电主轴四轴联动中两个关键技术研究

杨 帆

（衢州职业技术学院，浙江 衢州 324000）

1 前言

随着数控技术在工业领域内的发展，越来越多的机械制造设备在不断地向高速、高效、高精度、自动化领域发展。高速机床是实现高速加工的装备基础，高速大功率的内装电动机主轴单元（以下简称电主轴）作为高速机床的核心功能部件，是完成高速加工的关键件，其性能指标直接决定机床的发展水平，电主轴结构的主要特征是将电机置于机床主轴内部，直接驱动主轴，实现电机-主轴一体化的功能。

与国外相比，我国电主轴的研制和应用水平处于相对落后状态，同世界先进水平还有相当的差距，迫切需要迎头赶上。高速电主轴单元技术是制约我国高速加工技术发展的瓶颈。为了赶上高速加工技术发展的潮流，我国正在不断加大对高速加工关键功能部件-高速电主轴单元的研究力度，并在十一五科技攻关计划中提出了"高速电主轴单元的研制"项目。

基于电主轴联动技术的数控钻床研制正是在我国已经进入高速列车时代，而高速列车制动装置的专用数控加工设备“真空”现状下展开的。通过四个电主轴一体化，使结构更加紧凑，从而达到高速、高精度以及高效率，降低系统传动误差的目的。通过对其关键技术的深入研究，开发具有我国自主知识产权的高速电主轴单元是满足数控机床向高速化和主轴单元化方向发展的需要，进而为推进我国高速机床行业整体技术进步打下坚实基础。

2 电主轴四轴联动中的动平衡

工程中的各种回转体，由于材质不均匀或毛坯缺陷、加工及装配中产生的误差，甚至设计时就具有非对称的几何形状等多种因素，使得回转体在旋转时，其上每个微小质点产生的离心惯性力不能相互抵消，离心惯性力通过轴承作用到机械及其基础上，引起振动，产生了噪音，加速轴承磨损，缩短了机械寿命，严重时能造成破坏性事故。对于高速运转电主轴而言，动平衡对机床加工精度而言影响是极其深远的。由于毛坯件的铸造密度不均匀性、零件制造精度以及安装精度的客观存在性，完全的动平衡在现实中是不存在。电主轴四轴联动系统除了传统意义上的动平衡校核方法，还可以采用系统控制工程。每个根轴在高速运转时都有一定的动平衡失衡状态，即产生离心振动。但是四根轴可以通过控制其转动相位角、转速的不同，达到整体平衡控制结果，如图1为被加工高速列车摩擦片。

图1 摩擦片

根据高速列车摩擦片的尺寸规格，标出四个电主轴偏心转子在高速旋转过程中瞬时某一位置，单根电主轴质量m，其中R1，R2，R3对称分布，要保持整个系统动平衡，就要满足一定的数学关系式。根据动平衡计算公式：m=9549MG/rn，其中M为转子质量，单位（kg），G为精度等级选用，r为校正半径单位（mm），为工件的工作转速，单位（rpm），m为不平衡合格量，单位（g），从而推导出各个偏心电主轴的相位关系式。具体理论计算在另一篇论文中进行推导，在此不再赘述。

图2 四根偏心电主轴位置关系

3 电主轴四轴联动中的电-磁耦合

电主轴四轴联动钻削机床一共有四根电主轴，电主轴内部以及四根电主轴之间必然存在电-磁耦合问题，这不仅仅给高速电主轴机床运动中产生一定的噪音，因电主轴高温变形而影响加工精度，最关键的是影响电主轴的控制精度。电上轴系统存在复杂的机电耦合作用，若系统机电参数匹配不当，将引起机电耦合振动导致系统稳定性下降，工件加工表面质量降低。利用将电动机与主轴系统机械特性分离的动力学分析方法难以对系统的机电耦合振动进行有效的分析评价，也难以实现系统机电特性的优化匹配。提出基于机电耦合动力学模型的电主轴系统匹配特性分析方法，利用所提出的方法研究磨削电士轴系统逆变器工作参数、电丰轴电动机电磁设计参数和砂轮机械参数脉动转矩及定子电流频谱特性的影响，并在此基础上对电主轴四轴联动系统进行建模分析出机电耦合振动的物理机制。

图3 电主轴四轴联钻主机虚拟样机

4 结语

根据电主轴四根转轴空间运动相位以及各根主轴偏心瞬间转速，通过PLC独立控制各个电主轴的电气参数，重新建立起电主轴四轴联动系统的动平衡，从而达到抑制电主轴四轴联动钻床的振动问题，能够达到提高机床的稳定性和加工精度问题。根据电场、磁场矢量性，提出一套“同向相长，反向相消”抑制四轴机电耦中振动的方法以提高系统匹配特性和高速运转的平稳性，从而证实所提出的基于机电耦合动力学模型的电主轴系统匹配特性分析方法是有效可以行的。

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