一种数控机床主轴在线伺服平衡装置及方法与流程

本发明属于数控技术领域，涉及一种数控机床主轴在线伺服平衡装置及方法，应用于车床、磨床、齿轮加工机床、镗床、钻床等主轴平衡以及铣削刀具的平衡中。

背景技术：

不平衡是引起主轴振动的主要原因，不平衡振动会降低机床的精度和工作效率，引起主轴内应力，加速轴承和密封件的磨损，诱发加工颤振等自激振动。加工过程中由于材质不均、刀具偏心磨损、砂轮磨粒的不均匀脱落等因素的影响，主轴会产生随时间变化的不平衡和振动。因此，主轴在线动平衡技术成为了各国在数控机床领域争相研发的核心技术。

现有的在线动平衡装置从结构和原理上主要可以分为气体式、机械式、电磁式和注液式几种类型。气体式动平衡装置为了防止气体泄露，使用了密封性好的结构和材料，结构复杂、成本高。气体介质轻，校正量有限。此外，气固态介质存储腔、管路以及加热装置结构复杂，对主轴的附加质量大，热传导会影响主轴的温度场；机械式平衡装置通过驱动机构移动或转动质量块的位置实现平衡，装置结构复杂，高速下配重块难以准确定位；电磁式在线动平衡装置采用电磁驱动双偏心盘的原理平衡，平衡能力有限，结构复杂，设计、制造和安装困难，电磁驱动系统体积大，占用空间大；注液式在线动平衡装置结构简单，可精确控制注液量，平衡精度高。但油或水介质的飞溅会影响主轴周围环境，引起零件锈蚀。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种数控机床主轴在线伺服平衡装置及方法。

本发明的装置所采用的技术方案是：一种数控机床主轴在线伺服平衡装置，其特征在于：包括翼板、翼板支架、角位移传感器、伺服电机和控制系统；

所述翼板支架为圆环型，其外沿上呈放射状均匀分布有三个支撑板；所述翼板有三个，均安装在所述支撑板上；

所述翼板支架套设在所述数控机床主轴上，并与所述数控机床主轴固定在一起；

所述角位移传感器用于实时采集支撑板转动角度，所述伺服电机用于实时控制所述翼板转动角度；所述控制系统分别与所述角位移传感器、伺服电机连接，随着所述数控机床主轴的转动，带动所述翼板支架转动；所述控制系统根据所述角位移传感器发出的信号，控制伺服电机调节翼板的角度，来抵消导致主轴失衡的阻力。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种数控机床主轴在线伺服平衡方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：对采集信号时间、主轴偏心量、主轴初始角度、转动惯量、主轴轴心轨迹进行初始化；

步骤2：实时读取角位移传感器数据，计算支撑板转动角度；

步骤3：判断翼板是否需要调整角度；

若是，则执行下述步骤4；

若否，则回转执行步骤2；

步骤4：控制系统根据所述角位移传感器发出的信号，控制伺服电机调节翼板的角度，来抵消导致主轴失衡的阻力。

本发明针对目前在线动平衡装置存在结构复杂、组件多、体积大、附加质量大的问题，依据机翼的工作原理，采用与主轴同步转动的翼板所产生的升力来抵消主轴失衡质量产生的离心力，实现以较小的附加质量产生相对较大的气动平衡升力，并依此抵消主轴失衡的离心力。由于采用翼板升力进行主轴动平衡具有结构简单，对主轴的附加质量小、无热力、电磁、环境污染，在原理和应用上具有明显的优势。应用除了车床、磨床、齿轮加工机床、镗床、钻床等主轴平衡外，也可用于铣削刀具的平衡。

附图说明

图1本发明实施例的原理图；

图2本发明实施例的纵向局部剖视图；

图3本发明实施例的横向局部剖视图；

图4本发明实施例的电气接线图；

图5本发明实施例的方法流程图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

主轴之所以会失衡，根本原因就是主轴有不平衡质量，进而产生了偏心离心力，那么如果想要使主轴重新达到平衡，就必须采取一定的措施将不平衡质量所引起的偏心离心力去除。基于上述原理，本发明就考虑采取一种什么样的新结构或者新技术可以能够实时地对主轴在线进行动平衡呢？因此，发明者沿着这条思路，由飞机机翼升力的产生原理给了发明者一定的启发：飞机自重虽然非常大，但是只要给它非常高的速度(这是由大推力的发动机实现)，那么飞机的自重完全是由机翼产生的升力来克服的。机翼产生升力的工作原理是：当空气流过机翼时，气流会沿上下表面分开，并在后缘处汇合。上表面弯曲，气流流过时走的路程较长，下表面较平坦，气流的行程较短。上下气流最后要在一处汇合，因而上表面的气流必须速度较快，才能与下表面气流同时到达后缘。根据伯努利原理，上表面高速气流对机翼的压力较小，下表面低速气流对机翼压力较大，这就产生了一个压力差，也就是向上的升力。因此，从理论上讲，那么完全可以设计一种类似于飞机机翼的装置，采用与主轴同步转动的机翼所产生的升力来抵消主轴不平衡质量产生的离心力，实现以较小的附加质量产生相对较大的气动平衡升力，并依此抵消主轴不平衡的离心力，再结合伺服控制技术对机翼姿态进行实时调整，从而实现主轴的在线动平衡。

请见图1、图2、图3，本发明提供的一种数控机床主轴在线伺服平衡装置，包括翼板2、翼板支架3、角位移传感器、伺服电机和控制系统；翼板支架3为圆环型，其外沿上呈放射状均匀分布有三个支撑板；翼板2有三个，均通过销钉1安装在支撑板上；数控机床主轴5为阶梯轴，轴肩定位，翼板支架3套设在数控机床主轴5上，翼板支架3的内端面与数控机床主轴5轴肩接触，通过内六角螺钉4与数控机床主轴5固定在一起；角位移传感器设置在数控机床主轴上，用于实时采集支撑板转动角度；伺服电机用于实时控制翼板2转动角度；控制系统为分布式控制系统，使用触摸屏进行参数设置及人机交互；控制系统分别与角位移传感器、伺服电机连接，随着数控机床主轴5的转动，带动翼板支架3转动，翼板在旋转的过程中，由于翼板的特殊构造，其上下表面的空气流速不同，会产生一个抵消导致主轴失衡的升力；控制系统根据角位移传感器发出的信号，控制伺服电机调节翼板2的角度，来抵消导致主轴失衡的阻力。

请见图4，本实施例的电控系统说明如下：

1.翼板转轴同轴安装自带PROFIBUS接口的绝对值编码器作角位移传感器用，实时采集翼板转动角度。

2.翼板使用伺服电机进行电气传动控制，实时控制控制翼板转动角度。伺服电机配减速箱及增量编码器。

3.控制系统选用S7-1200PLC进行分布式控制，配置为CPU1214C+CM1243-5DP主站模块SM1232AQ4×14位，使用触摸屏MP277进行本地参数设置及人机交互。

4.通过PROFIBUS现场总线及绝对值编码器实时采集翼板转动角度。

5.控制系统通过采集的三个翼板的角度型号，通过主轴动平衡相关机理计算，实时同步输出三个翼板匹配转动角度驱动控制信号。

6.控制系统同时分布输出0-10V驱动信号给伺服驱动器，转动翼板角度。

7.外接电源AC220V，通过滑环转接至控制箱，给电控系统供电。

请见图5，本发明提供的一种数控机床主轴在线伺服平衡方法，包括以下步骤：

步骤1：对采集信号时间、主轴偏心量、主轴初始角度、转动惯量、主轴轴心轨迹进行初始化；

步骤2：实时读取角位移传感器数据，计算翼板2转动角度；

步骤3：判断翼板2是否需要调整角度；

若是，则执行下述步骤4；

若否，则回转执行步骤2；

步骤4：控制系统根据角位移传感器发出的信号，控制伺服电机调节翼板2的角度，来抵消导致主轴失衡的阻力。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。