動靜壓軸承支承電主軸服役精度保持用磁力減載研究

陳潤霖， 歐陽武， 王建磊， 袁小陽

(1. 西安交通大學(xué) 現(xiàn)代設(shè)計及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點實驗室，西安 710049；2. 武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063； 3. 西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，西安 710048)

動靜壓軸承支承電主軸服役精度保持用磁力減載研究

陳潤霖1， 歐陽武2， 王建磊3， 袁小陽1

(1. 西安交通大學(xué) 現(xiàn)代設(shè)計及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點實驗室，西安 710049；2. 武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063； 3. 西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，西安 710048)

為了保持動靜壓軸承支承電主軸的服役精度，提出采用電磁力消減靜動態(tài)加工力的方案并研制了一套磁力減載系統(tǒng)。以磨床為例，建立電主軸系統(tǒng)的動力學(xué)模型，獲取了載荷與軸端位移的關(guān)系；估算了磨削加工時產(chǎn)生的靜態(tài)和動態(tài)加工力，提出了服役精度保持的靜/動載荷需求；設(shè)計并建造了磁力減載系統(tǒng)，包括結(jié)構(gòu)和測控兩個模塊；其中，結(jié)構(gòu)模塊特色在于磁力減載組件配備有萬向支撐方案，測控模塊支持開環(huán)和閉環(huán)兩種控制策略；設(shè)計專項試驗驗證了減載系統(tǒng)的性能。研究結(jié)果表明：不轉(zhuǎn)時減載組件可實現(xiàn)約35 N靜載和28 N幅值諧波動載功能，初步證明采用電磁技術(shù)消減機(jī)床加工力是可行的。針對引入減載裝置的電主軸系統(tǒng)，采用人工調(diào)節(jié)電流的開環(huán)控制策略更有效。

動靜壓軸承；電主軸；磁力減載；精度保持；服役精度

高效精密動靜壓軸承支承電主軸系統(tǒng)是決定高檔數(shù)控磨床性能的關(guān)鍵功能部件，它直接決定了機(jī)床的加工精度、加工表面質(zhì)量和可靠性等。在國際市場上，用于高檔數(shù)控磨床的關(guān)鍵部件——高效精密靜壓/動靜壓主軸等功能部件基本已經(jīng)實現(xiàn)系列化，如：國際領(lǐng)先的生產(chǎn)廠商德國HYPROSTATIK公司生產(chǎn)的靜壓/動靜壓主軸系統(tǒng)，其回轉(zhuǎn)精度可達(dá)到0.1 μm。而我國生產(chǎn)的功能部件精度和可靠性上還存在明顯差距，因此在“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項課題中將0.1 μm的回轉(zhuǎn)精度定為了項目指標(biāo)。

根據(jù)測量條件，電主軸的回轉(zhuǎn)精度可分為服役前精度和服役精度。前者是在低速空載下測量得到，提高主軸系統(tǒng)零部件的加工和安裝精度可提高服役前精度。服役精度可能會因為加工引入的外載荷際而大幅降低，因此研究服役時保持軸承服役前的精度對提高工件加工質(zhì)量有更直接的作用。提高軸承剛度[1-2]和轉(zhuǎn)子動平衡[3]是精度增長的一般手段，本文從服役精度保持的角度來研究精度問題。

本文提出利用電磁力來消減加工力的方法來實現(xiàn)電主軸回轉(zhuǎn)精度的保持。近年來，磁力技術(shù)在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的應(yīng)用研究已從磁懸浮軸承[4-5]等支承部件拓展為加/減載或力平衡部件等。例如電磁力和永磁力被論證用于水輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸向減載[6]，東京工業(yè)大學(xué)精密工學(xué)研究所將電磁力應(yīng)用在電火花加工局部作動器中[7]。姚劍飛等[8]設(shè)計電磁作動器用于測試轉(zhuǎn)子系統(tǒng)阻尼比。Ma等[9]設(shè)計了一種基于靜磁場的電磁在線動平衡裝置，進(jìn)行了仿真分析和試驗驗證。周訓(xùn)通等[10]研制了電主軸非接觸加載試驗裝置，試驗獲得了不同電流和轉(zhuǎn)速下的磁力數(shù)據(jù)。賈謙等[11-12]研制了一套徑向和軸向載荷磁力模擬裝置為核主泵軸承可靠性強(qiáng)化試驗提供載荷環(huán)境。這些磁力結(jié)構(gòu)設(shè)計和應(yīng)用成果為本文電磁減載研究和設(shè)計提供了參考和借鑒。

1 電主軸系統(tǒng)動力學(xué)模型及減載力需求

電主軸系統(tǒng)服役前后回轉(zhuǎn)精度降低的一個關(guān)鍵因素是載荷變化，機(jī)床加工工件引入的加工力會導(dǎo)致精度降低。因此，本文首先建立電主軸系統(tǒng)的動力學(xué)模型，獲取外加工力與軸端位移的關(guān)系。根據(jù)所引入的靜態(tài)和動態(tài)加工力分別論述服役精度保持的原理，其核心是利用裝置產(chǎn)生外力來消減機(jī)床服役時引入的加工力。裝置設(shè)計前首先需要提取減載力大小。

1.1 電主軸系統(tǒng)動力學(xué)模型

如圖1所示，設(shè)電主軸轉(zhuǎn)子的質(zhì)量為m；繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量為J；兩個支撐軸承的剛度分別為k1、k2；在外載荷F的作用下，質(zhì)心平動位移為xc，轉(zhuǎn)動角度為θ。

圖 1 電主軸系統(tǒng)簡圖Fig.1 Diagram of electric spindle system

在忽略電主軸重力和軸承阻尼的條件下，系統(tǒng)的運動微分方程為：

代入可得：

1.2 靜態(tài)加工力消減和靜力

對于精密磨床，靜態(tài)載荷的來源包括：①不加工時，電主軸軸承承受轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的重量，包括電機(jī)軸、電機(jī)繞組、推力盤和砂輪等，該重量分配到單個軸承上的載荷約100～200N，該載荷為靜載，方向始終向下，這也是電主軸未服役時的軸承載荷；②加工時，磨床砂輪受到的工件磨削力約為60N。這個力是服役引入的靜態(tài)加工力，是需要減載系統(tǒng)消減的。

1.3 動態(tài)加工力消減和動力

機(jī)床服役是動態(tài)加工力的形成因素較多，對比磨床而言，磨削力常受到砂輪的磨損、磨削弧區(qū)的磨削強(qiáng)度、磨削工藝系統(tǒng)的變形、砂輪/工件的動態(tài)接觸狀態(tài)以及最終形成的磨削表面粗糙度等影響。文獻(xiàn)[13]將工件裝夾在磨削測力儀實測了磨削過程磨削力的變化情況。從估算動態(tài)加工力的角度看，本文提出兩種方式：①取靜態(tài)加工力的10%～15%作為動態(tài)力，這是借鑒軸承動特性測試中動載力的選取經(jīng)驗，對于輕載軸承，動態(tài)力只有達(dá)到上述比例大小時，才能激起足夠讓測試系統(tǒng)識別的相應(yīng)；②根據(jù)工件表面粗糙度或回轉(zhuǎn)精度，以及支承剛度反推動態(tài)力，動靜壓軸承剛度取500N/μm，精密磨床回轉(zhuǎn)精度要求達(dá)到0.1μm，忽略參振質(zhì)量的作用，估算的動載力需求值為10～50N。

2 萬向磁力減載系統(tǒng)設(shè)計

工件與砂輪接觸部位不同，靜態(tài)切削力方向不同，因此需要減載力方向可調(diào)整，本文給出萬向磁力減載裝置，其核心在于利用可360°調(diào)整角度的支撐裝置固定減載組件。關(guān)于動態(tài)力的方向匹配，通過調(diào)整動態(tài)減載力相位來實現(xiàn)其與動態(tài)磨削力方向的匹配，這是利用測控系統(tǒng)完成的。

本部分根據(jù)上節(jié)載荷需求設(shè)計磁力減載系統(tǒng)，包括結(jié)構(gòu)(磁力、支撐)和測控兩大模塊，其中測控模塊支持開環(huán)和閉環(huán)修正兩種工作模式。

2.1 磁力減載結(jié)構(gòu)模塊

所設(shè)計的磁力減載結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生靜態(tài)和動態(tài)力，先給磁力裝置通入直流電，再給電磁鐵通入正弦交流電，產(chǎn)生正弦電磁力，設(shè)計方法詳見文獻(xiàn)[14-15]。

所設(shè)計的磁力減載組件結(jié)構(gòu)，如圖2所示。采用π形電磁鐵的結(jié)構(gòu)，電磁鐵兩端各纏繞線圈。鐵芯端部設(shè)計成圓弧形，該圓弧曲率半徑與電磁吸盤(模擬砂輪)半徑相差2mm。電磁組件主要設(shè)計參數(shù)：l1=250mm、l2=210mm、l3=10mm、d=37mm、單邊線圈匝數(shù)110、銅絲直徑1mm、漆包線直徑1.10mm、間隙0～5mm、電流0～10A。動態(tài)力功能設(shè)計時考核了最大電流以及線圈溫升等關(guān)鍵參數(shù)。

圖 2 磁力減載結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural schematic diagram of magnetic lightening

2.2 萬向支撐結(jié)構(gòu)模塊

本文利用分度頭的原理設(shè)計電磁鐵的萬向支撐結(jié)構(gòu)，如圖3所示。設(shè)計一個固定架將電磁鐵固定在分度頭組件上，其中固定架的高度是由吸盤外徑?jīng)Q定的，固定架與電磁鐵之間采用緊固螺栓連接，可通過擰動螺栓來調(diào)節(jié)電磁鐵與吸盤的間隙。

該結(jié)構(gòu)能使電磁鐵實現(xiàn)繞中心軸軸線轉(zhuǎn)動一定角度，具有兩種工作模式：模式一，直接轉(zhuǎn)動分度頭中心軸，所轉(zhuǎn)動的角度可以從固定在中心軸上的刻度盤讀出。轉(zhuǎn)動前，需扳動中心軸鎖緊手柄松開中心軸，扳動蝸桿脫落手柄脫開蝸輪和蝸桿；轉(zhuǎn)動后，扳動主軸鎖緊手柄將中心軸鎖緊，防止工作時中心軸轉(zhuǎn)動；模式二，用分度盤緊固螺釘將分度盤固定，拔出插銷，轉(zhuǎn)動分度手柄，帶動分度傳動軸，通過一對直齒圓柱齒輪及蝸輪、蝸桿使主軸旋轉(zhuǎn)帶動電磁鐵分度。在分度前，松開中心軸，蝸輪與蝸桿嚙合，擰緊分度盤緊固螺釘緊固分度盤，避免分度盤轉(zhuǎn)動，出現(xiàn)分度誤差。分度后鎖緊中心軸。

上述具有兩種功能模式的結(jié)構(gòu)主要是用于存在操作空間等因素限制。當(dāng)去掉蝸桿傳動結(jié)構(gòu)，只具有模式一功能時，該支撐結(jié)構(gòu)簡單。

圖 3 萬向支撐方案示意圖Fig.3 Schematic diagram of universal support scheme

2.3 減載系統(tǒng)測控模塊

由于電主軸系統(tǒng)服役時減載系統(tǒng)會遇到電磁干擾、加工件材質(zhì)不均勻產(chǎn)生非確定性磨削力等，要求所設(shè)計的減載系統(tǒng)測控模塊應(yīng)具有兩種工作模式：開環(huán)減載和閉環(huán)修正減載。前者是通過人工調(diào)節(jié)電流來控制減載力，后者是根據(jù)位移傳感器測試的振動來自動調(diào)節(jié)減載力。

減載系統(tǒng)的測控模塊原理，如圖4所示。靜態(tài)力直接由直流電驅(qū)動電磁鐵產(chǎn)生；動態(tài)力由信號發(fā)生器產(chǎn)生動態(tài)(正弦或脈沖)電流信號，經(jīng)過放大后驅(qū)動電磁鐵產(chǎn)生。利用上述結(jié)構(gòu)方案中設(shè)置的力傳感器實時測量磁力信號，經(jīng)過信號處理后可進(jìn)入手動或自動兩種調(diào)控方式，形成該測控模塊。

圖 4 減載系統(tǒng)測控模塊示意圖Fig.4 Schematic diagram of measurement-control module

3 磁力減載裝置的性能檢測

根據(jù)上述方案制造和選配，構(gòu)建了磁力減載系統(tǒng)。為了檢驗該系統(tǒng)的功能可行性和工作可靠性，設(shè)計了減載裝置的性能檢測方案并實施。通過電磁裝置磁力測試來檢測該系統(tǒng)應(yīng)用于電主軸時的減載性能。

3.1 性能檢測方案

為了消除電磁鐵固定裝置的安裝間隙對檢測結(jié)果的影響，本測試方案未采用外向支撐結(jié)構(gòu)，而采用更為簡化的固定方案(如圖5(a))，該方案僅能產(chǎn)生豎直方向的電磁力。電磁鐵被固定在L型支撐塊上，L型支撐塊被固定在U型鋼支撐上，最后U型鋼支撐的底板被螺栓緊固在T型槽上。關(guān)于電磁鐵位置的調(diào)節(jié)，通過底板螺栓在T型槽中的滑動調(diào)整電磁鐵水平位置；通過L型支撐塊在U型鋼支撐滑槽的滑動來粗調(diào)電磁鐵豎直位置，通過擰動調(diào)節(jié)緊固螺栓來精調(diào)。

(a)電磁鐵固定

(b)傳感器布置圖5 磁力減載裝置功能檢測方案Fig.5 Function test scheme of magnetic lightening device

如圖5(b)所示，將電磁鐵安裝在支撐座上，其中電磁鐵與調(diào)節(jié)緊固螺栓之間安裝有兩端有螺紋的拉壓力傳感器，該傳感器可識別豎直方向的靜態(tài)和動態(tài)電磁力；在模擬砂輪下方和水平方向各安裝一個電渦流傳感器，初始距離為傳感器的線性中點，約0.7 mm，用塞尺測量。電磁鐵作用后，豎直方向位移傳感器識別的位移增加。電磁鐵下方安裝一個吸盤，吸盤與鐵芯保持0.5 mm間隙，試驗系統(tǒng)安裝實物，如圖6所示。

圖6 試驗系統(tǒng)安裝實物圖Fig.6 Picture of the test system

3.2 結(jié)果及分析

首先檢測減載裝置的靜態(tài)力功能。用直流電源給電磁鐵供電，測試結(jié)果，如圖7所示。隨著電流的增加，電磁力增加，特別在1～2 A范圍內(nèi)的增幅特別明顯，之后電磁力隨電流的增加而趨于平緩。

圖7 減載裝置靜載力試驗數(shù)據(jù)Fig.7 Experiment data of static force

然后檢測減載裝置的動態(tài)力功能。電磁鐵供電電流形式不同，所產(chǎn)生的動力學(xué)形式不同，包括：正弦、脈沖、方波和三角波等，用于模擬特定的工作載荷。本文僅檢測正弦電磁力，包括電流頻率不變、幅值改變和幅值改變、頻率不變兩種情況。電流頻率45 Hz、軸不旋轉(zhuǎn)、間隙0.5 mm，電流幅值從1 A增加到8 A時，動態(tài)電磁力和豎直方向位移的1倍頻分量的變化情況，如圖8所示?？芍?倍頻電磁力從1.6 N增加到26.8 N。1～6 A范圍內(nèi)，豎直方向的振動幅值變化不明顯，但到8 A時，位移的1倍頻幅值達(dá)到約4 μm，約增大4倍。

圖8 信號的1倍頻分量隨電流變化(電流頻率45 Hz)Fig. 8 Change of one time frequency component with the current (current frequency 45 Hz)

圖9給出了間隙0.5 mm、電流5 A而頻率不同時信號的1倍頻分量，可知隨著頻率的變化，電磁力和位移均發(fā)生變化。總體而言，隨著頻率的增大，電磁力有所增加，但達(dá)到一定后趨于穩(wěn)定。對應(yīng)位移隨之減小且最后趨于不變。在30 Hz時，電磁力和位移均出現(xiàn)一個峰值，這是因為該頻率接近試驗系統(tǒng)的固有頻率。因此，可以通過測試不同激振頻率下的位移來識別試驗系統(tǒng)的固有頻率。

圖 9 信號的1倍頻分量隨頻率的變化(電流5 A)Fig. 9 Change of one time frequency component with the frequency (current amplitude 5 A)

為了對比研究轉(zhuǎn)軸靜止和旋轉(zhuǎn)對電磁力大小的影響，還進(jìn)行了低速旋轉(zhuǎn)試驗。如圖10所示，交流電頻率為40 Hz，不同供電電流下信號的1倍頻分量。圖10中軸端位移理論計算的輸入?yún)?shù)包括：m=23.87 kg，J=0.995 kg·m2，k1=1.0×107kg/m，k2=2.0×107kg/m，L1=340 mm，L2=44 mm，L3=90 mm。由圖10可知，理論計算數(shù)據(jù)與試驗測試的數(shù)據(jù)較為吻合。

為了避免電磁干擾，低轉(zhuǎn)速時電主軸并未通電，轉(zhuǎn)動由供油形成。隨著電流的增加，位移和電磁力總體均呈增加趨勢，但在3～6 A之間信號出現(xiàn)小幅波動。一般認(rèn)為旋轉(zhuǎn)時導(dǎo)磁盤切割磁感線產(chǎn)生渦流損耗，文獻(xiàn)[16]研究發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)會使電磁力減弱約15%。但對比圖8和圖10可知，旋轉(zhuǎn)后電磁力和軸端位移均有所增加。這可能是因為與不轉(zhuǎn)相比，旋轉(zhuǎn)后轉(zhuǎn)子的支承剛度降低，此時收到電磁力后電磁鐵與吸盤之間的間隙容易減小，從而導(dǎo)致電磁力進(jìn)一步增加。因此，考察電磁裝置的服役特性時，處理關(guān)注裝置本身，還需考慮外圍系統(tǒng)。

圖 10 信號的1倍頻分量隨電流變化 (轉(zhuǎn)動時，電流頻率40 Hz)Fig.10 Change of one time frequency component with the current (rotating, current frequency 40 Hz)

4 結(jié) 論

本文進(jìn)行水潤滑動靜壓軸承支承電主軸服役精度保持用磁力減載研究，結(jié)論如下：

(1)建立了電主軸系統(tǒng)受到外載荷下的動力學(xué)模型，獲取了外載荷與軸端位移的關(guān)系。從消減靜、動態(tài)加工力的角度提出了動靜壓軸承支承電主軸的服役精度保持方案。

(2)設(shè)計并建造了磁力減載系統(tǒng)，包括結(jié)構(gòu)和測控兩個模塊。結(jié)構(gòu)模塊特色在于磁力減載組件配備有萬向支撐方案；測控模塊支持開環(huán)和閉環(huán)兩種控制策略。減載裝置安裝進(jìn)電主軸系統(tǒng)后形成復(fù)雜系統(tǒng)，采用人工調(diào)節(jié)電流的開環(huán)控制策略更有效。

(3)試驗結(jié)果表明：不轉(zhuǎn)時減載組件可實現(xiàn)約35 N靜載和28 N幅值諧波動載功能。初步證明采用電磁技術(shù)消減機(jī)床加工力是可行的。在轉(zhuǎn)軸傾斜、支承剛度降低等因素影響下，雖然旋轉(zhuǎn)會導(dǎo)致渦損，但電磁力并不一定降低。

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Magnetic lightening on service precision keeping of an electric spindle system supported by hybrid bearing

CHEN Runlin1, OUYANG Wu2, WANG Jianlei3, YUAN Xiaoyang1

(1. Key Laboratory of Education Ministry for Modern Design and Rotor-Bearing System, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China;3. School of Mechanical and Precision Instrument Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

In order to keep the service precision of electric spindle supported by hybrid bearing, the method of reducing static and dynamic processing force by electromagnetic force was proposed and a magnetic lightening system was developed. Taking the grinding machine as an example, the dynamic model of the electric spindle system was established, and the relationship between force and displacement was obtained. The static and dynamic force in grinding processing were analyzed and estimated. Then the static and dynamic load demands for service precision keeping of electric spindle were put forward. The magnetic lightening system was designed and developed, which included the structure modules and the measurement-control module. Among them, the feature of structure module was the universal support scheme, and the measurement-control module supported open loop and closed loop control strategies. A special experiment was designed to verify the performance of the magnetic lightening system. It is showed that the magnetic lightening system can satisfy the function of static load 35 N and dynamic load 28 N. It is preliminarily evidenced that using electromagnetic technique to reduce machining force is feasible. For the electric spindle with lightening device, it is more effective by using an open loop load control strategy of artificial adjusting.

hybrid bearing; electric spindle; magnetic lightening; precision keeping; service precision

國家科技重大專項(2012ZX04002-091)；國家自然科學(xué)基金項目(51275395)

2015-10-08 修改稿收到日期： 2016-01-20

陳潤霖 男，博士生，1985年生

袁小陽 男，教授，博士生導(dǎo)師，1963年生

TH133.31；TM12

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.12.005