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      電主軸四軸聯(lián)動中兩個關(guān)鍵技術(shù)研究

      2013-09-21 08:00:50
      時代農(nóng)機 2013年3期
      關(guān)鍵詞:電主軸動平衡主軸

      楊 帆

      (衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 衢州 324000)

      1 前言

      隨著數(shù)控技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展,越來越多的機械制造設(shè)備在不斷地向高速、高效、高精度、自動化領(lǐng)域發(fā)展。高速機床是實現(xiàn)高速加工的裝備基礎(chǔ),高速大功率的內(nèi)裝電動機主軸單元(以下簡稱電主軸)作為高速機床的核心功能部件,是完成高速加工的關(guān)鍵件,其性能指標直接決定機床的發(fā)展水平,電主軸結(jié)構(gòu)的主要特征是將電機置于機床主軸內(nèi)部,直接驅(qū)動主軸,實現(xiàn)電機-主軸一體化的功能。

      與國外相比,我國電主軸的研制和應(yīng)用水平處于相對落后狀態(tài),同世界先進水平還有相當(dāng)?shù)牟罹?,迫切需要迎頭趕上。高速電主軸單元技術(shù)是制約我國高速加工技術(shù)發(fā)展的瓶頸。為了趕上高速加工技術(shù)發(fā)展的潮流,我國正在不斷加大對高速加工關(guān)鍵功能部件-高速電主軸單元的研究力度,并在十一五科技攻關(guān)計劃中提出了"高速電主軸單元的研制"項目。

      基于電主軸聯(lián)動技術(shù)的數(shù)控鉆床研制正是在我國已經(jīng)進入高速列車時代,而高速列車制動裝置的專用數(shù)控加工設(shè)備“真空”現(xiàn)狀下展開的。通過四個電主軸一體化,使結(jié)構(gòu)更加緊湊,從而達到高速、高精度以及高效率,降低系統(tǒng)傳動誤差的目的。通過對其關(guān)鍵技術(shù)的深入研究,開發(fā)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的高速電主軸單元是滿足數(shù)控機床向高速化和主軸單元化方向發(fā)展的需要,進而為推進我國高速機床行業(yè)整體技術(shù)進步打下堅實基礎(chǔ)。

      2 電主軸四軸聯(lián)動中的動平衡

      工程中的各種回轉(zhuǎn)體,由于材質(zhì)不均勻或毛坯缺陷、加工及裝配中產(chǎn)生的誤差,甚至設(shè)計時就具有非對稱的幾何形狀等多種因素,使得回轉(zhuǎn)體在旋轉(zhuǎn)時,其上每個微小質(zhì)點產(chǎn)生的離心慣性力不能相互抵消,離心慣性力通過軸承作用到機械及其基礎(chǔ)上,引起振動,產(chǎn)生了噪音,加速軸承磨損,縮短了機械壽命,嚴重時能造成破壞性事故。對于高速運轉(zhuǎn)電主軸而言,動平衡對機床加工精度而言影響是極其深遠的。由于毛坯件的鑄造密度不均勻性、零件制造精度以及安裝精度的客觀存在性,完全的動平衡在現(xiàn)實中是不存在。電主軸四軸聯(lián)動系統(tǒng)除了傳統(tǒng)意義上的動平衡校核方法,還可以采用系統(tǒng)控制工程。每個根軸在高速運轉(zhuǎn)時都有一定的動平衡失衡狀態(tài),即產(chǎn)生離心振動。但是四根軸可以通過控制其轉(zhuǎn)動相位角、轉(zhuǎn)速的不同,達到整體平衡控制結(jié)果,如圖1為被加工高速列車摩擦片。

      圖1 摩擦片

      根據(jù)高速列車摩擦片的尺寸規(guī)格,標出四個電主軸偏心轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)過程中瞬時某一位置,單根電主軸質(zhì)量m,其中R1,R2,R3對稱分布,要保持整個系統(tǒng)動平衡,就要滿足一定的數(shù)學(xué)關(guān)系式。根據(jù)動平衡計算公式:m=9549MG/rn,其中M為轉(zhuǎn)子質(zhì)量,單位(kg),G為精度等級選用,r為校正半徑單位(mm),為工件的工作轉(zhuǎn)速,單位(rpm),m為不平衡合格量,單位(g),從而推導(dǎo)出各個偏心電主軸的相位關(guān)系式。具體理論計算在另一篇論文中進行推導(dǎo),在此不再贅述。

      圖2 四根偏心電主軸位置關(guān)系

      3 電主軸四軸聯(lián)動中的電-磁耦合

      電主軸四軸聯(lián)動鉆削機床一共有四根電主軸,電主軸內(nèi)部以及四根電主軸之間必然存在電-磁耦合問題,這不僅僅給高速電主軸機床運動中產(chǎn)生一定的噪音,因電主軸高溫變形而影響加工精度,最關(guān)鍵的是影響電主軸的控制精度。電上軸系統(tǒng)存在復(fù)雜的機電耦合作用,若系統(tǒng)機電參數(shù)匹配不當(dāng),將引起機電耦合振動導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性下降,工件加工表面質(zhì)量降低。利用將電動機與主軸系統(tǒng)機械特性分離的動力學(xué)分析方法難以對系統(tǒng)的機電耦合振動進行有效的分析評價,也難以實現(xiàn)系統(tǒng)機電特性的優(yōu)化匹配。提出基于機電耦合動力學(xué)模型的電主軸系統(tǒng)匹配特性分析方法,利用所提出的方法研究磨削電士軸系統(tǒng)逆變器工作參數(shù)、電豐軸電動機電磁設(shè)計參數(shù)和砂輪機械參數(shù)脈動轉(zhuǎn)矩及定子電流頻譜特性的影響,并在此基礎(chǔ)上對電主軸四軸聯(lián)動系統(tǒng)進行建模分析出機電耦合振動的物理機制。

      圖3 電主軸四軸聯(lián)鉆主機虛擬樣機

      4 結(jié)語

      根據(jù)電主軸四根轉(zhuǎn)軸空間運動相位以及各根主軸偏心瞬間轉(zhuǎn)速,通過PLC獨立控制各個電主軸的電氣參數(shù),重新建立起電主軸四軸聯(lián)動系統(tǒng)的動平衡,從而達到抑制電主軸四軸聯(lián)動鉆床的振動問題,能夠達到提高機床的穩(wěn)定性和加工精度問題。根據(jù)電場、磁場矢量性,提出一套“同向相長,反向相消”抑制四軸機電耦中振動的方法以提高系統(tǒng)匹配特性和高速運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性,從而證實所提出的基于機電耦合動力學(xué)模型的電主軸系統(tǒng)匹配特性分析方法是有效可以行的。

      [1]李松生等.超高速時電主軸軸承的動態(tài)支承剛度分析[J].機械工程學(xué)報,2006,(11).

      [2]曾勝.電磁式旋轉(zhuǎn)機械在線自動平衡系統(tǒng)的研究[D].杭州:浙江大學(xué),1997.

      [3]張琴,顧立志.數(shù)控高速加工關(guān)鍵技術(shù)的研究[J].機床與液壓,2009,(2).

      [4]劉金生.機電耦合系統(tǒng)的動力學(xué)特性研究[D].遼寧:東北大學(xué),2006.

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