专利名称：一种高速主轴电磁式在线动平衡装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及高速主轴动平衡装置，具体为一种高速主轴电磁式在线动 平衡装置。
背景技术：
随着科学技术的进步，现代机械正向高速、高效、高精度方向不断发展， 因此限制和减少各种机械的振动即进行动平衡显得越来越重要。尤其对高速 加工机床，其主轴动平衡水平的高低将直接关乎其所加工工件的精度。
高速主轴旋转时产生的离心力可用以下公式表示
F =附柳2
式中，m为高速主轴系统质量，e为高速主轴重心与其旋转中心的偏心距， w为高速主轴的角速度(弧度/秒)，"=2;r"/60， n为高速主轴转速(转/分)。
令^/ =膨，t/为不平衡量的质径积(g*mm)，通常用f/表示不平衡量的大 小。可见系统旋转时由不平衡量产生的不平衡离心力与速度的平方成正比， 在转速很高的情况下，即使很小的不平衡量C7，也会产生非常大的不平衡离 心力，引起机床的振动，导致加工精度下降；甚至会使轴承产生碰磨，使用 寿命大大降低。因此必须对高速主轴进行动平衡。
过去的平衡措施都为离线动平衡，即通过多次起停试验测出不平衡量的大 小，增加或去除配重达到平衡的目的。因离线动平衡需要停机作业，在时间 和费用上会造成大量的损失，并且在有些不允许停机的工况下使用受到限制。 为减少损失、提高生产效率和加工精度、拓宽动平衡应用范围，目前，已开 展有关高速主轴在线动平衡的研究。在线动平衡可在主轴的工作转速下自动识别不平衡量的大小和相位，并自动完成平衡工作，具有平衡效率高，平衡 精度高，操作简便，自动化程度高等特点，且可以对高速主轴系统进行实时 在线监测，将主轴的运动状况始终控制在要求的精度范围内。因此高速主轴 在线动平衡技术越来越受到人们的关注。
在线动平衡中的关键技术是动平衡头的设计。广泛应用的动平衡头按平 衡的方法可分为以下三类①直接在线动平衡头。这种平衡头是从质量方面 入手，通过加重或去重的方法，将平衡圆盘的几何中心调整到旋转中心，主 要包括喷液法、喷涂法、激光去重法等。这种方法存在着诸如应用转速不能 过高，污染环境、动平衡精度低等许多实际问题，应用范围相对狭窄。②间 接在线动平衡头。这种动平衡头是给转轴长期提供一个与不平衡力大小相等、 方向相反的力，在转轴工作时将其重心强行拉到旋转中心。目前，这种平衡 头主要包括电磁轴承型在线动平衡头和电磁圆盘型在线动平衡头，他们都有 一个严重的不足就是运行过程中一直受到交变的旋转电磁场所产生电磁力的 作用，对长期运行的旋转机械来说，旋转电磁场产生的能耗大，且这种平衡 一般尺寸较大，应用场合有限。③混合型在线动平衡头。这类动平衡头工作 时，由检测系统测量转子的振动信号，通过控制系统，以某种方式调整平衡 头内部质量分布，使其几何中心与旋转中心重合达到平衡的目的。根据驱动 质量调整的控制方式的不同，混合型在线动平衡头又可分为电动机型、遥控 型以及电磁型在线动平衡头。这些形式的平衡头的缺点是结构较复杂，且平 衡过程的响应时间过长。
上述三种在线动平衡无论是其装置的形状结构还是控制方法现在都有较 成熟的技术，并在相关文献中有较详尽的介绍，但每种在线动平衡装置都存 在一些缺陷或不足。因此研制结构简单、可靠，精度高的高速主轴在线动平 衡装置，对于高速超精密加工有着重要的现实意义。
发明内容本实用新型的目的是解决现有在线动平衡因需要产生旋转电磁场而受限 于转速和能耗过大的缺点，特别是间接在线动平衡装置和混合型在线动平衡 装置存在结构复杂、响应时间长和稳定性差等不足，针对有伸出端的机床主 轴，提供了一种响应迅速，控制方便的电磁式在线动平衡装置。
为达到以上目的，本实用新型是采取如下技术方案予以实现的
一种高速主轴电磁式在线动平衡装置，包括在选定的主轴段上轴向依次 排列至少三个鼠笼状铁芯，每个铁芯轴向绕有可通有直流电的线圈绕组，与 鼠笼状铁芯对应的主轴上设有套筒，该套筒轴向分为对应鼠笼状铁芯个数的 多段，每段与单个铁芯宽度相同，各段周向分别设有包角为90度且轴向投影 相互无重叠部分的凸台，凸台与鼠笼状铁芯径向之间形成调整气隙。
上述方案中，所述主轴段上轴向依次排列四个鼠笼状铁芯，所述套筒轴 向对应四个鼠笼状铁芯分为四段。所述包角为90度的凸台轴向投影关系为 第一、第四两段之间、第二、第三两段之间相差180度；第一、第二两段之 间、第三、第四两段之间相差90度。所述套筒凸台和鼠笼状铁芯径向之间的 调整气隙的厚度可通过凸台凸起的高度调整。
本实用新型所述高速机床主轴电磁式动平衡装置创新性地将周向多段独 立静磁场弓I入高速动平衡设计，对应的每个磁场中的轴段处安装加工有凸台 的套筒，从而使得每个静磁场处由于气隙不均匀而产生一个大小随磁场强度 变化、方向始终与凸台方向一致的电磁作用力，调整各组线圈绕组电流的大 小即可得到任意大小(设计范围内)、任意方向的平衡力，克服了传统电磁平 衡法中因转速过高而使得电磁作用力方向的变化无法与转速保持一致的问 题。该平衡装置具有结构简单紧凑、响应时间短、动平衡速度范围宽等特点， 很好的实现了实时高速动平衡的效果，在工程上有一定的实用价值。


图1为几种特殊的方向确定平面力系示意图。图2为本实用新型高速主轴电磁式在线动平衡装置结构示意图。图3为图2高速主轴电磁式在线动平衡装置套筒结构示意图。图4为图3套筒轴向不同的剖视图。
图5为图2单个鼠笼状铁芯电磁作用力示意图。其中图5b是图5a的侧视图。
图6为本实用新型高速主轴电磁式在线动平衡装置控制原理示意图。图2-图6中的附图标记1-套筒，1'-套筒凸台，2-鼠笼状铁芯，3-线圈绕组，4-铁芯支架，5-主轴，6、 7-主轴轴承，8-主轴壳体，9-高速动平衡装置；10、 11-高精度电容式位移传感器，12-测速传感器。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步的详细说明
本实用新型的设计思路如下由于平面内任意一个力均可由该平面内至少三个确定方向的力的合力来表示，图1所示分别为几种特殊的方向确定力
系示意图，如图la的三方向确定力系(X,Y，Z)，图lb的四方向确定力系(X+, Y+， X-， Y-)，图lc的六方向确定力系(X+，Y+，Z+，X-，Y-，Z-)，图ld的八方向确定力系(X+， Y+， Z+， W+， X-， Y-, Z-， W-)，甚至更多方向确定力系等。因此，发明人提出通过控制确定力系的合力的大小和方向来抵消高速主轴旋转产生的不平衡力，以达到高速主轴在线动平衡的目的。
本实用新型一种高速主轴电磁式在线动平衡装置如图2、图3所示，包括有轴向依次排列的四个鼠笼状铁芯2，每个铁芯轴向缠绕有线圈绕组3，与鼠笼状铁芯对应的主轴上设有套筒1，该套筒轴向宽度与单个铁芯宽度相同的四段A、 B、 C、 D周向分别设有包角各为90度且轴向投影相互无重叠部分的凸台，鼠笼铁芯设置在支架4中。
需要说明的是本实用新型采用四个鼠笼状铁芯即采用四个方向确定力系的结构是鉴于以下考虑首先三个方向确定力系为最简单的结构，理论上可以满足平衡要求，但由于实际应用只漏磁的存在，使得三个铁芯中位于两边的两个铁芯产生的磁场强度相对位于中间位置的铁芯产生的磁场强度较弱，给控制带来一定的不便。其次，方向确定力系的个数越多，控制产生的电磁合力的大小和方向越精确，但同时结构也越复杂，整个装置的体积也越大，限制了该装置在某些场合的应用。因此本实用新型综合考量以上因素做出了采用四个鼠笼状铁芯的优选实施例。另外，由于四个鼠笼状铁芯宽度窄且排列紧密，因此忽略其产生的弯矩。
该平衡装置的基本工作原理为当给鼠笼状铁芯2上轴向缠绕的线圈绕组3通入一定大小直流电后，则在周向同一半径大小处产生均匀的静磁场(图2中的箭头代表磁场方向)，当该装置结构确定时，其周围每一点磁场强度的
大小仅与所通入电流的大小有关。因此，给四组线圈分别通入不同大小的电流，即可在轴向并列产生四个独立的静磁场(控制电流方向，使得相邻两磁
场方向相反)。按图4中所示某一时刻A-A、 B-B、 C-C、 D-D四个截面相对位置关系(四个凸台l'夹角各为90度，Y轴为A-A、 D-D凸台角平分线，X轴为B-B、 C-C凸台角平分线，X与Y轴相互垂直)。在套筒l上依次加工出与每个鼠笼状铁芯2宽度相等的四个周向凸台，并将套筒固定安装在与平衡装置对应的主轴5上，因此，作用于套筒的电磁力等价于作用于主轴上的电磁力。磁场强度一定的情况下，套筒l受到电磁作用力的大小仅与套筒和铁芯之间的气隙厚度有关，调整凸台的凸起高度即可确定合适的气隙厚度。四个独立的静磁场分别作用于套筒1上对应的四个凸台上，所产生的四个方向(方向为凸台角平分线方向且随主轴同步旋转)独立的电磁力Fm n=l、 2、 3、 4(如图5所示)，四个方向的合力既为该电磁平衡装置在主轴上的作用力，合力的大小和方向可以通过控制四个线圈中电流的大小来控制。
整个高速主轴在线动平衡系统的控制原理如图6所示测速传感器12可测量实际工况下主轴5的转速；设置在主轴壳体8中轴承6、 7用以支撑主轴系统；高速动平衡装置9的结构即为图2所示；高精度电容式位移传感10、 11用来拾取主轴5的振动信号，通过与其连接的信号调理电路，解算出主轴在该转速下产生的不平衡量的大小，并与测速传感器12 —起获得不平衡量的相位。在正常状态下(不平衡量小于最大允许值)，铁芯线圈3中没有电流通过，平衡装置9与主轴5之间没有相互作用；当位移传感器IO、 11监测到主轴的不平衡量超过最大允许值(如l微米)时，根据测量到的不平衡量的大小和方向，通过工控计算机对驱动电路发出控制信号，驱动电路依据控制信号对铁芯线圈3通入电流，使所加电磁合力F与不平衡力相互抵消，达到动平衡的目的。
权利要求1、一种高速主轴电磁式在线动平衡装置，其特征在于，包括在选定的主轴段上轴向依次排列至少三个鼠笼状铁芯，每个铁芯轴向绕有可通有直流电的线圈绕组，与鼠笼状铁芯对应的主轴上设有套筒，该套筒轴向分为对应鼠笼状铁芯个数的多段，每段与单个铁芯宽度相同，各段周向分别设有包角为90度且轴向投影相互无重叠部分的凸台，凸台与鼠笼状铁芯径向之间形成调整气隙。
2、 如权利要求l所述的高速主轴电磁式在线动平衡装置，其特征在于， 所述主轴段上轴向依次排列四个鼠笼状铁芯，所述套筒轴向对应四个鼠笼状 铁芯分为四段。
3、 如权利要求2所述的高速主轴电磁式在线动平衡装置，其特征在于， 所述包角为90度的凸台轴向投影关系为第一、第四两段之间、第二、第三 两段之间相差180度；第一、第二两段之间、第三、第四两段之间相差90度。
4、 如权利要求l所述的高速主轴电磁式在线动平衡装置，其特征在于， 所述套筒凸台和鼠笼状铁芯径向之间的调整气隙的厚度可通过凸台凸起的高 度调整。
专利摘要本实用新型公开了一种高速主轴电磁式在线动平衡装置，包括在选定的主轴段上轴向依次排列至少三个鼠笼状铁芯，每个铁芯轴向绕有可通有直流电的线圈绕组，与鼠笼状铁芯对应的主轴上设有套筒，该套筒轴向分为对应鼠笼状铁芯个数的多段，每段与单个铁芯宽度相同，各段周向分别设有包角为90度且轴向投影相互无重叠部分的凸台，凸台与鼠笼状铁芯径向之间形成调整气隙。本实用新型平衡装置具有结构简单，加工安装方便，动平衡速度范围宽，响应时间短，能够实现实时高效的高速主轴在线动平衡补偿效果。
文档编号G01M1/38GK201294440SQ20082022216
公开日2009年8月19日 申请日期2008年10月29日 优先权日2008年10月29日
发明者华 徐, 攀 戴, 马求山, 马石磊 申请人:西安交通大学