集成三维振动主动控制功能的高速高精密电主轴

1.本发明涉及电主轴技术领域，具体是集成三维振动主动控制功能的高速高精密电主轴。


背景技术：

2.高速精密电主轴作为现代机床的标志性功能部件,几年来得到迅速的发展和完善,目前在车、铣、磨等各种加工机床都已有应用，在高档加工中心更是首选部件，在电主轴进行机加工的过程中会产生振动，而因电主轴经常需要加工复杂零部件，也使得电主轴的振动具有复杂性，而高速电主轴复杂的振动特性将直接影响刀具的运动轨迹，引起加工表面误差。
3.虽然国内部分主轴生产企业已经具备专业的设计及工艺技术水平，拥有完善甚至先进的电主轴零部件加工设备，但单单采用提高电主轴零部件的加工精度、装配精度等手段来改善高速电主轴的动力学行为和加工表面精度，将受到生产成本、技术瓶颈等诸多因素的限制；包括使用进口电动机和轴承生产的国产高速电主轴，其综合性能也不尽如人意。总之，发展高精密、高可靠性的高速电主轴任重而道远。
4.现有技术中“振动主动控制理论与技术”提出了采用主动干预手段来减小主轴振动响应进而提高加工表面精度的发展思路，即应用在线监测技术测量主轴的振动响应作为反馈信号，经过振动主动控制算法实时计算，进而驱动作动器抑制主轴振动从而提高加工表面精度。
5.当前国内外文献主要针对电主轴的径向振动进行主动控制，如采用传感器监测主轴径向振动情况，再利用柔性支承结构保证控制力可以作用在主轴上，但是这样一来还是存在一些问题，如电主轴的振动往往不仅仅是简单的径向的振动，仅仅对径向进行监控和处理并不全面；此外采用柔性支承结构对主轴施加外力一方面会影响主轴自身的运动，而要使得该支承结构对主轴影响小则又使得支承结构安装难度和制造难度都增大。


技术实现要素：

6.本发明意在提供集成三维振动主动控制功能的高速高精密电主轴，以解决现有技术中电主轴的振动仅仅实现了径向监测而导致对振动的监测和控制不全面的问题。
7.为了达到上述目的，本发明的基础方案如下：
8.集成三维振动主动控制功能的高速高精密电主轴，包括主轴本体和壳体，主轴本体转动连接在壳体上，还包括作动器、径向位移传感器、轴向位移传感器和处理器，作动器包括径向控制绕组和轴向控制绕组，径向控制绕组、轴向控制绕组、径向位移传感器和轴向位移传感器均与处理器电连接；径向控制绕组和轴向控制绕组均固定在壳体上，且径向控制绕组和轴向控制绕组均以非接触形式设在主轴本体外周；径向位移传感器和轴向位移传感器均布设在主轴本体外周，径向位移传感器用于采集主轴本体的径向位移信号，径向位移传感器包括前径向位移传感器和后径向位移传感器，前径向位移传感器和后径向位移传
感器的连线与主轴本体的轴向平行；轴向位移传感器用于采集主轴本体的轴向位移信号；处理器用于在前径向位移传感器采集到的径向位移信号发生变化时，控制径向控制绕组给主轴本体施加径向控制力；处理器用于在前径向位移传感器和后径向位移传感器采集到的径向位移信号发生变化时，控制径向控制绕组给主轴本体施加径向控制力；处理器用于在轴向位移信号发生变化时，控制轴向控制绕组给主轴本体施加轴向控制力。
9.相比于现有技术的有益效果：
10.采用本方案时，当径向位移传感器采集到的主轴本体在径向位移信号发生变化时，意味着主轴本体在径向存在振动，此时通过处理器调节径向控制绕组的电流情况即可给主轴本体一个径向控制力，以抵消主轴本体部分径向的切削力，从而达到抑制主轴本体在径向振动的目的。而当轴向位移传感器采集到的轴向位移信号发生变化时，意味着主轴本体的轴向存在振动，此时通过处理器调节轴向控制绕组的电流情况，即可给主轴本体一个轴向控制力，以抵消主轴本体部分轴向的切削力，从而达到抑制主轴本体在轴向振动的目的。除此以外，当前径向位移传感器采集到的径向位移信号与后径向位移传感器采集到的径向位移信号发生变化时，意味着主轴本体存在角度倾斜，此时通过处理器调节径向控制绕组的电流情况，即可给主轴本体施加径向控制力，从而调整主轴本体的倾斜情况。采用本方案能够抑制主轴本体在径向、轴向和倾角方向产生三维振动，提高了电主轴的加工精度，有利于高速电主轴的高精密加工。
11.相比于现有技术，本方案在不干涉主轴本体切削的前提下布置径向位移传感器和轴向位移传感器，实现在线实时监测主轴本体的三维振动，实现了对主轴本体振动的全方位监测；在结合处理器、径向控制绕组和轴向控制绕组对主轴本体在径向、轴向和倾角产生的三维振动进行实时处理，抑制了高速高精密电主轴的三维振动，推动电主轴向高精密方向发展。
12.此外，相比于现有技术，本方案的径向控制绕组和轴向控制绕组在不与主轴本体接触的前提下为主轴本体提供径向控制力和轴向控制力，避免了现有技术中接触式作动器对高速电主轴原有支承体系的破坏。
13.进一步，所述径向控制绕组的数量为多个，径向相对的径向控制绕组之间串联。
14.有益效果：通过多个径向控制绕组的设置能够在多个径向产生径向控制力，进而实现对主轴本体多个径向振动的控制。
15.进一步，所述轴向控制绕组的数量为两个，主轴本体上固定连接有转子铁心，转子铁心位于两个轴向控制绕组之间，两个轴向控制绕组之间串联。
16.有益效果：通过两个轴向控制绕组的设置便于产生沿轴向的两个方向的轴向控制力。
17.进一步，所述径向控制绕组位于两个轴向控制绕组之间，多个径向控制绕组分布在转子铁心外周。
18.有益效果：转子铁心既位于两个轴向控制绕组之间又被多个径向控制绕组围住，故而既方便轴向控制绕组对主轴本体施加轴向控制力，也方便径向控制绕组对主轴本体施加径向控制力。
19.进一步，所述作动器还包括径向定子，径向控制绕组设置在径向定子上，径向定子上还设有多个永磁体，永磁体与径向控制绕组间隔设置。
20.有益效果：永磁体和径向控制绕组的间隔设置，相比于一般的主动磁悬浮轴承，大大降低了主动磁悬浮轴承存在的漏磁问题；同时本方案的功率损耗和主动磁悬浮轴承相比也大幅度减小；除此之外，永磁体的存在既能在径向定子中产生径向偏置磁场，也能在轴向控制绕组中产生轴向偏置磁场，偏置磁场能够与控制磁场进行叠加或抵消，使得在径向控制绕组和轴向控制绕组形成的作动器既能保证作动器尺寸小且质量小又能保证对主轴本体的振动调整范围更宽。
21.进一步，所述壳体上设有连接孔，径向位移传感可拆卸连接在壳体上，径向传感器贯穿连接孔并插入到壳体内。
22.有益效果：通过连接孔的设置，一方面保证了在不影响现有电主轴装配和运行的前提下实现了对主轴本体三维振动的在线实时监测；另一方面也方便了径向位移传感器的拆装。
23.进一步，所述主轴本体通过设有的前轴承和后轴承转动连接在壳体上，前径向位移传感器靠近前轴承，后径向位移传感器靠近后轴承。
24.有益效果：在电主轴运行时，通过前轴承和后轴承对主轴本体形成支撑，故而主轴本体的刚度主要取决于前轴承和后轴承的刚度，在主轴本体发生振动时对前轴承和后轴承的影响非常大，而径向位移传感器布置在靠近轴承的位置则能够更加精准地测量到主轴本体的振动，也相当于更精准地测量到前轴承和后轴承的振动情况，更有利于提高对于振动控制的精准性。
25.进一步，所述作动器和前径向位移传感器位于前轴承的两侧，作动器靠近主轴本体的前端。
26.有益效果：采用本方案时，将作动器和前径向位移传感器靠近前轴承，使得整个电主轴的结构紧凑，而作动器靠近主轴本体的前端，使得作动器产生的径向控制力和轴向控制力能够直接与主轴本体的切削力进行抵消，削弱了前后轴承的受力和变形，实现了对主轴本体三维振动的实时准确测量和针对三维振动的实时准确调控的前提下还保证了结构的紧凑性。
附图说明
27.图1为本发明实施例的结构示意图；
28.图2为本发明实施例中作动器的结构示意图；
29.图3为本发明实施例中径向控制绕组的左视图；
30.图4为本发明实施例中作动器在径向剖视下的磁路图；
31.图5为本发明实施例中作动器在轴向剖视下的磁路图；
32.图6为本发明实施例的控制流程图。
具体实施方式
33.下面通过具体实施方式进一步详细说明：
34.说明书附图中的附图标记包括：作动器10、主轴本体7、壳体11、前轴承12、后轴承13、端盖14、密封盘15、后径向位移传感器16、轴向位移传感器17、前径向位移传感器18、径向控制磁极1、径向控制绕组2、径向定子3、轴向控制绕组4、轴向定子5、转子铁心6、永磁体
8。
35.实施例
36.实施例基本如附图1至图6所示：
37.结合图1，集成三维振动主动控制功能的高速高精密电主轴，包括主轴本体7和壳体11，主轴本体7通过设有的前轴承12和后轴承13转动连接在壳体11上，前轴承12和后轴承13均采用两对精密的混合陶瓷球轴承，还包括作动器10、径向位移传感器、轴向位移传感器和处理器，作动器10包括径向定子3、径向控制绕组2、轴向定子5和轴向控制绕组4，径向定子3上一体成型有径向控制磁极1，径向控制绕组2缠绕在径向控制磁极1上，径向控制绕组2、轴向控制绕组4、径向位移传感器和轴向位移传感器均与处理器电连接，径向位移传感器和轴向位移传感器均采用电涡流位移传感器。
38.壳体11上通过螺钉固定连接有端盖14，端盖14套在主轴本体7上，主轴本体7上固定连接有密封盘15，壳体11上开有连接孔，连接孔采用螺孔，螺孔上连接有径向位移传感器，径向位移传感器贯穿连接孔并插入到壳体11内；壳体11的端盖14上通过螺孔连接着有轴向位移传感器17；径向位移传感器布设在主轴本体7外周，径向位移传感器用于采集主轴本体7的径向位移信号；轴向位移传感器用于采集密封盘15的轴向位移信号(因密封盘15与主轴本体7固定连接，故而相当于采集了主轴本体7的轴向位移情况)。
39.径向位移传感器包括2个前径向位移传感器18和2个后径向位移传感器，2个前径向位移传感器18与主轴本体7的中心连线呈90
°
，2个后径向位移传感器与2个前径向位移传感器18对应设置，前径向位移传感器18和后径向位移传感器的连线与主轴本体7的轴向平行；2个前径向位移传感器18或2个后径向位移传感器采集到的径向位移信号相当于采集到的是主轴本体7在径向所在平面的坐标。
40.前径向位移传感器18靠近前轴承12，后径向位移传感器靠近后轴承13，作动器10和前径向位移传感器18位于前轴承12的两侧，作动器10靠近主轴本体7的前端。
41.结合图2至图5，径向控制绕组2的数量为多个，径向相对的径向控制绕组2之间串联，径向定子3上还固定连接有多个永磁体8，永磁体8与径向控制绕组2间隔设置，本实施例中径向控制绕组2的数量和永磁体8的数量均为4个。
42.轴向控制绕组4的数量为两个，每个轴向控制绕组4缠绕对应的轴向定子5上，径向定子3与左右两个轴向定子5固定连接，同时轴向定子5与壳体11固定连接。
43.主轴本体7上固定连接有转子铁心6，转子铁心6位于两个轴向控制绕组4之间，两个轴向控制绕组4之间串联。
44.径向控制绕组2位于两个轴向控制绕组4之间，多个径向控制绕组2分布在转子铁心6外周；径向控制绕组2位于两个轴向控制绕组4之间，径向定子3和轴向定子5固定连接，使得径向控制绕组2和轴向控制绕组4形成易于拆装的整体。
45.本实施例中作动器10的工作原理如下：
46.永磁体8的存在既能在径向定子3中产生径向偏置磁场，也能在轴向控制绕组4中产生轴向偏置磁场，图4和图5中的实线即为永磁体8产生的偏置磁场形成的磁路。
47.多个径向控制绕组2在径向产生径向控制磁场，图4中以右上和左下串联的径向控制绕组2产生的控制磁场为例，在图4中虚线即为该组径向控制绕组2产生的径向控制磁场形成的磁路。
48.两个轴向控制绕组4在轴向产生轴向控制磁场，图5中虚线即为轴向控制绕组4产生的轴向控制磁场形成的磁路。
49.偏置磁场能够与控制磁场进行叠加或抵消。
50.结合图6，处理器包括控制板和功率放大器，控制板包括a/d转换芯片和d/a转换芯片，控制板能够执行多通道控制算法，a/d转换芯片与径向位移传感器、轴向位移传感器电连接，d/a转换芯片与功率放大器电连接，功率放大器与径向控制绕组2和轴向控制绕组4电连接。
51.处理器用于在前径向位移传感器18采集到的径向位移信号发生变化时(意味着主轴本体7在径向存在振动)，控制功率放大器将电压或电流加载到径向控制绕组2以给主轴本体7施加径向控制力，以抵消主轴本体7部分径向的切削力，从而达到抑制主轴本体7在径向振动的目的。
52.处理器用于在前径向位移传感器18和后径向位移传感器采集到的径向位移信号发生变化时(意味着主轴本体7存在角度倾斜)，控制功率放大器将电压或电流加载到径向控制绕组2上给主轴本体7施加径向控制力，从而调整主轴本体7的倾斜情况，抑制主轴本体7的振动。
53.处理器用于在轴向位移信号发生变化时(意味着主轴本体7的轴向存在振动)，控制功率放大器将电压或电流加载到轴向控制绕组4上给主轴本体7施加轴向控制力，以抵消主轴本体7部分轴向的切削力，从而达到抑制主轴本体7在轴向振动的目的。
54.在具体使用时，主轴本体7在切削力作用下振动加剧，通过径向位移传感器和轴向位移传感器将采集到的位移信号(径向位移信号和轴向位移信号)经a/d转换芯片转换为数字信号，数字信号经过内部多通道控制算法计算后，通过d/a转换芯片将数字控制输出信号转化为模拟信号输入到功率放大器上；最后功率放大器将放大后的电压或者电流加载到径向控制绕组2和轴向控制绕组4上，产生的控制磁场与偏置磁场叠加，改变气隙的磁场分布，从而能够改变高速主轴本体7所受的合力，达到抑制高速电主轴在径向、轴向和倾角方向产生的三维振动的目的。
55.本实施例在不干涉主轴本体7切削的前提下布置径向位移传感器和轴向位移传感器，实现在线实时监测主轴本体7的三维振动，实现了对主轴本体7振动的全方位监测；在结合处理器、径向控制绕组2和轴向控制绕组4对主轴本体7在径向、轴向和倾角产生的三维振动进行实时处理，抑制了高速高精密电主轴的三维振动，推动电主轴向高精密方向发展。
56.此外，本实施的径向控制绕组2和轴向控制绕组4在不与主轴本体7接触的前提下为主轴本体7提供径向控制力和轴向控制力，避免了现有技术中接触式作动器10对高速电主轴原有支承体系的破坏。
57.以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。