陳春

（慶安集團(tuán)有限公司，陜西 西安710077）

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高速電主軸非接觸加載裝置的設(shè)計(jì)

陳春

（慶安集團(tuán)有限公司，陜西 西安710077）

摘要：高速電主軸作為數(shù)控加工中心等的核心單元，對(duì)其可靠性等性能的分析有著重要意義。根據(jù)動(dòng)態(tài)電磁力場(chǎng)的原理提出設(shè)計(jì)了電主軸的非接觸加載裝置，并加以傳感器系統(tǒng)來(lái)測(cè)量和分析電主軸的溫升情況，并對(duì)加載力和加載機(jī)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算和設(shè)計(jì)，解決了傳統(tǒng)加載方式存在的問(wèn)題，提高了分析的可靠性。

關(guān)鍵詞：電主軸；非接觸加載；電磁力

作為數(shù)控機(jī)床的核心單元，高速電主軸將機(jī)床主軸單元與電機(jī)主軸單元結(jié)合為一體。在高速數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)中，機(jī)床主軸由安裝在電主軸內(nèi)部的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而把高速數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)中的傳動(dòng)鏈長(zhǎng)度縮短為零，從而實(shí)現(xiàn)了高速數(shù)控機(jī)床的“零傳動(dòng)”，被稱為“電主軸”（Motorized spindle）[1]，如圖1所示。

圖1　電主軸

高速電主軸的動(dòng)力學(xué)特性、可靠性、穩(wěn)定性等的特性，對(duì)機(jī)床加工的加工精度、穩(wěn)定性及應(yīng)用范圍都有著很大影響。高速電主軸一般有：電主軸、氣動(dòng)主軸、水動(dòng)主軸等；按照機(jī)床的不同又分為：磨削、鉆削及加工中心電主軸等。與傳統(tǒng)的傳動(dòng)系統(tǒng)不同，電主軸有著其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

（1）由于電主軸簡(jiǎn)化了傳動(dòng)鏈，取消了齒輪、帶輪等傳動(dòng)過(guò)程，因此傳動(dòng)誤差更小，響應(yīng)更快，效率更高；

（2）提高了傳動(dòng)的精度，振動(dòng)、噪音也更??；

（3）由于將數(shù)控單元主軸與電機(jī)單元主軸融合，結(jié)構(gòu)更加緊湊，重量更小，相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性也減小，能實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)速，也能實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的定位；

（4）高速電主軸的軸承采用了高速軸承技術(shù)，壽命是相對(duì)于傳統(tǒng)的軸承提高了好幾倍[2]。

高速電主軸是融合了機(jī)床主軸和電機(jī)主軸的一整套裝置，主要由轉(zhuǎn)子軸、定子、軸承變頻系統(tǒng)、主軸殼體、無(wú)外殼鼠籠式電動(dòng)機(jī)及水冷系統(tǒng)等組成。定子一般由具有高導(dǎo)磁率的矽鋼片迭壓而成；轉(zhuǎn)子是電主軸的運(yùn)動(dòng)部分，它的主要功能是將電磁能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。電主軸轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵心、鼠籠三部分組成，其中鼠籠兩端由銅材料制作成閉合回路，電主軸的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　電主軸結(jié)構(gòu)圖

1　研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)主軸轉(zhuǎn)速較低，接觸加載就可以滿足主軸加載測(cè)試的要求，對(duì)于高速電主軸接觸加載方式已經(jīng)不能滿足試驗(yàn)要求。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)高速電主軸的動(dòng)態(tài)加載分析主要采用建模仿真、有限元分析的方法。為了對(duì)電主軸進(jìn)行更可靠的分析，需要對(duì)電主軸進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載的實(shí)驗(yàn)，非接觸加載方式成為了一種新的研究動(dòng)態(tài)。與接觸加載相比，非接觸加載方式有顯著的優(yōu)點(diǎn)：

（1）不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械磨損、切削熱以及同軸度的問(wèn)題，不會(huì)產(chǎn)生額外的機(jī)械振動(dòng)；

（2）可以實(shí)現(xiàn)高速電主軸的徑向力和扭矩加載，可以對(duì)加載力進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，測(cè)試的結(jié)果具有更高的可靠性。

2　高速電主軸非接觸電磁加載系統(tǒng)的構(gòu)成及設(shè)計(jì)

針對(duì)目前加載方式存在的缺點(diǎn)，本文提出了非接觸的電磁加載方式，如圖3所示。該系統(tǒng)主要由：非接觸電磁加載系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、高速電主軸系統(tǒng)等組成。其中主軸系統(tǒng)由主軸單元、水冷機(jī)、變頻器組成；非接觸電磁加載系統(tǒng)主要由導(dǎo)磁圓盤(pán)（安裝在電主軸軸端的加載盤(pán)）、電磁鐵、可調(diào)直流電源組成；傳感器由拉壓力傳感器、溫度傳感器、激光位移傳感器等組成；散熱系統(tǒng)由離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行冷卻。

圖3　高速電主軸非接觸加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.1電主軸受力計(jì)算

電主軸在實(shí)際工作中受到的力主要來(lái)源于切削過(guò)程的幾個(gè)方面：克服切削變形材料塑性變形需要的抗力；克服切削前刀面的摩擦力和后刀面對(duì)已加工表面和過(guò)渡表面摩擦需要的抗力；克服變形區(qū)彈性變形需要的力。由于切削力的大小和方向受到各種因素的影響，是隨過(guò)程而變化的。為便于分析，將切削力分解為三個(gè)相互垂直于坐標(biāo)系的分力或力矩來(lái)表示，查機(jī)械加工工藝手冊(cè)得銑削力和銑削功率的計(jì)算公式：

背吃刀力和進(jìn)給力按立銑、硬質(zhì)合金刀具加工來(lái)進(jìn)行估算：

將電主軸的額定轉(zhuǎn)矩帶入（1）式，d0按HSKE-40刀柄標(biāo)準(zhǔn)，取d0=20 mm

為模擬實(shí)際運(yùn)行狀況，需添加的軸向力即Ff和徑向力Fp的合力，即：

考慮切削過(guò)程中的動(dòng)態(tài)因素，最大軸向力按400 N，最大徑向力按1000 N來(lái)設(shè)計(jì)。

2.2加載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)功機(jī)做為動(dòng)力試驗(yàn)的重要設(shè)備，在試驗(yàn)中可以通過(guò)改變變頻器對(duì)測(cè)功機(jī)的控制來(lái)改變被測(cè)設(shè)備的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率等，在本設(shè)計(jì)中扭矩加載選用電力測(cè)功機(jī)。在非接觸磁力加載中，軸向力加載，將勵(lì)磁繞組放在主軸軸線上，由于主軸受到的軸向力受力點(diǎn)在切削刀具圓周上，所以勵(lì)磁繞組在側(cè)面更能反映出切削的實(shí)際工況。其機(jī)構(gòu)如圖4所示。

圖4　可靠性試驗(yàn)平臺(tái)示意圖

非接觸激振器5內(nèi)部有一個(gè)直流勵(lì)磁繞組和一個(gè)交流勵(lì)磁繞組。為避免電磁鐵3、激振器5和電主軸的勵(lì)磁場(chǎng)相互干擾，測(cè)試棒6由陶瓷加工而成。導(dǎo)磁體4采用磁能達(dá)到27-50MGoe之間的釹鐵錋（Nd－FeB）。由于高速電主軸對(duì)聯(lián)軸器的要求較高，所以聯(lián)軸器2采用彈性膜片聯(lián)軸器。

3　高速電主軸非接觸加載原理

傳統(tǒng)的接觸加載方式主要用測(cè)功機(jī)對(duì)主軸進(jìn)行模擬電主軸在正常加工條件下進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)，但是該裝置在電主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，這種加載方式會(huì)產(chǎn)生劇烈的摩擦和噪聲，不能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，并且會(huì)產(chǎn)生額外的機(jī)械振動(dòng)，使其不能在正常的條件下運(yùn)行，無(wú)法滿足可靠性試驗(yàn)的條件要求，因此本文提出了非接觸的電磁加載試驗(yàn)裝置[3-4]。

本非接觸加載方式主要由：可調(diào)直流恒流源、直流電磁鐵、以及安裝在電主軸軸端的導(dǎo)磁盤(pán)組成。該加載裝置的工作原理為：電磁鐵在可調(diào)直流恒流源提供的直流電源下，電磁鐵線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，而布置在電主軸軸端的合金導(dǎo)磁圓盤(pán)受到麥克斯韋引力，通過(guò)可調(diào)直流恒流源輸入電流的大小，可以改變磁場(chǎng)的強(qiáng)度，進(jìn)而改變麥克斯韋吸引力的大小，通過(guò)該力模擬高速電主軸在正常工作條件下受到的徑向力，就可以模擬出電主軸在實(shí)際加工過(guò)程中受到的負(fù)荷的變化。在電磁加載裝置中，通過(guò)電磁鐵鐵新、氣隙及導(dǎo)磁盤(pán)的電磁場(chǎng)形成一個(gè)閉合磁路：電磁鐵鐵心——?dú)庀盯瘛F鎳合金導(dǎo)磁圓盤(pán)（加載盤(pán)）——?dú)庀盯颉姶盆F如圖5所示。

圖5　電磁加載裝置示意圖

4　結(jié)論及展望

相對(duì)于傳統(tǒng)的接觸式加載方式，高速電主軸非接觸電磁加載方式有著顯著的優(yōu)點(diǎn)：

（1）采用非接觸加載，減少了加載時(shí)產(chǎn)生的熱及摩擦，振動(dòng)等對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響；

（2）電磁加載中電磁鐵端面為圓弧形結(jié)構(gòu)，保證了磁感線的均勻性及減少了漏磁現(xiàn)象，能保證裝置在保證加載力的情況下安全運(yùn)行；

（3）通過(guò)控制恒流直流源電流的大小，來(lái)控制磁場(chǎng)的大小，進(jìn)而控制加載力大小，滿足試驗(yàn)的可靠性要求。

雖然電主軸非接觸加載方式有著許多顯著優(yōu)點(diǎn)，但在有些細(xì)節(jié)方面需要不斷來(lái)進(jìn)行完善，進(jìn)而達(dá)到更高的可靠性試驗(yàn)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]張兵．高速切削加工及相關(guān)技術(shù)[J]．機(jī)械研究與應(yīng)用，2004，（5）：73-75．

[2]楊貴杰，秦冬冬．高速電主軸的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)[J]．伺服控制，2010（2）：32-36．

[3]劉宏昭，邱榮華，周訓(xùn)通，等．一種高速電主軸切削力模擬加載及測(cè)試裝置[P]．中國(guó)：2011 10000902．1．201 1．01．06．

[4]劉宏昭，邱榮華，周訓(xùn)通，等．一種高速電主軸非接觸電磁加載裝置[P]．中國(guó)：201010589402．1．20lO．06．29．

中圖分類號(hào):TH133.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-545X（2016）04-0115-03

收稿日期：2016-01-05

作者簡(jiǎn)介：陳春（1981-）男，山西人，碩士研究生，工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)、設(shè)備優(yōu)化。

Design of non Contact Loading Device for High Speed Motorized Spindle

CHEN Chun
（Avic Qingan Group Co.，Ltd，Xi’an Shaangxi 710077，China）

Abstract:As the core unit of the NC machining center，high speed motorized spindle has important significance in the analysis of its reliability and other performance.In this paper，the principle of dynamic electromagnetic force field is proposed to design the non contact loading device of electric spindle，and the sensor system is used to measure and analyze the temperature rise of the electric spindle.And the calculation and design of the loading force and the loading mechanism are carried out.

Key words:motorized spindle；non contact loading；electromagnetic force