主轴位置控制系统设计论文_本科论文.doc

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1、1前言1.1高速电主轴概述高速电主轴是高速机床的核心部件,它将机床主轴与异步电动机合二为一,即将电动机的定子、转子直接装入主轴壳体内部,也被称为内装式电主轴，无皮带或齿轮传动副,能够实现机床主轴系统的零传动，其结构紧凑、质量轻、惯性小、动态特性好,并提高了机床运动时的平衡性,降低了振动和噪声,在超高速机床中应用较广。1.1.1电主轴的主要特点（1）电主轴系统减少了高精密齿轮等传动零件，消除了传动误差；（2）电主轴易于实现高速化,动态精度和稳定性较好,可以实现数控机床的高速切削和精密加工。（3）电动机可以采用交

2、流变频调速和矢量控制的方法，提高其输出功率。（4）电主轴可以通过其轴承的控制系统实现主轴的精确定位和调整：（5),电主轴工作时，运行平稳，外界冲击小,主轴轴承所承受的动负荷较小,提高了其精度，延长了其寿命。1.1.2电主轴的关键技术在电主轴的结构设计中,良好的电机性能、合理的轴承选配、良好的冷却系统、以及主轴各零件的配合关系都是设计电主轴的关键。主轴电机设计决定了主轴的最大功率和力矩,以及电主轴的性能，合理选择电机类型，设计电机的电磁参数，使电机单位体积下的功率密度更高,体积和转动惯量相对较小。为满足高速高刚

3、度的轴承的需要,对轴承的选择和设计非常关键，因为电主轴的最高转速取决于轴承的大小布置和润滑方法,所以轴承必须具备高速性能好动态负荷承载力高润滑性能好发热量小等特点。目前应用较广的主要有陶瓷轴承、磁悬浮轴承和动静压轴承，磁悬浮轴承是一种新型智能化轴承，具备了一系列其它轴承所无法比拟的优点，受到了越来越多的人的关注。主轴各个零件之间过盈配合量应合理确定。要实现高速切削,主轴应当拥有良好的运转精度,其零部件需拥有很好的加工精度、表面质量以及良好的装配精度。为了实现主轴系统精确的动平衡,电机转子与主轴之间采用过盈联接

4、,使主轴具备足够传递扭矩的能力。1.1.3电主轴技术的发展趋势(1)继续向高速度、高刚度方向发展。随着主轴轴承技术、控制系统技术、精密超精密加工技术以及润滑和冷却技术等技术的发展,机床用电主轴实现高速化是目前发展的趋势。(2)向快速启、停方向发展。为缩短辅助时间,提高效率,要求数控机床电主轴的启、停时间越短越好,因此需要很高的启动和停机加(减)速度。(3)轴承及其润滑方式多样化。除常规的钢制滚动轴承外,近年来陶瓷球混合轴承、磁力轴承和动静压轴承得到广泛应用。油气润滑由于清洁无污染，在今年来也受到了设计者广泛的

5、亲睐。(4)刀具接口逐步趋于HSK刀柄技术。机床主轴高速化后,由于离心力作用,传统的CAT(7∶24)刀柄结构已不能满足使用要求,需要采用HSK(1∶10)等其它符合高速要求的刀柄接口形式。HSK刀柄具有突出的静态和动态联接刚性、大的传递扭矩能力、高的刀具重复定位精度和联接可靠性,特别适合在高速、高精度情况下使用。(5)向多功能、智能化方向发展。在多功能方面,有角向停机精确定位(准停)、C轴传动、换刀中空吹气、中空通冷却液、轴端气体密封、低速转矩放大、轴向定位精密补偿、换刀自动动平衡技术等。在智能化方面,主要

6、表现在各种安全保护和故障监测诊断措施,如换刀联锁保护、轴承温度监控、电机过载和过热保护、松刀时轴承卸荷保护等。1.2磁力轴承发展概述电磁轴承是一种全新的支承形式。它借助于电磁铁的磁力使转子悬浮,并在控制器的控制下克服外载荷的作用,使转子围绕其惯性中心旋转。因其具有无机械接触,摩擦磨损小、振动小、噪声低、不需要润滑和密封等一系列优点,从根本上克服了传统支承形式固有的缺点,从而成为未来最有发展前景的理想支承形式,在航空航天、能源交通、超高速精密加工、机器人等高科技领域具有广阔的应用前景。1.2.1磁力轴承系统组成

7、一个完整的磁悬浮主轴控制系统的组成如图2-1所示，该系统由五部分组成：电磁铁（执行单元）、转子（被控对象）、转子位移传感器（检测单元）、位置控制器、功率放大器。图2.1电主轴系统组成及系统原理图1.2.2磁力轴承系统工作原理电磁轴承系统的工作原理是：主轴转子在运转的过程中，在某一时刻产生一个相对中心位置的偏差，这个偏差信号被位移传感器检测到，再经过处理和放大，与控制器的给定信号相比较，产生一个偏差信号，被输送到控制器进行处理产生校正信号，最后被输送到功率放大器产生控制电流，用于驱动电磁铁产生校正力，使转子稳定

8、的悬浮在给定位置。1.2.3磁力轴承的发展趋势(1)超导磁悬浮轴承的研究。这种轴承的体积很小,却有很大的承载能力。这方面的研究进展在很大程度上依赖于超导材料的进展。高温超导陶瓷材料由于其固有的属性及具体加工技术的原因,实际应用十分有限,还需有很大的突破。(2)无传感器磁悬浮轴承的研究。最近几年,结合磁悬浮轴承和无传感器检测两大研究领域的最新研究成果,诞生了一个全新的研究方向无传感器的磁悬浮轴承。它不