专利名称：机床主轴跳动主动抑制方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机床主轴跳动主动抑制方法及装置，属于机械工程领域。
背景技术：
机床主轴，尤其是加工中心机床电主轴通常是一个以电机为固定端的悬臂梁结构，其特征为主轴电机驱动主轴转子转动，转子沿电机一端伸出以装夹刀具或者工件。转子的该伸出端由于转子本身结构或者装夹刀具工件后不能满足动平衡以及受外力作用会产生径向跳动，影响加工精度和刀具寿命。
针对主轴的位置偏差问题，一种测量机床主轴位置并利用误差信号进行主轴位置控制的系统被开发出来。该系统相关技术参见美国专利号US3596153，名称POSITIONAL CONTROL SYSTEM FOR A MACHINETOOL。该系统主要特征是测量机床主轴位置并将误差信号传给矢量控制系统以控制机床机床主轴位置。该专利可以提高主轴的位置精度从而改善加工精度。但是，控制主轴相对于工件位置并没有改变主轴的内部结构，导致径向跳动的因素依然存在。
河南新机股份有限公司体出一种保证主轴稳定性的主轴结构，参见中国申请(专利)号200520030563.1，名称立式钢球研球机的主轴结构。该机构主要特征是在主轴与壳体中支台之间有一个孔径向下带有锥度的双列圆柱滚子轴承，同时将主轴与轴承的接触处加工成相应的锥度安装面。该结构通过增加主轴与轴承接触面积的方法提高了主轴的稳定性，相应减小了主轴径向跳动，但是主轴发生磨损后需要进行调整维护。
同时，中国申请(专利)号01134647.7，名称旋转主轴刀具轴向偏摆的内部主动补偿方法及装置，其主要特征是在主轴内部的心轴尾端增设一电磁控制模块，以非接触式的磁力来微调心轴的轴向位置。但是该专利需要在主轴外部设置传感器直接量测刀具的轴向偏摆并将所得量测资料作为回授信号，因此控制系统较为复杂，并且加设在心轴尾端尾段的电磁模块只能控制主轴轴向跳动，没有控制径向跳动的作用。
另外，美国专利US6062778，名称Precision positioner fora cutting tool insert，涉及镗孔刀具的径向定位方法和装置。其涉及一种切削刀具的精确定位装置，切削刀具安装于镗杆末端的挠性构件上。该挠性部件平行于一垂直于刀具前进方向的径向轴；其沿进给轴，相对于刀具进给方向固定；其沿着切削轴，相对于刀具旋转方向固定。挠性部件和切削刀具因与工件接触或者镗杆颤振引起的位移将被一激光探测器探测。该探测信号将被输入计算机，该计算机随镗杆转动并提供反馈信号至与挠性部件相连执行器，并由执行器驱动挠性部件校正刀具位置。其缺点是需要采用激光位移传感器检测刀具和挠性部件的位置，并采用微型计算机处理检测型号，系统控制方法复杂、成本也较高。同时采用执行器对挠性部件和刀具进行位置调整的方法会引起新的动平衡问题，当主轴转速进一步提高，如高速加工机床转速高达50000转/分，加工精度要求高，径向跳动问题又显现出来。首先，主轴转速提高，主轴动平衡要求相应提高，即使采用上述专利进行平衡也不能有效控制主轴径向跳动。这是因为该专利的主要调节部件都是机械结构，其本身也具有一定动平衡问题，这些问题会在高速转动下暴露出来。其次，在高精密加工中即使是很小的主轴跳动也会使加工精度丢失，导致产品不合格。因此欲需要进一步控制主轴径向跳动才能满足高精度生产需要。
发明内容
本发明针对机械控制成本高、结构复杂、性能有限等不足，提出了一种减小主轴径向跳动，适合于高速高精密加工机床装配的机床主轴跳动主动抑制方法及装置。
一种机床主轴跳动主动抑制方法，其特征在于在主轴转子和主轴安装架上分别安装电磁力线圈，并使其保留一定间隙，分别组成径向磁力线圈组和轴向磁力线圈组，其中(a)、使所述的径向磁力线圈组间隙的最小值大于主轴径向跳动在这组线圈安装处产生的最大径向幅值，最大值满足使这组磁力线圈间的作用力不小于该间隙为零时作用力的50％；当主轴发生径向跳动时，径向磁力线圈组间隙发生变化，产生正向与主轴主轴径向跳动幅值的电磁合力，该电磁合力方向与跳动方向相反，其施加与主轴转子伸出端使得主轴跳动得到抑制；(b)、同时，使所述的轴向磁力线圈组间隙的最小值大于主轴径向跳动在这组线圈安装处产生的最大轴向幅值，最大值满足使这组线圈间的作用力不小于该间隙为零时作用力的50％；当主轴发生引起主轴摆动的径向跳动时，轴向磁力线圈组间隙发生变化，产生正向于主轴径向跳动幅值的电磁力矩，该电磁力矩方向与摆动方向相反，其施加于主轴转子伸出端使得主轴跳动得到抑制。
一种机床主轴跳动主动抑制装置，其特征在于该装置由两组磁力线圈组和一电压电源组成，其中(a)、第一组磁力线圈组为径向磁力线圈组，由安装在转子伸出最末端上的磁力线圈I和位置与其相对且安装在安装架上的磁力线圈II组成，磁力线圈I和磁力线圈II径向有径向间隙；且所述的磁力线圈I和磁力线圈II径向间隙的最小值大于主轴径向跳动在这两个线圈安装处产生的最大径向幅值，最大值满足使磁力线圈I和磁力线圈II间的作用力不小于该间隙为零时作用力的50％；(b)、第二组磁力线圈组为轴向磁力线圈组，位于第一组磁力线圈组和转子伸出端轴承之间，它由磁力线圈III、磁力线圈IV、磁力线圈V组成，磁力线圈IV安装于安装架上，磁力线圈III和磁力线圈V安装在转子上且分别位于磁力线圈IV的轴向前后两侧，磁力线圈IV与磁力线圈III、磁力线圈V有轴向间隙；且所述的磁力线圈IV与磁力线圈III、磁力线圈V的轴向间隙最小值大于主轴径向跳动在这三个线圈安装处产生的最大轴向幅值，最大值满足使磁力线圈IV与磁力线圈III、磁力线圈V间的作用力不小于该间隙为零时作用力的50％。
另外，上述的机床主轴跳动主动抑制方法及装置中，所述的磁力线圈I、磁力线圈II、磁力线圈III、磁力线圈IV、磁力线圈V可以由各自由若干子线圈组成，其中，各子线圈轴线垂直于转子法面，在与主轴轴心线垂直的平面内成环形排列，构成磁力线圈，安装状态时，该由子磁力线圈排列成的圆的圆心过主轴轴心线。磁力线圈中的子线圈电路上为并联连接，并由电源供电，磁力线圈嵌入到各自的支架中，支架和主轴转子或主轴安装架通过螺纹连接固定。
另外，所述的磁力线圈I、磁力线圈II、磁力线圈III、磁力线圈IV、磁力线圈V可以设有用来微调其电流值的可调电阻。
本发明具有如下效果1、由于在主轴转子伸出端施加可控的作用力，使得主轴径向跳动得到抑制，改善了转子伸出端的悬臂梁结构，提高了主轴系统的刚性；2、通过设置于转子伸出端的一磁力线圈组控制主轴径向跳动引起的倾斜也可以抑制主轴的径向跳动；3、磁力线圈体积小、安装本装置不需改变主轴原有的主要结构，安装方便、便于维护；4、因为电磁力可以更据实际跳动误差幅值通过调节线圈上的电压值进行调整，所以调整方便，并能保证主轴的长期精度要求；5、由于所安装的磁力线圈组在使用过程中位置和重量不变，因此不会在使用过程中改变主轴系统的动平衡性能；6、由于利用电磁场距离越近相互作用力越大的特征自动抑制径向跳动，因此无需传感器和计算机等装置构成的复杂控制系统，成本较低。
图1为本发明的机床主轴振动主动抑制装置一较佳实施案例的剖面结构示意图。
图2为本发明的机床主轴振动主动抑制装置的一个实施状态，该状态下主轴无径向跳动，主轴安装架对主轴转子的合力为零。
图3为本发明的机床主轴振动主动抑制装置的一个实施状态，该状态下主轴有径向跳动，主轴安装架对主轴转子的合力不为零，该合力抑制主轴径向跳动。
图4为本发明的机床主轴振动主动抑制装置的一个实施状态，该状态下主轴无径向跳动，主轴安装架对主轴转子的合力矩为零。
图5为本发明的机床主轴振动主动抑制装置的一个实施状态，该状态下主轴有径向跳动，主轴产生偏摆，主轴安装架对主轴转子的合力矩不为零，该合力矩抑制主轴偏摆从而抑制径向跳动。
图6为本发明的机床主轴振动主动抑制方法的一个实施流程图。
图7为本发明的机床主轴振动主动抑制方法的另一个实施流程图。
图1中标号名称1、磁力线圈I，2、磁力线圈II，3、磁力线圈III，4、磁力线圈IV，5、磁力线圈V，6、磁力线圈导线，7、主轴转子，8、主轴安装架，9、主轴轴承，10、主轴转子电刷枢，11、主轴定子电刷枢，12、磁力线圈供电电刷副，13、电压电源。
图2、图3中标号名称201、磁力线圈I对磁力线圈II的作用力，61、磁力线圈I支架，62、磁力线圈II支架。
图4、图5中标号名称202、磁力线圈III对磁力线圈IV的作用力，203、磁力线圈V对磁力线圈IV的作用力，63、磁力线圈III支架，64、磁力线圈IV支架，65、磁力线圈V支架。
图6、图7中标号名称301-311、方法实施步骤。
具体实施例方式
本发明的机床主轴跳动主动抑制方法及装置，主要是利用电磁控制技术，运用于机床主轴内部，利用安装在主轴内适当位置的电磁线圈组间随径向跳动幅值和相位而变化的电磁力矩来抑制主轴的径向跳动。以下具体介绍本发明涉及方法和装置的具体实施方案。
图6和图7，为本发明的主轴振动主动抑制方法的一个较佳实施案例的两个流程图。
图6中，本发明的主轴振动主动抑制方法可以包括如下步骤步骤301如图1所示的主轴开始运转，没有发生径向跳动，主轴处于初始位置，轴向磁力线圈(III、IV、V)和径向磁力线圈(I、II)间隙均匀。
步骤302由于轴向磁力线圈中，线圈IV与线圈III和线圈V间的间隙均匀，相互作用力(202，203)也均匀，则线圈III和线圈V对线圈IV的力矩为零。
步骤303主轴高速运转，主轴产生较大径向跳动，并引起主轴偏摆，则轴向磁力线圈中，线圈IV与线圈III和线圈V间的间隙发生变化，间隙不再均匀。
步骤304由于线圈IV与线圈III和线圈V间的间隙发生变化，间隙不均匀引起相互间作用力(202，203)不均匀，产生力矩。
步骤305产生的力矩值正向于主轴径向跳动在磁力线圈IV安装位置的跳动幅值，方向与径向跳动方向相反。
步骤306该力矩抑制主轴径向跳动，使得主轴趋于初始位置。
上述步骤301至步骤306在主轴运转期间重复执行，直到主轴停止运转。
图7中，为本发明的主轴振动主动抑制方法的另外一个实施案例的步骤步骤301如图1所示的主轴开始运转，没有发生径向跳动，主轴处于初始位置，轴向磁力线圈(III、IV、V)和径向磁力线圈(I、II)间隙均匀。
步骤307由于径向磁力线圈中，线圈I与线圈II间的间隙均匀，相互作用力(201)也均匀，则线圈I对线圈II的合力为零。
步骤308主轴高速运转，产生较大径向跳动，则径向磁力线圈中，线圈I与线圈II间的间隙发生变化，间隙不再均匀。
步骤309由于线圈I与线圈II间的间隙发生变化，间隙不均匀引起相互间作用力(201)不均匀，产生的合力不为零。
步骤310产生的合力的值正向于主轴径向跳动在磁力线圈I安装位置的跳动幅值，方向与径向跳动方向相反。
步骤311该合力抑制主轴径向跳动，使得主轴趋于初始位置。
上述步骤301和步骤307至步骤311在主轴运转期间重复执行，直到主轴停止运转。
图6和图7所示的本发明的主轴振动主动抑制方法可以同时实施，也可以针对径向跳动的情况分开实施。当径向跳动引起主轴偏摆时可以单独采用图6所示的实施案例，当径向跳动仅引起位置偏差而无偏摆时可以单独采用图7所示的实施案例，当以上两种情况均发生时则可以同时采用上诉两种实施案例。
图1、图2、图3、图4和图5，为本发明的主轴振动主动抑制装置一个具体实施案例，它包括主轴转子伸出端上的磁力线圈(II、IV)、主轴安装架上的磁力线圈(I、III、V)以及电压电源13，其特征在于首先，在主轴安装架上的磁力线圈(以下简称线圈I)和主轴转子伸出端的磁力线圈(以下简称线圈II)间具有一定距离的径向间隙，该径向间隙按如下步骤确定A、最小值确定，测量未安装本发明涉及装置的机床运转时主轴的径向跳动情况，并计算出在即将安装位置的跳动径向幅值。该间隙最小值应比该幅值大2至3毫米。
B、最大值确定，将线圈I和线圈II各取出一子线圈，测量两者间距为零时的相互作用力，该力为两者所能产生的最大作用力。增大两者间距，直到相互作用力仅为最大作用力的50％，则该间距即可作为间隙最大值。
C、根据主轴转子直径以及主轴安装架内径，选择合适的线圈支架，使得线圈V与线圈II间间隙值在最大值和最小值之间。
两线圈组内子线圈都成环形排列，并且线圈I和线圈II同圆心，线圈II在线圈I内，并且两线圈组在同一平面内，通过控制电路将两线圈组通电，则两线圈组中位置对应部分的线圈间产生相互作用力。在主轴无径向跳动的理想情况下，两线圈组径向距离处处相等时，线圈I对线圈II的合力为零，即安装架对转子伸出端的作用力为零。当主轴发生径向跳动是，转子伸出端轴线和安装架的位置发生改变，线圈I与线圈II的径向间距不再处处相等，距离减小处对应线圈的相互作用力增大，距离增大处则减小，线圈I对线圈II的合力不为零，该合力的大小正向于径向跳动值的大小，并指向主轴径向跳动的相反方向，因此该合力可以有效抑制抵抗主轴的径向跳动。控制线圈组上的的电压值并根据线圈的感应能力调整电压大小保证线圈I和线圈II同心时，线圈I对线圈II的合力为零。
其次，在主轴安装架上设置有磁力线圈III(以下简称线圈III)和磁力线圈V(以下简称线圈V)，在转子伸出端上设置有磁力线圈IV(以下简称线圈IV)。线圈III、线圈IV以及线圈V内线圈都呈环形排列，这三个磁力线圈圆心在同一直线上，并且该直线与各线圈组的圆面垂直，即这三个线圈叠放，叠放次序由上而下依次为线圈V、线圈IV、线圈III。线圈V与线圈IV间具有一定间隙，线圈IV与线圈III间也具有相同轴向间隙，通过电压电源使这三个线圈通电，线圈III和线圈V都会对线圈IV产生作用力。上述轴向间隙可参照径向间隙的方法确定。在主轴无径向的情况下，线圈III、线圈IV间轴向间隙以及线圈IV、线圈V间轴向间隙处处相等，主轴安装架对转子的合力为零。当主轴发生径向跳动时，线圈IV发生倾斜，其与线圈III和线圈V间的轴向间隙变得不均匀，安装架对转子的合力不为零，该力的大小与跳动导致的倾斜角成正向关系，并指向倾斜方向相反方向，该力对转子形成力矩作用，抑制径向跳动。
同时，针对主轴功率、转速的大小，调节电压电源13的输出电压，改变磁力线圈组间的作用力。主轴功率越大、转速越高，抑制径向跳动所需电磁力矩也越大，可以通过增大电压电源的电压值来实现。
安装架上的电磁线圈I、III、V通过导线直接和电源连接；转子上的电磁线圈II、IV通过磁力线圈导线6与设置在主轴内的电刷副12连结从而和电压电源13连接。
同时，磁力线圈I、磁力线圈II、磁力线圈III、磁力线圈IV、磁力线圈V都含有用来微调其电流值的可调电阻。磁力线圈I-V中的各子线圈均与一可调电阻串联，调节可调电阻的电阻值以微调与其串联子线圈的电流值，从而微调该子线圈产生的磁场强度。对于各磁力线圈，可以调节其内部子线圈的可调电阻从而实现其内部子线圈所产生的磁场强度一致，实现磁力线圈周向磁场强度的对称分布。对称分布的磁场有利于本发明涉及机床主轴振动主动抑制装置运转时的稳定性。
以上所述仅为本发明涉及的机床主轴跳动主动抑制方法及装置的一个较佳实施方式，但本发明的实施范围并不局限于此例。
权利要求
1.一种机床主轴跳动主动抑制方法，其特征在于在主轴转子和主轴安装架上分别安装电磁力线圈，并使其保留一定间隙，分别组成径向磁力线圈组和轴向磁力线圈组，其中(a)、使所述的径向磁力线圈组间隙的最小值大于主轴径向跳动在这组线圈安装处产生的最大径向幅值，最大值满足使这组磁力线圈间的作用力不小于该间隙为零时作用力的50％；当主轴发生径向跳动时，径向磁力线圈组间隙发生变化，产生正向与主轴主轴径向跳动幅值的电磁合力，该电磁合力方向与跳动方向相反，其施加与主轴转子伸出端使得主轴跳动得到抑制；(b)、同时，使所述的轴向磁力线圈组间隙的最小值大于主轴径向跳动在这组线圈安装处产生的最大轴向幅值，最大值满足使这组线圈间的作用力不小于该间隙为零时作用力的50％；当主轴发生引起主轴摆动的径向跳动时，轴向磁力线圈组间隙发生变化，产生正向于主轴径向跳动幅值的电磁力矩，该电磁力矩方向与摆动方向相反，其施加于主轴转子伸出端使得主轴跳动得到抑制。
2.一种机床主轴跳动主动抑制装置，其特征在于该装置由两组磁力线圈组和一电压电源组成，其中(a)、第一组磁力线圈组为径向磁力线圈组，由安装在转子(6)伸出最末端上的磁力线圈I(1)和位置与其相对且安装在安装架(7)上的磁力线圈II(2)组成，磁力线圈I(1)和磁力线圈II(2)径向有径向间隙；且所述的磁力线圈I(1)和磁力线圈II(2)径向间隙的最小值大于主轴径向跳动在这两个线圈安装处产生的最大径向幅值，最大值满足使磁力线圈I(1)和磁力线圈II(2)间的作用力不小于该间隙为零时作用力的50％；(b)、第二组磁力线圈组为轴向磁力线圈组，位于第一组磁力线圈组和转子伸出端轴承(8)之间，它由磁力线圈III(3)、磁力线圈IV(4)、磁力线圈V(5)组成，磁力线圈IV(4)安装于安装架(7)上，磁力线圈III(3)和磁力线圈V(5)安装在转子(6)上且分别位于磁力线圈IV(4)的轴向前后两侧，磁力线圈IV(4)与磁力线圈III(3)、磁力线圈V(5)有轴向间隙；且所述的磁力线圈IV(4)与磁力线圈III(3)、磁力线圈V(5)的轴向间隙最小值大于主轴径向跳动在这三个线圈安装处产生的最大轴向幅值，最大值满足使磁力线圈IV(4)与磁力线圈III(3)、磁力线圈V(5)间的作用力不小于该间隙为零时作用力的50％。
3.根据权利要求2所述的机床主轴跳动主动抑制装置，其特征在于所述的磁力线圈I(1)、磁力线圈II(2)、磁力线圈III(3)、磁力线圈IV(4)、磁力线圈V(5)都由各自由若干子线圈组成；其中，各子线圈轴线垂直于转子(6)法面，在与主轴轴心线垂直的平面内成环形排列，构成磁力线圈，安装状态时，该由子磁力线圈排列成的圆的圆心过主轴轴心线；磁力线圈中的子线圈电路上为并联连接，并由电源供电，磁力线圈嵌入到各自的支架中，支架和主轴转子(6)或主轴安装架(7)通过螺纹连接固定。
4.根据权利2或3所述的机床主轴跳动主动抑制装置，其特征在于所述的磁力线圈I(1)、磁力线圈II(2)、磁力线圈III(3)、磁力线圈IV(4)、磁力线圈V(5)都含有用来微调其电流值的可调电阻。
全文摘要
本发明涉及一种机床主轴跳动主动抑制方法及装置，属于机械工程领域。该方法主要是利用电磁力自动抑制的技术，应用径向跳动产生的磁力线圈间隙变化引起的电磁力矩变化，以轴向磁力线圈和径向磁力线圈分别抑制由主轴径向跳动引起的偏摆和径向位移，从而抑制主轴径向跳动。该装置由电压电源、轴向磁力线圈组和径向磁力线圈组组成。本发明的方法及装置能够显著提高了主轴精度。
文档编号B23Q5/04GK1995775SQ200610098079
公开日2007年7月11日 申请日期2006年11月30日 优先权日2006年11月30日
发明者李亮, 何宁, 杨吟飞, 赵威 申请人:南京航空航天大学