一種高速銑削電主軸切削顫振的主動抑制裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種高速銑削電主軸切削顫振的主動抑制裝置，包括磁懸浮軸承銑削電主軸、變頻器、磁懸浮軸承控制器和信號輔助處理部件；磁懸浮軸承銑削電主軸安置于銑床上，用以加工工件及抑制顫振；變頻器與所述磁懸浮軸承銑削電主軸的電機相連，用于驅動所述電機旋轉及控制其啟停；所述磁懸浮軸承控制器通過控制主軸內部的徑向磁懸浮軸承以產生抑制主軸振動的磁場力；信號輔助處理部件用以對上述各器件在銑削加工過程中所傳遞的信號進行調理。本發明可以大幅提高主軸-刀具系統的動態剛度和阻尼，從而抑制了顫振的發生，提高了切削加工的穩定性及效率。
【專利說明】一種高速銑削電主軸切削顫振的主動抑制裝置

【技術領域】
[0001]本發明屬于高速銑削【技術領域】，更具體地，涉及一種高速銑削電主軸切削顫振的主動抑制裝置。

【背景技術】
[0002]隨著航空、航天、汽車等工業的發展，超高速自動化加工已成為機械加工的發展趨勢,這對數控加工機床主軸軸承的要求越來越高。目前，國內外數控機床電主軸支承軸承主要有動/靜壓軸承、陶瓷軸承和磁懸浮軸承等。動靜壓軸承由于受到軸承內滾動體表面速度的限制，無法達到期望的超高轉速；相比而言，陶瓷軸承可將轉速提高20%?30%，但軸承的壽命較短，最多僅有數千小時。
[0003]隨著計算機、自動控制和微電子技術的發展，一種全新的機電一體化軸承一磁懸浮軸承應運而生。該類型軸承可實現對轉子的無接觸支承，故可將主軸轉速提高到5000?80000r/min，且可實現上萬小時的長壽命服役。但高速加工易出現顫振現象，嚴重影響切削效率、加工表面質量和刀具/機床的壽命。


【發明內容】

[0004]針對現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種高速銑削電主軸切削顫振的主動抑制裝置，旨在解決現有技術中高速加工過程中易出現的嚴重影響切削效率、加工表面質量和刀具/機床壽命的顫振現象。
[0005]本發明提供了一種高速銑削電主軸切削顫振的主動抑制裝置，包括磁懸浮軸承銑削電主軸、變頻器、磁懸浮軸承控制器和信號輔助處理部件；所述磁懸浮軸承銑削電主軸安置于銑床上，用以加工工件及抑制顫振；所述變頻器與所述磁懸浮軸承銑削電主軸的電機相連，用于驅動所述電機旋轉及控制其啟停；所述磁懸浮軸承控制器通過控制主軸內部的徑向磁懸浮軸承以產生抑制主軸振動的磁場力；所述信號輔助處理部件用以對銑削加工過程中上述各器件之間傳遞的信號進行調理。
[0006]其中，磁懸浮軸承銑削電主軸包括電機、兩個徑向磁懸浮軸承、兩個軸向磁懸浮軸承、兩個輔助軸承、轉子、刀柄和冷卻部件；所述電機位于主軸中部，冷卻部件緊靠主軸電機，兩個徑向磁懸浮軸承位于電機兩側，兩個輔助軸承分別與兩個徑向磁懸浮軸承緊靠在一起，兩個軸向磁懸浮軸承位于主軸末端，即遠離刀具一側，且位于兩個徑向磁懸浮軸承以夕卜，轉子位于主軸中心，貫穿于整個主軸，刀柄則位于主軸前端。
[0007]其中，所述信號輔助處理部件包括徑向位移傳感器、軸向位移傳感器，濾波器，第一功率放大器和第二功率放大器；兩個徑向位移傳感器分別緊靠兩個徑向磁懸浮軸承安置，一個軸向位移傳感器則緊靠兩個軸向磁懸浮軸承安置，上述三個位移傳感器的輸出端與濾波器相連，濾波器的輸出端連接在第一功率放大器的輸入端，第一功率放大器的輸出端連接在控制器的第一輸入端，控制器的第二輸出端與第二功率放大器的輸入端相連，第二功率放大器的輸出端連接到兩個徑向磁懸浮軸承與兩個軸向磁懸浮軸承的輸入端。
[0008]其中，所述徑向位移傳感器和所述軸向位移傳感器均為電感式位移傳感器。
[0009]其中，所述信號輔助處理部件還包括連接在第一功率放大器與磁懸浮軸承控制器之間的AD信號轉換電路，以及連接在磁懸浮軸承控制器與第二功率放大器之間的DA信號轉換電路。
[0010]其中，工作時，通過變頻器驅動所述電機帶動主軸旋轉，并在兩個徑向磁懸浮軸承的支承下實現主軸的懸??；兩個徑向位移傳感器通過濾波器、第一功率放大器與磁懸浮軸承控制器相連，在主軸高速旋轉時，當刀具端發生顫振，徑向位移傳感器將檢測到的顫振信號送到磁懸浮軸承控制器中進行處理，磁懸浮軸承控制器用于與主機PC相連，在主機中顯示主軸的振動位移，并將控制信號發送到磁懸浮軸承控制器中，經磁懸浮軸承控制器處理后的輸出信號傳遞給第二功率放大器，第二功率放大器的輸出電流與徑向磁懸浮軸承相連，通過改變其內部線圈的電流大小和方向從而產生相應的磁場力以抑制主軸的顫振。
[0011]本發明可以大幅提高主軸-刀具系統的動態剛度和阻尼，從而抑制了顫振的發生，提高了切削加工的效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發明實施例提供的基于磁懸浮軸承銑削電主軸的用于主動抑制顫振的模塊結構示意圖；
[0013]圖2為驗證本發明實施例的有效性而提供的基于磁懸浮軸承的用于模擬產生切削顫振的模塊；
[0014]圖3為本發明實施例提供的高速銑削電主軸切削顫振的激勵模擬和主動抑制裝置結構示意圖；
[0015]其中，I為基于磁懸浮軸承的用于模擬產生切削顫振的模塊、2為基于磁懸浮軸承銑削電主軸的用于主動抑制顫振的模塊、101為徑向位移傳感器、102為徑向磁懸浮軸承、103為濾波器、104為功率放大器、105為功率放大器、106為驅控板、107為支架、108為刀具、201為刀柄、202為輔助軸承、203為徑向位移傳感器、204為徑向磁懸浮軸承、205為冷卻部件、206為電機、207為徑向磁懸浮軸承、208為徑向位移傳感器、209為軸向磁懸浮軸承、210為軸向位移傳感器、211為軸向磁懸浮軸承、212為輔助軸承、213為轉子、214為濾波器、215為第一功率放大器、216為第二功率放大器、217為磁懸浮軸承控制器、218為PC、219為變頻器、220為工作臺。

【具體實施方式】
[0016]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0017]切削加工過程中的顫振現象嚴重影響了切削加工的切除量、切削轉速、表面質量等，而顫振的發生很大程度上是因為主軸-刀具系統的動態剛度、阻尼無法滿足大切削量以及高轉速的要求。
[0018]磁懸浮軸承銑削電主軸可以在切削過程中動態調節主軸-刀具系統的剛度和阻尼，實現切削顫振抑制，保證切削穩定性。因此，磁懸浮軸承銑削電主軸適用于高速高精加工機床。本發明將基于磁懸浮軸承的用于模擬產生切削顫振的模塊與基于磁懸浮軸承銑削電主軸的用于主動抑制顫振的模塊相結合，通過PC施加模擬顫振信號指令，并實施顫振信號的檢測以及控制器參數的調節，能夠驗證磁懸浮軸承銑削電主軸對切削顫振的抑制能力。
[0019]下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0020]在本發明實施例中，高速銑削電主軸切削顫振的主動抑制裝置，用于主動抑制顫振；如圖1所示，包括磁懸浮軸承銑削電主軸、主軸電機的驅控部件一變頻器219、磁懸浮軸承控制器217、信號輔助處理部件。其中磁懸浮軸承銑削電主軸安置于銑床上用以加工工件及抑制顫振，變頻器219與主軸電機206相連，用于驅動主軸電機206旋轉及控制其啟停，磁懸浮軸承控制器217通過控制主軸內部的徑向磁懸浮軸承(204、207)以產生所需的磁場力進而控制主軸的振動，信號輔助處理部件用以對銑削加工過程中上述各部件之間傳遞的信號進行調理。
[0021]其中，磁懸浮軸承銑削電主軸包括電機206、兩個徑向磁懸浮軸承204、207、兩個軸向磁懸浮軸承209、211、兩個輔助軸承202、212、轉子213、刀柄201、冷卻部件205等器件；主軸電機206為大功率密度的高速電機，通過變頻器219直接驅動；磁懸浮軸承控制器217是一個基于DSP的集成控制器，內部涉及電流以及位移雙環控制，以實現對磁懸浮軸承銑削電主軸5個自由度位移的精確控制；信號輔助處理部件包括徑向位移傳感器203、208以及軸向位移傳感器210 (均為電感式位移傳感器)，濾波器214，功率放大器215、216，A/D和D/A信號轉換電路。
[0022]磁懸浮軸承銑削電主軸固定于高剛度的工作臺220上，其變頻器219與主軸電機206相連以控制主軸旋轉，兩個徑向位移傳感器203、208安裝于磁懸浮軸承銑削主軸內部并與濾波器214相連，濾波器214通過第一功率放大器215連接到控制器217中，控制器217與主機PC218相連；同時控制器217的輸出通過第二功率放大器216與兩個徑向磁懸浮軸承204、207連接以產生抑制主軸振動的磁場力。
[0023]在本發明實施例中，高速銑削電主軸切削顫振的主動抑制裝置的基本工作原理為:通過變頻器219驅動主軸電機206帶動主軸旋轉，并在兩個徑向磁懸浮軸承204、207的支承下實現主軸的懸?。粌蓚€徑向位移傳感器203、208通過濾波器214、第一功率放大器215與磁懸浮軸承控制器217相連，在主軸高速旋轉時，當刀具108端發生顫振，徑向位移傳感器203、208將檢測到的顫振信號送到磁懸浮軸承控制器217中進行處理，磁懸浮軸承控制器217與主機PC218相連，在主機中顯示主軸的振動位移，并將控制信號發送到磁懸浮軸承控制器217中，經磁懸浮軸承控制器217處理后的輸出信號通過D/A變換傳遞給第二功率放大器216，第二功率放大器216的輸出電流與徑向磁懸浮軸承204、207相連，通過改變其內部線圈的電流大小和方向從而產生相應的磁場力以抑制主軸的顫振。
[0024]為了進一步驗證本發明實施例提供的高速銑削電主軸切削顫振的主動抑制裝置可以有效抑制切削加工過程中產生的顫振，現提供一種基于磁懸浮軸承的用于模擬產生切削顫振的模塊1，該模塊能夠在無機床實驗平臺以及實際切削加工的情況下對切削顫振進行有效的模擬，滿足對切削顫振的深入研究。
[0025]其中，如圖2所示，基于磁懸浮軸承的用于模擬產生切削顫振的模塊I具體包括:徑向位移傳感器101、徑向磁懸浮軸承102、濾波器103、功率放大器104、105、A/D轉換器、D/A轉換器、驅控板106、刀具108與支架107。其中，徑向磁懸浮軸承102與徑向位移傳感器101安裝在高剛度的支架107上并與工作臺220固定，刀具108穿過徑向磁懸浮軸承102與徑向位移傳感器101并與二者保持同心，主機PC218與驅控板106相連，驅控板106的輸出經功率放大器105后與徑向磁懸浮軸承102連接；徑向位移傳感器101與濾波器103相連，其輸出端通過功率放大器104連接到驅控板106，驅控板106的輸出連接到主機PC218。該模塊的工作原理為:主機PC218向驅控板106發送顫振指令，驅控板106接收到指令，對顫振指令進行解析并轉化為徑向磁懸浮軸承102不同相位的控制輸出，進而經功率放大器105處理后發送給徑向磁懸浮軸承102，使其產生引起刀具108顫振的磁場力，作用于刀具108末端而使主軸發生顫振；同時，徑向位移傳感器101通過濾波器103以及功率放大器104與驅控板106相連接,驅控板106同時將徑向位移傳感器101檢測到的振動信號傳輸給主機PC218進行顯示。
[0026]本發明將顫振的激勵模擬與主軸對顫振的主動抑制整合在一起，系統地模擬切削加工過程中從顫振產生到被抑制的整個過程；如圖3所示，具體為:
[0027]首先，將基于磁懸浮軸承的用于模擬產生切削顫振的模塊I與基于磁懸浮軸承銑削電主軸的用于主動抑制顫振的模塊2安裝在高剛度工作臺220上，且基于磁懸浮軸承的用于模擬產生切削顫振的模塊I中的部分組件安裝于高剛度的支架107上并與工作臺220固定，確保:基于磁懸浮軸承的用于模擬產生切削顫振的模塊I的刀具108 (圓柱形無刃刀具)與徑向磁懸浮軸承102同心；基于磁懸浮軸承的用于模擬產生切削顫振的模塊I的刀具108與徑向磁懸浮軸承102之間的氣隙寬度大于等于徑向磁懸浮軸承204、207和主軸轉子213之間的氣隙寬度；基于磁懸浮軸承的用于模擬產生切削顫振的模塊I中的徑向磁懸浮軸承102和基于磁懸浮軸承銑削電主軸的用于主動抑制顫振的模塊2中的磁懸浮軸承銑削電主軸的軸心重合。初始時刻，主軸轉子213靜止于主軸內部的輔助軸承202與212上。
[0028]其次，禁止基于磁懸浮軸承的用于模擬產生切削顫振的模塊I的驅控板106輸出電流指令，即徑向磁懸浮軸承102不產生磁場力，同時給基于磁懸浮軸承銑削電主軸的用于主動抑制顫振的模塊2通電，在磁懸浮軸承控制器217中使用H)(比例-微分)控制，使磁懸浮軸承銑削電主軸的轉子213懸浮并穩定，然后通過變頻器219使轉子213啟動工作，達到設定轉速后，在磁懸浮軸承控制器217中引入PID(比例-積分-微分)控制，調節控制參數，使轉子213穩定工作，并達到最小振動狀態。轉子213穩定旋轉后，徑向位移傳感器101處檢測到刀具108末端在X、Y方向(Χ、Υ方向在垂直于刀具108的平面內)的振動，并將該振動信號傳遞給濾波器103后經功率放大器104放大，然后通過A/D轉換傳遞給驅控板106，驅控板106對信號處理后將該振動信號輸出到PC218中顯示。記錄此時徑向位移傳感器101檢測到的刀具108末端的振動波形Wl。
[0029]然后，啟動顫振激勵模擬，其過程為:運行驅控板106到功率放大器105的輸出電流指令，在主機PC218中向驅控板106發送顫振指令，驅控板接收到指令，對顫振指令進行解析并轉化為針對徑向磁懸浮軸承102不同相位的控制輸出，其輸出信號經功率放大器105處理后發送給徑向磁懸浮軸承102，使其產生引起刀具108顫振的磁場力，作用于刀具108末端，而使主軸發生顫振。注意:主機中發送的顫振指令不能使刀具108接觸到徑向磁懸浮軸承102，以免對其造成損傷。因此時磁懸浮軸承控制器217中的參數并未做調整，則主軸將處于顫振狀態，觀測并記錄徑向位移傳感器101檢測到的刀具108末端的振動波形W20
[0030]最后，利用磁懸浮軸承銑削電主軸抑制切削顫振，其過程為:當顫振激勵模擬啟動后，兩個徑向位移傳感器203和208檢測到主軸在X、Y方向偏離中心的位移，將其轉為電信號，通過濾波器214、第一功率放大器215與磁懸浮軸承控制器217相連，然后在磁懸浮軸承控制器217中與參考位移信號進行比較，對磁懸浮軸承銑削電主軸四個自由度的位移偏差進行PID控制，之后將磁懸浮軸承控制器217輸出的差動電壓信號通過D/A轉換后經第二功率放大器216處理，轉化為電流信號，作用在徑向磁懸浮軸承204和207上，產生相應的磁場力對轉子213的顫振進行抑制。在此過程中不斷調節各組PID參數，并在主機PC218中觀測徑向位移傳感器101處的顫振波形，直到主軸的顫振得到明顯抑制，即徑向位移傳感器101處的振動幅值達到最小，以實現抑制主軸顫振的目的，記錄下此時徑向位移傳感器101檢測到的刀具108末端的振動波形W3。
[0031]整個過程都是在主軸空載的情況下進行，通過比較徑向位移傳感器101檢測到的刀具108末端的振動波形W1、W2和W3，可以清楚的觀測到，在主軸穩定懸浮、被施加顫振激勵以及顫振得到主動抑制三種情況下刀具108末端的振動情況。通過對比主軸穩定懸浮情況下刀具108末端的振動波形Wl和主軸被施加顫振激勵情況下刀具108末端的振動波形W2，可以證明本發明所輔助設計的基于磁懸浮軸承的用于模擬產生切削顫振的模塊I能夠有效的模擬切削加工所產生的顫振現象；通過對比主軸被施加顫振激勵情況下刀具108末端的振動波形W2和顫振得到主動抑制的情況下刀具108末端的振動波形W3，可以證明本發明所設計的基于磁懸浮軸承銑削電主軸的用于主動抑制顫振的模塊2能夠有效的抑制切削加工過程中所產生的顫振。
[0032]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種高速銑削電主軸切削顫振的主動抑制裝置，其特征在于，包括:磁懸浮軸承銑削電主軸、變頻器(219)、磁懸浮軸承控制器(217)和信號輔助處理部件；所述磁懸浮軸承銑削電主軸安置于銑床上，用以加工工件及抑制顫振；所述變頻器(219)與所述磁懸浮軸承銑削電主軸的電機(206)相連，用于驅動所述電機(206)旋轉及控制其啟停；所述磁懸浮軸承控制器(217)通過控制主軸內部的徑向磁懸浮軸承(204、207)以產生抑制主軸振動的磁場力；所述信號輔助處理部件用以對銑削加工過程中上述各器件之間傳遞的信號進行調理。
2.如權利要求1所述的主動抑制裝置，其特征在于，所述磁懸浮軸承銑削電主軸包括電機(206)、兩個徑向磁懸浮軸承(204、207)、兩個軸向磁懸浮軸承(209、211)、兩個輔助軸承(202、212)、轉子(213)、刀柄(201)和冷卻部件(205)； 所述電機(206)位于主軸中部,冷卻部件(205)緊靠主軸電機(206),兩個徑向磁懸浮軸承(204、207)位于電機(206)兩側，兩個輔助軸承(202、212)分別與兩個徑向磁懸浮軸承(204、207)緊靠在一起，兩個軸向磁懸浮軸承(209、211)位于主軸末端，即遠離刀具(108) 一側，且位于兩個徑向磁懸浮軸承(204、207)以外，轉子(213)位于主軸中心，貫穿于整個主軸，刀柄(201)則位于主軸前端。
3.如權利要求1或2所述的主動抑制裝置，其特征在于，所述信號輔助處理部件包括徑向位移傳感器(203、208)、軸向位移傳感器(210)，濾波器(214)，第一功率放大器(215)和第二功率放大器(216)； 兩個徑向位移傳感器(203、208)分別緊靠兩個徑向磁懸浮軸承(204、207)安置，一個軸向位移傳感器(210)則緊靠兩個軸向磁懸浮軸承(209、211)安置，上述三個位移傳感器的輸出端與濾波器(214)相連,濾波器(214)的輸出端連接在第一功率放大器(215)的輸入端，第一功率放大器(215)的輸出端連接在控制器(217)的第一輸入端,控制器的第二輸出端與第二功率放大器(216)的輸入端相連，第二功率放大器(216)的輸出端連接到兩個徑向磁懸浮軸承(204、207)與兩個軸向磁懸浮軸承(209、211)的輸入端。
4.如權利要求3所述的主動抑制裝置，其特征在于，所述徑向位移傳感器(208)或所述軸向位移傳感器(210)為電感式位移傳感器。
5.如權利要求3或4所述的主動抑制裝置，其特征在于，所述信號輔助處理部件還包括連接在第一功率放大器(215)與磁懸浮軸承控制器(217)之間的AD信號轉換電路，以及連接在磁懸浮軸承控制器(217)與第二功率放大器(216)之間的DA信號轉換電路。
6.如權利要求1-5任一項所述的主動抑制裝置，其特征在于，工作時，通過變頻器(219)驅動所述電機(206)帶動主軸旋轉，并在兩個徑向磁懸浮軸承(204、207)的支承下實現主軸的懸??；兩個徑向位移傳感器(203、208)通過濾波器(214)、第一功率放大器(215)與磁懸浮軸承控制器(217)相連，在主軸高速旋轉時，當刀具(108)端發生顫振，徑向位移傳感器(203、208)將檢測到的顫振信號送到磁懸浮軸承控制器(217)中進行處理，磁懸浮軸承控制器(217)用于與主機PC(218)相連，在主機中顯示主軸的振動位移，并將控制信號發送到磁懸浮軸承控制器(217)中，經磁懸浮軸承控制器(217)處理后的輸出信號傳遞給第二功率放大器(216)，第二功率放大器(216)的輸出電流與徑向磁懸浮軸承(204、207)相連，通過改變其內部線圈的電流大小和方向從而產生相應的磁場力以抑制主軸的顫振。
【文檔編號】B23Q15/12GK104354068SQ201410604568
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月30日 優先權日:2014年10月30日
【發明者】趙杰, 趙歡, 張海濤, 吳越, 丁漢, 趙鑫, 張國強 申請人:華中科技大學