專利名稱：無軸承無電機磁動力數控機床電主軸系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種數控機床主軸系統，更具體地指一種能夠實現高轉速、大功率、大扭矩的無軸承、無電機磁動力數控機床主軸系統。
背景技術：
機床的主軸系統是機床實現旋轉運動的執行件，它承受切削力、進給力，驅動力及系統自重等，并保證與機床其它有關組件有精確的相對位置。傳統的機床主軸系統由電動機、帶傳動單元、齒輪傳動單元和主軸組成，零部件多，傳動鏈長，傳動效率比較低，不能滿足高速、高效和高精度的加工要求。
為提高主軸轉速，目前高速大功率主軸單元基本采用集成內裝式電主軸，這種結構基本上取消了帶傳動、齒輪及聯軸節等中間傳動環節，其主軸由內裝式電機直接驅動，從而把機床主傳動鏈的長度縮短為零，實現了機床主軸的“零傳動”。這種結構具有機械效率高、結構緊湊、噪聲低、振動小和精度高等特點，但由于其支撐采用機械軸承，在高速運行時壽命比較短，目前即使采用最新的陶瓷軸承可以將最高轉速提高20％～30％，但這種軸承的壽命最多也只有數千小時。
隨著對主軸轉速和功率的進一步提高，功率和轉速越來越大，傳統的機械軸承難以滿足主軸所需要的超高速、大功率要求。通常采用氣浮、液浮和磁懸浮軸承作為主軸的支撐，但氣浮和液浮軸承需要配套的氣壓、液壓系統，造成主軸系統結構復雜、能耗大、效率低。磁懸浮軸承的應用使得這種超高速、大功率的主軸成為可能，使得主軸具有轉速高、剛度好、可靠性高、動態特性可調等優點。但是由于磁懸浮軸承本身體積較大，而且在主軸的軸向分布有兩個徑向軸承、一個軸向軸承、高速電機和兩個輔助軸承，因此，一方面主軸的軸向尺寸比較長，使得主軸轉子剛度小，限制了其臨界轉速的提高；另一方面，也限制了高速電機的功率輸出。
專利文件CN1528548A中公開了一種工業應用型主動磁懸浮機床電主軸，但該發明中采用了驅動電機，從而使主軸的長度大大增加，對主軸剛性要求較高；同時該發明中的磁浮軸承也只能起到徑向懸浮作用，并不能驅動主軸的旋轉運動。
發明內容
本發明的目的就是要提供一種新型數控機床電主軸系統，其具有自懸浮和自驅動能力，實現機床主軸無磨損、高轉速、高精度、大功率的運行。
為實現此目的，本發明所設計的機床主軸系統采用了磁懸浮軸承和感應電動機技術，舍棄了傳統的高速電機和機械軸承，取而代之的是兩個自主設計開發的磁動力部件，實現對主軸轉子的旋轉驅動、軸向位置控制和徑向位置控制功能。這里將實現主軸旋轉和徑向位置控制的部件簡稱為“徑向部件”，將軸向控制部件稱為“軸向部件”。
本發明采用下述的技術方案一種無軸承無電機磁動力數控機床電主軸系統，包括殼體、主軸、套壓在主軸中間和兩端的推力圓盤及兩個轉子鐵芯，其特征在于主軸兩端的轉子鐵芯與其相對應的定子構成主軸的懸浮和旋轉，并設有主軸的懸浮和旋轉控制系統。推力圓盤與兩側的電磁鐵構成主軸的軸向磁懸浮軸承，并設有軸向位置控制系統。
上述的主軸懸浮和旋轉控制系統的結構是主軸端部裝有磁碼盤，其附近安裝轉速檢測探頭，其輸出的轉速信號與數字控制器DSP相連接，數字控制器DSP的輸出信號由變頻逆變裝置送給4極轉矩控制繞組，實現主軸的轉速控制；安裝在主軸兩端的4個電渦流位移傳感器經A/D與數字控制器DSP相連，有數字控制器DSP輸出的信號由變頻逆變裝置送給2極懸浮控制繞組，實現主軸的懸浮控制。
上述的主軸軸向位置控制系統是主軸端面裝有電渦流傳感器，電渦流傳感器的輸出信號經A/D轉換器與數字控制器DSP相連，數字控制器DSP的輸出信號經D/A轉換器由開關功率放大器控制電磁鐵的磁懸浮力，實現主軸的軸向位置控制。
本無軸承、無電機磁動力數控機床電主軸系統的機械結構為機殼包容著主軸、徑向部件和軸向部件，主軸的兩端部套裝著徑向部件的轉子鐵芯，而其外安裝著徑向部件的定子部分，由硅鋼片沖壓而成，內部繞有4極轉速控制繞組線圈和2極懸浮控制繞組線圈，位于兩徑向部件中間，在主軸上固定套裝推力盤，推力盤兩側安裝有推力磁軸承，合稱軸向部件。在兩端蓋處，主軸外圓附近安裝了4個徑向電渦流位移傳感器，其中兩兩相對安裝，實現差動測量；在主軸的末端的端面上安裝1個軸向電渦流位移傳感器。在主軸突出后端蓋的部分，套裝有磁碼盤，并安裝有轉速檢測探頭，連接固定在機床床身。機殼壁中通有冷卻水管，并接有水管接頭。機殼兩端安裝前后兩個端蓋，各安裝一個徑向輔助保護軸承，在主軸末端安裝有軸向輔助保護軸承。
本發明同時給出一種實現數控機床主軸系統無軸承無電機的方法，該方法是在數控機床上安裝殼體、主軸，在主軸中間套壓推力圓盤及兩端的兩個轉子鐵芯，兩個轉子鐵芯分別設置在推力圓盤的兩側位置，為轉子鐵芯設置相對應的定子，定子中分別設置具有懸浮和旋轉功能的兩組線圈，并配置主軸的懸浮控制系統和轉速控制系統。該方法還包括以下技術措施推力圓盤的兩側加裝電磁鐵構成主軸的軸向磁懸浮軸承，并配置軸向位置控制系統；機殼壁中安裝冷卻水管，并接水管接頭；機殼前后兩個端蓋各安裝一個徑向輔助保護軸承，在主軸末端安裝有軸向輔助保護軸承。
綜上所述，本發明的技術方案主要針對數控機床主軸的高精度、大功率的切削加工而設計，實現主軸的懸浮、轉速等控制，大大的超出了電機的簡單功能范圍。本發明的優點在于與直接應用磁懸浮軸承支撐和高頻電機驅動的機床電主軸系統相比較，主軸系統的結構緊湊，縮短了主軸的軸向長度，即提高了主軸的剛性，又提高了主軸的輸出功率。同時取消了電機的驅動，將其功能融入了徑向部件之中，并成對使用，使輸出功率成倍增加。
附圖1為徑向部件懸浮力產生示意圖。
附圖2為軸向部件懸浮力產生示意圖。
附圖3為無軸承無電機磁動力數控機床主軸系統機械結構示意圖。
附圖4為無軸承無電機磁動力數控機床主軸系統技術方案示意圖。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發明具體實施方式
作進一步詳細描述。
本發明所述的主軸系統懸浮原理如圖1所示，當懸浮繞組中沒有通入電流時，轉矩繞組電流產生的4極磁場均勻對稱，磁場中氣隙磁通密度處處相等，轉子上無懸浮力。當懸浮繞組通入某一方向的電流時，產生如圖1所示的2極磁場與，原來的4極磁場疊加，使得氣隙中某個區域磁場增強，而其對稱區域磁場減弱，不平衡的氣隙磁通密度使轉子上產生出沿Y軸正方向的磁拉力。相反，如果在懸浮繞組上通入反方向電流，合成的氣隙磁場將產生沿Y軸負方向的磁力。這樣，通過控制懸浮繞組電流大小及方向可在轉子上產生任意方向的可控懸浮力，用以抵消由于轉子偏心而產生的單邊磁拉力。由磁懸浮力表達式F＝k·I4m·I2m·sin(4-2)可知只需控制4極轉矩繞組和2極懸浮繞組的電流強度及相位差，就可以在任意時刻控制磁場合力的大小和方向，通過控制系統，實現主軸的穩定懸浮。這里k為與定、轉子參數有關的一個系數，可以通過計算求得。
參見圖3，由圖可見，本發明無軸承無電機磁動力數控機床主軸系統，包括主軸2，徑向部件和軸向部件，主軸的兩端套裝著徑向部件的轉子鐵芯5，而其外安裝著徑向部件的定子部分6，由硅鋼片沖壓而成，內部繞有4極轉速控制繞組線圈12和2極懸浮控制繞組線圈13，位于兩徑向部件中間，在主軸上固定套裝推力盤8，推力盤兩側安裝有電磁鐵7，合稱軸向部件。在兩端蓋1、9處，主軸2外圓附近安裝了4個徑向電渦流位移傳感器11；在主軸2的末端端面上安裝1個軸向電渦流位移傳感器17。在主軸2突出后端蓋1的部分，套裝有磁碼盤15，并安裝有轉速檢測探頭14，連接固定在機床床身。機殼壁中通有冷卻水管，并接有水管接頭。機殼兩端安裝前后兩個端蓋1、9，各安裝一個徑向輔助保護軸承10，在主軸末端安裝有軸向輔助保護軸承16。
結合附圖1，附圖2和附圖3對本系統以及其中的徑向部件和軸向部件的工作原理作如下解釋分布于主軸兩端的“徑向部件”結構與傳統的感應式電機結構相似，有轉子5和定子6兩部分，其全部用硅鋼片疊壓而成，轉子5采用異步電機的鼠籠式結構，而定子6中的繞組則包括一套4極繞組線圈12和一套2極繞組線圈13。根據其作用不同，分別為轉矩繞組和懸浮繞組，其中4極繞組線圈12，即轉矩繞組。與傳統的異步電機作用相似，產生使轉子旋轉的電磁轉矩，通過系統中的變頻逆變裝置，實現對主軸轉子的轉速及輸出轉矩控制。而2極繞組線圈13，即懸浮繞組，其作用則是與轉矩繞組相互作用，產生可控的懸浮力。
而中間位置的“軸向部件”，控制主軸轉子的軸向位置，從圖4中可以看到，任意時刻當推力圓盤8偏離平衡位置時，由軸向電渦流位移傳感器17檢測出推力圓盤8偏離平衡位置的位移，傳感器的檢測信號與給定的參考信號比較后得到位置誤差信號，數字控制器19根據給定的控制算法計算出轉子回復到原平衡位置所需要的控制信號，經功率放大器20變換成電流或電壓輸出，驅動電磁鐵7產生相應的電磁恢復力，使推力圓盤8回復到其平衡位置，從而實現主軸的軸向位置控制。圖2中向量合力F＝F1-F2，即為軸向控制力，通過改變繞組中的電流強度，從而改變磁場中的兩處氣隙的強度，控制磁場內部的拉力F1、F2，來實現控制目的。
參見附圖3，當系統處于非工作狀態時，制動裝置3將主軸轉子緊緊地固定，避免主軸在外界干擾下任意擺動。
當系統開始工作時，首先根據轉速要求，轉矩控制繞組通入啟動電流。同時，電渦流位移傳感器11和17檢測主軸水平方向和豎直方向的位移，電渦流位移傳感器11和17將檢測到的位移信號送入數字控制器19，與給定信號比較得到主軸的位置偏差，由數字控制器19計算出主軸回復到中心平衡位置所需的徑向和軸向回復力，由所得到的回復力計算出懸浮繞組和軸向控制繞組中所需的電流，經變頻逆變裝置輸入懸浮控制繞組，以控制主軸的徑向位移和軸向位移，實現主軸的懸浮控制。此時制動裝置3打開，主軸轉子將完全懸浮，僅受磁場作用力，向平衡位置移動，這即為啟動的過程。同時啟動磁碼盤15檢測出實時的轉速，按照傳統異步電機調速方法實現對主軸轉速的調節。
在主軸系統的工作過程中，轉子的驅動力和懸浮支撐力，完全由徑向部件和軸向部件所承擔，檢測系統時刻監測主軸轉子的位置偏移和轉速變化，并將結果反饋于控制系統。當主軸受到徑向或軸向的載荷時，系統將根據主軸轉子轉速及位置的變化相應的調整所有繞組中的電流的強度和頻率以及相位，提供相應的承載力保證主軸的在工作過程中的位置及轉速，實現穩定的工作狀態。
系統的制動過程與傳統的數控機床主軸系統相似，分為正常制動，緊急制動，超載保護制動，以及突然停電保護制動四個方式，其中前兩種由操作者輸入命令通過對繞組電流的控制得以實現，后兩者則是在工作過程中由檢測系統對主軸轉子的工作狀態進行回饋，通過制動裝置強制實現制動，可能產生對系統不利的影響，應盡量避免。
權利要求
1.一種無軸承無電機磁動力數控機床電主軸系統，包括殼體(4)、主軸(2)、套壓在主軸中間的推力圓盤(8)及兩端的兩個轉子鐵芯(5)，其特征在于主軸(2)兩端的轉子鐵芯(5)與其相對應的定子(6)構成主軸的懸浮和旋轉裝置，并設有主軸的懸浮控制系統和轉速控制系統；推力圓盤(8)與兩側的電磁鐵(7)構成主軸的軸向磁懸浮軸承，并設有軸向位置控制系統。
2.如權利要求1所述的無軸承無電機磁動力數控機床電主軸系統，其特征在于所述定子(6)是由硅鋼片沖壓而成，其內部繞有4極轉速控制繞組線圈(12)和2極懸浮控制繞組線圈(13)。
3.如權利要求2所述的無軸承無電機磁動力數控機床電主軸系統，其特征在于所述主軸轉速控制系統按如下方式構造和工作主軸(2)的端部裝有磁碼盤(15)，磁碼盤(15)附近安裝轉速檢測探頭(14)，磁碼盤(15)輸出的轉速信號與數字控制器DSP(19)相連接，數字控制器DSP(19)的輸出信號由變頻逆變裝置(18)送給4極轉矩控制繞組(12)，實現主軸的轉速控制。
4.如權利要求2所述的無軸承無電機磁動力數控機床電主軸系統，其特征在于所述主軸懸浮控制系統按如下方式構造和工作主軸(2)兩端安裝有4個電渦流位移傳感器(11)構成測量系統，測量系統檢測到的位移信號經A/D轉換器與數字控制器DSP(19)相連，數字控制器DSP(19)輸出的信號由變頻逆變裝置(18)送給2極懸浮控制繞組(13)，實現主軸的懸浮控制。
5.根據權利要求4所述的無軸承無電機磁動力數控機床電主軸系統，其特征在于所述的由電渦流位移傳感器構成的測量系統按如下方式構造和工作4個電渦流位移傳感器(11)兩兩相對安裝，實現差動測量。
6.如權利要求1所述的無軸承無電機磁動力數控機床電主軸系統，其特征在于所述的主軸軸向位置控制系統按如下方式構造和工作主軸(2)末端的端面裝有電渦流傳感器(17)，電渦流傳感器(17)的輸出信號經A/D轉換器與數字控制器DSP(19)相連，數字控制器DSP(19)的輸出信號經D/A轉換器由開關功率放大器(20)控制電磁鐵(7)的磁懸浮力，實現主軸的軸向位置控制。
7.根據權利要求1所述的無軸承無電機磁動力數控機床電主軸系統，其特征在于所述的主軸系統機械結構為機殼(4)包容著主軸(2)、徑向部件和軸向部件，主軸的兩端套裝著徑向部件的轉子鐵芯(5)，而其外安裝著徑向部件的定子部分(6)；位于兩徑向部件中間，在主軸上固定套裝推力盤(8)，推力盤兩側安裝有電磁鐵(7)；在兩端蓋(1)、(9)處，主軸(2)兩端附近安裝了4個徑向電渦流位移傳感器(11)；在主軸(2)的末端的端面上安裝1個軸向電渦流位移傳感器(17)；在主軸(2)突出后端蓋(1)的部分，套裝有磁碼盤(15)，并安裝有轉速檢測探頭(14)，連接固定在機床床身；機殼壁中通有冷卻水管，并接有水管接頭；機殼前后兩個端蓋(1)、(9)各安裝一個徑向輔助保護軸承(10)，在主軸末端安裝有軸向輔助保護軸承(16)。
8.一種數控機床，其特征在于使用了如權利要求1至7中所述的任意一種無軸承無電機磁動力電主軸系統。
9.一種實現數控機床主軸系統無軸承無電機的方法，該方法是在數控機床上安裝殼體、主軸，在主軸中間套壓推力圓盤及兩端的兩個轉子鐵芯，兩個轉子鐵芯分別設置在推力圓盤的兩側位置，為轉子鐵芯設置相對應的定子，定子中分別設置具有懸浮和旋轉功能的兩組線圈，并配置主軸的懸浮控制系統和轉速控制系統。
10.如權利要求9所述的實現數控機床主軸系統無軸承無電機的方法，其特征在于該方法還包括以下技術措施推力圓盤的兩側加裝電磁鐵構成主軸的軸向磁懸浮軸承，并配置軸向位置控制系統；機殼壁中安裝冷卻水管，并接水管接頭；機殼前后兩個端蓋各安裝一個徑向輔助保護軸承，在主軸末端安裝有軸向輔助保護軸承。
全文摘要
為使數控機床主軸系統具有自懸浮和自驅動能力，實現機床主軸無磨損、高轉速、高精度、大功率的運行。提供了一種無軸承無電機磁動力數控機床電主軸系統，其中包括殼體(4)、主軸(2)、套壓在主軸中間的推力圓盤(8)及兩端的兩個轉子鐵芯(5)，主軸(2)兩端的轉子鐵芯(5)與其相對應的定子(6)構成主軸的懸浮和旋轉裝置，并設有主軸的懸浮控制系統和轉速控制系統；推力圓盤(8)與兩側的電磁鐵(7)構成主軸的軸向磁懸浮軸承，并設有軸向位置控制系統。主軸系統的結構緊湊，縮短了主軸的軸向長度，既提高了主軸的剛性，又提高了主軸的輸出功率；并取消了電機的驅動，將其功能融入了徑向部件之中，實現了機床主軸的懸浮和旋轉。
文檔編號B23Q5/04GK1907607SQ20061004751
公開日2007年2月7日 申請日期2006年8月23日 優先權日2006年8月23日
發明者葛研軍, 蔣成勇, 張連東, 沙智華, 張生芳, 湯武初, 楊君悅 申請人:大連交通大學