梁警威，劉保國*，申會鵬，梅俊偉

(1.河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.河南省超硬磨料磨削裝備重點實驗室，河南 鄭州 450001)

0 引 言

隨著旋轉(zhuǎn)機(jī)械向高速化和智能化方向發(fā)展，主軸高速下動態(tài)性能越來越不可忽視。電主軸具有轉(zhuǎn)速高、結(jié)構(gòu)緊湊及動態(tài)性能好的優(yōu)點，在磨床上已被廣泛使用[1]。在磨床磨削加工時，砂輪的磨損和切削液的分布不均勻，會導(dǎo)致砂輪質(zhì)量分布的不平衡。高速下微小的不平衡量都會引起極大的離心力和系統(tǒng)振動，進(jìn)而導(dǎo)致磨削精度下降、加工質(zhì)量不穩(wěn)定等現(xiàn)象。

為解決此類問題，需對砂輪-電主軸系統(tǒng)進(jìn)行動平衡[2-4]。傳統(tǒng)的線下動平衡技術(shù)需停機(jī)，且平衡精度低，嚴(yán)重影響了機(jī)床的加工效率和工件的加工質(zhì)量，已不能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)需求[5]。而線上的平衡方法具有不停機(jī)、平衡精度高、平衡時間短等優(yōu)點，已經(jīng)成為最具發(fā)展?jié)摿Φ钠胶饧夹g(shù)[6，7]。

國外以德國HOFMANN公司[8]、美國SCHMITT INDUSTRIES公司[9]和意大利MARPOSS公司[10]代表的電磁平衡系統(tǒng)產(chǎn)品已在高端機(jī)床上得到了應(yīng)用，但因其價格過于高昂，目前還尚未得到大量的推廣。且由于該類產(chǎn)品現(xiàn)階段還處于技術(shù)壟斷階段，其內(nèi)部細(xì)節(jié)公開較少。

國內(nèi)從20世紀(jì)90年代末開始，多位學(xué)者相繼開展過這方面的研究，并試制出了多種電磁式主動平衡系統(tǒng)[11-13]。其中，電磁主動平衡頭作為產(chǎn)生平衡質(zhì)量的關(guān)鍵部件，其內(nèi)部質(zhì)量塊在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的自鎖力矩峰值決定了平衡系統(tǒng)的可靠性。自鎖力距由永磁體和齒盤相互作用形成，目前關(guān)于電磁平衡頭自鎖力矩的研究，主要集中在永磁體和齒盤的氣隙[14]、齒盤的厚度和材料[15]、永磁體的尺寸和型號[16]等參數(shù)上；研究方法則主要為有限元分析等。

本文在已有研究的基礎(chǔ)上，采用有限元分析的方法，研究永磁體和齒盤氣隙長度改變時自鎖力矩的變化規(guī)律。

1 實物及其分析模型

電磁主動平衡頭機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括動環(huán)和靜環(huán)，自鎖結(jié)構(gòu)安裝在動環(huán)上，永磁體N、S極交替排布安裝在配重盤上，并夾在兩個齒盤中間，每相鄰的兩個永磁體和對應(yīng)齒盤上齒構(gòu)成自鎖磁路。

為增大自鎖力矩對其相關(guān)結(jié)構(gòu)[17]進(jìn)行了改進(jìn)，筆者重新進(jìn)行了設(shè)計，忽略實物中的倒角、螺紋孔和不銹鋼支撐件等對磁路影響較小的工藝特征，簡化后得到了磁路的三維模型。

自鎖磁路的幾何模型(12齒)如圖1所示。

圖1 自鎖磁路的幾何模型(12齒)

圖1中，各個零件結(jié)構(gòu)尺寸、材料等參數(shù)如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)尺寸與材料

考慮到氣隙太小時加工難以保證，且旋轉(zhuǎn)過程中永磁體和齒盤易發(fā)生摩擦，因此，此處的氣隙最小值取0.1 mm。

2 有限元分析

在自鎖磁路三維模型基礎(chǔ)上，筆者利用ANSOFT MAXWELL-3D平臺進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格劃分[18]，施加磁場自然邊界條件，調(diào)用其瞬態(tài)求解器分析計算。永磁體和齒盤相對轉(zhuǎn)速為12.5 r/min，求解步長為1 ms，即計算出每隔永磁體和齒盤每隔0.075°轉(zhuǎn)角下扭矩值，根據(jù)瞬態(tài)值結(jié)果得出自鎖力矩峰值。

經(jīng)過多次仿真計算可得出氣隙尺寸從0.1 mm到0.5 mm自鎖力矩峰值變化規(guī)律，如圖2所示。

圖2 不同氣隙長度下自鎖峰值仿真曲線

圖2的結(jié)果表明：自鎖力矩峰值在氣隙為0.1 mm時取得最大值2.24 N·m；隨氣隙長度的增大呈類似指數(shù)函數(shù)減小，在氣隙從0.1 mm增大到0.5 mm時，力矩峰值減小了41%。

3 試驗驗證

3.1 試驗原理

自鎖力矩峰值測試原理如圖3所示。

圖3 自鎖力矩測試原理

從圖3可以看出：兩個齒盤固定，永磁體安裝在配重盤上，配重盤通過連接器和扭矩傳感器連接，通過轉(zhuǎn)動傳感器左端測試一個步距角內(nèi)磁路的自鎖力矩峰值。

氣隙調(diào)節(jié)墊片如圖4所示。

從圖4可以看出：氣隙1調(diào)節(jié)墊片安裝于兩齒盤中間擋圈處，氣隙2調(diào)節(jié)墊片安裝于軸承內(nèi)擋圈和動環(huán)基體之間，通過增減墊片數(shù)量調(diào)節(jié)氣隙長度。

圖4 氣隙調(diào)節(jié)墊片(單片厚度0.05 mm)

3.2 試驗

為了測量氣隙變化時自鎖力矩峰值的變化規(guī)律，筆者搭建了試驗平臺。

該試驗平臺主要包括：電磁平衡頭動環(huán)、動環(huán)支撐附件、氣隙調(diào)節(jié)墊片、連接器、扭矩傳感器、扭矩信號變送器、開關(guān)電源、9215模擬信號采集模塊、cDAQ9178信號采集平臺、NI軟件平臺。

自鎖力矩測試平臺實物圖如圖5所示。

圖5 自鎖力矩測試平臺

采集程序如圖6所示。

圖6 采集程序

筆者通過墊片數(shù)量改變氣隙長度后，測得的不同氣隙下力矩峰值如圖7所示。

圖7 不同氣隙長度下自鎖峰值試驗曲線

圖7結(jié)果表明：自鎖峰值在氣隙為0.1 mm時，取得最大值1.95 N·m，隨氣隙長度增大呈類似指數(shù)函數(shù)減小；在氣隙從0.1 mm增大到0.5 mm時，力矩峰值減小了42%。

4 結(jié)果分析

筆者將有限元分析的結(jié)果與試驗的結(jié)果進(jìn)行了對比，如圖8所示。

圖8 自鎖峰值仿真和試驗對比

圖8的結(jié)果表明：力矩峰值隨氣隙長度的增大而減小，有限元分析結(jié)果和試驗測量結(jié)果變化趨勢一致。

由于永磁體邊緣鍍層間接增大了氣隙及端面圓角減小了截面積，且制造中存在加工誤差、材料材質(zhì)不均勻等因素，試驗測量值小于有限元分析值，但誤差在20%誤差限以內(nèi)，滿足一般工程要求。

5 結(jié)束語

在已有研究的基礎(chǔ)上，筆者采用有限元分析的方法，研究了永磁體和齒盤氣隙長度改變時自鎖力矩的變化規(guī)律；并搭建了試驗平臺，通過試驗測得的數(shù)據(jù)驗證了有限元分析結(jié)果的有效性。

結(jié)論如下：

(1)自鎖力矩峰值隨氣隙長度的增大呈類指數(shù)函數(shù)減小，氣隙長度從0.1 mm到0.5 mm時自鎖峰值減小40%以上，在實際設(shè)計中在保證永磁體和齒盤不發(fā)生摩擦的情況下盡量減小氣隙長度；

(2)試驗測量值略小于有限元分析值，但誤差在20%以內(nèi)，通過試驗驗證了有限元分析的有效性，為相關(guān)分析計算提供了參考。

該研究結(jié)果可為電磁平衡頭的研發(fā)設(shè)計提供重要依據(jù)，為裝配調(diào)試提供參考。