一种机床主轴电机中平衡外力负载的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于车削加工领域，更具体地，设及一种机床主轴电机中平衡外力负载的 方法。
【背景技术】
[0002] 车削加工车床的加工方式是被加工工件由夹具固定，通过转轴和主轴电机转子连 接，在旋转轴承的支撑下由电机带动旋转并在刀具作用下进行车削。
[0003] 由于加工过程中有较大的切削力作用于工件上（如图1所示），该些作用力包括工 件W及夹具等和转子直接连接的重量在运行过程中都需要由轴承来支撑。该些作用力W及 相应产生的力矩在每个方向差异较大，因而作用在轴承上产生的反作用力也是不平衡的。 在高速旋转过程中，轴承上的不平衡反作用力会产生振动，影响加工品质。在长时间不平衡 的状态下运行轴承也会磨损和老化，增加了系统维修的频率，减少了使用年限。
[0004] 为了减少不平衡的负载对主轴系统的损害，现有方法是通过在转轴上加入可调节 的模块，通过改变其质量分布来平衡不对称的负载，如偏屯、转动的工件。该种方法可W从一 定程度上克服不平衡的工况，但仅限于对重量、偏屯、等于工件相关的调节，对于引起轴承不 平衡作用力的主要因素一不平衡的切削力作用无法做到实时调节。
[0005] 图2显示了工件所受作用力及主轴电机主要部件的示意图。Fe，Fb，F^分别为电磁 力、轴承支撑力、负载作用力（包括工件自重化及切削力）；Te，Tb，iy为对应的力矩。除了旋 转方向，其他方向上合力W及合力矩为零。图2同时显示了主轴电机的转子永磁体及定子 线圈。现有主轴电机目标是提供大转矩或高转速，因此采用了对称=相电的输入，及关于圆 屯、对称的两个线圈通入大小相同的电流，相邻的线圈S个一组，通入电流有120度的相位 差。由于转子永磁体的周期性布置，该样线圈的通电顺序会在旋转方向叠加产生较大的合 力矩提供工件转矩，但其他方向的电磁力相互抵消，合力及合力矩为零。现有主轴电机该样 的控制方式产生的结果是在除旋转的其他方向，负载作用力、力矩全部由轴承承担， 就会引起前文提到的振动W及磨损等问题。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的W上缺陷或改进需求，本发明提供了一种机床主轴电机中平衡外 力负载的方法，其中通过对其关键步骤尤其是整体控制原理的研究和设计，相应能够利用 电机的电磁力及力矩来抵消主轴转子及工件自重、尤其是切削力该类能够引起轴承不平衡 的作用力，测试表明能够显著减小电机主轴的轴承作用力，由此解决轴承在运行过程中的 磨损W及引起的振动和系统老化的技术问题。
[0007] 为实现上述目的，按照本发明，提供了一种机床主轴电机中平衡外力负载的方法， 其特征在于，该方法包括下列步骤：
[0008] 1)对作为车削对象的工件，实时测量其上施加的切削力:^'1，并相应获得其切削力 矩与此同时，对电机自身转速控制器输出的旋转力矩Td进行测量；
[0009] 2)基于步骤1)所获得测量结果，通过调节电机线圈中的电流来控制电磁力向量， W此方式，在维持电机转动的同时平衡主轴电机转子上的切削力向量，所述电机线圈中电 流的向量U按按照W下表达来予W计算：
[0010] u= [a]t([a][a]t)-iq
【主权项】
1. 一种机床主轴电机中平衡外力负载的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤： 1) 对作为车削对象的工件，实时测量其上施加的切削力1^，并相应获得其切削力矩 ;与此同时，对电机自身转速控制器输出的旋转力矩τ d进行测量； 2) 基于步骤1)所获得测量结果，通过调节电机线圈中的电流来控制电磁力向量，以此 方式，在维持电机转动的同时平衡主轴电机转子上的切削力向量，所述电机线圈中电流的 向量u按按照以下表达来予以计算： U= [A]T([A] [A] ^-1Q
由此完成了整体的主轴电机平外力平衡控制过程； 其中，Ne为表不电机线圈总数量；K j为第j个电机线圈施加于电机转子的电磁力与该 线圈中所通入电流之间的比值，并且j = 1，2,......NE;s」为电机中心点到电机线圈第j个 线圈的中心点之间的向量，并且j = 1，2,……NE，此外，所述|^和1\分别为测量得到的切 削力和切削力矩，τ d是由转速控制器输出的旋转力矩。
【专利摘要】本发明公开了一种机床主轴电机中平衡外力负载的方法，属于主轴电机控制领域,该方法利用电机多维的电磁力输出，通过控制电机线圈中的电流，在维持主轴电机旋转的同时使得电机电磁力抵消切削过程中作用于工件上的各方向的切削力，从而减小主轴轴承受力，达到降低轴承磨损、减少切削过程中的振动的目的。本发明不需要在机床主轴系统上额外添加其它装置，只需控制电机线圈中的电流即可抵消切削力，在提高切削质量的同时可以极大地延长主轴系统的使用寿命。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104866677
【申请号】CN201510288664
【发明人】李国民, 白坤
【申请人】华中科技大学, 东莞思谷数字技术有限公司
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年5月29日