超高速数控精密磨床磁浮轴承主轴单元设计
时间：2010-12-20
目前，超高速数控精密磨削技术在国外发展十分迅速，在国内也引起了高度重视[1]。超高速数控精密磨削技术作为21世纪的先进制造技术，在国防和民用方面，都起着越来越重要的作用。例如，湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心研制了一台砂轮周速达314m/s的超高速数控精密平面磨床，其主轴系统为从瑞士IBAG公司引进的陶瓷 轴承电主轴，其价格昂贵，而且陶瓷 轴承使用寿命不长，需要经常更换。必须指出，在超高速数控精密磨床中，主轴 轴承技术是一项关键技术。在国外，磁浮 轴承作为一种新型机电一体化的高新技术产品，受到高度重视。发达国家如法国、日本、德国都成功在其超高速数控精密磨床上使用了这种 轴承。但发达国家对该项技术保密，而且该产品的价格十分昂贵。
一、磁浮 轴承的特点与工作原理
磁浮 轴承工作原理如图1所示，由转子和定子2部分组成。转子由铁磁材料(如硅钢片)制成，压入回转 轴承回转筒中，定子也由相同材料制成。定子线圈产生磁场，将转子悬浮起来，通过4个位置传感器不断检测转子的位置。如转子位置不在中心位置，位置传感器测得其偏差信号，并将信号输送给控制装置，控制装置调整4个定子线圈的励磁功率，使转子精确地回到要求的中心位置。
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图1 磁浮 轴承的工作原理1—转子2—定子3—电磁铁4—位置传感器
磁浮 轴承是利用电磁力将主轴无机械接触、无润滑地悬浮起来的一种新型智能化 轴承。
磁浮 轴承主轴单元的转子和定子之间的单边间隙为0.3mm～1.0mm ，未开动以前，主轴由左右两端的“辅助 轴承”支承，其间隙小于磁浮 轴承的间隙，用以防止磁浮 轴承在电磁系统失灵时发生故障。工作时，转子的位置用高灵敏度的传感器不断进行检测，其信号传给PID (比例—积分—微分)控制器，以每秒10000次左右的运算速度，对数据进行分析和处理，算出用于校正转子位置所需的电流值，经功率放大后，输入定子电磁铁，改变电磁力，从而始终保持转子(主轴)的正确位置。
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图2 磁浮 轴承的控制框图
由于无机械接触，磁浮 轴承不存在机械摩擦与磨损，寿命很长。转子线速度可高达200m/s(极限速度只受硅钢片离心力强度的限制)，无需润滑和密封，结构大大简化。能耗很小(仅为滚动 轴承的1/50) ，无振动、无噪音、温升小、热变形小。可在真空或有腐蚀介质的环境中工作，工作可靠，几乎不用维修。所以其性能要优于陶瓷滚动 轴承。
由于磁浮 轴承是用电磁力进行反馈控制的智能型 轴承，转子位置能够自律，主轴刚度和阻尼可调。因此当由于负载变化使主轴轴线偏移时，磁浮 轴承能迅速克服偏移而回到正确位置，实现实时诊断和在线监控，使主轴始终绕惯性轴回转，消除了振动，并可使主轴平稳地越过各阶临界转速，实现超高速运转，回转精度高达0.2μm。
装有磁浮 轴承的主轴可以适应控制，通过监测定子线圈的电流，灵敏地控制切削力，通过检测切削力微小变化控制机械运动，以提高加工质量。因此，磁浮 轴承主轴单元特别适用于高速、超高速数控精密加工。国外已有超高速数控精密磨削主轴头，并已标准化，但国内还没见关于300m/s超高速数控精密外圆磨削磁浮 轴承主轴单元设计的报道。
二、主轴磁浮 轴承
超高速数控精密磨床主轴设计中要求限定5个自由度，仅留一个回转自由度。因此我们进行5 自由度控制的超高速数控精密磨床主轴磁浮 轴承结构设计(见图3) 。
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图3 主轴5自由度控制磁浮 轴承结构示意图
由于是超高速数控精密磨削，磨床主轴系统一些指标为：
1) 径向 轴承1：静态负载Fs=200N，动态负载Fd=1000N。推力 轴承:动态负载Fd=200N。
2) 单边工作气隙 。主轴最大振幅[img]http://c-cnc/news/file/2006-10/2006107102317.gif[/img]。环境温度40 ℃，允许温升60 ℃。[img]http://c-cnc/news/file/2006-10/2006107102331.gif[/img]
3) 主轴转速为30000r/min ，这时砂轮周速度达300m/s。主轴长度小于500mm。
三、径向 轴承设计
1、径向 轴承承载力设计
图4 是磁浮径向 轴承示意图。采用16极的硅钢铁芯。每4个磁极(NSSN)组成一个电磁铁。选用优质硅钢片。饱和磁感应强度为1.8T。
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图4 磁浮径向 轴承示意图
气隙磁感应强度公式[2]
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均匀气隙磁通产生的吸力[2]
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由图4所示结构，沿坐标轴方向得到最大吸力为:
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Fmax即径向 轴承最大承载力。
上面3个公式中符号含义为:
μ0———空气磁导率;
NI———磁动势;
δ———单边工作气隙;
S0———有效磁极面积;
h ———叠片厚度;
D ———主轴直径;
m———磁极数。
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图5 直径为D，叠片厚度为h的径向 轴承的承载力
承载力实际上可由图5确定。由图5可知，D=60mm，h=63mm满足Fmax=Fs=Fd=1200 N的要求，同时也符合主轴动力学设计。
2、径向 轴承其它参数设计
设计步骤是通过对磁动势计算，设计出静态工作点电流和绕组匝数，计算绕组的电感量和电阻，最后对温升进行估算。
磁动势:
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当线圈匝数N=40匝时，Imax=6A。由于y向承担主轴重量，故上、下电磁铁静态工作点电流分别设计为：
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每束N匝线圈电感量L1为:
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式中S1为单个磁极面积。
表1为磁浮径向 轴承1参数的设计数据。表示每束N匝线圈的电阻，τm表示实际温升，考虑到电感量、功率放大器及线圈温升，选取第2组数据为设计数据。
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表1磁浮径向 轴承1结构参数设计值
3、推力 轴承设计
采用双磁极单束N匝线激励时，电磁吸力公式为:
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式中: S0——磁极有效面积。
由下两式确定环外径 由窗口面积确定[2]
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而内外环磁极面积Sin和Sout可由下确定
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表2为磁浮推力 轴承结构参数值，表3为该磁浮主轴性能计算参数。
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表2 磁浮推力 轴承结构参数设计值
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表3 性能计算参数
四、系统的动特性
磁浮 轴承设计中，其刚度阻尼指标、回转精度指标等，是较为重要的与机械特性相关的技术指标。而其控制系统一些指标，则可参见文献4。
1、磁浮 轴承的刚度与阻尼特性
由文献5，可获得磁浮 轴承系统的等效刚度系数
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而其等效阻尼系数为
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式中C1和C2分别为系统的位移刚度系数和电流刚度系数，是磁浮 轴承系统的固有系数[4]。
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为控制器传递函数G(jw)的实部和虚部。
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图6 推力 轴承示意图
上两式是分析磁浮 轴承支承条件下的转子系统动力学特性的有效方法之一。目前研究证实，对于一个具体的磁浮 轴承转子系统，最优的刚度和阻尼系数，可使系统获得的动力学特性可以达到最优。
2、回转精度
对于数控精密机床主轴等机械，其回转精度也是主要的技术指标之一。磁浮 轴承支承下的转子回转精度与诸多的因素有关，对此问题作精确的定量分析尚有一定的难度。据实践经验，回转精度与磁浮 轴承的设计工作气隙有密切的联系。通常转子中心回转轨迹的半径不会大于 轴承平衡时气隙的十分之一。例如，当 轴承的标称气隙半径为0.2mm时，其转子中心的回转轨迹半径一般不会大于0.02mm。
五、磁浮转子系统动力学的分析与设计
上述分析过程均未考虑转子的特征，即均将转视为刚性体。工程上实际应用的多为柔性转子，当转速达到一定数值时，其固有频率、系统稳定性、系统何时失稳乃至陀螺效应等问题都会显露出来。因此，如何对此类问题进行分析和必要的设计也是磁浮 轴承主轴单元能否成功应用于工程实际的重要环节。
这里采用的主要分析设计思想是将传统的转子动力学理论分析方法和磁浮 轴承系统的刚度阻尼特性分析方法结合，作为磁浮支承转子系统动力学分析的理论基础。
一般的步骤如下:
将 轴承转子系统描述为具有n自由度的运动方程，方程中包含有转子的质量矩阵m 轴承的刚度阻尼矩阵k和c。
计算系统的特征值与特征矢量，求得系统的固有频率和对应的对数衰减率，由此分析系统的稳定性。
上述计算方法和过程有许多的文献可以查阅，在此不予多述。这里仅简要介绍如何获得上述计算必需的磁浮 轴承系统刚度阻尼特性系数，包括4个刚度系数和4个阻尼系数是[img]http://c-cnc/news/file/2006-10/2006107102939.gif[/img]。这是解决这一问题的关键所在。[img]http://c-cnc/news/file/2006-10/2006107102956.gif[/img]
式(10)、(11)是计算系数的依据，而[img]http://c-cnc/news/file/2006-10/2006107103026.gif[/img]是否存在取决于位移传感器安装形式，其数值可由下式决定： [img]http://c-cnc/news/file/2006-10/2006107103042.gif[/img]
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滑动 轴承的刚度阻尼特性系数是转子角速度的函数，而对于磁浮 轴承转子系统，其刚度阻尼特性系数是转子涡动频率的函数，这是两者的重大区别。
下面分析陀螺效应对系统分析设计的影响
考虑陀螺效应时的磁浮 轴承转子系统可由图7中的传递函数框图表标。图中的系数K即系统的陀螺效应系数，标志着系统陀螺效应的大小，同时也给控制器解耦陀螺效应设计提供了理论依据。陀螺效应系数可由下式确定[9]
[img]http://c-cnc/news/file/2006-10/2006107103127.gif[/img][img]http://c-cnc/news/file/2006-10/2006107103133.gif[/img]
图7 磁浮 轴承系统中的陀螺效应框图
图7 中的为控制设定的转子转动的角度值，且系数[img]http://c-cnc/news/file/2006-10/2006107103155.gif[/img]为轴系质量。[img]http://c-cnc/news/file/2006-10/200610710328.gif[/img]
六、磁浮 轴承精密磨床主轴系统设计过程
如上所述，磁浮 轴承支承的高速数控精密磨床主轴系统设计可综合为以下4个步骤。
1、径向和轴向磁浮 轴承的性能结构等参数设计;
2、磁浮 轴承主轴系统控制器参数的稳定域计算[4]，从而得到的是各向同性的系统参数，最终系统需通过调试达到各向异性。
3、高速磁浮 轴承主轴系统的动力学计算，以了解系统在高速运行时的稳定性。
4、主轴系统的陀螺效应分析计算，以确定是否需要进行陀螺效应控制补偿。
5、按照上述步骤，对图3所示超高速数控精密磁浮 轴承外圆磨床主轴单元系统进行了设计，经实验证明是成功的。当然做更深入的研究是非常必要的[10]。
七、结语
磁浮 轴承支承转子系统的设计是一个复杂的过程，其中主要的可分为:以 轴承几何与电气参数为主的系统控制器的参数设计、以转子结构和 轴承动特性系数为主的动力学性能设计以及特定条件下的陀螺效应解耦设计。除此之外，一个完整的磁浮 轴承转子系统的设计还包括必要的机械设计、磁路与电磁场设计以及电子电路的设计等。一个稳定运行的磁浮 轴承转子系统除了精确地设计外，系统的调试环节也是至关紧要的，有时甚至对成功与否起到决定性的作用。上述设计思想和方法经实践证明是可行的。
目前，这种磁浮 轴承已应用于高速大功率数控精密电主轴中[11]，采用CBN砂轮，进行高效深切磨削加工，在实验室中取得了成功，它可以将铸锻毛坯直接加工出成品，集粗精加工于一身，同普通磨削相比，加工工时可以缩短98%，使磨削实现了优质与高效的结合。
磁浮 轴承支承的数控高速精密主轴系统，具有高速、高刚度、高精度和可控等无可比拟的优点。应用该技术的超高速数控精密磨床，虽然初期投资成本高，但其优越的使用性能使其综合效益高。期望国内有关单位积极开拓，打破发达国家的技术垄断，使超高速数控精密磁浮 轴承主轴单元技术尽早国产化，从而为我国的国防和现代化建设做出贡献。