[发明专利]一种高速主轴电磁式在线动平衡方法

说明书

技术领域

本发明涉及高速主轴动平衡方法，具体为一种高速主轴电磁式在线动平衡方法。

背景技术

随着科学技术的进步，现代机械正向高速、高效、高精度方向不断发展，因此限制和减少各种机械的振动即进行动平衡显得越来越重要。尤其对高速加工机床，其主轴动平衡水平的高低将直接关乎其所加工工件的精度。

高速主轴旋转时产生的离心力可用以下公式表示：

F＝meω²

式中，m为高速主轴系统质量，e为高速主轴重心与其旋转中心的偏心距，ω为高速主轴的角速度(弧度/秒)，ω＝2πn/60，n为高速主轴转速(转/分)。

令U＝me，U为不平衡量的质径积(g·mm)，通常用U表示不平衡量的大小。可见系统旋转时由不平衡量产生的不平衡离心力与速度的平方成正比，在转速很高的情况下，即使很小的不平衡量U，也会产生非常大的不平衡离心力，引起机床的振动，导致加工精度下降；甚至会使轴承产生碰磨，使用寿命大大降低。因此必须对高速主轴进行动平衡。

过去的平衡措施都为离线动平衡，即通过多次起停试验测出不平衡量的大小，增加或去除配重达到平衡的目的。因离线动平衡需要停机作业，在时间和费用上会造成大量的损失，并且在有些不允许停机的工况下使用受到限制。为减少损失、提高生产效率和加工精度、拓宽动平衡应用范围，目前，已开展有关高速主轴在线动平衡的研究。在线动平衡可在主轴的工作转速下自动识别不平衡量的大小和相位，并自动完成平衡工作，具有平衡效率高，平衡精度高，操作简便，自动化程度高等特点，且可以对高速主轴系统进行实时在线监测，将主轴的运动状况始终控制在要求的精度范围内。因此高速主轴在线动平衡技术越来越受到人们的关注。

在线动平衡中的关键技术是动平衡头的设计。广泛应用的动平衡头按平衡的方法可分为以下三类：①直接在线动平衡头。这种平衡头是从质量方面入手，通过加重或去重的方法，将平衡圆盘的几何中心调整到旋转中心，主要包括喷液法、喷涂法、激光去重法等。这种方法存在着诸如应用转速不能过高，污染环境、动平衡精度低等许多实际问题，应用范围相对狭窄。②间接在线动平衡头。这种动平衡头是给转轴长期提供一个与不平衡力大小相等、方向相反的力，在转轴工作时将其重心强行拉到旋转中心。目前，这种平衡头主要包括电磁轴承型在线动平衡头和电磁圆盘型在线动平衡头，他们都有一个严重的不足就是运行过程中一直受到交变的旋转电磁场所产生电磁力的作用，对长期运行的旋转机械来说，旋转电磁场产生的能耗大，且这种平衡一般尺寸较大，应用场合有限。③混合型在线动平衡头。这类动平衡头工作时，由检测系统测量转子的振动信号，通过控制系统，以某种方式调整平衡头内部质量分布，使其几何中心与旋转中心重合达到平衡的目的。根据驱动质量调整的控制方式的不同，混合型在线动平衡头又可分为电动机型、遥控型以及电磁型在线动平衡头。这些形式的平衡头的缺点是结构较复杂，且平衡过程的响应时间过长。

上述三种在线动平衡无论是其装置的形状结构还是控制方法现在都有较成熟的技术，并在相关文献中有较详尽的介绍，但每种在线动平衡装置都存在一些缺陷或不足。因此研制结构简单、可靠，精度高的高速主轴在线动平衡装置，对于高速超精密加工有着重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的是解决现有在线动平衡因需要产生旋转电磁场而受限于转速和能耗过大的缺点，特别是间接在线动平衡装置和混合型在线动平衡装置存在结构复杂、响应时间长和稳定性差等不足，针对有伸出端的机床主轴，提供了一种响应迅速，控制方便的电磁式在线动平衡方法。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种高速主轴电磁式在线动平衡方法，包括下述步骤：

(1)在选定的主轴段上轴向依次排列至少三个鼠笼状铁芯，每个铁芯轴向绕有可通有直流电的线圈绕组，与鼠笼状铁芯对应的主轴上设有套筒，该套筒轴向分为对应鼠笼状铁芯个数的多段，每段与单个铁芯宽度相同，各段周向分别设有包角为90度且轴向投影相互无重叠部分的凸台，凸台与鼠笼状铁芯径向之间形成调整气隙；

(2)当位移传感器监测到主轴不平衡量时，由在线动平衡系统的工控计算机解算出不平衡量的大小和相位；

(3)依据该不平衡量的大小和相位，计算机通过决策程序产生控制编码传递给驱动电路对所述多个线圈绕组分别通入不同方向和大小的电流，即可在轴向并列产生多个独立的静磁场，且相邻两磁场的方向相反；