一種機床主軸電機中平衡外力負載的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于車削加工領(lǐng)域，更具體地，設(shè)及一種機床主軸電機中平衡外力負載的 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 車削加工車床的加工方式是被加工工件由夾具固定，通過轉(zhuǎn)軸和主軸電機轉(zhuǎn)子連 接，在旋轉(zhuǎn)軸承的支撐下由電機帶動旋轉(zhuǎn)并在刀具作用下進行車削。
[0003] 由于加工過程中有較大的切削力作用于工件上（如圖1所示），該些作用力包括工 件W及夾具等和轉(zhuǎn)子直接連接的重量在運行過程中都需要由軸承來支撐。該些作用力W及 相應(yīng)產(chǎn)生的力矩在每個方向差異較大，因而作用在軸承上產(chǎn)生的反作用力也是不平衡的。 在高速旋轉(zhuǎn)過程中，軸承上的不平衡反作用力會產(chǎn)生振動，影響加工品質(zhì)。在長時間不平衡 的狀態(tài)下運行軸承也會磨損和老化，增加了系統(tǒng)維修的頻率，減少了使用年限。
[0004] 為了減少不平衡的負載對主軸系統(tǒng)的損害，現(xiàn)有方法是通過在轉(zhuǎn)軸上加入可調(diào)節(jié) 的模塊，通過改變其質(zhì)量分布來平衡不對稱的負載，如偏屯、轉(zhuǎn)動的工件。該種方法可W從一 定程度上克服不平衡的工況，但僅限于對重量、偏屯、等于工件相關(guān)的調(diào)節(jié)，對于引起軸承不 平衡作用力的主要因素一不平衡的切削力作用無法做到實時調(diào)節(jié)。
[0005] 圖2顯示了工件所受作用力及主軸電機主要部件的示意圖。Fe，F(xiàn)b，F(xiàn)^分別為電磁 力、軸承支撐力、負載作用力（包括工件自重化及切削力）；Te，Tb，iy為對應(yīng)的力矩。除了旋 轉(zhuǎn)方向，其他方向上合力W及合力矩為零。圖2同時顯示了主軸電機的轉(zhuǎn)子永磁體及定子 線圈。現(xiàn)有主軸電機目標是提供大轉(zhuǎn)矩或高轉(zhuǎn)速，因此采用了對稱=相電的輸入，及關(guān)于圓 屯、對稱的兩個線圈通入大小相同的電流，相鄰的線圈S個一組，通入電流有120度的相位 差。由于轉(zhuǎn)子永磁體的周期性布置，該樣線圈的通電順序會在旋轉(zhuǎn)方向疊加產(chǎn)生較大的合 力矩提供工件轉(zhuǎn)矩，但其他方向的電磁力相互抵消，合力及合力矩為零?，F(xiàn)有主軸電機該樣 的控制方式產(chǎn)生的結(jié)果是在除旋轉(zhuǎn)的其他方向，負載作用力、力矩全部由軸承承擔， 就會引起前文提到的振動W及磨損等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)的W上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種機床主軸電機中平衡外 力負載的方法，其中通過對其關(guān)鍵步驟尤其是整體控制原理的研究和設(shè)計，相應(yīng)能夠利用 電機的電磁力及力矩來抵消主軸轉(zhuǎn)子及工件自重、尤其是切削力該類能夠引起軸承不平衡 的作用力，測試表明能夠顯著減小電機主軸的軸承作用力，由此解決軸承在運行過程中的 磨損W及引起的振動和系統(tǒng)老化的技術(shù)問題。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種機床主軸電機中平衡外力負載的方法， 其特征在于，該方法包括下列步驟：
[0008] 1)對作為車削對象的工件，實時測量其上施加的切削力:^'1，并相應(yīng)獲得其切削力 矩與此同時，對電機自身轉(zhuǎn)速控制器輸出的旋轉(zhuǎn)力矩Td進行測量；
[0009] 2)基于步驟1)所獲得測量結(jié)果，通過調(diào)節(jié)電機線圈中的電流來控制電磁力向量， W此方式，在維持電機轉(zhuǎn)動的同時平衡主軸電機轉(zhuǎn)子上的切削力向量，所述電機線圈中電 流的向量U按按照W下表達來予W計算：
[0010] u= [a]t([a][a]t)-iq
【主權(quán)項】
1. 一種機床主軸電機中平衡外力負載的方法，其特征在于，該方法包括下列步驟： 1) 對作為車削對象的工件，實時測量其上施加的切削力1^，并相應(yīng)獲得其切削力矩 ;與此同時，對電機自身轉(zhuǎn)速控制器輸出的旋轉(zhuǎn)力矩τ d進行測量； 2) 基于步驟1)所獲得測量結(jié)果，通過調(diào)節(jié)電機線圈中的電流來控制電磁力向量，以此 方式，在維持電機轉(zhuǎn)動的同時平衡主軸電機轉(zhuǎn)子上的切削力向量，所述電機線圈中電流的 向量u按按照以下表達來予以計算： U= [A]T([A] [A] ^-1Q
由此完成了整體的主軸電機平外力平衡控制過程； 其中，Ne為表不電機線圈總數(shù)量；K j為第j個電機線圈施加于電機轉(zhuǎn)子的電磁力與該 線圈中所通入電流之間的比值，并且j = 1，2,......NE;s」為電機中心點到電機線圈第j個 線圈的中心點之間的向量，并且j = 1，2,……NE，此外，所述|^和1\分別為測量得到的切 削力和切削力矩，τ d是由轉(zhuǎn)速控制器輸出的旋轉(zhuǎn)力矩。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種機床主軸電機中平衡外力負載的方法，屬于主軸電機控制領(lǐng)域,該方法利用電機多維的電磁力輸出，通過控制電機線圈中的電流，在維持主軸電機旋轉(zhuǎn)的同時使得電機電磁力抵消切削過程中作用于工件上的各方向的切削力，從而減小主軸軸承受力，達到降低軸承磨損、減少切削過程中的振動的目的。本發(fā)明不需要在機床主軸系統(tǒng)上額外添加其它裝置，只需控制電機線圈中的電流即可抵消切削力，在提高切削質(zhì)量的同時可以極大地延長主軸系統(tǒng)的使用壽命。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號】CN104866677
【申請?zhí)枴緾N201510288664
【發(fā)明人】李國民, 白坤
【申請人】華中科技大學, 東莞思谷數(shù)字技術(shù)有限公司
【公開日】2015年8月26日
【申請日】2015年5月29日