基于阻抗能耗的氣體靜壓電主軸制動(dòng)技術(shù)研究*

吳媛媛　李　彬　趙則祥　趙惠英　喬雪濤

(①中原工學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院機(jī)械工程系，河南 鄭州 451191；②中原工學(xué)院機(jī)電學(xué)院，河南 鄭州 451191)

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基于阻抗能耗的氣體靜壓電主軸制動(dòng)技術(shù)研究*

吳媛媛①李彬②趙則祥②趙惠英②喬雪濤②

(①中原工學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院機(jī)械工程系，河南 鄭州 451191；②中原工學(xué)院機(jī)電學(xué)院，河南 鄭州 451191)

氣體靜壓電主軸由于高精度和高轉(zhuǎn)速特性使其在硬脆材料磨削和單點(diǎn)金剛石切削中獲得更多的應(yīng)用。為滿足其高效加工的要求，需要使主軸在極高轉(zhuǎn)速下快速制動(dòng)，以減少換刀或工件更換時(shí)間；同時(shí)在斷氣情況下，主軸快速停止以防止刀具、工件和主軸自身?yè)p傷。提出了一種依據(jù)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和制動(dòng)時(shí)間的電阻能耗制動(dòng)計(jì)算方法，并設(shè)計(jì)主軸控制和制動(dòng)電氣連接圖。電氣測(cè)試表明，所提出的方法可靠，可以有效地快速實(shí)現(xiàn)主軸制動(dòng)，防止驅(qū)動(dòng)器的電流過(guò)載報(bào)警。

阻抗能耗；電主軸；快速制動(dòng)

隨著現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的美觀和功能的提高，對(duì)工件的加工效率、精度、表面粗糙度以及亞表面損傷層提出了更高的控制要求，進(jìn)而需要更多的精密超精密加工設(shè)備。氣體靜壓主軸部件由于高轉(zhuǎn)速和高精度特性，在超精密加工中獲得更多的應(yīng)用[1]。電氣控制部分通常采用驅(qū)動(dòng)器，而不是傳統(tǒng)的開(kāi)環(huán)變頻器控制，以實(shí)現(xiàn)較高的運(yùn)動(dòng)速度平穩(wěn)性和動(dòng)態(tài)特性。主軸的制動(dòng)方法通常包括機(jī)械制動(dòng)和電氣制動(dòng)兩種形式。宮文斌通過(guò)飛輪慣量的無(wú)級(jí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械慣量和電慣量的混合制動(dòng)[2]。章鴻研究了電子制動(dòng)器在數(shù)控主軸制動(dòng)中的應(yīng)用[3]。金子瑜采用制動(dòng)器試驗(yàn)臺(tái)針對(duì)路試車(chē)輛的制動(dòng)技術(shù)進(jìn)行了研究，通過(guò)分析機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化，分析了電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電流與主軸瞬時(shí)角速度之間的變化規(guī)律[4]。吳子敬提出了依靠PLC控制的能耗制動(dòng)時(shí)間的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法，并應(yīng)用于相關(guān)機(jī)床的設(shè)計(jì)和改造[5]。康濤研究了主軸制動(dòng)器等效慣性試驗(yàn)中的參數(shù)選擇問(wèn)題[6]。任東顏對(duì)數(shù)控車(chē)床機(jī)械主軸的制動(dòng)方法進(jìn)行了列舉和分析[7]。上述文獻(xiàn)主要針對(duì)軸承主軸的制動(dòng)進(jìn)行了研究和綜述，未涉及到采用驅(qū)動(dòng)器控制的氣體靜壓主軸軸系制動(dòng)技術(shù)研究。

本文提出了針對(duì)飛切設(shè)備中的氣體靜壓主軸制動(dòng)技術(shù)展開(kāi)研究。首先根據(jù)制動(dòng)節(jié)拍、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和轉(zhuǎn)速建立了主軸制動(dòng)電阻計(jì)算模型，并設(shè)計(jì)了主軸制動(dòng)電阻的電氣控制圖然后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)表明，所提出的方法可以保證氣體靜壓主軸穩(wěn)定制動(dòng)，不會(huì)出現(xiàn)電流或電壓過(guò)載報(bào)警。

1　阻抗能耗電阻功率計(jì)算方法

主軸的制動(dòng)過(guò)程實(shí)際上為在反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，將主軸的轉(zhuǎn)速快速降低為零。但在主軸快速制動(dòng)的過(guò)程中，根據(jù)驅(qū)動(dòng)器的電流或電壓控制模式不同，會(huì)出現(xiàn)兩者超出額定設(shè)置值，因而引發(fā)系統(tǒng)報(bào)警的情況。其原因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)制動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)會(huì)反饋疊加至驅(qū)動(dòng)器上，從而造成電壓或電流過(guò)載報(bào)警。通過(guò)在控制回路中增加負(fù)載值，即制動(dòng)電阻，以耗散制動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的正向電動(dòng)勢(shì)功率，可以避免電流過(guò)載報(bào)警。

對(duì)于旋轉(zhuǎn)體的功率計(jì)算公式為：

(1)

式中：P為制動(dòng)功率，M為制動(dòng)扭矩，n為初始轉(zhuǎn)速，9.55為轉(zhuǎn)速單位轉(zhuǎn)化系數(shù)，即將轉(zhuǎn)速n的單位r/min轉(zhuǎn)化為rad/s。

由加工節(jié)拍確定制動(dòng)時(shí)間T，進(jìn)而可以確定所需要的制動(dòng)電阻功率。在設(shè)計(jì)制動(dòng)電阻功率值時(shí)，需要確定最大制動(dòng)扭矩Tm、初始制動(dòng)轉(zhuǎn)速n和終止轉(zhuǎn)速ne。通常ne為0，即主軸停轉(zhuǎn)。主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JS，采用3D軟件可以模擬得到轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值。在進(jìn)行電阻功率計(jì)算時(shí)，假設(shè)主軸的減速過(guò)程為勻減速度。假定主軸使用轉(zhuǎn)速為n，主軸制動(dòng)時(shí)間tB與制動(dòng)扭矩的關(guān)系為：

(2)

對(duì)于氣體靜壓電主軸，在存在制動(dòng)電阻條件下，制動(dòng)時(shí)間可以表達(dá)為：

(3)

式中：Jm為主軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；JL為載荷慣量，主軸在制動(dòng)過(guò)程中，通常不會(huì)存在切削力，因此JL通常為所安裝刀盤(pán)或砂輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；MN為電動(dòng)機(jī)的額定扭矩；ML為載荷扭矩，氣體靜壓電主軸在制動(dòng)過(guò)程中，主軸和軸套之間介質(zhì)為空氣，摩擦系數(shù)極小，所產(chǎn)生的載荷扭矩也極?。籑B為制動(dòng)器制動(dòng)扭矩；K為電動(dòng)機(jī)的過(guò)載系數(shù)，通常電動(dòng)機(jī)具有一定的過(guò)載能力，為提供制動(dòng)時(shí)間，可以使電動(dòng)機(jī)在極端的時(shí)間內(nèi)過(guò)載運(yùn)行。依據(jù)公式(1)，可知：

(4)

代入到式(3)中，可以得到制動(dòng)時(shí)間tB與能耗電阻功率PB的關(guān)系是(5)：

(5)

2　阻抗能耗電氣設(shè)計(jì)

在完成制動(dòng)電阻功率的計(jì)算后，需要將其接入到控制電氣系統(tǒng)。在將制動(dòng)電阻引入主軸電氣控制系統(tǒng)時(shí)，不能像接入過(guò)流電阻絲將其進(jìn)入動(dòng)力線組中，否則會(huì)造成電氣系統(tǒng)的載荷增大，無(wú)法滿足系統(tǒng)的要求。電動(dòng)機(jī)制動(dòng)過(guò)程中，由于所施加的電壓方向與轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)相反，轉(zhuǎn)子與定子相當(dāng)于會(huì)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，使反向制動(dòng)電壓增加，并施加到控制器的元件上，造成元件過(guò)載，從而出現(xiàn)電壓或電流過(guò)載報(bào)警。增加制動(dòng)電阻等同于放大制動(dòng)回路中的負(fù)載，減小串聯(lián)元件的承載電流，避免出現(xiàn)過(guò)載。如圖1所示，制動(dòng)電阻串聯(lián)接入驅(qū)動(dòng)器。

3　電阻能耗制動(dòng)電氣實(shí)現(xiàn)

根據(jù)前兩節(jié)中提出的制動(dòng)電阻計(jì)算方法和控制電氣的實(shí)現(xiàn)方法，采用超精密平面銑削氣體靜壓主軸作為試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)象。如圖2所示，主軸的端部安裝有直徑為150 mm的鋁質(zhì)刀盤(pán)，對(duì)稱安裝有金剛石銑刀和平衡塊，主軸的切削轉(zhuǎn)速為4 000 r/min，為滿足2 min的平面快速銑削的節(jié)拍要求，主軸的制動(dòng)時(shí)間要求為10 s，并且制動(dòng)過(guò)程不會(huì)出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)報(bào)警情況，以避免控制器的復(fù)位操作，影響加工效率。

主軸的制動(dòng)參數(shù)如表1所示。在給定節(jié)拍、轉(zhuǎn)速和主軸參數(shù)的條件下，依據(jù)式(5)可以確定制動(dòng)電阻的功率值，進(jìn)而為驅(qū)動(dòng)器配置相應(yīng)的制動(dòng)電阻功率值。

主軸的啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中的加速度是恒定的，如圖3所示為主軸的設(shè)計(jì)增速和制動(dòng)曲線Matlab模擬圖。主軸的啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)間均設(shè)置為10 s。

表1主軸制動(dòng)參數(shù)

參數(shù)數(shù)值主軸轉(zhuǎn)速n/(r/min)4000制動(dòng)時(shí)間tB/s10電動(dòng)機(jī)扭矩MN/N·m5載荷扭矩ML/N·m0主軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM/(kg·m2)0.15刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL/(kg·m2)0.02K0.2再生電阻值動(dòng)功率/W2563

主軸的啟動(dòng)、制動(dòng)和轉(zhuǎn)速指令由數(shù)控系統(tǒng)指定，但可以通過(guò)控制器調(diào)試和參數(shù)設(shè)置軟件來(lái)檢測(cè)主軸電動(dòng)機(jī)和角位移傳感器的信息。圖4所示為主軸轉(zhuǎn)速和電動(dòng)機(jī)電流的監(jiān)測(cè)信息；其中電流存在微小的波動(dòng)，所反應(yīng)的即是主軸速度的穩(wěn)定性。對(duì)于圖4中所示的電流波動(dòng)，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)約為3～5 r/min。圖4中橫坐標(biāo)的單位為ms，其中的啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)間偏差均小于10 ms，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

4　結(jié)語(yǔ)

本文提出了針對(duì)飛切設(shè)備中氣體靜壓主軸制動(dòng)技術(shù)展開(kāi)研究，首先建立了根據(jù)制動(dòng)節(jié)拍、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和轉(zhuǎn)速的主軸制動(dòng)電阻計(jì)算模型，并設(shè)計(jì)了主軸制動(dòng)電阻的電氣控制圖；試驗(yàn)表明，所提出的方法可以保證氣體靜壓主軸穩(wěn)定制動(dòng)，不會(huì)出現(xiàn)電流或電壓過(guò)載報(bào)警。

[1]蓋玉先,董申.超精密加工機(jī)床的關(guān)鍵部件技術(shù)[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2000(1):7-10.

[2]宮文斌,劉安龍,江闊,等.機(jī)械慣量混合電模擬技術(shù)研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2009,40(1):208-212.

[3]章鴻,楊金鵬,尹存濤,等.CA6140車(chē)床主軸制動(dòng)系統(tǒng)改造[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2012(10):140-143.

[4]金子瑜.制動(dòng)器試驗(yàn)臺(tái)的控制方法分析[J].機(jī)電信息,2010(18):63-63,65.

[5]吳子敬.機(jī)床主軸制動(dòng)控制的研究[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2005,21(3):83-85.

[6]康濤,李英昌.淺析主軸制動(dòng)器等效慣性試驗(yàn)的參數(shù)選擇[J].風(fēng)能,2014(3):76-79.

[7]任東顏.數(shù)控車(chē)床主軸制動(dòng)方法的列舉與分析[J].機(jī)床與液壓,2003(2):190-191,171.

(編輯譚弘穎)

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Research of the aerostatic motor spindle brake technique based on the resistance dissipation

WU Yuanyuan①，LI Bin②，ZHAO Zexiang②，ZHAO Huiying②， QIAO Xuetao②

(① School of Mechanical Engineering, College of Information & Business, Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 451191,CHN;② School of Mechatronics Engineering, Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 451191, CHN)

Aerostatic bearings have gained wide applications in the brittle material grinding and single diamond turing for its high speed and high accuracy characteristics. In order to satisfy the high efficient production demands, spindle needs to be braked from high rotational speed for the reduction of the tool exchange time. By the mean time, the fast braking could avoid tool collision and shaft damage. Calculation method for the brake resistance was proposed according to the motor torque and braking time as well as the spindle control and brake electric connections. The electronic test indicated that the proposed method is reliable which could achieve spindle brake and prevent the current overload alarm.

resistance dissipation; motor spindle; fast brake

TP391

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.06.014

吳媛媛，女，1985年生，碩士、講師，主要研究方向?yàn)榫艹芗庸ぜ夹g(shù)與裝備。

2015-12-28)

160630

* 國(guó)家自然科學(xué)基金(51475485)