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预紧力可控电主轴控制系统研究 硕士研究生： 指导老师： 摘要 王伟 蒋书运( 教授) 新一代高速电主轴的工况特点是低速大转矩和高速大功率。粗加工时，切削速度低、但切削量 大，刀具切削激振力大，要求电主轴输出大转矩，此时电主轴要求有较大的预紧力，以增大支承刚 度和支承阻尼；精加工时，切削速度高、但切削量小，要求电主轴输出大功率，由于滚动轴承随转 速的升高，其温度将大幅度攀升，因此希望在满足主轴系统动力学特性要求的前提下，尽量降低轴 承的预紧力。本文在国家自然科学基金项目“最佳预紧力电主轴振动控制技术研究”( 5 0 4 7 5 0 7 3 ) 的基础上，着重研究了以下内容： 设计了预紧力可控的实验主轴和由液压系统驱动的主轴预紧力加载装置，并分析了该加载装置 的性能。通过设计测试软件，得出了该装置的摩擦特性。分析了比例电磁阀的电流一压力特性，结合 上位机软件建立了实验主轴的预紧力开环控制系统。 建立了包括测速传感器、单片机、功率放大器、比例电磁阀和预紧力作动器的主轴预紧力控制 硬件系统。该系统利用压力传感器反馈系统压力并采用数字增量式p i d 控制算法实现了主轴预紧力 的闭环控制，并对控制系统的性能进行了分析。开发了以p w m 方式驱动的比例电磁阀的开关型功 率放大器，实验表明该开关功放线性度较好，能都满足控制系统需要。 开发了基于p c 的控制软件。该软件既能向硬件系统输入预紧力控制策略，又能通过硬件系统 测试不同预紧力和转速下的主轴温度和轴端位移量。因此，该系统既能根据主轴转速施加相应的预 紧力，又能够根据实验结果确定预紧力的最佳值。 关键词：电主轴，预紧力控制，开关功放，比例电磁阀，m c u ，p w m ，p i d a b s m l e t r e s e a r c ho nt h ep r e l o a dc o n t r o l s y s t e mo fm o t o r i z e ds p i n d l e m a s t e rc a n d i d a t e ：w a n gw e i s u p e r v i s o r ：p r o f j i a n gs h u - y u n s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t t h en e wt r e n do f o p e r a t i n gc o n d i t i o no f m o t o r i z e ds p i n d l ei sh i g ht o r q u ea tl o ws p e e da n dh i g hp o w e r a th i g l ls p e e d i nr o u g hm a c h i n i n gw i t hl o wc u t t i n gs p e e d , b i gc u t t i n gq u a n t i t ya n dh e a v yc u t t i n gf o r c e , t h es p i n d l en e e d sh e a v i e rp r e l o a df o rh i g ht o r q u et oi n c r e a s er i g i d i t ya n dd a m p i n g i nf i n i s hm a c h i n i n gw i t h h i g he u n i n gs p e e da n ds m a l lc u t t i n gq u a n t i t y , t h es p i n d l eo u t p u t sh i g ht o r q u e t h et e m p e r a t u r eo fr o l l i n g b e a r i n gi si n c r e a s e dr a p i d l yw i t ht h er a i s e ds p i n d l es p e e d ，s o ，i ti sp r e f e r r e dt h a tt h er o l l i n gb e a r i n gh a sa l o w e rp r e l o a dw i t l lt h ec o n s t a n to ft h es p i n d l ed y n a m i cq u a l i t y b a s e do l lt h ep r o j e c to f r e s e a r c ho n v i b r a t i o nc o n t r o lo f t h eo p t i m u mp r e l o a dt om o t o r i z e ds p i n d l e t h ef o l l o w i n gw e r es t u d i e di nt h i sp a p e r t h ee x p e r i m e n ts p i n d l ew h i c hp r e l o a dc o u l db ec o n t r o l l e dw a si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r , a n dt h ep r e l o a d c e l lw h i c hw a sd r i v e nb yah y d r a u l i cs y s t e mw a sd e s i g n e d , t h ea n a l y s i so f t h ep e r f o r m a n c eo f t h ep r e l o a d c e l lw a sp r e s e n t e d t h ef i c t i o nc h a r a c t e r i s t i co f t h ep r e l o a dc e l lw a sg i v e nb yt h eu o f t h et e s ts o f t w a r e t h ec u t r e i i t - p r e s s t t r ec h a r a c t e r i s t i co f t h ep r o p o r t i o n a ls o l e n o i dv a l v ew a ss t u d i e da n dt h eo p e n - l o o pc o n t r o l s y s t e mo f t h ee x p e r i m e n ts p i n d l ew a sd e s i g n e d t h ep r e l o a dc o n t r o ls y s t e mi n c l u d i n gs p e e d 辩n s o m c u ，p o w e ra m p l i f i e r , p r o p o r t i o n a ls o l e n o i dv a l v e a n dp r e l o a dc e l li sg i v e n t h ep r e s 瓣s e n s o rw a su s e dt of e e db a c kt h ep r e s s u r eo f t h eh y d r a u l i cs y s t e m , a n dt h ed i g i t a li n c r e m e n t a lm o d ep i da l g o r i t h mi si m p l e m e n t e ab yt h ep r e l o a dc o n t r o ls y s t e mt oc o n t r o l t h ep r e l o a do ft h ee x p e r i m e n ts p i n d l e t h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o n t r o ls y s t e mw a ss t u d i e d t h es w i t c h p o w e ra m p l i f i e rf o rp r o p o r t i o n a ls o l e n o i dv a l v e w a sd e s i g n e dw h i c hw i l l sd r i v e nb yp w m t h et e s t e x p e r i m e n tg i v e so u tt h a tt h el i n e a r i t yo f t h ep o w e ra m p l i f i e rw a ss a t i s f y i n g t h ec o n t r o ls o f t w a r ei np cw a sd e v e l o p e dw h i c hs e n df i l ep r c l o a dc o n t r o la l g o r i t h mt ot h eh a r d w a r e s y s t e ma n dt e s tt h et e m p e r a t u r ea n dt h ed i s t a n c eo ft h ee x p e r i m e n ts p i n d l e t h u st h es y s t e mc a nn o to n l y g i v et h ep r e l o a dv a l u ea c c o r d i n gt ot h es p i n d l e $ 1 3 db u ta l s ot e s tt h eo p t i m i s t i cp r e l o a dv a l u eo fs p i n d l e t h r o u g l af t s e r i e so f e x l - r i m e n t s i 研w o r d s ：m o t o r i z e ds p i n d l e ，p r c l o a d c o n t r o l ，s w i t c h i n g p o w e r a m p l i f i e r , p r o p o r t i o n a ls o l e n o i d v a l v e m c u ，p w m ，p i d 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 现代机械制造工业朝着高精度、高速度、高效率的方向飞速发展。高速加工技术已经在航空航 天、汽车与摩托车、模具制造、轻工与电子工业和其他制造业获得越来越广泛的应用。高速高精度 数控机床是实现高速加工的关键因素，而作为高性能机床核心部件的高速主轴的性能指标将直接决 定高速机床的使性能。传统机床主轴是由电机通过中间变速和传动装置驱动主轴旋转而工作的，随 着主轴转速的提高，传统的齿轮、皮带增速主系统由于固有的振动、噪声、惯性大等原因已经不能 满足高速加工机床的要求。 电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪音低、响应快等优点，可以减少齿轮传动， 简化机床外形设计，易于实现主轴定位，并可改善机床的动平衡，避免振动、污染和噪声，是高速 主轴单元中的一种理想结构“，与传统主轴相比，它具有一下特点 3 - 5 1 ： ( 1 ) 主轴由内装式电机直接驱动，省去了皮带、齿轮、联轴器等中间变速和传动装置，具有结构 简单紧凑、效率高、噪声低、振动小和精度高等特点。 ( 2 ) 由于没有中间传动环节，电主轴工作时运行更加平稳，没有外来冲击，主轴轴承承受的动负 荷较小，延长了其精度寿命。 ( 3 ) 利用交流变频技术，电主轴可以在额定转速范围内实现无级变速，以适应机床工作时各种工 况和负载变化的需要。 ( 4 ) 利用内装电机的闭环矢量控制、伺服控制技术，不仅可以满足机床低速重切削时大转矩、而 且可以满足高速精加工时大功率的要求。 电主轴采用的支承方式一般有磁浮轴承、动静压轴承和陶瓷轴承，陶瓷轴承也称为混合陶瓷轴 承，其轴承内外圈仍然为钢制结构，轴承滚子采用氮化硅陶瓷。陶瓷轴承因其结构简单，成本低， 刚度大，高速性好，无需专门维护，当今后相当长一段时间里，仍然是电主轴的主流支承方式r e - t 。 角接触陶瓷球轴承一般必须在轴向有预加载荷条件下才能正常工作。预加载荷不仅可消除轴承 的轴向游隙，还可以提高轴承刚度、主轴的旋转精度，抑制振动和钢球自转时的打滑现象等【8 】。一 般说来，预加载荷越大，提高刚度和旋转精度的效果就越好。但是另一方面，预加载荷越大，温升 就越高，可能造成烧伤，从而降低使用寿命，甚至不能正常工作。 对转速不太高和变速范围比较小的电主轴，一般可以采用刚性预加载荷，即利用内外隔圈或轴 承内外环的宽度尺寸差来施加预加载荷。这种方式虽然简单，但当轴系零件发热而使长度尺寸变化 时，预加载荷大小也会相应发生变化。当转速较高和变速范围较大时，为了使预加载荷的大小少受 温度或速度的影响，应采用弹性预加载荷装置，即用适当的弹簧来预加载荷。以上两种方法，在电主 轴装配完成以后，其预加载荷大小就无法改变和调整【9 l 。 目前传统型电主轴采用的定压预紧方式是兼顾低速大转矩和高速大功率两方面因素而综合确定 的，它明显的缺点是：对于低速段，预紧力偏小，系统抵抗受追振动与自激振动能力较弱，往往表 现出工件已3 n t 表面残留的振纹较大；对于高速段，预紧力又偏大，轴承温升偏高，制约了电主轴 高速化，缩短了轴承的使用寿命，降低了电主轴回转精度。 而新一代高速电主轴的工况特点是低速大转矩和高速大功率【l 田。粗加工时，切削速度低、但切 削量大，刀具切削激振力大，希望电主轴能够输出大的转矩，此时电主轴系统要求有较大的预紧力， 以增大支承刚度和支承阻尼来抵抗较大的激振力带来的受迫振动和由于工件切削过程有可能导致自 激振动。精加工时，切削速度比较高、但切削量小，这时就要求电主轴维持大功率输出。由于滚动 轴承随转速的升高，其温度将大幅度攀升，因此在满足主轴动力学特性要求的前提下，要尽量降低 轴承的预紧力以减少轴承磨损，延长主轴寿命。 虽然对轴承施加预紧力有许多好处，但预紧力的大小却对轴承的动态性能有着极为重要的影 响。预紧力过大，虽然可以获得较高的轴向刚度及抗卸载能力，但却使轴承的摩擦力矩陡增，影响 轴承寿命。预紧力过小，虽然摩擦力矩小了，但轴向刚度也同时减小，在较大的加速度作用下容易 发生卸载，出现间隙。因此正确地选择预紧力的大小要综合各方面的因素。国外一些电主轴公司采 用可调整预加载荷的装置。在最高转速时，其预加载荷值由弹簧力确定，当转速较低时，按不同的 转速，通以不同压力值的油压或气压，作用于活塞上而加大预加载荷，以便达到与转速相适应的最 佳预加载荷值。 东南大学硕士学位论文 1 2 国内研究现状 国内的电主轴研究始于2 0 世纪6 0 年代，主要用于零件内表面磨削。这种电主轴功率低、刚度 小且采用无内圈式向心推力球轴承限制了高速电主轴的生产社会化和商品化。2 0 世纪7 0 年代后期 至8 0 年代，随着高速主轴轴承的开发，研制了高刚度的高速电主轴，它被广泛应用于各种内圆磨床 和各机械制造领域。在2 0 世纪8 0 年代末以后，由磨削用电主轴转向铣削用电主轴，它能加工各种 形体复杂的模具，而且效率大大提高。风冷式高速铣削用电主轴推动了高速电主轴在铣削中的应用。 此外，食品工业的固体饮料、染化工业的染料、医药工业的药品等粉状和粒状物质均需用高速离心 干燥设备来生产，而高速离心干燥设备也需要高速电主轴技术。另外电主轴的应用促进了我国有色 管材精密冷成型技术的发展。高精度硅片切割机用电主轴，促进了电子工业设备的更新和进步。利 用高速电主轴的优良性能还可开发多种高性能试验机。 目前国内研究高速电主轴的科研机构有我国河南省洛阳轴承研究所，他们能自行研究开发电主 轴，其d m n 值达到了很高的水平。广州钜联高速电主轴有限公司研发的大功率静压轴承电主轴曾获 得日内瓦国际专利技术博览会金奖。广东工业大学高速加工和机床研究所也开发了数控铣床高速电 主轴。但是与国外相比国内电主轴在最大扭矩、最高转速、润滑、预紧力调节等方面仍然具有较大 的技术差距】。 1 3 国外研究现状 国外高速电主轴技术由于研究较早，虽然最开始是内圆磨床，但由于电主轴技术发展较快，其 技术水平已经处于领先地位，并且随着变频技术及数字技术的发展日趋完善，逐步形成了一系列标 准产品，高速电主轴在机床行业和工业制造业中普遍应用。 2 0 世纪8 0 年代，随着数控机床和高速切削技术的发展和需要，逐渐将电主轴技术应用于加工 中心数控铣床等高档数控机床，成为近年来机床技术所取得的重大成就。目前，采用电主轴技术的 数控机床越来越多电主轴已成为现代数控机床最热门的主要功能部件之一，世界上形成许多著名机 床电主轴功能部件专业制造商，它们生产的电主轴功能部件已经系列化，如瑞士的i b a g 和德国的 g m n ，s i e m e n s 和意大利的c a m f i o r 等。它们的技术水平代表了这个领域的世界先进水平，具 有功率大、转速高、采用高速高刚度轴承、精密加工与精密装配工艺水平高和配套控制系统水平高 等特点【1 2 l 。 国外高性能的电主轴都一般都采用混合陶瓷轴承，耐磨耐热，而且性能是传统轴承的好几倍【l “。 国产电主轴和国外产品相比较，无论是性能、品种和质量都有较大差距，国产电主轴产品和国外的相比 较，主要存在以下差距： ( 1 ) 在高转速方面，国外用于加工中心的电主轴转速已达7 5 0 0 0 r m i n ，我国则多在1 5 0 0 0 r m i n 以 内。 ( 2 ) 国外电主轴低速段的输出扭矩最大可达3 0 0 n m ，而我国目前仅在1 0 0 n m 以内。 ( 3 ) 电主轴的轴承润滑，国外普遍采用多种润滑方式。既可以油脂润滑也可以选择使用油气润 滑。而我国仍使用油脂润滑。 ( 4 ) 国外高性能的电主轴通常都可以搭配预紧力控制部件，来适应不同的切削状态。而国内产 品则比较少见。 ( 5 ) 其他配套技术也有较大差距，如主轴电机矢量控制、流伺服控制技术，精确定向技术，快速 启动、停止等。 ( 6 ) 在产品的品种、规格、数量和制造规模等方面，国产电主轴仍然处于小量研发试制阶段，投 有形成系列化、专业化，远不能满足国内数控机床和加工中心发展的需求。 1 4 预紧控制的研究现状 对干预紧力控制器的研究，近年来国外学者已进行了不少的理论分析和实验研制。从控制器的 控制形式来分可分为两种。一种是从改变轴承结构的观点出发，设计特种轴承，特种轴承控制预紧 力十分有效，操作方便，但由于轴承既作为主轴的回转支承部件，又是预紧力控制的执行部件，在 轴承出现正常或非正常的磨损和疲劳破坏时，更换轴承就要重新调整整个控制系统，这给用户的维 修带来很大的不便。而且，特种轴承制造复杂、标准化、通用性程度不高，价格昂贵，大大限制了 其使用范围。另一种是采用预紧力补偿原理来实现，独立制作预紧力补偿装置i l ”。有学者提出采用 压电装置通过给压电装置施加高电压，利用其产生的位移来为轴承施加预紧力，这种结构可以施加 2 第一章绪论 非常高的预紧力，但是输出的位移却非常有限。而且系统采用高压对主轴的绝缘和轴承的性能提出 了更高的要求，而且驱动压电装置所需的高压一般也不容易满足。通过液压系统改变主轴预紧力已 经应用到了实际产品中。如德国g m n 公司生产的电主轴可以根据客户需要搭配利用液压系统改变 主轴预紧力的部件。 研究者建立电主轴转子一轴承系统动力学模型，并重点讨论轴承预紧力对主轴动力学性能的影 响。例如：a l f a r e s 等根据单刚体动力学理论建立了电主轴的五自由度运动微分方程，着重研究了滚 动轴承初始预紧力对电主轴动力学性能影响。研究表明：随着初始预紧力的增大，主轴的振动量有 所减小，工件的加工精度较高，但在预紧力大到一定程度后，主轴的振动将不再明显降低。这一 分析方法可用来优化计算轴承的初始预紧力。在此之前，他们用具有不同磨损平面面积的砂轮做磨 削试验，来模拟磨削时的磨削力大小，着重讨论了磨削力与工件材料对主轴系统动力学性能的影响 0 5 1 。 j o r 湖等提出主轴一轴承动力学联立动力学模型，用滚动轴承分析理论计算了在轴向预紧力 下轴承刚度随自转速度变化的非线性变化，并利用影响系数法建立了主轴动力学方程，完成了切削 力、刀具质量、主轴转速等因素对i i 缶界转速与动态特性影响研究【1 6 1 。英国威尔士大学的a i s h a r e e f 和j a b r a n d o n 利用影响系数法分析了主轴系统，并考虑了工件质量所起的作用；分析了附加粘滞阻 尼对主轴各阶临界转速下主振型及其附近不平衡响应的影响1 1 7 1 s p i e w a r k 等研究了基于轴向预紧力 估计的机床主轴振动分析i l ”。j e n q s h y o n gc h e n 等人设计了压电装置作为主轴预紧力加载单元和相 应的控制系统，并进行了切削实验【1 9 1 。 邓四二从高速磨削电主轴不发生共振，轴承的工作寿命最长的角度建立预紧力的分析方法口”。 c h i - w e il i n 等研究在超高速情况下电主轴的动力学特性，具体包括轴承预紧力对轴承刚度与主轴动 力学的影响；高转速对轴承球离心力、陀螺力矩，进而对主轴整机动力学的影响；主轴系统对切削 点的动力学响应的灵敏度问题1 。n l y n a g h 等从轴承滚道波纹度与滚子球径误差方面着手研究了滚 动轴承导致的高速精密主轴的振动问题1 2 2 a m s h a r a n 对车床的主轴的自由振动特性进行了分析， 着重对各种不同的轴端负载特性进行分类和研究，考虑了轴承刚度的影响，计算了无阻尼情况下的 固有频率及其振型，最终和试验结果进行对比1 2 3 】。w r w a n g 和c n c h a n g 研究了角接触球轴承的径 向和角向刚度和阻尼对主轴系统的影响，发现角向的刚度和阻尼对系统的高阶模态有很大的影响口】。 1 5 论文工作的提出 目前国内外学者已经对轴承的预紧力进行了大量的理论分析，但是由于机床主轴轴承最佳预紧 力与轴承的转速、温升、负荷、主轴变形、轴承寿命、润滑条件等多种因素有关。仅仅通过理论分 析并不能得到满意的结果搿】。因此要确定轴承的最佳预紧力，就得在理论分析的基础上进行大量的 实验，通过分析实验结果得出预紧力的最佳加载规律是一种较为可行的方法。 要使电主轴既能在低速大转矩的工况下工作，又能适应高速大功率的工作场合，那么电主轴的 预紧力应该是能够根据转速的变化来自动调节的，从而适应不同的切削状态。结合目前国内外机床 主轴系统研究现状，以及当前预紧力控制技术的发展方向，本论文从实际出发建立了一套独立完整 的预紧力控制系统。该系统能够适应电主轴在不同工况下加载预紧力的需要，实现快速、全自动检 测轴承温度、主轴转速、主轴端跳等参数并输出结果。一方面该系统可以作为预紧力加载系统，能 够根据系统预先输入的主轴预紧力和转速的对应关系调节主轴在不同转速下的预紧力。另一方面该 系统被设计为可以根据不同的实验结果修正预紧力和转速的理论对应关系，最终确定主轴在不同转 速下的最佳预紧力。 该系统包括测速传感器、单片机、功率放大器、比例电磁阀和预紧力作动器。预紧力通过液压 系统加载，通过比例电磁阀调节得到不同的系统压力，进而通过预紧力加载机构得到不同的预紧力。 开发了以p w m 方式驱动的比例电磁阀的开关型功率放大器，实验表明，该开关功放线性度较好，能 都满足系统需要。开发了基于p c 的控制软件既可以按照规律控制主轴预紧力又可以通过实验方法确 定主轴轴承的最佳预紧力。 1 6 论文的内容安排 第一章、介绍了电主轴预紧力控制的研究现状，以及本论文的内容安排。 第二章、 设计了实验主轴的预紧力加载装置和相应的液压控制系统，分析了控制系统的性能和控 制方法。 3 东南大学硕士学位论文 第三章、 第四章、 第五章、 建立了以p 8 9 v 5 1 r b 2 单片机为核心的预紧力控制硬件系统，设计了以p 删方式驱动的比 例电磁阀的功率放大器，并对其性能进行了评估。 开发了基于v c + + 语言的上位机控制软件，并对其功能进行了详细介绍。 总结论文的工作成果，并说明了今后要研究的工作。 4 第二章电主轴预紧力控制系统分析 第二章电主轴预紧力控制系统分析 2 1 概述 本论文的主要目的是设计一个电主轴预紧力控制系统实现不同转速下的预紧力可调。与电主轴 相比，普通机床主轴除了需要外置电机驱动外，结构相近，预紧方式也相同。电主轴由于造价比较 高，结构相对复杂，制造周期较长。因此，本论文采用普通机床主轴作为试验主轴。为了能使主轴 高速运转利用电主轴来驱动此主轴口7 一。图2 - 1 为预紧力控制试验台的示意图。 厂棘瞄勰黼懈 图2 1 预紧力可控主轴示意图 该主轴前轴承为7 0 1 5 ，后轴承为7 0 1 2 。前后轴承跨距保持为2 5 6 2 5 r a m ，通过与之相连的液压 系统来控制主轴的预紧力。工作时，由驱动电主轴驱动试验主轴旋转，测速传感器得到当前转速并 通过控制系统输出相应的电信号来功率放大器驱动比例电磁阀调整在该转速下主轴一轴承系统的预 紧力。温度传感器用来测量该工况下轴承的温升。主轴前端部加不平衡质量模拟切削工况，由位移 传感器检测轴端位移以此获得主轴系统的动刚度。 通过对该主轴的动态特性进行分析得出了在温度限制下主轴转速和预紧力的对应关系，该对应 关系在系统运行前先输入到上位机的监控软件中，然后系统就按照此规则实现不同转速下预紧力的 调节。该实验主轴动态特性的分析和热态特性的分析见附录a 。 2 2 预紧力加载装置 本文的目标是控制电主轴在不同工况下的预紧力，使得电主轴在低速切削时输大的转矩和高速 切削时输出大的功率，从而使得主轴预紧力达到全局最优化。因此设计合理的主轴轴承预紧力作动 器对实现整个系统的功能非常重要。 通常预紧力作动器按照原理来划分可以分成两类： 一是从改变轴承结构的观点出发，使用特种轴承。特种轴承控制预紧力十分有效，操作方便， 但是由于轴承既作为主轴的回转支承部件，又是预紧力控制的执行部件，在轴承出现异常或不正常 的磨损和疲劳磨损时，更换轴承势必要重新调整整个控制系统，这将给用户的维修带来很大的不便。 此外，特种轴承制造复杂、标准化、通用性程度不高，价格昂贵，大大限制了这种轴承的使用范围。 另一类形式是采用预紧力补偿原理来实现，独立制作预紧力补偿装置。即把预紧力控制机构和 主轴支承部件分离。比如有学者提出采用压电装置通过给压电装置施加高电压，利用其产生的位移 来为轴承施加预紧力，这种结构可以施加非常高的预紧力，但是对主轴的绝缘和轴承的性能提出了 更高的要求，而且驱动压电装置所需的高压也不容易满足，而且压电装置一般都很难输出大的位移 量，不能满足实际预紧需要。也有研究指出可以采用液压系统为主轴施加预紧力，而且国外高性能 的电主轴也有液压机构提供预紧力调节的选配部件。 5 东南大学硕士学位论文 2 2 1 预紧力作动器的设计 综合考虑以上因素本文设计了独立的预紧力补偿机构，该结构采用弹簧和液压系统共同预紧， 采用液压系统提供预紧力比较容易实现，而且在实际电主轴中此液压系统可以和主轴的液压松拉刀 机构相连而不需要增加额外的装置，便于电主轴的模块化设计。此预紧力加载机构如图2 2 所示。 整个预紧力控制系统实物图如图2 - 3 所示。 液压油 油腔 预紧弹簧 图2 - 2 预紧力加载装置示意图 图2 - 3 预紧力控制系统实物图 由图可见，该机构实际上是一个轴承套筒。轴承的初始预紧力由预紧弹簧来实现，工作时轴承 的预紧力的调节是由液压站的液压油通过进油口作用在轴承座上来实现的，轴承座与主轴外壳有油 腔，在轴承座上油腔左右均有o 型橡胶密封圈来防止液压油的泄漏，本系统的液压值小于1 0 m p a ， 因此可选用o 型密封圈，o 型密封圈具有良好的密封性能，在液压系统中得到广泛应用。本实验台 计算预紧力调节范围为1 0 0 0 n 一1 0 0 0 0 n ，液压作用面积为1 8 7 1 0 4 t n 2 ，油压 p = 0 5 3 4 m p a 5 3 4 m p a ，因此可以用。型密封圈进行密封。 6 第二章电主轴预紧力控制系统分析 2 2 2 预紧力作动器的工作原理 系统的工作原理为：液压油站提供系统的初始压力，通过相应的控制系统调节比例电磁阀阀芯 的开度，从而改变液压系统的压力，最终在主轴轴承上施加不同的轴向预紧力。因此完整的预紧力 加载系统包括预紧力作动器、液压油站和比例电磁阀组成的液压系统、控制系统。 2 2 3 液压系统设计 由于预紧力作动器是利用液压油缸来实现预紧力的加载的，所以必须有一套性能良好的液压系 统来保证所需要的精度和动态特性。本实验台采用一个单回路的液压系统，结构如图2 - 4 所示。液 压缸的出口压力经比例电磁阀调节后得到不同的压力值，从而通过预紧力加载机构为系统提供所需 要的预紧力值刚。 图2 - 4 液压系统示意图 l 一过滤器；2 - - 定量泵；3 - - 溢出阀；4 - - 单向阀；5 一减压阀； 6 - - 比例溢流阀；7 一蓄能器 8 - - 压力表；9 - - 液压缸 系统工作时通过比例电磁阀得到实际所需要的压力，使所输出的油液的压力参数随输入电信号 参数的变化而成比例变化，具体的压力参数随速度变化而变化的大小由控制系统来调节，主轴转速 信号由测速传感器得到并经过控制系统对速度信号进行处理最终转化为比例电磁阀的电流信号来控 制输出油压。为了保证压力的稳定，在回路中需要加入一个蓄能器，可以减少泄漏造成的压力突降。 而且在设计中加入了一个压力传感器安装口用于实现系统压力的闭环控制p j 。 2 3 预紧力开环控制系统 本项研究设计的预紧力控制实验台主要是通过比例电磁阀控制液压系统的压力。最终通过轴承 套筒对主轴轴承施加预紧力。比例控制的原理主要是由输入电流的变化来控制比例电磁铁以此产生 电磁力的变化使阀口间隙变化从而使系统压力变化，系统使用的比例电磁阀为常开型，即未输入电 流时，系统压力为最小值，当输入电流逐渐变大时，系统压力也逐渐变大。实验台使用的e d g 0 1 - b 型比例电磁阀的调压范围为0 5 m p a 7 o m p a ，液压作用面积为1 8 7 l o - 3 m 2 。 但是由于套筒使用的是o 型密封圈，所以随着系统压力的上升，套筒的摩擦力也会相应变大， 因此实际加到轴承上的预紧力要小于液压系统液压作用面积上的压力值。其大小为液压作用力与套 筒摩擦力的差值。 由此可见，要通过该系统控制主轴的预紧力，必须先确定套筒的摩擦特性，即套筒摩擦力和系 统压力的关系，然后才能根据相应的系统压力换算出预紧力。系统压力是由比例电磁阀控制的。 2 3 1 套筒摩擦力 通常。型橡胶密封圈的摩擦特性为：摩擦力随着压力的上升而上升，二者近似成线性关系1 3 0 1 7 东南大学硕士学位论文 因此本文设计了如图2 - 3 中所示的摩擦力测试机构。在套筒的一侧安装压力传感器，然后改变系统 的压力，通过压力传感器测得在不同系统压力下对应的压力值，二者之差即为相应系统压力下的摩 擦力。 系统采用的c l , - y d - 3 0 2 型压力传感器受力上限为5 0 0 0 n ，而比例电磁阀的调压范围为 o 5 m p a 7 o m p a ，所以测试中系统压力在o 5 m p a 3 5 m p a 之间取值，这样压力就不会超过传感器 的受力上限，不会损坏传感器。测试结果如表2 1 所示： 表2 1 压力一摩擦力测试数据 压力p ( m p a ) 1 01 52 02 53 0 液压作用力f i ( n ) 1 8 7 02 8 0 53 7 4 04 6 7 55 6 1 0 预紧力f 2 ( n ) 1 6 9 22 3 3 22 9 8 93 6 2 14 1 5 8 摩擦力f ( n ) 1 7 84 7 37 5 11 0 5 4 1 4 5 2 表中f l 为液压作用力，f 2 为压力传感器测到的力，伪套筒内外圈之间由o 型密封圈引起的痒擦 力，其关系如图2 - 4 所示。方块1 表示套筒内圈，方块2 表示压力传感器。 f 乳 、。 一 _ - - 1f 2 一 t至i 7 | 图2 _ 4 压力一摩擦力顶紧力的关系 摩擦力卿压力p 的关系曲线图3 5 所示，由图可以看出，套筒摩擦力琊输入压力p 近似成线形关 系。采用最小二乘法进行线性拟和，得到拟和公式： y = 6 2 5 8 x 一4 7 0( 3 1 ) 式中y 为摩擦力，单位为n ；x 为输入压力，单位为i t v l p a 。在实际工作时，通过套筒施加在轴 承上的预紧力f 2 为液压系统作用在套筒上的压力减去套筒内外圈之间的摩擦力得到。 z 、， r 撩 糖 艇力( m p a ) 8 第二章电主轴预紧力控制系统分析 z v r 篝 鳖 图2 - 5 压力摩擦力测试曲线 压力( m p a ) 图2 - 6 压力一摩擦力拟和曲线 2 3 3 比例电磁阀 比例电磁阀是一种根据输入的电流信号，连续地按比例改变系统压力的液压元件。比例电磁阀 要搭配相应的功率放大器才能工作。比例电磁阀内部阀门由一个比例电磁铁控制，当比例电磁铁线 圈的两端加上一定电压时，电磁铁线圈中就产生一定的电流，驱动阀芯开启，阀芯上的电磁力和弹 簧弹力平衡后，阀门的开度保持不变，从而使系统保持一定的压力值，输入信号变化时，阀门的开 度也发生变化，从而达到控制系统压力的目的。比例电磁阀的实物图如图2 7 所示。 比例电磁阀在上世纪6 0 年代末就已经得到了应用，最初是用于液压控制系统。在比例电磁阀出 现之前，液压控制系统的控制元件主要是伺服阀，但伺服阀结构复杂、价格高，导致液压控制系统 的成本上升。比例电磁阀和控制器组成的控制系统具有成本低、结构简单等优点。目前在液压控制 系统中得到较广泛的应用”。 比例电磁阀是整个控制系统的核心部件，系统控制预紧力是通过控制器控制功放向比例电磁阔 输入不同的电流，从而得到不同的压力。其输入电流和输出压力近似成线性关系。输入电流小于5 0 m a 时，电磁阀阀芯位置并不变化，这一段称为“死区”，只有当输入电流大于5 0 m a 时电磁阀才能工作， 输入电流与输出电压成比例的特性才能使用。本论文使用的比例电磁阀型号为e d g o i b ，不带安全 阀。其输入电流一压力特性如图2 8 所示。 9 东南大学硕士学位论文 液压符号( 带安全阀)液压符号( 不带安全阀) ! 妒 垒争 图2 7 比例电磁阀实物图 矽。 。， 8 时，f 为门限值。 2 遇限削弱积分法 基本思想是，当控制进入饱和区以后，便不再进行积分项的累加，而只执行削弱积分的运算。 这种算法可以避免控制量长时间停留在饱和区。 3 有效偏差法 图2 - 1 1 增量式p i d 算法流程 1 4 第二章电主轴预蘩力控制系统分析 这种方法是将实际执行的控制量对应的误差值作为有效误差值，进行积分累加，而不用实际的 误差值进行积分累加数字p i d 增量算法中没有累加和项，不会出现积分饱和，避免了大的超调和震 荡。但在增量算法中，可能出现比例和微分饱和现象。为了抑制微分饱和，加速系统的动态过程， 可采用积累补偿法。积累补偿法的基本思想是，将那些因饱和而未能执行的控制增量信息累积起来 旦有可能时再补充执行。 图2 1 l 所示的增量式p i d 算法流程图中p ( t ) 为目标压力e ( k ) 与系统压力) ，( t ) ，在主轴运行时， 与开环控制系统一样，测速传感器得到主轴转速，然后由上位机软件计算此转速对应的预紧力值， 不同的是，上位机软件发送给单片机控制系统的不再是一个占空比数值，而是该预紧力对应的系统 压力值，单位为1 0 p a ，显然该数值是5 到7 0 之间的一个整数。因为要进行p i d 运算，单片机需要 保存此数值作为目标压力值，此时，将系统压力转换为对应占空比的任务由单片机软件完成，将目 标压力值转换为对应的占空比就是c ( t ) 。压力传感器反馈系统压力，因为压力传感器c y - y d - 2 0 5 的 灵敏度是1 3 5 p c 1 0 p a ，所以通过电荷放大器后由控制器得到的压力值也是5 到7 0 之间的一个整数。 将压力值也由单片机程序换算为对应的占空比数值就是“1 ) 。p i d 计算的最终结果( 七) 即控制器 的输出是单片机要设置的占空比的增量。 3 4 3 数字p i d 参数的整定 数字p i d 控制器控制参数的选择，可按连续一时间p i d 参数整定方法进行。在选择数字p i d 参 数之前，首先应该确定控制器结构。对允许有静差( 或稳态误差) 的系统，可以适当选择p 或p d 控制器，使稳态误差在允许的范围内。对必须消除稳态误差的系统，应选择包含积分控制的p i 或 p i d 控制器。一般来说，p i 、p i d 和p 控制器应用较多。对于有滞后的对象，往往都加入微分控制。 控制器结构确定后，即可开始选择参数。参数的选择，要根据受控对象的具体特性和对控制系 统的性能要求进行。工程上，一般要求整个闭环系统是稳定的，对给定量的变化能迅速响应并平滑 跟踪，超调量小；在不同干扰作用下，能保证被控量在给定值；当环境参数发生变化时，整个系统 能保持稳定，等等。这些要求，对控制系统自身性能来说，有些是矛盾的。我们必须满足主要的方 面的要求，兼顾其他方面，适当地折衷处理。p i d 控制器的参数整定，可以不依赖于受控对象的数 学模型。工程上，p i d 控制器的参数常常是通过实验来确定，通过试凑，或者通过实验经验公式来 确定。 实验凑试法是通过闭环运行或模拟，观察系统的响应曲线，然后根据各参数对系统的影响，反 复凑试参数，直至出现满意的响应，从而确定p i d 控制参数。实验凑试法的整定步骤为先比例，再 积分，最后微分。利用本文建立预紧力控制软硬件系统，可以完成确定p i d 控制器参数的实验j 。 实验以控制器通过比例电磁阀把系统压力从i m p a 调节到2 m p a 进行。控制器输入为系统压力， 输出为p w m 波的占空比。通过压力传感器测得的液压系统压力一方面作为控制器的输入，另一方 面由上位机控制软件保存每一个采样点的压力值，通过图形观察获得相关的参数。然后利用临界比 例度法确定p i d 参数。临界增益方法的经验取值如表2 - 3 所示。 表2 - 3 临界增益法的经验值 k p t jl p 0 5 k p 。 0 p i 0 4 5 k p o s 3 r , o p i d o 6 k p 0 5 t ,o 1 2 5 r , 该方法是在闭环情况下进行，首先让正= ，乃= 0 即控制器没有积分和微分作用，为一个纯比 例控制器。增大比例系数，使得置。从0 增大到系统出现等幅振荡，并记录此时的增益x 。和振荡周 期t 。足。称为l 临界增益。然后根据表2 - 3 的为不同类型的控制器确定参数。 本论文采用数字p i d 算法，采用比较小的采样周期来模拟连续系统的运行，并利用临界增益法 确定数字控制系统的参数。具体的实验步骤如下： ( 1 ) 整定比例控制 将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到等幅振荡的响应曲线。 东南大学硕士学位论文 ( 2 ) 整定积分环节 若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。先将步骤( 1 ) 中选择的比例系数减 小为原来的5 0 8 0 ，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分 作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。 ( 3 ) 整定微分环节 由于液压系统存在滞后现象，本文的压力控制系统中加入微分环节来消除这种滞后，以便使系 统有较快的响应速度。实验步骤( 2 ) 表明：p i 控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意， 故加入微分控制，构成p i d 控制。先置微分时间乃= 0 ，然后逐渐加大乃，同时相应地改变比例系 数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和p i d 控制参数。 最终在采样周期取0 2 s 的情况下，得到3 - 9 式中的参数q o = 3 2 ，q 1 = o 2 5 ，q 2 = 0 4 ，因为控制 器的输出是p w m 的占空比，采用8 位p w m 时，其取值范围为0 - 2 5 5 之间，所以最终计算结果取整 数值。 确定了p i d 参数以后，试运行系统，通过上位杌软件记录系统运行情况如图3 1 2 所示。图中的 压力数据由控制系统在每次采样时刻通过压力传感器c y - y d - 2 0 5 读取，然后通过串口发送到p c 端 控制软件进行存储。图2 1 2 显示了加载1 m p a 压力时，系统运行6 秒种的响应曲线。 1 2 1 o o 8 0 6 0 4 0 2 o o o 2 46 时间( s ) 图2 1 2 系统阶跃响应 从实验结果可以看出该系统超调为1 0 ，系统过渡时问为4 秒，对实验主轴来说，根据不同转 速调节预紧力，该响应时间已经能够满足系统需要。图2 1 3 给出了系统压力从i m p a 调节到2 m p a 时，系统的响应曲线。从图可以看出，压力调节的效果还是比较好的。当压力从i m 到2 m 时超调 减小，系统响应速度也加快。这是因为，液压系统存在延迟，当一开始没有压力时，突然开启系统 液压油充满整个系统有一个过程