CN101722473A - 一种能对非直驱磨床磨头振动进行在线主动控制的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的能对非直驱磨床磨头振动进行在线主动控制的装置，是在原有的磨床主轴上设置主动电磁执行装置，主动电磁执行装置包括定子、转子轴颈、两个检测磨床主轴振动的传感器和控制器，转子轴颈紧固在磨床主轴上，在定子内侧的坐标轴方向分别分布1个或多个磁极，每个坐标轴方向磁极上的绕组串联连接，可分别产生水平正、负方向和垂直正、负方向的电磁力，两个振动传感器的信号输出端与控制器的控制逻辑信号输入端相连，经控制逻辑运算将输入的振动信号转换成四路差动控制信号驱动4对串联绕组，在磨床主轴径向平面上对转子轴颈产生任意方向的电磁力，使磨床主轴受力迅速回到原始位置，从而降低主轴的振动和噪声，提高主轴回转精度。

Description

一种能对非直驱磨床磨头振动进行在线主动控制的装置

技术领域

本发明涉及磨床磨头振动的控制装置，尤其是对非直驱磨床磨头振动进行在线主动控制的装置。

背景技术

磨床主轴在旋转运行中由于受到切削力、不平衡力以及机床基础振动，会产生各种振动，严重影响了磨床的加工精度。其振动形式包括已知频率的、未知频率的、简谐振动、离散谱振动、连续谱振动等。这就是在许多情况下，机床本身虽具有很高的精度，却难以获得高的加工精度的原因。

由于磨床主轴上的砂轮磨头在使用过程中，其质量分布是缓慢变化的，因此，以离线方式精确校准磨床主轴动平衡的方法不能有效地解决磨床主轴在使用中的不平衡振动问题。在主轴上安装在线自动平衡头是常用的对磨床主轴不平衡进行在线补偿的方法。但是其缺点也是先而易见的，其一，平衡头只针对由转子不平衡引起的同步振动有效，而对其它频率的振动无能为力。其二，由于安装位置和对磨床主轴自身转动惯量的影响，限制了平衡头的应用范围。其三，由于需要向旋转机构内传送控制电信号，需采用滑环和碳刷等易耗件，限制了磨床主轴的旋转速度极限。

随着电磁力控制技术的发展，可控电磁执行装置被广泛地应用在振动主动控制领域。其无接触、对环境没有特殊要求、能够在线进行控制等性能优势使它在工业应用中越来越受到关注。一般磨床主轴由普通轴承支承，主轴一端有夹具可安装磨头砂轮，砂轮旋转对工件进行磨削。磨床主轴一般采用电机直驱和非直驱两种结构。电机直驱结构是将驱动电机放置在两轴承之间并与主轴作为一个整体，非直驱式磨床主轴结构是驱动电机经皮带轮或者齿轮变速机构间接带动。

无论是直驱还是非直驱形磨床主轴结构，都可以在主轴的轴承位置将传统的轴承改换为主动电磁轴承，形成全主动电磁悬浮的主轴结构，来对主轴的振动进行主动控制。但是，全主动电磁轴承的高成本，高控制复杂度，而且目前还有支承刚度偏低等技术瓶颈尚未突破，始终阻碍了主动电磁轴承大范围推广应用。因此在目前一段时间，以传统轴承为主要支撑元件的磨床主轴仍然占有很大的比例。

发明内容

针对目前大量非直驱磨床磨头由于运行时主轴振动引起的加工精度下降的问题，本发明的目的是提出一种能够对主轴的振动进行进行在线主动控制的装置，从而降低磨床主轴的振动和噪声，以提高磨床主轴回转精度，提高加工质量。

本发明的能对非直驱磨床磨头振动进行在线主动控制的装置，包括砂轮磨头(1)、滚动或滑动主轴轴承(2)、磨床主轴(5)、皮带和齿轮传动机构(6)以及电机(7)，其特征是还包括主动电磁执行装置，主动电磁执行装置包括定子(3)、转子轴颈(4)、两个分别检测磨床主轴在水平X和垂直Y两个方向上径向振动的传感器(8)、将输入的振动信号转换成四路驱动信号的控制器(10)以及四通道功率放大器(11)，转子轴颈(4)紧固在磨床主轴(5)上，定子(3)为环形，在定子内侧的水平X轴正方向、水平X轴负方向、垂直Y轴正方向和垂直Y轴负方向这四个坐标轴方向分别分布1个或多个磁极，每个磁极上嵌有绕组(9)，同属一个坐标轴方向的磁极上的绕组串联连接，形成四组串联绕组，绕组通电后每个坐标轴方向的磁极对转子轴颈(4)产生的电磁合力方向与对应的坐标轴方向一致，两个振动传感器(8)的信号输出端与控制器(10)的输入端相连，控制器(10)的四路驱动信号输出端与四通道功率放大器(11)的输入端相连，四通道功率放大器(11)的四路输出端分别与定子的四组串联绕组相连。

本发明中，所说的每个磁极的形状可以为C型，也可以为E型。

当磁极形状为C型时，每个C型磁极包含2个定子极，定子(3)共有4×(2×N)个定子极，其中N表示每个坐标轴方向的磁极个数，每个磁极的2个定子极的极性相反，形成一个环形磁通回路(12)。

当磁极形状为E型时，每个E型磁极包含3个定子极，定子(3)共有4×(3×N)个定子极，其中N表示每个坐标轴方向的磁极个数，3个定子极中，两侧定子极的极性相同，中间定子极与两侧定子极的极性相反，形成两个环形磁通回路(13)。

本发明中，所说的振动传感器可以是非接触式位移传感器或加速度传感器。

本发明的转子轴颈由环形硅钢片叠制而成，转子轴颈外表面与定子内表面的径向间隙为0.2～2.0mm。转子轴颈可紧固在磨床主轴两轴承的中间或紧固在磨头端部。

工作时，两个振动传感器分别检测水平X、垂直Y方向的振动量。振动传感器信号作为控制器的输入信号，根据磨床主轴振动的实时位移或加速度情况，经过控制器将输入的水平X和垂直Y方向的振动信号转换成四路驱动控制信号，由功率放大器放大后驱动4对串联绕组，在磨床主轴径向平面上对转子轴颈产生任意方向的电磁力，使磨床主轴迅速回到原始位置，达到抑制磨床主轴径向振动的目的。

本发明的能对非直驱磨床磨头振动进行在线主动控制的装置是主动振动控制技术在磨床主轴上的应用，不需要改变原有磨床主轴基本结构的情况下，通过在磨床主轴上设置一个主动电磁执行装置，来实现对磨床主轴的振动进行在线主动控制，能有效减小磨床主轴在运行中由于切削力、不平衡力以及机床基础振动所引起的振动和噪声，提高主轴回转精度，最终达到提升现有非直驱式磨床加工精度的目的，延长机床的使用寿命。

附图说明

图1本发明装置的结构示意图；

图2是C型磁极的8极定子结构横截面示意图；

图3是E型磁极的12极定子结构横截面示意图；

图4是主动电磁执行装置控制原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述。

参见附图1，本发明的能对非直驱磨床磨头振动进行在线主动控制的装置，包括砂轮磨头(1)、滚动或滑动主轴轴承(2)、磨床主轴(5)、皮带和齿轮传动机构(6)、电机(7)以及主动电磁执行装置，主动电磁执行装置包括定子(3)、转子轴颈(4)、两个分别检测磨床主轴在水平X和垂直Y两个方向上径向振动的传感器(8)、将输入的振动信号转换成四路驱动信号的控制器(10)以及四通道功率放大器(11)，转子轴颈(4)紧固在磨床主轴(5)上，两个振动传感器(8)的信号输出端与控制器(10)的输入端相连，控制器(10)的四路驱动信号输出端与四通道功率放大器(11)的输入端相连，四通道功率放大器(11)的四路输出端分别与定子的四组串联绕组相连。

定子(3)为环形，在定子内侧的水平X轴正方向、水平X轴负方向、垂直Y轴正方向和垂直Y轴负方向这四个坐标轴方向分别分布1个或多个磁极。以每个坐标轴方向只有1个C型磁极为例，定子为8极结构，参见附图2。每个磁极包含2个定子极，每个定子极上嵌有绕组(9)，同属一个坐标轴方向的磁极上的绕组串联连接，形成4组串联绕组。每组串联绕组通电后两个定子极性相反，每个磁极各自形成一个环形磁通回路(12)，对转子轴颈(4)分别产生水平X轴正方向、水平X轴负方向、垂直Y轴正方向和垂直Y轴负方向的电磁力。

以每个坐标轴方向只有1个E型磁极为例，定子为12极结构，参见附图3，每个磁极包含3个定子极。每个定子极上嵌有绕组(9)，同属一个坐标轴方向的磁极上的绕组串联连接，形成4组串联绕组。一般情况，中间定子极的宽度大于两侧极的宽度，使得磁极上的绕组通电后3个定子极的磁通密度相同，3个定子极中，两侧定子极的极性相同，中间定子极与两侧定子极的极性相反，每个磁极可各自形成两个环形磁通回路(13)，同样可对转子轴颈(4)分别产生水平X轴正方向、水平X轴负方向、垂直Y轴正方向和垂直Y轴负方向的电磁力。

主动电磁执行装置控制原理如图4所示，为表述方便，图中以C型磁极的8极定子结构为例。通过两个振动传感器8分别检测水平x、垂直y方向的振动量。振动传感器信号作为控制器10的输入信号，控制器10根据磨床主轴振动的实时位移或加速度情况，经过控制器10将输入的水平X和垂直Y方向的振动信号转换成四路驱动控制信号，由功率放大器11放大后驱动4组串联绕组对转子轴颈形成径向电磁力，使磨床主轴受力迅速回到原始位置，达到抑制磨床主轴径向振动的目的。

定子绕组为直流驱动方式，即绕组中的驱动电流只会改变大小，不会改变方向；为使电磁力实现线性化控制，水平正负两个方向和垂直正负两个方向的串联绕组可各自采用差动电流控制方式。

Claims (6)

1.一种能对非直驱磨床磨头振动进行在线主动控制的装置，包括砂轮磨头(1)、滚动或滑动主轴轴承(2)、磨床主轴(5)、皮带和齿轮传动机构(6)以及电机(7)，其特征是还包括主动电磁执行装置，主动电磁执行装置包括定子(3)、转子轴颈(4)、两个分别检测磨床主轴在水平X和垂直Y两个方向上径向振动的传感器(8)、将输入的振动信号转换成四路驱动信号的控制器(10)以及四通道功率放大器(11)，转子轴颈(4)紧固在磨床主轴(5)上，定子(3)为环形，在定子内侧的水平X轴正方向、水平X轴负方向、垂直Y轴正方向和垂直Y轴负方向这四个坐标轴方向分别分布1个或多个磁极，每个磁极上嵌有绕组(9)，同属一个坐标轴方向的磁极上的绕组串联连接，形成四组串联绕组，绕组通电后每个坐标轴方向的磁极对转子轴颈(4)产生的电磁合力方向与对应的坐标轴方向一致，两个振动传感器(8)的信号输出端与控制器(10)的输入端相连，控制器(10)的四路驱动信号输出端与四通道功率放大器(11)的输入端相连，四通道功率放大器(11)的四路输出端分别与定子的四组串联绕组相连。

2.根据权利要求1所述的能对非直驱磨床磨头振动进行在线主动控制的装置，其特征在于每个磁极的形状为C型，每个C型磁极包含2个定子极，定子(3)共有4×(2×N)个定子极，其中N表示每个坐标轴方向的磁极个数，每个磁极的2个定子极的极性相反，形成一个环形磁通回路(12)。

3.根据权利要求1所述的能对非直驱磨床磨头振动进行在线主动控制的装置，其特征在于每个磁极的形状为E型，每个E型磁极包含3个定子极，定子(3)共有4×(3×N)个定子极，其中N表示每个坐标轴方向的磁极个数，3个定子极中，两侧定子极的极性相同，中间定子极与两侧定子极的极性相反，形成两个环形磁通回路(13)。

4.根据权利要求1所述的能对非直驱磨床磨头振动进行在线主动控制的装置，其特征在于振动传感器(8)为非接触式位移传感器或加速度传感器。

5.根据权利要求1所述的能对非直驱磨床磨头振动进行在线主动控制的装置，其特征在于转子轴颈(4)由环形硅钢片叠制而成，转子轴颈外表面与定子内表面的径向间隙为0.2～2.0mm。

6.根据权利要求1所述的能对非直驱磨床磨头振动进行在线主动控制的装置，其特征在于转子轴颈(4)紧固在磨床主轴两轴承的中间或磨头端部。

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