高速电主轴系统的在线动平衡及其仿真研究
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高速电主轴系统的在线动平衡及其仿真研究&
蒋红琰& 4黄中浩’ 4程4峰( 4王俊元)
! &江苏科技大学"江苏 张家港 D5GSEE$’沙洲工学院"江苏 张家港 D5GSEE$ (东南大学"江苏 南京 D555PF$)中北大学机械工程与自动化学院"山西 太原 E6EEG5#
摘2要%动平衡技术是高速电主轴的关键技术之一& 在这项研究中$基于电动机工作原理的电磁式间接在线 动平衡头和基于影响系数法动平衡控制的电磁式混合在线动平衡头都是简单可靠并适用于高速电 主轴系统的结构$结合二者优点进行优化设计$实现对 XF!"C+R <""CCC Y? 电主轴的! 实时节能" 的 在线动平衡补偿& 通过 3)0 YZ建模和 %1*U’仿真分析$结果证明此设计方案能够使平衡后主轴达 到高速电主轴平衡品质标准&
关键词%在线动平衡2XF!"C+R <""CCC Y?2高速电主轴2实时节能23)0 YZ2%4%6A
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动平衡技术是高速电主轴的关键技术之一’ 目 前#几乎所有的平衡措施都为停机作业的离线动平衡# 花费较多人力%财力和时间#造成直接的经济损失’ 为 了减少损失并且提高效率和加工精度#必须要求转子 系统能够实现符合一定动平衡精度的在线动平衡’
从不平衡量形成原因着手#主要有两种平衡-5#D. # 第一种是用一强制力与不平衡量相消* 大小相等%方 向相反+ #如基 于 电 动 机 工 作 原 理 的 电 磁 式 间 接 在 线
动平衡头#其缺点是能耗大-6. (第二种是从几何观点 出发#将转子系统的不平衡质心移到平衡质心#如基于 影响系数法动平衡控制的电磁式混合在线动平衡头# 其缺点是平衡过程需要一定的响应时间-J. ’
针对 德 国 B-, 公 司 电 主 轴 系 统 @$5DE/8[ DDEEE HS 电主轴#综合运用这两种思路#设计一套优化 的动平衡补偿装置#实现$ 实时节能& 的在线动平衡补 偿’ 提出设计方案#利用 T?%HX(8(""?6YE 工程软件#建
& 山西高校科技研究开发项目 6FDDDFN
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数 控 机 床 关 键 功 能 部 件 4!"#$%&’%("()*%+$,$-./01("2%%3
立此动平衡装置三维实体几何模型#并进行模型的虚 拟装配#以建立好的几何模型为基础#借助 -"/0 HT?% 接口模块在 AbA-U 工程软件中建立运动仿真模型’ 通过仿真分析#证明该平衡装置能够实现预期的动平 衡效果’
!2设计方案
图 5 所示为高速电主轴在线动平衡实验装置’ 该 装置采用高速电主轴悬臂平衡头系统#支撑采用陶瓷 轴承’ 电主轴工作过程中预先设定了振动大小* 高速 主轴的最大质量重心偏移量+ 的极限#当测量的振动 值高于设定的参考值时#程序执行动平衡’ 甚至在程 序完成平衡之后#随着旋转速度的改变而产生的新的 振动量再次大于设定值时#系统仍继续监测主轴状态’
按照图 5%D 所示实验装置模型和平衡头结构模 型#要求传感器实时监测不平衡量%主轴转速%不平衡 量相位%滑盘 ‘%/上平衡块 ‘%/相位’ 当出现超标不 平衡振动时#由非接触式电涡流传感器接收振动信号 并进行滤波(由光纤传感器 5%D 分别测量主轴转速和 振动相位’ 这三路电信号经 AHb转换后进入单片微 机控制系统#数据处理后计算出精确的不平衡量大小 及相位(得到的不平衡振动量和影响系数事先输入程 序中#用来计算平衡块矢量#确定最佳相位角’ 其信号 经 bHA转换和 TZ-* 脉冲宽度解调+ 后控制驱动电路 驱动平衡头工作’
!4JP !
图 6 所示为控制过程原理图’ 按照图 D 所示模 型#结合图 6 原理图#首先#在 .[.工作部分处#通过 控制电路驱动调节定子铁心 .的励磁电流 (%相位导通 时间 M%初始导通相 *产生时空旋转电磁力 F5 ’ F5 与不 平衡力 F大小相等%相位相差 5PEm#实时地补偿不平 衡力(接着#在平衡头的 ‘ [‘%/[/工作部分处#电磁 铁 ‘%/导通#按照如下两步骤依次进行)第一步#控制 程序调节电流逐渐增加电磁力#当增加至与弹性元件 弹性力相等时#保持电流恒定’ 此时滑盘 ‘%/处于受 力平衡状态#可以自由转动(第二步#定子铁心 ‘%/导 通励磁电流 (#由数据运算处理器驱动电路#通过所设 的影响系数法-G. 移动原则控制平衡块的移动过程#使 滑盘 ‘%/旋转到需要方向#合成与不平衡力 F大小相 等方向相反的力 FD ’ 并且由于运用了影响系数法控 制策略#在平衡块转移到所需位置时#滑盘达到与主轴 同步旋转的速度’ 注意#此时 FD 并未施加于电主轴’ 最后#数据运 算 处 理 器 驱 动 电 路 发 出 新 指 令# 电 磁 铁 ‘%/及定子铁心 .%‘%/同时断开#滑盘 ‘%/被压板 ‘%/ 牢牢压紧#在足够大的摩擦力作用下与电主轴同步旋 转’ 此时时空旋转电磁力消失#平衡块合成力 FD 使转 子系统质量再分布#使整个高速电主轴系统达到一定 的动平衡精度’ 之后#保持该平衡状态#结束此次平衡
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工作’
表 !2电主轴主要零部件明细表
"2电主轴系统在 3[MYZ下的建模与虚拟装 配
"@!2建模与虚拟装配 @$5DE/8[DDEEE HS 的主要参数如下)油脂润滑#
套筒外径 5DE &&#最高转速为 DD EEE ?H&1(#额定转速 5G EEE ?H&1(#静刚度轴向 PE ,H!&#径向 5SG ,H!&# 重量 6E 78’ 根据现有电主轴尺寸#设计配套的动平衡 头结构安装尺寸#建立 @$5DE/8电主轴系统主要零部
@$5DE/8[DDEEE HS 高速主轴部分
零件名称
数量
刀具部件
5套
主轴
5
主轴前轴承
D
定子
5
轴壳部件
5套
转子
5
主轴后轴承
D
拉力油缸
5
配套动平衡头部分
零件名称
电磁铁 铁磁材料
压板 弹性元件
滑盘座 定子 滑盘 其它
数量
D 5 D D 5 6 D
件的三维图#并根据所设计的动平衡头结构进行 T?%H "Y"2转动惯量计算
X6YE 环境下的虚拟装配’ 电主轴装配模型图及主要
根据给定的资料#计算结果见表 D’
零部件明细表见图 J 和表 5’
表 "2电主轴主要零部件质量#质心位置及转动惯量计算结果表
零件
刀具部件 主轴
电磁铁左 电磁铁右
压板左 压板右 弹性元件左 弹性元件右 主轴前轴承
定子 轴壳部件
转子 主轴后轴承 滑盘座 c铁磁材料 滑盘左 c平衡块左 滑盘右 c平衡块右
体积 #J&&6 GYF V5EJ SYS V5EG DYDF V5EJ DYDF V5EJ NY6G V5E6 NY6G V5E6 DYDP V5E6 DYDP V5E6 DY6 V5EG FY5G V5EG 5YGS V5ES JYES V5EG 5Y6S V5EG 6YDP V5EJ 5YS5 V5EJ 5YS5 V5EJ
质量 BJ78 EYJS5 GY5G EYDDF EYDDF EYEGN6 EYEGN6 EYE5NP EYEDDP [[[[ NY5J 5DYD 6Y5N [[[[ EYDGS EY5DS EY5DS
参量
质心坐标 * V# )# U+ *E#E#JPD+ *E#E#DNP+ *E#E#6NP+ *E#E#J65+ *E#E#JD6+ *E#E#6PS+ *E#E#J6E+ *E#E#6NF+ *E#E#66F+ *E#E#DEE+ *E#E#D6S+ *E#E#DEE+ *E#E#SD+ *E#E#JEG+ * [EY5JS#E#J5N+ *EY5JS#E#6FD+
惯性矩 DVVH* 78Y&&D +
5YEN V5EG JYPS V5EG DYS V5EJ JYDN V5E6 5YE6 V5EJ 5Y5 V5E6 6Y6 V5E6 6YDF V5ED 5YND V5E6 6Y5N V5EG FYDN V5EG 5Y6F V5EG JYN5 V5E6 JY5F V5EJ
PEYF 5YFG V5EJ
惯性矩 D))H* 78Y&&D +
5YEN V5EG JYPS V5EG DYS V5EJ JYDN V5E6 5YE6 V5EJ 5Y5 V5E6 6Y6 V5E6 6YDF V5ED 5YND V5E6 6Y5N V5EG FYDN V5EG 5Y6F V5EG JYN5 V5E6 JY5F V5EJ
P5YS 5YFG V5EJ
惯性矩 DUUH* 78Y&&D +
NFYS DY5J V5E6 6Y66 V5ED
J5YF GSYP NYDP 5JYG 5YPS DYFD V5E6 5YJG V5EJ 6YJP V5EJ DYPG V5E6 5YES V5E6 DYJJ V5ED 5YS5 V5ED 5YS5 V5ED
#2电主轴系统在 AbA-U 下的仿真分析
高速电主轴系统的在线动平衡及其仿真研究&
蒋红琰& 4黄中浩’ 4程4峰( 4王俊元)
! &江苏科技大学"江苏 张家港 D5GSEE$’沙洲工学院"江苏 张家港 D5GSEE$ (东南大学"江苏 南京 D555PF$)中北大学机械工程与自动化学院"山西 太原 E6EEG5#
摘2要%动平衡技术是高速电主轴的关键技术之一& 在这项研究中$基于电动机工作原理的电磁式间接在线 动平衡头和基于影响系数法动平衡控制的电磁式混合在线动平衡头都是简单可靠并适用于高速电 主轴系统的结构$结合二者优点进行优化设计$实现对 XF!"C+R <""CCC Y? 电主轴的! 实时节能" 的 在线动平衡补偿& 通过 3)0 YZ建模和 %1*U’仿真分析$结果证明此设计方案能够使平衡后主轴达 到高速电主轴平衡品质标准&
关键词%在线动平衡2XF!"C+R <""CCC Y?2高速电主轴2实时节能23)0 YZ2%4%6A
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动平衡技术是高速电主轴的关键技术之一’ 目 前#几乎所有的平衡措施都为停机作业的离线动平衡# 花费较多人力%财力和时间#造成直接的经济损失’ 为 了减少损失并且提高效率和加工精度#必须要求转子 系统能够实现符合一定动平衡精度的在线动平衡’
从不平衡量形成原因着手#主要有两种平衡-5#D. # 第一种是用一强制力与不平衡量相消* 大小相等%方 向相反+ #如基 于 电 动 机 工 作 原 理 的 电 磁 式 间 接 在 线
动平衡头#其缺点是能耗大-6. (第二种是从几何观点 出发#将转子系统的不平衡质心移到平衡质心#如基于 影响系数法动平衡控制的电磁式混合在线动平衡头# 其缺点是平衡过程需要一定的响应时间-J. ’
针对 德 国 B-, 公 司 电 主 轴 系 统 @$5DE/8[ DDEEE HS 电主轴#综合运用这两种思路#设计一套优化 的动平衡补偿装置#实现$ 实时节能& 的在线动平衡补 偿’ 提出设计方案#利用 T?%HX(8(""?6YE 工程软件#建
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立此动平衡装置三维实体几何模型#并进行模型的虚 拟装配#以建立好的几何模型为基础#借助 -"/0 HT?% 接口模块在 AbA-U 工程软件中建立运动仿真模型’ 通过仿真分析#证明该平衡装置能够实现预期的动平 衡效果’
!2设计方案
图 5 所示为高速电主轴在线动平衡实验装置’ 该 装置采用高速电主轴悬臂平衡头系统#支撑采用陶瓷 轴承’ 电主轴工作过程中预先设定了振动大小* 高速 主轴的最大质量重心偏移量+ 的极限#当测量的振动 值高于设定的参考值时#程序执行动平衡’ 甚至在程 序完成平衡之后#随着旋转速度的改变而产生的新的 振动量再次大于设定值时#系统仍继续监测主轴状态’
按照图 5%D 所示实验装置模型和平衡头结构模 型#要求传感器实时监测不平衡量%主轴转速%不平衡 量相位%滑盘 ‘%/上平衡块 ‘%/相位’ 当出现超标不 平衡振动时#由非接触式电涡流传感器接收振动信号 并进行滤波(由光纤传感器 5%D 分别测量主轴转速和 振动相位’ 这三路电信号经 AHb转换后进入单片微 机控制系统#数据处理后计算出精确的不平衡量大小 及相位(得到的不平衡振动量和影响系数事先输入程 序中#用来计算平衡块矢量#确定最佳相位角’ 其信号 经 bHA转换和 TZ-* 脉冲宽度解调+ 后控制驱动电路 驱动平衡头工作’
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图 6 所示为控制过程原理图’ 按照图 D 所示模 型#结合图 6 原理图#首先#在 .[.工作部分处#通过 控制电路驱动调节定子铁心 .的励磁电流 (%相位导通 时间 M%初始导通相 *产生时空旋转电磁力 F5 ’ F5 与不 平衡力 F大小相等%相位相差 5PEm#实时地补偿不平 衡力(接着#在平衡头的 ‘ [‘%/[/工作部分处#电磁 铁 ‘%/导通#按照如下两步骤依次进行)第一步#控制 程序调节电流逐渐增加电磁力#当增加至与弹性元件 弹性力相等时#保持电流恒定’ 此时滑盘 ‘%/处于受 力平衡状态#可以自由转动(第二步#定子铁心 ‘%/导 通励磁电流 (#由数据运算处理器驱动电路#通过所设 的影响系数法-G. 移动原则控制平衡块的移动过程#使 滑盘 ‘%/旋转到需要方向#合成与不平衡力 F大小相 等方向相反的力 FD ’ 并且由于运用了影响系数法控 制策略#在平衡块转移到所需位置时#滑盘达到与主轴 同步旋转的速度’ 注意#此时 FD 并未施加于电主轴’ 最后#数据运 算 处 理 器 驱 动 电 路 发 出 新 指 令# 电 磁 铁 ‘%/及定子铁心 .%‘%/同时断开#滑盘 ‘%/被压板 ‘%/ 牢牢压紧#在足够大的摩擦力作用下与电主轴同步旋 转’ 此时时空旋转电磁力消失#平衡块合成力 FD 使转 子系统质量再分布#使整个高速电主轴系统达到一定 的动平衡精度’ 之后#保持该平衡状态#结束此次平衡
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工作’
表 !2电主轴主要零部件明细表
"2电主轴系统在 3[MYZ下的建模与虚拟装 配
"@!2建模与虚拟装配 @$5DE/8[DDEEE HS 的主要参数如下)油脂润滑#
套筒外径 5DE &&#最高转速为 DD EEE ?H&1(#额定转速 5G EEE ?H&1(#静刚度轴向 PE ,H!&#径向 5SG ,H!&# 重量 6E 78’ 根据现有电主轴尺寸#设计配套的动平衡 头结构安装尺寸#建立 @$5DE/8电主轴系统主要零部
@$5DE/8[DDEEE HS 高速主轴部分
零件名称
数量
刀具部件
5套
主轴
5
主轴前轴承
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定子
5
轴壳部件
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转子
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主轴后轴承
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拉力油缸
5
配套动平衡头部分
零件名称
电磁铁 铁磁材料
压板 弹性元件
滑盘座 定子 滑盘 其它
数量
D 5 D D 5 6 D
件的三维图#并根据所设计的动平衡头结构进行 T?%H "Y"2转动惯量计算
X6YE 环境下的虚拟装配’ 电主轴装配模型图及主要
根据给定的资料#计算结果见表 D’
零部件明细表见图 J 和表 5’
表 "2电主轴主要零部件质量#质心位置及转动惯量计算结果表
零件
刀具部件 主轴
电磁铁左 电磁铁右
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定子 轴壳部件
转子 主轴后轴承 滑盘座 c铁磁材料 滑盘左 c平衡块左 滑盘右 c平衡块右
体积 #J&&6 GYF V5EJ SYS V5EG DYDF V5EJ DYDF V5EJ NY6G V5E6 NY6G V5E6 DYDP V5E6 DYDP V5E6 DY6 V5EG FY5G V5EG 5YGS V5ES JYES V5EG 5Y6S V5EG 6YDP V5EJ 5YS5 V5EJ 5YS5 V5EJ
质量 BJ78 EYJS5 GY5G EYDDF EYDDF EYEGN6 EYEGN6 EYE5NP EYEDDP [[[[ NY5J 5DYD 6Y5N [[[[ EYDGS EY5DS EY5DS
参量
质心坐标 * V# )# U+ *E#E#JPD+ *E#E#DNP+ *E#E#6NP+ *E#E#J65+ *E#E#JD6+ *E#E#6PS+ *E#E#J6E+ *E#E#6NF+ *E#E#66F+ *E#E#DEE+ *E#E#D6S+ *E#E#DEE+ *E#E#SD+ *E#E#JEG+ * [EY5JS#E#J5N+ *EY5JS#E#6FD+
惯性矩 DVVH* 78Y&&D +
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NFYS DY5J V5E6 6Y66 V5ED
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#2电主轴系统在 AbA-U 下的仿真分析