一種高速銑削電主軸切削顫振的激勵模擬裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種高速銑削電主軸切削顫振的激勵模擬裝置，包括：徑向位移傳感器、徑向磁懸浮軸承、濾波器、第一功率放大器、第二功率放大器、驅控板、支架和刀具；驅控板的第一輸入端用于接收外部施加的顫振激勵信號，第二功率放大器的輸入端連接至驅控板的第一輸出端，第二功率放大器的輸出端與徑向磁懸浮軸承連接；濾波器的輸入端連接至徑向位移傳感器，第一功率放大器的輸入端連接至濾波器的輸出端，驅控板的第二輸入端連接至第一功率放大器的輸出端，驅控板的第二輸出端用于輸出顯示所述刀具的振動位移。本實用新型在主軸刀具末端安裝徑向磁懸浮軸承，利用磁場力激勵刀具產生顫振；無需機床實驗平臺可以對切削顫振進行較好的模擬。
【專利說明】一種高速銑削電主軸切削顫振的激勵模擬裝置

【技術領域】
[0001]本實用新型屬于高速銑削【技術領域】，更具體地，涉及一種高速銑削電主軸切削顫振的激勵模擬裝置。

【背景技術】
[0002]隨著航空、航天、汽車等工業(yè)的發(fā)展，超高速自動化加工已成為機械加工的發(fā)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]由于計算機、自動控制和微電子技術的發(fā)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。而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。雖然磁懸浮軸承電主軸可以在切削過程中動態(tài)調節(jié)主軸-刀具系統的剛度和阻尼，實現切削顫振的抑制，保證切削穩(wěn)定性，但是目前磁懸浮軸承銑削電主軸成型產品較少，研發(fā)主要停留在實驗室驗證階段。在切削顫振主動抑制算法研發(fā)尚未成熟的情況下，將主軸安裝到數控機床上進行實際的切削加工實驗存在主軸乃至機床損壞的危險。為此，有必要設計切削顫振模擬產生以及主動抑制的裝置，在安全環(huán)境下驗證切削顫振的模擬與主動控制的有效性。
實用新型內容
[0004]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本實用新型提供了一種高速銑削電主軸切削顫振的激勵模擬裝置，其目的在于在主軸刀具末端安裝徑向磁懸浮軸承，利用磁場力激勵刀具產生顫振；能夠在無需機床實驗平臺以及實際切削加工的情況下，對切削顫振進行較好的模擬。
[0005]本實用新型提供了一種高速銑削電主軸切削顫振的激勵模擬裝置，包括:徑向位移傳感器、徑向磁懸浮軸承、濾波器、第一功率放大器、第二功率放大器、驅控板、支架和刀具；所述徑向磁懸浮軸承與徑向位移傳感器安裝在所述支架上并與工作臺固定，所述刀具穿過所述徑向磁懸浮軸承和所述徑向位移傳感器；所述驅控板的第一輸入端用于接收外部施加的顫振激勵信號，所述第二功率放大器的輸入端連接至所述驅控板的第一輸出端，所述第二功率放大器的輸出端與所述徑向磁懸浮軸承連接；所述濾波器的輸入端連接至所述徑向位移傳感器，所述第一功率放大器的輸入端連接至所述濾波器的輸出端，所述驅控板的第二輸入端連接至所述第一功率放大器的輸出端，所述驅控板的第二輸出端用于輸出顯示所述刀具的振動位移。
[0006]其中，所述刀具與所述徑向磁懸浮軸承和所述徑向位移傳感器同心設置。
[0007]其中，所述激勵模擬裝置還包括連接在所述第一功率放大器與驅控板之間的AD轉換器，以及連接在所述驅控板與第二功率放大器之間的DA轉換器；所述AD轉換器的輸入端連接至所述第一功率放大器的輸出端，所述AD轉換器的輸出端連接至所述驅控板的第二輸入端；所述DA轉換器的輸入端連接至所述驅控板的第一輸出端，所述DA轉換器的輸出端連接至所述第二功率放大器的輸入端。
[0008]本實用新型針對降低切削效率、加工精度的顫振現象能夠進行有效模擬。在實際加工過程中顫振發(fā)生在刀具與工件接觸位置，故本實用新型在主軸刀具末端安裝徑向磁懸浮軸承，利用磁場力激勵刀具產生顫振。本實用新型能夠在無需機床實驗平臺以及實際切削加工的情況下，對切削顫振進行較好的模擬。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為本實用新型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；
[0010]圖2為驗證本實用新型實施例的有效性而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
[0011]圖3為本實用新型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；
[0012]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為第一功率放大器、105為第二功率放大器、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為功率放大器、216為功率放大器、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】
[0013]為了使本實用新型的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型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用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。此外，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0014]本實用新型的目的在于在主軸刀具末端安裝徑向磁懸浮軸承，利用磁場力激勵刀具產生顫振；從而很好的模擬切削顫振。
[0015]本實用新型實施例提供的高速銑削電主軸切削顫振的激勵模擬裝置1，用于模擬產生切削顫振；如圖1所示，具體包括:徑向位移傳感器101、徑向磁懸浮軸承102、濾波器103、第一功率放大器104和105、A/D轉換器、D/A轉換器、驅控板106、支架107與刀具108。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的輸出經第二功率放大器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，其輸出端通過第一功率放大器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(fā)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，進而經第二功率放大器105處理后發(fā)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(fā)生顫振；同時，徑向位移傳感器101通過濾波器103以及第一功率放大器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。
[0016]研究表明，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(fā)生很大程度上是因為主軸-刀具系統的動態(tài)剛度、阻尼無法滿足大切削量以及高轉速的要求。
[0017]本實用新型針對降低切削效率、加工精度的顫振現象能夠進行有效模擬。在實際加工過程中顫振發(fā)生在刀具與工件接觸位置，故本實用新型在主軸刀具末端安裝徑向磁懸浮軸承，利用磁場力激勵刀具產生顫振。本實用新型所述的基于磁懸浮軸承的用于模擬產生切削顫振的模塊I (如圖1所示)能夠在無需機床實驗平臺以及實際切削加工的情況下，對切削顫振進行較好的模擬，滿足對切削顫振的深入研究。
[0018]為了進一步驗證本實用新型提供的高速銑削電主軸切削顫振的激勵模擬裝置是否能夠對切削顫振進行較好的模擬，現增加一個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，如圖2所示，具體包括: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包括電機206、兩個徑向磁懸浮軸承204和207、兩個軸向磁懸浮軸承209和211、兩個輔助軸承202和212、轉子213、刀柄201、冷卻部件205等主軸部件；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(huán)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和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和216，A/D和D/A信號轉換電路。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和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的輸出通過功率放大器216與兩個徑向磁懸浮軸承204和207連接以產生抑制主軸振動的磁場力。
[0019]該模塊的基本工作原理為: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和207的支承下實現主軸的懸??；兩個徑向位移傳感器203和208通過濾波器214、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(fā)生顫振，徑向位移傳感器203和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(fā)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變換傳遞給功率放大器216，功率放大器216的輸出電流與徑向磁懸浮軸承204和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。
[0020]現結合圖3給出驗證的具體過程如下:
[0021]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。
[0022]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(wěn)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(jié)控制參數，使轉子213穩(wěn)定工作，并達到最小振動狀態(tài)。轉子穩(wěn)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后經第一功率放大器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。
[0023]然后，啟動顫振激勵模擬，其過程為:運行驅控板106到第二功率放大器105的輸出電流指令，在主機PC218中向驅控板106發(fā)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，其輸出信號經第二功率放大器105處理后發(fā)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(fā)生顫振。注意:主機中發(fā)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(tài)，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W2。
[0024]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Χ、Υ方向偏離中心的位移，將其轉為電信號，通過濾波器214、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的顫振進行抑制。在此過程中不斷調節(jié)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。
[0025]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(wěn)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(wěn)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，可以證明本實用新型所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，可以證明本實用新型輔助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2能夠有效的抑制切削加工過程中所產生的顫振。
[0026]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種高速銑削電主軸切削顫振的激勵模擬裝置，其特征在于，包括:徑向位移傳感器(101)、徑向磁懸浮軸承(102)、濾波器(103)、第一功率放大器(104)、第二功率放大器(105)、驅控板(106)、支架(107)和刀具(108)； 所述徑向磁懸浮軸承(102)與徑向位移傳感器(101)安裝在所述支架(107)上并與工作臺(220)固定，所述刀具(108)穿過所述徑向磁懸浮軸承(102)和所述徑向位移傳感器(101)； 所述驅控板(106)的第一輸入端用于接收外部施加的顫振激勵信號，所述第二功率放大器(105)的輸入端連接至所述驅控板(106)的第一輸出端，所述第二功率放大器(105)的輸出端與所述徑向磁懸浮軸承(102)連接； 所述濾波器(103)的輸入端連接至所述徑向位移傳感器(101)，所述第一功率放大器(104)的輸入端連接至所述濾波器(103)的輸出端，所述驅控板(106)的第二輸入端連接至所述第一功率放大器(104)的輸出端，所述驅控板(106)的第二輸出端用于輸出顯示所述刀具的振動位移。
2.如權利要求1所述的激勵模擬裝置，其特征在于，所述刀具(108)與所述徑向磁懸浮軸承(102)和所述徑向位移傳感器(101)同心設置。
3.如權利要求1或2所述的激勵模擬裝置，其特征在于，所述激勵模擬裝置還包括連接在所述第一功率放大器(104)與驅控板(106)之間的AD轉換器，以及連接在所述驅控板(106)與第二功率放大器(105)之間的DA轉換器； 所述AD轉換器的輸入端連接至所述第一功率放大器(104)的輸出端，所述AD轉換器的輸出端連接至所述驅控板(106)的第二輸入端； 所述DA轉換器的輸入端連接至所述驅控板(106)的第一輸出端，所述DA轉換器的輸出端連接至所述第二功率放大器(105)的輸入端。
【文檔編號】G01M7/02GK204188360SQ201420645698
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月30日 優(yōu)先權日:2014年10月30日
【發(fā)明者】張海濤, 趙杰, 趙歡, 吳越, 丁漢, 趙鑫, 張國強 申請人:華中科技大學