基于電磁軸承混合支承的主動式主軸系統(tǒng)

萬少可，奚航航，李小虎，洪軍，姜忠

(1.西安交通大學(xué)，西安 710049；2.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；3.中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

0 前言

主軸系統(tǒng)作為機床的核心功能部件，對機床加工性能具有重要影響。過去幾十年來，為了提高加工效率及加工質(zhì)量，主軸技術(shù)不斷發(fā)展[1]。伴隨著機床智能化的發(fā)展趨勢，對于集成了智能作動器與傳感器從而實現(xiàn)主軸性能調(diào)控以及狀態(tài)感知的主軸系統(tǒng)的需求更加迫切[2]。

目前，研究人員已經(jīng)嘗試?yán)貌煌N類的作動器集成到主軸系統(tǒng)中，從而對主軸系統(tǒng)的性能進(jìn)行調(diào)控：文獻(xiàn)[3]在主軸前端軸承外圈的徑向集成了2組壓電元件，從而在切削過程中提供主動阻尼，試驗表明該方法能夠提高銑削加工的臨界穩(wěn)定切削深度；文獻(xiàn)[4-5]設(shè)計開發(fā)了用于銑削顫振抑制的主動式主軸系統(tǒng)(Active Spindle System，ASS)，通過在主軸前端軸承外圈徑向均布4組壓電作動器，以施加顫振抑制所需的主動控制力；文獻(xiàn)[6]采用與文獻(xiàn)[4-5]相同的結(jié)構(gòu)方案，利用電致伸縮作動器對切削過程中的振動進(jìn)行抑制。盡管壓電和電致伸縮作動器都具有體積小，作動力強的優(yōu)點，但作動力無法直接作用于旋轉(zhuǎn)的主軸上，通常安裝在主軸系統(tǒng)的前軸承外圈上；在實際使用過程中，上述作動器施加的作動力和安裝所需的預(yù)緊力極易導(dǎo)致前端軸承溫度劇烈升高，降低軸承壽命；另外，在軸承外圈徑向集成作動器的方案通常需要較大的外部安裝空間，給實際應(yīng)用帶來困難。

與上述作動器相比，電磁式作動器具有非接觸式加載的優(yōu)點，電磁軸承作為一種典型的非接觸式作動原件已被廣泛應(yīng)用于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)領(lǐng)域，與滾動軸承相比其摩擦可忽略，因此能夠?qū)崿F(xiàn)高速、超高速運轉(zhuǎn)，電磁軸承還具有支承特性(如等效支承剛度和阻尼)可控的特點[7]。文獻(xiàn)[8]將電磁軸承支承的磁懸浮主軸用于高速銑削加工中，并通過改變電磁軸承的控制器參數(shù)實現(xiàn)主軸系統(tǒng)阻尼的調(diào)控，從而提高了銑削顫振的穩(wěn)定域邊界。文獻(xiàn)[9]研究了磁懸浮主軸動態(tài)特性對銑削穩(wěn)定域的影響，發(fā)現(xiàn)通過改變電磁軸承控制器參數(shù)能夠改變銑削穩(wěn)定域的分布，還利用磁懸浮主軸阻尼可控的特性實現(xiàn)了顫振的主動抑制。不難發(fā)現(xiàn)，磁懸浮主軸在性能主動調(diào)控方面具有顯著優(yōu)勢；然而，相較于常規(guī)的滾動軸承支承主軸系統(tǒng)，磁懸浮主軸盡管具有較好的主動阻尼特性，但其承載性能相對較差；同時，由于切削過程中機床主軸受載復(fù)雜，給磁懸浮主軸的穩(wěn)定懸浮控制帶來極大挑戰(zhàn)。

除了性能的主動調(diào)控，如何實現(xiàn)狀態(tài)的感知與評估也是主動式主軸需要實現(xiàn)的重要功能[1]。如今，各種各樣的傳感器已經(jīng)能夠緊湊地集成在主軸內(nèi)部，實現(xiàn)主軸振動、溫度、電動機電流等運行狀態(tài)的監(jiān)測[2]，主軸的動態(tài)特性對切削過程有直接影響，如何對主軸的動態(tài)特性進(jìn)行測試評估同樣具有重要意義。通常，利用錘擊測試可以實現(xiàn)主軸系統(tǒng)固有頻率、阻尼等的測量；然而由于滾動軸承的剛度支承特性受轉(zhuǎn)速等的影響，使得主軸系統(tǒng)的動態(tài)特性具有顯著的非線性特點，獲取主軸旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的動態(tài)特性參數(shù)是目前存在的技術(shù)難題。文獻(xiàn)[10]考慮到電磁軸承可以輸出任意形式的主動電磁力并且其內(nèi)部的位移傳感器可以用來測量主軸的響應(yīng)，利用電磁軸承實現(xiàn)了不同轉(zhuǎn)速下磁懸浮主軸動態(tài)特性的測量識別。文獻(xiàn)[11]基于電磁軸承電磁力產(chǎn)生原理，設(shè)計開發(fā)出一套用于主軸旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下動態(tài)特性測試的試驗裝置。文獻(xiàn)[12]同樣開發(fā)出了基于電磁力加載的主軸動態(tài)剛度測試裝置，并對不同轉(zhuǎn)速下的主軸動態(tài)剛度和顫振穩(wěn)定域進(jìn)行了評估。盡管這些基于電磁軸承電磁力產(chǎn)生原理的加載裝置實現(xiàn)了主軸動態(tài)特性的測試，但其往往作為獨立的單元存在并且需要在主軸上安裝測試加載棒。

綜上所述，電磁軸承在性能調(diào)控與主軸動態(tài)特性感知測試方面展現(xiàn)出了出色的潛力。基于電磁軸承這一優(yōu)勢，本文提出一種混合支承的主動式主軸系統(tǒng)方案，在傳統(tǒng)滾動軸承支承主軸的前端集成電磁軸承：一方面，有望通過電磁軸承進(jìn)行主軸性能的調(diào)節(jié)，并能夠保證其自身的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性和抗切削負(fù)載能力；另一方面，可以利用電磁軸承作為加載單元實現(xiàn)主軸系統(tǒng)動態(tài)旋轉(zhuǎn)工況下動態(tài)特性的感知評估。

1 主動式主軸系統(tǒng)設(shè)計及開發(fā)

1.1 主動式主軸系統(tǒng)設(shè)計方案

電磁軸承在性能調(diào)控與作為加載裝置實現(xiàn)主軸動態(tài)特性測試方面具有極大優(yōu)勢，然而也存在承受切削負(fù)載能力弱，轉(zhuǎn)子懸浮控制復(fù)雜的不足。為此，本文提出一種主動式主軸系統(tǒng)方案，如圖1所示，電磁軸承位于主軸前端，與角接觸球軸承形成一種混合支承的形式。通過改變電磁軸承的控制參數(shù)實現(xiàn)其支承特性的改變進(jìn)而實現(xiàn)主軸系統(tǒng)性能的調(diào)控；此外，還可以利用電磁軸承向旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的主軸系統(tǒng)施加主動激勵，并利用電渦流位移傳感器獲取主軸響應(yīng)，從而感知并評估其動態(tài)特性；與此同時，前后2組角接觸球軸承能夠在主軸實際使用中提供所需的承載性能和回轉(zhuǎn)精度。

圖1 主動式主軸系統(tǒng)方案示意圖

1.2 電磁軸承設(shè)計及分析

本文采用八磁極主動式電磁軸承(Active Magnetic Bearing,AMB)結(jié)構(gòu)方案，相鄰兩磁極的線圈相連形成磁極對，當(dāng)在線圈通入電流時產(chǎn)生如圖2中虛線所示的磁通回路，并產(chǎn)生電磁力。在x和y方向上分別有對稱分布的2組磁極對并施加有電流I0+Ix/y和I0-Ix/y，其中偏置電流I0為直流分量，用于提供所需的預(yù)置磁場。利用這種“差分”式電流配置，x和y方向上的電磁力可以線性化為

圖2 主動式電磁軸承電磁力原理圖

(1)

(2)

式中：Ix，Iy分別為x，y方向上的控制電流；Δx，Δy為轉(zhuǎn)子對應(yīng)的位移；ki，kd分別為電流剛度系數(shù)和位移剛度系數(shù)；μ0為真空磁導(dǎo)率，取μ0= 4π×10-7H/m；A為磁路橫截面積，m2；N為磁極對線圈匝數(shù)；g0為定子鐵芯與轉(zhuǎn)子鐵芯間的氣隙厚度，m；α=π/8。

設(shè)計的電磁軸承三維模型及實物圖如圖3所示，轉(zhuǎn)子部分設(shè)計為套筒狀結(jié)構(gòu)，以便安裝于主軸轉(zhuǎn)子上。為了減小實際使用過程中的電渦流，定子及轉(zhuǎn)子均由厚度0.35 mm、最大磁導(dǎo)率1.75 T的硅鋼片堆疊而成。電磁軸承的最大電磁力主要由其結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)及硅鋼片的最大磁導(dǎo)率決定，本文設(shè)計的電磁軸承主要設(shè)計參數(shù)如圖3所示，其余參數(shù)見表1。

圖3 主動式電磁軸承三維模型及實物圖

表1 主動式電磁軸承的主要參數(shù)

為進(jìn)一步分析通入線圈電流后的磁場分布，本文利用MAXWELL電磁場分析軟件對其控制電流分別為0和5 A情況下的磁場分布進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果如圖4所示。從圖4a中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)線圈中通入偏置電流后，磁通路存在于相鄰兩磁極、電磁軸承轉(zhuǎn)子以及氣隙中，各磁通路之間分別獨立，未出現(xiàn)磁路疊加現(xiàn)象；當(dāng)控制電流Ix=Iy=5 A時，線圈中最大電流為10 A，此時磁場分布如圖4b所示，最大磁通密度為1.5 T，小于所選用的硅鋼片的飽和磁通率，表明當(dāng)線圈中電流最大時未出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象，并且未發(fā)生漏磁。

(a)Ix=Iy=0

1.3 樣機設(shè)計及開發(fā)

利用所設(shè)計的主動式電磁軸承，并基于圖1所示的主軸結(jié)構(gòu)示意圖，最終開發(fā)的混合支承主動式主軸系統(tǒng)樣機如圖5所示。

主軸前端4個電渦流傳感器兩兩一組，分別布置在x，y方向上用于測量主軸的位移，主軸內(nèi)置電動機用來提供轉(zhuǎn)速及扭矩。為了進(jìn)一步對該主軸進(jìn)行測試，將其安裝在如圖5所示的小型三軸立式機床上。另外，專門設(shè)計開發(fā)了用于輸出控制電流到電磁軸承線圈的電流放大器，當(dāng)電流放大器控制電壓輸入為Vc時，電流放大器分別輸出兩通道電流I0+I和I0-Ic，控制電流與控制電壓之間的放大系數(shù)為1 A/V。dSPACE作為控制器獲取位移反饋信號并輸出控制電壓信號。主軸系統(tǒng)的主要參數(shù)見表2。

2 主軸系統(tǒng)主動阻尼

2.1 主動阻尼原理及阻尼測試

電磁軸承的控制電流采用PD控制來確定

(3)

式中：KP為比例增益；KD為微分增益。

以主軸的x方向為例，當(dāng)在電磁軸承x方向上施加控制電流，考慮電磁力的主軸系統(tǒng)動力學(xué)方程為

(4)

式中：mx，cx，kx分別為主軸x方向上的模態(tài)質(zhì)量、阻尼和剛度。

通過(4)式可以發(fā)現(xiàn)，主軸系統(tǒng)的阻尼增加到cx+kiKD，而通過改變PD控制器參數(shù)中的微分增益KD可以實現(xiàn)主軸系統(tǒng)主動阻尼的施加。同時，由于電磁軸承位移剛度系數(shù)kd遠(yuǎn)小于主軸模態(tài)剛度kx，因此可忽略電磁軸承引入的負(fù)剛度效應(yīng)[7]。

本文通過如圖6所示的錘擊測試試驗獲取主軸系統(tǒng)的頻響函數(shù)(Frequency Response Function,FRF)。首先對無主動阻尼作用下的主軸系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù)進(jìn)行辨識，測試過程中，利用力錘(PCB 086C03)錘擊刀具前端，通過電渦流位移傳感器獲取其振動響應(yīng)。所辨識的主軸系統(tǒng)動態(tài)特性參數(shù)見表3，獲取刀尖點的頻響函數(shù)及擬合結(jié)果如圖7所示。

圖6 主動式主軸系統(tǒng)的錘擊測試

表3 主軸系統(tǒng)動態(tài)特性參數(shù)

利用錘擊試驗對所開發(fā)的主動式主軸系統(tǒng)的主動阻尼效果進(jìn)行試驗驗證，設(shè)置比例增益KP為0，測試不同KD下的主動阻尼效果。主軸在x方向上的主動阻尼試驗測試結(jié)果如圖8所示，可以發(fā)現(xiàn)主軸系統(tǒng)在一階固有頻率處KD越大主動阻尼效果越好，當(dāng)KD=18時，其阻尼約為不施加主動阻尼(KD=0)時的3.5倍；但試驗中也發(fā)現(xiàn)，KD過大時，噪聲引起的干擾不可忽略。

圖8 主動阻尼試驗測試結(jié)果

2.2 切削加工主動阻尼試驗

本文開展了基于主動阻尼的銑削顫振抑制試驗。銑削顫振作為一種自激振動，嚴(yán)重影響工件表面的加工質(zhì)量，通過增加系統(tǒng)的阻尼可以有助于顫振的抑制[11]。試驗過程中，當(dāng)施加主動阻尼作用時，電磁軸承x和y方向上的微分增益均設(shè)置為KD=18；螺旋銑刀齒數(shù)為3，直徑為7 mm，懸伸為35 mm，工件材料為AL6061；槽銑時，軸向切削深度2 mm，主軸轉(zhuǎn)速7 200 r/min，進(jìn)給速度60 mm/min，切削長度100 mm；切削過程中，由于傳感器安裝誤差以及穩(wěn)定周期激勵會導(dǎo)致位移信號中存在大量的周期諧頻成分，采用自適應(yīng)濾波方法對信號進(jìn)行在線濾波[13]，同時引入低通濾波器(0～1 500 Hz)；初始切削情況下無主動阻尼，50 s時施加主動阻尼。

無主動阻尼以及施加主動阻尼后的銑削試驗結(jié)果如圖9所示，可以看到當(dāng)施加主動阻尼后，工件表面顫振引起的振紋消失，位移信號幅值有所下降，對比其信號頻譜也發(fā)現(xiàn)顫振被有效抑制。

(a)工件加工表面

3 主軸動態(tài)特性的主動感知

高速主軸系統(tǒng)不同轉(zhuǎn)速下的動態(tài)特性具有明顯的非線性，但目前仍缺少有效的感知手段。此外，已有研究表明，主軸系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù)可以用于主軸健康狀態(tài)的表征[14]。本節(jié)利用電磁軸承作為主軸旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的非接觸加載單元施加掃頻激勵，利用內(nèi)置電渦流位移傳感器獲取主軸位移響應(yīng)，進(jìn)而實現(xiàn)主軸系統(tǒng)不同轉(zhuǎn)速下固有頻率的主動感知測試，掃頻測試示意圖如圖10所示。

圖10 主動式主軸系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)工況下掃頻測試示意圖

基于所開發(fā)的主軸系統(tǒng)，利用上述掃頻測試流程，對不同轉(zhuǎn)速下的主軸系統(tǒng)進(jìn)行自我在線測試。掃頻信號幅值1 V，范圍0～1 200 Hz，位移信號采樣頻率4 096 Hz。主軸轉(zhuǎn)速12 000 r/min時獲取的位移響應(yīng)頻譜如圖11所示，對信號進(jìn)行濾波發(fā)現(xiàn)一階固有頻率約為930 Hz。主軸系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下主動測試得到的固有頻率如圖12所示，隨主軸轉(zhuǎn)速增加，主軸系統(tǒng)的固有頻率有顯著下降的趨勢，表明通過所開發(fā)的主動式主軸系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自身動態(tài)特性的主動感知。

圖11 主軸轉(zhuǎn)速12 000 r/min時獲取的位移響應(yīng)頻譜

圖12 不同轉(zhuǎn)速下一階固有頻率主動感知結(jié)果

4 結(jié)論

本文充分發(fā)揮電磁軸承在性能調(diào)控及主動感知方面的潛力，提出一種基于電磁軸承混合支承的主動式主軸系統(tǒng)方案，試驗結(jié)果表明：所設(shè)計的主動式主軸系統(tǒng)可實現(xiàn)主動阻尼功能，進(jìn)而抑制加工過程中主軸的振動；可實現(xiàn)主軸任意轉(zhuǎn)速下自身動態(tài)特性的快速自我感知，并發(fā)現(xiàn)了主軸系統(tǒng)的固有頻率在不同轉(zhuǎn)速下的非線性特征。可見，本文所提出的方案能夠用于主軸系統(tǒng)加工穩(wěn)定性分析及自身健康狀態(tài)的評估。