一种用于电主轴机械损耗测量的无耦合方法及系统

1.本发明涉及电主轴技术，具体涉及一种用于电主轴机械损耗测量的无耦合方法及系统。


背景技术：

2.电主轴是将机床主轴功能和电动机功能从结构上融为一体的机床新型核心功能部件，由于结构上省去了皮带、齿轮等中间传动链，实现直驱，具有速度高、精度高、振动噪声低、惯量小、动态响应快，可实现快速启停、准停、准位、精确控制等突出的技术优势，在高速精密加工领域获得了越来越广泛的应用。电主轴性能直接决定机床的加工精度和加工效率。异步电主轴相比于永磁同步电主轴转子结构简单、坚实、可靠，不存在退磁问题，性能稳定，性价比高，恒定功率弱磁扩速调控相对简单，易于实现高速化，在高速精密机床中的应用达到80％以上，占有绝对的优势。
3.随着加工精度和加工效率的不断提高，对电主轴刚度、精度和转速的要求越来越高。为获得更高的加工效率，电主轴的高速化、超高化已成为电主轴技术的发展方向。机械损耗是由于主轴旋转摩擦生热而产生，它作为高速、超高速电主轴损耗的主要成分，对电主轴的发热、热变形和加工精度具有重要影响，现有的测量方法已无法满足需要，亟需探寻新的方法，为高性能的高速、超高速电主轴的开发设计、改进设计和提出新的设计方法提供实验支撑。
4.现有的电主轴机械损耗测量方法为耦合法。该方法是通过联轴器将两台完全相同的电主轴实行离合来测量电主轴的机械损耗，其中任何一台电主轴都可用作驱动电主轴或负载电主轴。该方法的具体实施过程为：
①
负载电主轴在机械损耗测量过程中始终处于断电状态；
②
联轴器与驱动电主轴连接(联轴器始终要与驱动电主轴连接，消除联轴器风摩损耗的影响)，但与负载电主轴处于断开状态，对驱动电主轴以给定转速空载运转的输入有功功率进行测量；
③
联轴器与驱动电主轴和负载电主轴同时连接，对驱动电主轴以相同转速(与步骤
②
空载测量转速保持相同)负载运转的输入有功功率进行测量；
④
步骤
③
与
②
测量结果之差为电主轴在给定转速运转条件下机械损耗的测量值。改变测量转速，重复步骤
①
、
②
、
③
和
④
则可测得电主轴的机械损耗曲线。
5.现有的耦合法测量误差小、精度高，但也存在明显的不足：
①
测试系统相对复杂，测量成本高。测试系统不但需要配置变频器、试验台、两台完全相同的电主轴、联轴器，而且还需要配置转速测量仪和功率测量仪，系统相对复杂，使得测量成本增加。
②
测量过程繁琐、效率低。测量过程包括联轴器仅与驱动电主轴连接时驱动电主轴空载运转输入有功功率的测量以及联轴器与驱动电主轴和负载电主轴同时连接时驱动电主轴负载运转输入有功功率的测量。此外，改变测量转速，需要将负载电主轴反复从联轴器上拆卸下来和将负载电主轴反复安装到联轴器上，过程繁琐，费时费力。
③
可测量的转速范围受限。两台完全相同的电主轴通过联轴器连接构成新的转子系统，将会改变电主轴本身的固有特性，同时还会引起转子不对中，在调速过程中往往由于共振或振动过大使得电主轴的转速无法上升至
最高工作转速，尤其不适合用于高速、超高速电主轴机械损耗的测量。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种用于电主轴机械损耗测量的无耦合方法及系统，本发明能够实现高速、超高速异步电主轴机械损耗的无耦合测量，测试对象仅仅需要一台电主轴，测试系统无需联轴器和功率仪，测试系统相对简单、测量成本低，测量过程简单、高效，测量转速范围宽、测量结果可靠。
7.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
8.一种用于电主轴机械损耗测量的无耦合方法，包括：
9.1)采集电主轴在目标测量转速下空运转至温升稳定时突然断电后各个采样时刻的机械角速度；
10.2)根据各个采样时刻的机械角速确定其对应的电主轴旋转摩擦因子；
11.3)根据电主轴旋转摩擦因子和各个采样时刻的机械角速度，分别计算各个采样时刻对应的电主轴机械损耗。
12.可选地，步骤2)中电主轴旋转摩擦因子的计算函数表达式为：
[0013][0014]
上式中，cf为电主轴旋转摩擦因子，j为电主轴的转动惯量，ω
m2
为任意的采样时刻t
m2
对应的机械角速度，ω
m1
为任意的采样时刻t
m1
对应的机械角速度，t2为采样时刻t
m2
的计时时间，t1为采样时刻t
m1
的计时时间，n为多项式的最高次数，aj为多项式第j项tj的系数，t为时间积分变量。
[0015]
可选地，步骤2)中计算电主轴旋转摩擦因子包括：分别针对不同组的采样时刻t
m1
和采样时刻t
m2
计算电主轴旋转摩擦因子，然后将计算得到的多个电主轴旋转摩擦因子的加权平均值作为最终的电主轴旋转摩擦因子值。
[0016]
可选地，步骤2)之前还包括确定多项式系数的步骤：
[0017]
s1)建立电主轴突然断电后转速随时间变化的函数关系式：
[0018][0019]
上式中，n为多项式的最高次数，aj为多项式第j项tj的系数，ωm(t)为电主轴突然断电后的任意时刻t对应的机械角速度，m为电主轴突然断电后转速变化测量采样时刻的间隔数；
[0020]
s2)记将电主轴突然断电后转速随时间变化的函数关系式转换为：
[0021][0022]
s3)通过最小二乘逼近法、各个采样时刻的机械角速进行曲线拟合，且曲线拟合累计误差或误差的平方和取得最小值的条件为：
[0023][0024]
上式中，为方程组系数矩阵a第j列第k行元素，aj为多项式第j项tj的系数，dk为方程组第k个关于含有未知的多项式系数aj的方程等号右边对应的方程常数，且有：
[0025][0026][0027]
上式中，为方程组系数矩阵a第j列第i个采样时刻ti对应的函数值t
ij
，为方程组系数矩阵a第k行第i个采样时刻ti对应的函数值t
ik
，ωi为电主轴突然断电后第i个采样时刻ti对应的机械角速度，m为电主轴突然断电后转速变化测量采样的时刻间隔数；
[0028]
s4)将所述曲线拟合累计误差或误差的平方和取得最小值的条件写成矩阵形式：
[0029]
aa＝d，(7)
[0030]
上式中，a为方程组系数矩阵，a为由方程组多项式系数构成的列向量，d为由方程组常数构成的列向量，且有：
[0031][0032]
a＝(a0,a1,
…
,an)
t
，
ꢀꢀ
(9)
[0033]
d＝(d0,d1,
…
,dn)
t
，
ꢀꢀ
(10)
[0034]
上式中，为且构成首项为1、公比为ti、项数为n+1的等比数列，a0～an为多项式系数或方程组要求解的未知数，d0～dn为方程组的第1个方程到第n+1个方程等号右边对应的方程常数；
[0035]
s5)将电主轴在目标测量转速下空运转至温升稳定时突然断电后各个采样时刻的机械角速代入式(5)、(6)和(7)，从而得到多项式系数a0～an的值。
[0036]
可选地，步骤3)中计算各个采样时刻对应的电主轴机械损耗时，任意采样时刻tm对应的电主轴机械损耗pm的计算公式为：
[0037][0038]
上式中，cf为电主轴旋转摩擦因子，ωm为任意采样时刻tm对应的机械角速度。
[0039]
可选地，步骤1)中电主轴在目标转速下空运转至温升稳定包括：
①
启动电主轴的辅助系统，所述辅助系统包括冷却系统和润滑系统；
②
将电主轴在逆变器供电条件下进行降压降频软启动；
③
通过调节逆变器的供电频率使得电主轴的转速上升至目标测量转速；
④
电主轴以目标测量转速充分空运转至温升稳定以消除温度对测量结果的影响。
[0040]
可选地，步骤3)中计算各个采样时刻对应的电主轴机械损耗之后，还包括根据各个采样时刻对应的电主轴机械损耗生成目标转速对应的电主轴机械损耗曲线。
[0041]
可选地，步骤3)之后还包括根据更新生成新的目标转速，并针对新的目标转速重
新执行步骤1)～步骤3)以获得不同目标转速下各个采样时刻对应的电主轴机械损耗。
[0042]
此外，本发明还提供一种用于电主轴机械损耗测量的无耦合系统，包括相互连接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行前述用于电主轴机械损耗测量的无耦合方法的步骤。
[0043]
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有计算机程序，该计算机程序用于被微处理器执行以实施前述用于电主轴机械损耗测量的无耦合方法的步骤。
[0044]
和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：
[0045]
1、本发明方法包括采集电主轴在目标测量转速下空运转至温升稳定时突然断电后各个采样时刻的机械角速度；根据各个采样时刻的机械角速确定其对应的电主轴旋转摩擦因子；根据电主轴旋转摩擦因子和各个采样时刻的机械角速度，分别计算各个采样时刻对应的电主轴机械损耗。本发明所需的测试系统相对简单，测量成本低。相对现有的耦合法，发明的无耦合法需要的测试对象仅仅只需一台电主轴即可，不需要联轴器和功率仪，测试系统相对简单，有效降低了测量成本。
[0046]
2、本发明的测量过程简单、效率高。相对现有的耦合法，发明的无耦合法只需测量电主轴以一定转速充分空运转至温升稳定之后突然断电后的转速变化，不需要测量驱动电主轴与负载电主轴通过联轴器连接前后驱动电主轴空负载运转(驱动电主轴空负载运转的测量转速要保持相同)输入有功功率的变化，更不需要将负载电主轴反复从联轴器上拆卸下来和将负载电主轴反复安装到联轴器上，测量过程大大简化，测量效率高。
[0047]
3、本发明的测量转速范围宽，可覆盖电主轴全调速范围。相对现有的耦合法，发明的无耦合法测试对象仅仅需要一台电主轴，不需要通过联轴器将两台完全相同的电主轴连接起来，不会改变电主轴原有的动力学特性，测量转速范围宽，可覆盖电主轴全调速范围，不论是低速、中速，还是高速、超高速均可测量，特别适合于高速、超高速异步电主轴机械损耗的测量。
附图说明
[0048]
图1为本发明实施例一方法的基本流程示意图。
[0049]
图2为本发明实施例一中测试系统的结构示意图。
[0050]
图3为本发明实施例一中测试方法的详细流程示意图。
[0051]
图4为本发明实施例二中测试方法的详细流程示意图。
具体实施方式
[0052]
实施例一：
[0053]
如图1所示，本实施例用于电主轴机械损耗测量的无耦合方法，包括：
[0054]
1)采集电主轴在目标测量转速下空运转至温升稳定时突然断电后各个采样时刻的机械角速度；
[0055]
2)根据各个采样时刻的机械角速确定其对应的电主轴旋转摩擦因子；
[0056]
3)根据电主轴旋转摩擦因子和各个采样时刻的机械角速度，分别计算各个采样时刻对应的电主轴机械损耗。
[0057]
本实施例中，步骤1)中电主轴在目标转速下空运转至温升稳定包括：
①
启动电主轴的辅助系统，所述辅助系统包括冷却系统和润滑系统，从而为电主轴启动、变频调速和空载运转以及机械损耗分离和测量做好准备；
②
将电主轴在逆变器供电条件下进行降压降频软启动；
③
通过调节逆变器的供电频率使得电主轴的转速上升至目标测量转速；
④
电主轴以目标测量转速充分空运转至温升稳定以消除温度对测量结果的影响。
[0058]
作为一种常见的电主轴类似示例，本实施例中的电主轴具体为高速液体悬浮电主轴，如图2所示。本实施例中的测试系统主要由逆变器、被试电主轴、红外线转速测量仪和秒表构成。本实施例方法是对现有的耦合法的改进，现有的耦合法需要两台完全相同的电主轴，其中任何一台电主轴均可用作驱动电主轴或负载电主轴，它们通过联轴器实行离合来实现机械损耗的分离和测量。而本实施例的无耦合法在整个测试过程中需要的测试对象仅仅只需一台电主轴即可，无联轴器、无耦合，通过单台电主轴以一定转速无负载运转并结合突然断电消除电主轴制动转矩和电磁损耗，实现机械损耗的分离和测量。参见图2，步骤1)中电主轴在目标测量转速下空运转至温升稳定时突然断电可切断电主轴的电源开关s或供电电源，从而以消除电主轴制动转矩和电磁损耗，将机械损耗成分从电主轴总损耗中完全分离出来。电主轴突然断电后由于惯量的储能作用，转速不会立刻下降至零，在轴承机械摩擦和转子风摩的共同作用下转速呈现一个逐渐下降的过程；参见图2，本实施例中利用红外线转速测量仪对电主轴突然断电后的转速ω变化进行测量，同时用秒表记录每一个测量转速所对应的时刻，最终得到各个采样时刻的机械角速度如表1所示。
[0059]
表1：各个采样时刻的机械角速度的原始实验数据
[0060][0061]
表1中，i+1为测点数目(i＝0,1,2,3,
…
,m)。为了能够准确地反映出电主轴突然断电后转速的变化规律，测点数目i+1≥5。
[0062]
本实施例步骤2)中电主轴旋转摩擦因子的计算函数表达式为：
[0063][0064]
上式中，cf为电主轴旋转摩擦因子，j为电主轴的转动惯量，ω
m2
为任意的采样时刻t
m2
对应的机械角速度，ω
m1
为任意的采样时刻t
m1
对应的机械角速度，t2为采样时刻t
m2
的计时时间，t1为采样时刻t
m1
的计时时间，n为多项式的最高次数，aj为多项式第j项tj的系数，t为时间积分变量。
[0065]
作为一种可选的实施方式，为减少测量的偶然误差，本实施例步骤2)中计算电主轴旋转摩擦因子包括：分别针对不同组的采样时刻t
m1
和采样时刻t
m2
计算电主轴旋转摩擦因子，然后将计算得到的多个电主轴旋转摩擦因子的加权平均值作为最终的电主轴旋转摩擦因子值。
[0066]
参见图3，本实施例中步骤2)之前还包括确定多项式系数的步骤：
[0067]
s1)建立电主轴突然断电后转速随时间变化的函数关系式：
[0068][0069]
上式中，n为多项式的最高次数，aj为多项式第j项tj的系数，ωm(t)为电主轴突然断电后的任意时刻t对应的机械角速度，m为电主轴突然断电后转速变化测量采样时刻的间隔数；
[0070]
s2)记将电主轴突然断电后转速随时间变化的函数关系式转换为：
[0071][0072]
s3)通过最小二乘逼近法、各个采样时刻的机械角速进行曲线拟合，且曲线拟合累计误差或误差的平方和取得最小值的条件为：
[0073][0074]
上式中，为方程组系数矩阵a第j列第k行元素，aj为多项式第j项tj的系数，dk为方程组第k个关于含有未知的多项式系数aj的方程等号右边对应的方程常数，且有：
[0075][0076][0077]
上式中，为方程组系数矩阵a第j列第i个采样时刻ti对应的函数值t
ij
，为方程组系数矩阵a第k行第i个采样时刻ti对应的函数值t
ik
，ωi为电主轴突然断电后第i个采样时刻ti对应的机械角速度，m为电主轴突然断电后转速变化测量采样的时刻间隔数；
[0078]
s4)将所述曲线拟合累计误差或误差的平方和取得最小值的条件写成矩阵形式：
[0079]
aa＝d，(7)
[0080]
上式中，a为方程组系数矩阵，a为由方程组多项式系数构成的列向量，d为由方程组常数构成的列向量，且有：
[0081][0082]
a＝(a0,a1,
…
,an)
t
，
ꢀꢀ
(9)
[0083]
d＝(d0,d1,
…
,dn)
t
，
ꢀꢀ
(10)
[0084]
上式中，为且构成首项为1、公比为ti、项数为n+1的等比数列，a0～an为多项式系数或方程组要求解的未知数，d0～dn为方程组的第1个方程到第n+1个方程等号右边对应的方程常数；
[0085]
s5)将电主轴在目标测量转速下空运转至温升稳定时突然断电后各个采样时刻的机械角速代入式(5)、(6)和(7)，从而得到多项式系数a0～an的值。
[0086]
本实施例中，步骤3)中计算各个采样时刻对应的电主轴机械损耗时，任意采样时刻tm对应的电主轴机械损耗pm的计算公式为：
[0087][0088]
上式中，cf为电主轴旋转摩擦因子，ωm为任意采样时刻tm对应的机械角速度。
[0089]
参见图3，本实施例步骤2)中式(1)所示电主轴旋转摩擦因子的计算函数表达式的确定过程如下：由能量守恒定律可知，电主轴突然断电后任意时间间隔内其动能的减少量等于该时间间隔内克服摩擦力包括轴承摩擦力和转子风摩阻力所做的功。能量守恒方程的数学表达式为：
[0090][0091]
上式中，t2为采样时刻t
m2
的计时时间(可由秒表测得)，t1为采样时刻t
m1
的计时时间(可由秒表测得)，pm为任意采样时刻tm对应的电主轴机械损耗，e
k2
和e
k1
分别为电主轴在采样时刻t
m2
、采样时刻t
m1
的动能，j为电主轴的转动惯量(已知参数，可根据电主轴转子轴系结构、几何参数和材料密度进行计算得到)，ω
m2
为任意的采样时刻t
m2
对应的机械角速度(可由转速仪测得)，ω
m1
为任意的采样时刻t
m1
对应的机械角速度(可由转速仪测得)。将式(2)和式(11)代入式(12)，经过整理得到电主轴旋转摩擦因子的数学表达式如式(1)所示。
[0092]
综上所述，本实施例用于电主轴机械损耗测量的无耦合方法主要具有下述优点：1、本实施例所需的测试系统相对简单，测量成本低。相对现有的耦合法，发明的无耦合法需要的测试对象仅仅只需一台电主轴即可，不需要联轴器和功率仪，测试系统相对简单，有效降低了测量成本。2、本实施例中创造性提出的单台电主轴无负载运转并结合突然断电消除电主轴制动转矩和电磁损耗、实现机械损耗分离的无耦合方法以及无耦合机械损耗测量的方法，测量过程简单、效率高。相对现有的耦合法，本实施例的无耦合法只需测量电主轴以一定转速充分空运转至温升稳定之后突然断电后的转速变化，不需要测量驱动电主轴与负载电主轴通过联轴器连接前后驱动电主轴空负载运转(驱动电主轴空负载运转的测量转速要保持相同)输入有功功率的变化，更不需要将负载电主轴反复从联轴器上拆卸下来和将负载电主轴反复安装到联轴器上，测量过程大大简化，测量效率高。3、本实施例的测量转速范围宽，可覆盖电主轴全调速范围。相对现有的耦合法，发明的无耦合法测试对象仅仅需要一台电主轴，不需要通过联轴器将两台完全相同的电主轴连接起来，不会改变电主轴原有的动力学特性，测量转速范围宽，可覆盖电主轴全调速范围，不论是低速、中速，还是高速、超高速均可测量，特别适合于高速、超高速异步电主轴机械损耗的测量。4、本实施例的测量结果可靠。采用能量守恒定律建立电主轴突然断电后的能量守恒方程，同时通过最小二乘拟合实验数据(电主轴突然断电后转速的变化规律)，可确保电主轴机械损耗测量结果的可信度。
[0093]
此外，本实施例还提供一种用于电主轴机械损耗测量的无耦合系统，包括相互连接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行前述用于电主轴机械损耗测量的无耦合方法的步骤。
[0094]
此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有计算机程序，该计算机程序用于被微处理器执行以实施前述用于电主轴机械损耗测量的无耦合方法的步骤。
[0095]
实施例二：
[0096]
本实施例为对实施例一的进一步改进。参见图4，本实施例步骤3)中计算各个采样时刻对应的电主轴机械损耗之后，还包括根据各个采样时刻对应的电主轴机械损耗生成目标转速对应的电主轴机械损耗曲线。
[0097]
此外，本实施例还提供一种用于电主轴机械损耗测量的无耦合系统，包括相互连接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行前述用于电主轴机械损耗测量的无耦合方法的步骤。
[0098]
此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有计算机程序，该计算机程序用于被微处理器执行以实施前述用于电主轴机械损耗测量的无耦合方法的步骤。
[0099]
实施例三：
[0100]
本实施例为对实施例一的进一步改进。本实施例中，步骤3)之后还包括根据更新生成新的目标转速，并针对新的目标转速重新执行步骤1)～步骤3)以获得不同目标转速下各个采样时刻对应的电主轴机械损耗。
[0101]
此外，本实施例还提供一种用于电主轴机械损耗测量的无耦合系统，包括相互连接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行前述用于电主轴机械损耗测量的无耦合方法的步骤。
[0102]
此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有计算机程序，该计算机程序用于被微处理器执行以实施前述用于电主轴机械损耗测量的无耦合方法的步骤。
[0103]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0104]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。