基于相位角控制的电主轴四轴联动抑振方法

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Vibration Suppression Method for Four-axis Electric Spindle Based onPhase-angle ControlyA G Fan(Quzhou Vocational and Technical Colege，Quzhou，Zhejiang 324000，China)Abstract：In order to reduce the main motion vibration problem，it puts forward a set of the method based on con-troling four electric spindle rotational phase.Through the relationship between plane dynamics equation of motion，the ef-fect of diferent phase of the electric spindle four axis linkage of dynamic balanc is analysed and adjusted the four electricspindle diference phase angle。Each spindle phase relationship is derived.The resonance efect is weaken SO as to im-prove the machine running smoothly，improve the accuracy goal for the machine。

Keywords：electric spindle；four-axis linkage；vibration；phase；control电主轴是在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为-体的新技术，电主轴作为-套组件，它包括电主轴本身及其附件：电主轴 、高频 频装置 、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置等。随着变频调速技术、电动机矢量控制技术等的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主传动系统的机械结构已得到极大的简化，基本上取消了带轮传动和齿轮传动。机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的零传动”。这种主轴电动机与机床主轴合二为-”的传动结构形式 ，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成主轴单元”，俗称电主轴”～四根电主轴做成-体机，使用-个驱动器进行控制 ，就构成了四轴联动钻削机构。由于电主轴高速的运转，有的电主轴能达到 15000r/min以上，其微观上的偏心误差都会引起不可忽视的较大振动。但是电主轴自身机构功能 、现有制造技术水平、安装技术水平等多因素影响，完全消除这种振动是不可能的，只能通过科学的系统控制方法--对系统中引起个体振动因素之间以及个体振动因素对引起整体振动影响进行研究与分析 ，得出科学的控制方法，从 而实现机床的平稳运动。

1 电主轴-体机的静平衡相位角关系电主轴四轴联动钻削机床是高速列车摩擦片安装孔钻削收稿 日期 ：2013-04-10基金项目：浙江侍育厅-般项 目(Y201119671)；衢州市科技局- 般项目(20111033)。

作者简介 ：杨帆(1976-)，男，硕士，讲师，主要研究方向：机械制造 ，机电控 制。

专用设备 ，待加工摩擦片设计图如 1所示 ，四根电主轴平面分布尺寸和相互位置关系在设计之前就已经确定的。因此对电主轴进动平衡相位角分析为机床控制提供理论依据。

图1摩擦片四根电主轴角速度随时间变化的规律 c1)：f(t)时，-个周，T期角速度的实际平均值03 可由下式求出0m 1 J todt，通常l J 0的转速是平均转速，也称为额定转速”。从精确控制角度来研究由高速转动机床，平均转速是远远不够的，电主轴分布及其各个瞬态转速以及瞬态位置对于系统整体振动都是有影响的，如图 2所示。

图2四根偏心电主轴位置关系124 湖 南 农 机 2O13年5月为了研究方便 ，着重研究考量各根电主轴质心瞬态位置对振动的影响。首先考虑四个电主轴瞬态静平衡问题。由静平衡工作原理，即m ∑m。；.0，其中m 、；。为原有各质量及其质心的向径，其中 E， F， G， H均为已知条件 m ，in ，in，，安装孔中心对称，四个电主轴-体机位置关系图推导出如下公式：Rl·cos(E)R5·cos(A)R4cos(H)R8"cos(D)R2"cos(F)R6·COS(B)R3·COS(G)R7·COS(C)0 (1)Rl·sin(E)Rvsin(A)R4"sin(H)R8·sin(D)R2-sin(F)R6·sin(B)R3·sin(G)R7·sin(C)0 (2)In.-m1-m2-m3mamo (3)R5R6R7R8r0 (4)RlR2R4Ro≠R3 (5)2 电主轴-体机的动平衡相位角关系由动平衡工作原理可知，在静平衡的前提条件下，相对两个象限的电主轴的质心横纵坐标代数和最小 ，以达到基本动平衡。需要阐明的是 R ，R ，R]，R 远大于 R ，R ，R ，R。，系统设计基本尺寸是-定的，因此代数和为零的可能性是不存在的，只能达到极小值。各个电主轴质点中心坐标为 M。(R COS(E)R5COS(A)，Rlsin(E)R5sin(A))，M2(R：cos(F)R6cos(B)，R2sin(F)R6sin(B))，M3(R4cos(H)Rscos(D)，-R4sin(H)-R8sin(D))，M (R3cos(G)R COS(C)，-R sin(G)-R sin(C))，满足下列约束公式，即：(R。COS(E)R COS(A)Rl1cos(G)Ros(C)) ：O (1)(R。sin(E)R sin(A)-R3sin(G)-R7sin(C)) 0 (2)(R2cos(F)R6cos(B)R4cos(H)R8COS(D)) ：0 (3)(R2sin(F)Rsin(B)-R4sin(H)-Rssin(D)) 0 (4)3 相位角控制与振动抑制通过上面分析和科学计算，得出四根电主轴平面位置以及基于静、动平衡满足的相位角度关系。四根电主轴均采用精确控制的步进电机，如图 3所示，通过横、纵向传感器实时监测横、纵向振动频率的强弱，进而根据上述相位角度关系以及约束条件进行控制各根电主轴转动的相位角，以达到降低振动，提高机床运行平稳性要求 ，如图4所示。

R C相3 - n - 厂 - 、 Pl 2 -. - 1 l - - 8031- L 昌805l. 臣 8751 E 喜 2 Pl11 。- - 旦 相M1 L、- 1 P1 O - 图 3步进电机控制图4 结语图4电主轴四轴联钻主机虚拟样机根据电主轴高速旋转空间运动过程中达到在静平衡与动平衡的相位关系，求解出数学模型与控制算法，通过单片机控制各个电主轴的电气参数，重新建立起电主轴四轴联动系统的静平衡与动平衡，从而达到抑制电主轴四轴联动钻床的振动问题，能够达到提高机床的稳定性和加工精度问题。根据高速转动振动波的方向不同，提出-套同向相长，反向相消”的抑制四轴机械振动的方法，从而证实所提出的基于控制相位角以及达到抑制机床加工振动方法是有效可行的。