通過對其關(guān)鍵技術(shù)的深入研究，開發(fā)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的高速電主軸單元是滿足數(shù)控機床向高速化和主軸單元化方向發(fā)展的需要，進而為推進我國高速機床行業(yè)整體技術(shù)進步打下堅實基礎(chǔ)。

2 電主軸四軸聯(lián)動中的動平衡

工程中的各種回轉(zhuǎn)體，由于材質(zhì)不均勻或毛坯缺陷、加工及裝配中產(chǎn)生的誤差，甚至設(shè)計時就具有非對稱的幾何形狀等多種因素，使得回轉(zhuǎn)體在旋轉(zhuǎn)時，其上每個微小質(zhì)點產(chǎn)生的離心慣性力不能相互抵消，離心慣性力通過軸承作用到機械及其基礎(chǔ)上，引起振動，產(chǎn)生了噪音，加速軸承磨損，縮短了機械壽命，嚴重時能造成破壞性事故。對于高速運轉(zhuǎn)電主軸而言，動平衡對機床加工精度而言影響是極其深遠的。由于毛坯件的鑄造密度不均勻性、零件制造精度以及安裝精度的客觀存在性，完全的動平衡在現(xiàn)實中是不存在。電主軸四軸聯(lián)動系統(tǒng)除了傳統(tǒng)意義上的動平衡校核方法，還可以采用系統(tǒng)控制工程。每個根軸在高速運轉(zhuǎn)時都有一定的動平衡失衡狀態(tài)，即產(chǎn)生離心振動。但是四根軸可以通過控制其轉(zhuǎn)動相位角、轉(zhuǎn)速的不同，達到整體平衡控制結(jié)果，如圖1為被加工高速列車摩擦片。

圖1 摩擦片

根據(jù)高速列車摩擦片的尺寸規(guī)格，標出四個電主軸偏心轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)過程中瞬時某一位置，單根電主軸質(zhì)量m，其中R1，R2，R3對稱分布，要保持整個系統(tǒng)動平衡，就要滿足一定的數(shù)學(xué)關(guān)系式。根據(jù)動平衡計算公式：m=9549MG/rn，其中M為轉(zhuǎn)子質(zhì)量，單位（kg），G為精度等級選用，r為校正半徑單位（mm），為工件的工作轉(zhuǎn)速，單位（rpm），m為不平衡合格量，單位（g），從而推導(dǎo)出各個偏心電主軸的相位關(guān)系式。具體理論計算在另一篇論文中進行推導(dǎo)，在此不再贅述。

圖2 四根偏心電主軸位置關(guān)系

3 電主軸四軸聯(lián)動中的電-磁耦合

電主軸四軸聯(lián)動鉆削機床一共有四根電主軸，電主軸內(nèi)部以及四根電主軸之間必然存在電-磁耦合問題，這不僅僅給高速電主軸機床運動中產(chǎn)生一定的噪音，因電主軸高溫變形而影響加工精度，最關(guān)鍵的是影響電主軸的控制精度。電上軸系統(tǒng)存在復(fù)雜的機電耦合作用，若系統(tǒng)機電參數(shù)匹配不當(dāng)，將引起機電耦合振動導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，工件加工表面質(zhì)量降低。利用將電動機與主軸系統(tǒng)機械特性分離的動力學(xué)分析方法難以對系統(tǒng)的機電耦合振動進行有效的分析評價，也難以實現(xiàn)系統(tǒng)機電特性的優(yōu)化匹配。提出基于機電耦合動力學(xué)模型的電主軸系統(tǒng)匹配特性分析方法，利用所提出的方法研究磨削電士軸系統(tǒng)逆變器工作參數(shù)、電豐軸電動機電磁設(shè)計參數(shù)和砂輪機械參數(shù)脈動轉(zhuǎn)矩及定子電流頻譜特性的影響，并在此基礎(chǔ)上對電主軸四軸聯(lián)動系統(tǒng)進行建模分析出機電耦合振動的物理機制。

圖3 電主軸四軸聯(lián)鉆主機虛擬樣機

4 結(jié)語

根據(jù)電主軸四根轉(zhuǎn)軸空間運動相位以及各根主軸偏心瞬間轉(zhuǎn)速，通過PLC獨立控制各個電主軸的電氣參數(shù)，重新建立起電主軸四軸聯(lián)動系統(tǒng)的動平衡，從而達到抑制電主軸四軸聯(lián)動鉆床的振動問題，能夠達到提高機床的穩(wěn)定性和加工精度問題。根據(jù)電場、磁場矢量性，提出一套“同向相長，反向相消”抑制四軸機電耦中振動的方法以提高系統(tǒng)匹配特性和高速運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，從而證實所提出的基于機電耦合動力學(xué)模型的電主軸系統(tǒng)匹配特性分析方法是有效可以行的。

[1]李松生等.超高速時電主軸軸承的動態(tài)支承剛度分析[J].機械工程學(xué)報，2006，（11）.

[2]曾勝.電磁式旋轉(zhuǎn)機械在線自動平衡系統(tǒng)的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，1997.

[3]張琴，顧立志.數(shù)控高速加工關(guān)鍵技術(shù)的研究[J].機床與液壓，2009，（2）.

[4]劉金生.機電耦合系統(tǒng)的動力學(xué)特性研究[D].遼寧：東北大學(xué)，2006.