申请/专利权人：南阳师范学院

申请日：2019-05-24

公开（公告）日：2024-04-16

公开（公告）号：CN110193611B

主分类号：B23B19/02

分类号：B23B19/02

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.16#授权;2019.09.27#实质审查的生效;2019.09.03#公开

摘要：本发明提供一种混合支承自平衡机床电主轴结构及其控制方法，该结构包括主轴壳体，设置在主轴壳体内后端的第一支承件，设置在主轴壳体内的主轴本体，设置在主轴壳体前端且与主轴本体相配合的第二支承件，设置在主轴壳体内且位于第二支承件后端用于自动调节的辅助支承机构，以及设置在主轴壳体上用于控制辅助支承机构的控制系统；本发明运行稳定可靠，既可以实现主轴的自动平衡控制，也避免了电磁耦合对该结构造成控制困难的现象，很好的解决了由于现有技术多个电磁轴承相互干涉造成的电磁耦合，使得高速主轴结构控制起来十分复杂的现象，同时解决了电磁轴承启动、停机或者出现故障时，主轴出现不确定性的自由落体现象，造成主轴撞击损坏问题。

主权项：1.一种混合支承自平衡机床电主轴结构，其特征在于：包括主轴壳体，设置在所述主轴壳体内后端的第一支承件，设置在所述主轴壳体内的主轴本体，设置在所述主轴壳体前端且与所述主轴本体相配合的第二支承件，设置在所述主轴壳体内且位于所述第二支承件后端用于自动调节的辅助支承机构，以及设置在所述主轴壳体上用于控制所述辅助支承机构的控制系统；所述主轴本体为多级阶梯轴，至少包括一个与所述辅助支承机构相配合的带锥面轴颈，一个与第一支承件相配合的后端轴颈，一个与所述第二支承件相配合的前端轴颈；所述辅助支承机构包括设置在前端轴颈上且与所述主轴壳体相配合的固定套，设置在所述固定套上的多个弹性件，与所述带锥面轴颈相配合且一侧面和多个所述弹性件相连接的辅助轴承，所述辅助轴承内环面设置与所述带锥面轴颈相配合的固定锥面套，所述辅助轴承另一侧面上设置与所述主轴壳体内壁相配合的多个浮动支承件。

全文数据：一种混合支承自平衡机床电主轴结构及其控制方法技术领域本发明涉及高速精密机床部件技术领域，具体涉及一种混合支承自平衡机床电主轴结构及其控制方法。背景技术高速精密数控机床是装备制造业的技术基础和发展方向之一，高速主轴的性能是决定高速精密数控机床的工作性能的关键部件之一。而实现主轴高速化和精密化的关键技术是支承技术，良好刚性和阻尼的支承可以提高主轴乃至机床整机的动态性能；目前，高速精密主轴支承技术主要采用陶瓷轴承、动静压轴承或磁悬浮轴承。磁悬浮轴承的高速性能好，精度高，容易实现诊断和在线监控，曾被认为是高速机床主轴轴承的唯一选择；然而目前研究比较常见的五自由度主轴磁悬浮支承技术，存在着较为严重的耦合现象，这是由磁悬浮轴承本身的工作原理所决定的。磁悬浮转子在实际工作时，存在着磁耦合、力耦合、力矩耦合、轴向轴承与径向轴承的力耦合、位移传感器间的信号耦合、转矩耦合。其中力耦合、力矩的耦合、转矩耦合又是相互关联的；传感器信号的耦合与力耦合、力矩的耦合、转矩耦合又有影响；因此，如何解耦合便成了研究人员的主要方向之一，同时转子的高速旋转使转轴产生陀螺效应，原来可分别控制的各通道产生了耦合，导致系统成为参数时变系统，而在磁悬浮轴承启动和停机或者故障停机时，转子的自由落体方式平行落下或者斜落的不确定，也导致了磁悬浮主轴的可靠性下降和增加了控制系统的复杂性。发明内容有鉴于此，本发明提供一种混合支承自平衡机床电主轴结构，并提出了一种该主轴结构的控制方法，该系统稳定可靠，能够显著提高主轴转速，同时也避免了电磁耦合对该结构造成控制困难的现象，能够广泛应用于需要中高速度机床主轴的场合和中高精度数控机床中。为实现上述目的，本发明提供一种混合支承自平衡机床电主轴结构，包括主轴壳体，设置在所述主轴壳体内后端的第一支承件，设置在所述主轴壳体内的主轴本体，设置在所述主轴壳体前端且与所述主轴本体相配合的第二支承件，设置在所述主轴壳体内且位于所述第二支承件后端用于自动调节的辅助支承机构，以及设置在所述主轴壳体上用于控制所述辅助支承机构的控制系统；所述主轴本体为多级阶梯轴，至少包括一个与所述辅助支承机构相配合的带锥面轴颈，一个与第一支承件相配合的后端轴颈，一个与所述第二支承件相配合的前端轴颈。所述辅助支承机构包括设置在前端轴颈上且与所述主轴壳体相配合的固定套，设置在所述固定套上的多个弹性件，与所述带锥面轴颈相配合且一侧面和多个所述弹性件相连接的辅助轴承，所述辅助轴承内环面设置与所述带锥面轴颈相配合的固定锥面套，所述辅助轴承另一侧面上设置与所述主轴壳体内壁相配合的多个浮动支承件。多个所述浮动支承件沿所述辅助轴承的圆周方向设置；所述浮动支承件为弹性波纹管或中间设置气囊的弹性橡胶块。所述弹性件为弹簧或弹性橡胶柱。所述固定套为由隔磁类材料制成的铜套或陶瓷套。所述主轴壳体为两级阶梯孔，且第一阶梯孔的内径小于第二阶梯孔的内径，所述第一支承件设置在所述第一阶梯孔内。所述第一支承件为单列角接触球轴承或双列角接触球轴承。所述第二支承件为设置在所述第三轴颈上且与固定套相接触的电磁轴承或永磁块磁悬浮轴承。所述主轴壳体的一端设置用于压紧第一支承件的第一端盖，所述主轴壳体的另一端设置用于压紧所述第二支承件的第二端盖。所述控制系统包括贯穿所述主轴壳体侧壁用于给浮动支承件供油或供压缩空气的管路，设置在所述管路上的调节泵，设置在所述管路上其位于所述调节泵后部的气泵或油池，设置在第二阶梯孔内用于监测主轴径向与轴向的两第一位移传感器，设置在所述轴套内用于监测辅助轴承轴向位移的第二位移传感器，设置在第二阶梯孔内用于监测主轴本体转速的转速传感器，以及用于连接两所述第一位移传感器、第二位移传感器和转速传感器的DSP或PLC或计算机。一种混合支承自平衡机床电主轴结构的控制方法，包括以下步骤：S1：PLC或计算机进行初始化，对该结构进行通电并进行自检，在自检无错误报警后实现启动；S2：监测主轴本体的转速传感器与位移传感器信号并根据位移传感器信号计算主轴本体运行不平衡量；如果不平衡量较大且大于设定值，则通过增加相应电磁轴承的电流改变其电磁吸力进行不平衡量调整，迫使主轴本体绕其几何回转中心进行旋转；S3：主轴本体运转平衡后，检测主轴本体的转速，当转速大于设定值后，辅助轴承在气动液压力的作用下退出运行，同时电磁轴承切入运行；S4：在主轴本体运行过程中，始终检测位移传感器信号和转速传感器信号，进行主轴本体的不衡量调整；S5：在需要关闭时，在检测到主轴转速低于设定转速时，电磁轴承退出工作，同时辅助轴承切入工作。进一步的，在S3中检测到故障信号时，则直接进入S5中。本发明针对现有技术由于多个电磁轴承相互干涉造成的电磁耦合现象，使得高速主轴结构控制起来十分复杂，且存在电磁轴承启动或停机时，主轴出现不确定性的自由落体现象，因此本发明在主轴本体的一端设置机械轴承进行硬性支承，使得本结构在电磁轴承与辅助轴承切换的瞬间，带锥面的普通轴承自动进入工作，避免主轴本体的不确定性自由落体现象；而设置在主轴壳体上的第二支承件其为电磁轴承，使得本结构能够高速工作，并且实现主轴本体刚度和阻尼可调可控；而设置的控制系统能够保证主轴在位于低速范围进行辅助支承，确保结构的稳定性，由于本装置通过控制浮动支承件弹力的大小来实现辅助轴承的介入，使得本结构控制变得十分简便且容易控制。另外，本发明中采用的主轴为多级阶梯轴，其至少包括一个与辅助支承机构相配合的带锥面轴颈，优选的采用圆锥面，能够实现辅助轴承进入工作时的自动调心，迫使主轴本体回转中心位于主轴本体的几何中心线上，降低主轴本体的回转误差；其能够增大辅助支承机构与带锥面轴颈的接触面，同时也能够不增加轴肩与主轴本体直径的前提下，减轻接触面单位面积上所受到的摩擦力，也减轻了对该部分材料的技术要求，同时，也能够延长辅助轴承介入退出的距离，使得其对浮动支承件的控制要求变低；当然也可采用圆弧面；优选的，采用的第二支承件为电磁轴承，当然还可采用永磁块磁性轴承和电磁轴承混合支承的方式，采用的第一支承件为成对使用单列角接触球轴承或双列角接触球轴承，其不仅能够可以有效的承载主轴的轴向推力，而且能够在第二支承件与辅助轴承切换的瞬间，使得主轴为一端硬支承的悬臂梁结构，确保该结构的稳定性，降低主轴本体回转时的陀螺效应影响；而采用的辅助支承机构包括设置在后端轴颈上且与主轴壳体相配合的隔磁类的固定套，该结构一方面能够在其上设置弹性件，另一方面其还能够起到对第一支承件产生电磁的隔绝，避免对其他元器件的干扰；而设置辅助轴承的外圈与弹性件进行接触，同时也能够在主轴壳体内滑动，为了保证辅助轴承移动的效果可在内壁上设置石墨或润滑油的润滑层，同时为了减轻弹性件与浮动支承件受到主轴带来的圆周向力，可设置滑键槽的方式进行导向安装和避免圆周向力；采用的浮动支承件通过调节器弹性力的大小，来实现辅助轴承的介入与退出；采用的弹性件优选的弹簧，当然还可采用弹性橡胶柱。另外，采用的浮动支承件为均匀设置在第一阶梯孔与第二阶梯孔连接处截面上多个弹性波纹管，其能够提供轴向的弹性力，用于克服机械弹簧力，实现辅助轴承的进入和退出，当然还可采用内部设置气囊的弹性橡胶块，并通过与浮动支承件相连通的油气管进行动态控制，控制向弹性波纹管或气囊内充入的气体或液压油等填充溶液的量，实现动态控制；采用的第二支承件为电磁轴承或磁悬浮轴承；另外，为了实现本结构的闭环控制和监控主轴转子的运行状态，同时进行辅助轴承和电磁轴承的工作切换，可在轴套的合适位置，优选的在第二阶梯孔内设置用于监测主轴径向跳动的两位移传感器和监控主轴转速的转速传感器，并将传感器信号与数控机床的PLC相连接，或与计算机等控制器进行连接。附图说明图1为本发明整体的结构示意图；图2为本发明辅助支承机构的结构示意图；图3为本发明主轴的结构示意图；图4为本发明主轴壳体的结构示意图；图5为本发明浮动支承件处的结构示意图；图6为本发明控制原理示意图。图7为本发明中弹簧波纹管气动液压控制系统；图8为本发明控制方法流程图。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图1-8，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例一如图1-6所示：一种混合支承自平衡机床电主轴结构，包括主轴壳体4，设置在所述主轴壳体4内后端的第一支承件2，设置在所述主轴壳体4内的主轴本体3，设置在所述主轴壳体4前端且与所述主轴本体3相配合的第二支承件9，设置在所述主轴壳体4内且位于所述第二支承件9后端用于自动调节的辅助支承机构，以及设置在所述主轴壳体4上用于控制所述辅助支承机构的控制系统；所述主轴本体4为多级阶梯轴，至少包括一个与所述辅助支承机构相配合的带锥面轴颈302，一个与第一支承件相配合的后端轴颈303，一个与所述第二支承件相配合的前端轴颈301。所述辅助支承机构包括设置在前端轴颈301上且与所述主轴壳体4相配合的固定套12，设置在所述固定套12上的多个弹性件8，与所述带锥面轴颈302相配合且一侧面和多个所述弹性件8相连接的辅助轴承13，所述辅助轴承13内环面设置与所述带锥面轴颈302相配合的固定锥面套15，所述辅助轴承13另一侧面上设置与所述主轴壳体4内壁相配合的多个浮动支承件6。多个所述浮动支承件6沿所述辅助轴承13的圆周方向设置；所述浮动支承件6为弹性波纹管。所述弹性件8为弹簧。所述固定套12为铜套。所述主轴壳体4为两级阶梯孔，且第一阶梯孔42的内径小于第二阶梯孔41的内径，所述第一支承件2设置在所述第一阶梯孔内42。所述第一支承件2为单列角接触球轴承或双列角接触球轴承。所述第二支承件9为设置在所述前端轴颈301上且与固定套12相接触的电磁轴承。所述主轴壳体4的一端设置用于压紧第一支承件2的第一端盖1，所述主轴壳体4的另一端设置用于压紧所述第二支承件9的第二端盖10。所述控制系统包括贯穿所述主轴壳体侧壁用于给浮动支承件供油或供压缩空气的管路5，设置在所述管路上的调节泵17，设置在所述管路上其位于所述调节泵后部的油池18，设置在第二阶梯孔内用于监测主轴径向与轴向的两第一位移传感器11，设置在所述轴套内用于监测辅助轴承轴向位移的第二位移传感器7，设置在第二阶梯孔41内用于监测主轴本体转速的转速传感器14，以及用于连接两所述第一位移传感器、第二位移传感器和转速传感器的PLC18。该实施例中采用的控制系统优选的采用在贯穿主轴壳体侧壁用于连通浮动支承件的管路，并在管路上设置电磁阀16，然后在电磁阀16后部设置调节泵17，实现动态控制，并在调节泵后部连接油池18。实施例二其与实施例一的区别在于：所述浮动支承件6为中间设置气囊的弹性橡胶块。所述弹性件8为弹性橡胶柱。所述固定套12为陶瓷套。所述第二支承件9为设置在所述前端轴颈301上且与固定套12相接触的永磁块磁悬浮轴承。实施例三如图7所示，其与实施例一的区别在于：该实施例中采用的所述浮动支承件6为弹性波纹管，而控制系统包括与弹性波纹管相连通的换向阀19，而换向阀与调速阀20相连通，而调速阀20则与增压气缸21相连通用于实现输出稳定的压力，而在管路5上设置的压力传感器22能够监测到管道内的气压大小来调整气源的开关，而设置在管路5上的速度传感器能23够监测到气流的大小，且在管路上设置有单向阀26，实现增压气缸能够离开气源进行短期工作，使得气源25可以进行间歇工作，减少能源消耗，并在速度传感器与气源之间的管路上设置溢流安全阀24，来确保在气压过大时自动排除多余的气体，来对系统进行保护；该实施例中采用的气源为气泵，当然还可以采用压缩罐的方式时间供气。实施例四如图8所示：一种混合支承自平衡机床电主轴结构的控制方法，包括以下步骤：S1：PLC或计算机进行初始化，对该结构进行通电并进行自检，在自检无错误报警后实现启动；S2：监测主轴本体的转速传感器与位移传感器信号并根据位移传感器信号计算主轴本体运行不平衡量；如果不平衡量较大且大于设定值，则通过增加相应电磁轴承的电流改变其电磁吸力进行不平衡量调整，迫使主轴本体绕其几何回转中心进行旋转；S3：主轴本体运转平衡后，检测主轴本体的转速，当转速大于设定值后，辅助轴承在气动液压力的作用下退出运行，同时电磁轴承切入运行；S4：在主轴本体运行过程中，始终检测位移传感器信号和转速传感器信号，进行主轴本体的不衡量调整；S5：在需要关闭时，在检测到主轴转速低于设定转速时，电磁轴承退出工作，同时辅助轴承切入工作。进一步的，在S3中检测到故障信号时，则直接进入S5中。以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

权利要求：1.一种混合支承自平衡机床电主轴结构，其特征在于：包括主轴壳体，设置在所述主轴壳体内后端的第一支承件，设置在所述主轴壳体内的主轴本体，设置在所述主轴壳体前端且与所述主轴本体相配合的第二支承件，设置在所述主轴壳体内且位于所述第二支承件后端用于自动调节的辅助支承机构，以及设置在所述主轴壳体上用于控制所述辅助支承机构的控制系统；所述主轴本体为多级阶梯轴，至少包括一个与所述辅助支承机构相配合的带锥面轴颈，一个与第一支承件相配合的后端轴颈，一个与所述第二支承件相配合的前端轴颈。2.如权利要求1所述的混合支承自平衡机床电主轴结构，其特征在于：所述辅助支承机构包括设置在前端轴颈上且与所述主轴壳体相配合的固定套，设置在所述固定套上的多个弹性件，与所述带锥面轴颈相配合且一侧面和多个所述弹性件相连接的辅助轴承，所述辅助轴承内环面设置与所述带锥面轴颈相配合的固定锥面套，所述辅助轴承另一侧面上设置与所述主轴壳体内壁相配合的多个浮动支承件。3.如权利要求2所述的混合支承自平衡机床电主轴结构，其特征在于：多个所述浮动支承件沿所述辅助轴承的圆周方向设置；所述浮动支承件为弹性波纹管或中间设置气囊的弹性橡胶块。4.如权利要求3所述的混合支承自平衡机床电主轴结构，其特征在于：所述主轴壳体为两级阶梯孔，且第一阶梯孔的内径小于第二阶梯孔的内径，所述第一支承件设置在所述第一阶梯孔内。5.如权利要求4所述的混合支承自平衡机床电主轴结构，其特征在于：所述弹性件为弹簧或弹性橡胶柱。6.如权利要求5所述的混合支承自平衡机床电主轴结构，其特征在于：所述第一支承件为单列角接触球轴承或双列角接触球轴承。7.如权利要求6所述的混合支承自平衡机床电主轴结构，其特征在于：所述第二支承件为设置在所述前端轴颈上且与固定套相接触的电磁轴承或永磁块磁悬浮轴承。8.如权利要求7所述的混合支承自平衡机床电主轴结构，其特征在于：所述主轴壳体的一端设置用于压紧第一支承件的第一端盖，所述主轴壳体的另一端设置用于压紧所述第二支承件的第二端盖。9.如权利要求8所述的混合支承自平衡机床电主轴结构，其特征在于：所述控制系统包括贯穿所述主轴壳体侧壁用于给浮动支承件供油或供压缩空气的管路，设置在所述管路上的调节泵，设置在所述管路上其位于所述调节泵后部的气泵或油池，设置在第二阶梯孔内用于监测主轴径向与轴向的两第一位移传感器，设置在所述轴套内用于监测辅助轴承轴向位移的第二位移传感器，设置在第二阶梯孔内用于监测主轴本体转速的转速传感器，以及用于连接两所述第一位移传感器、第二位移传感器和转速传感器的DSP或PLC或计算机。10.一种混合支承自平衡机床电主轴结构的控制方法，包括以下步骤：S1：PLC或计算机进行初始化，对该结构进行通电并进行自检，在自检无错误报警后实现启动；S2：监测主轴本体的转速传感器与位移传感器信号并根据位移传感器信号计算主轴本体运行不平衡量；如果不平衡量较大且大于设定值，则通过增加相应电磁轴承的电流改变其电磁吸力进行不平衡量调整，迫使主轴本体绕其几何回转中心进行旋转；S3：主轴本体运转平衡后，检测主轴本体的转速，当转速大于设定值后，辅助轴承在气动液压力的作用下退出运行，同时电磁轴承切入运行；S4：在主轴本体运行过程中，始终检测位移传感器信号和转速传感器信号，进行主轴本体的不衡量调整；S5：在需要关闭时，在检测到主轴转速低于设定转速时，电磁轴承退出工作，同时辅助轴承切入工作。

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