高档数控机床主轴头电磁悬浮平衡系统

摘要

本发明公开了一种高档数控机床主轴头电磁悬浮平衡系统，该系统由电磁悬浮器、失电制动器、传感器和控制单元构成，由机床数控系统统一控制、或单独控制，适应于滚珠丝杠副和伺服直线电机等多种驱动结构的机床，其平衡力的大小和方向均可瞬时变化、响应快，能够使主轴头的驱动力获得最佳匹配，使主轴头的运行加速度大幅度提高，使高档数控机床的性能突破性提升，运行平稳、且成本降低。

说明书

技术领域

本发明涉及机床领域，尤其涉及高档数控机床主轴头电磁悬浮平衡系统。

背景技术

随着数控和信息化技术的快速发展，高档数控机床的性能逐步提高，而制造成本却逐渐下降，近年来，高档数控机床在制造行业得到普遍应用，在特殊行业和特殊工序中也成为必配设备。高档数控机床之所以受到青睐，是因为它具有高速度、高精度、高效率、高可靠性和高柔性化等优势，这些特点是由高性能数控系统、高品质主轴头系统、高灵敏度传感器和高刚度机架等关键系统和零部件决定的，其中高品质主轴头系统是机床高速度、高精度、高效率和高可靠性的根本保证。

目前，数控机床主轴头系统已经发展到一定水平，其细分门类相当齐全，有高转速类、高精度类、大扭矩类和多轴类等等，但是，在高档数控机床主轴头系统中，主轴头平衡系统还是一个瓶颈。当前主轴头平衡的目的主要是为了抵消主轴头的重力，以尽量减少主轴头上下运动的驱动力，现在的主轴头平衡系统主要有两种结构形式：一是平衡锤平衡式，二是液压缸平衡式，所谓的平衡锤平衡就是通过定滑轮增加一个适当重量的配重块，该平衡系统的优势是结构简单、可靠、制造和维持成本较低，其缺陷也非常突出，增加了主轴头部分的运动质量，即主轴头的重量+配重块的重量，运动质量增加会直接导致主轴头的运动加速度降低，因此，高速数控机床和高档数控机床绝大多数不采用这一结构，主要采用液压缸平衡方式，如图1～图7所示，为现有技术的高档数控机床主轴头液压缸平衡系统示意图，其机床主轴头3的升降系统为传统结构，由伺服电机4通过滚珠丝杠副7实现；液压缸平衡系统由液压缸5和一个高品质的液压源系统构成，液压缸5置于机床主轴头3的上方，活塞杆501固装在机床主轴头3上，缸套502固装在支架503上，支架503固装在机床滑枕8上，机床滑枕8通过导轨副与机床躯体1连接，机床滑枕8的前部是机床主轴头3，机床主轴头3通过滚动导轨副6与机床滑枕8连接，机床主轴头3的下方是机床刀具301，再下面是机床工作台2。在机床工作时，液压缸5工作，液压缸5通过其活塞杆501对机床主轴头3始终施加向上的力，以满足对机床主轴头3自身重量的平衡，这就是机床主轴头液压缸平衡系统。该液压缸平衡系统的优点是：1.平衡力可以控制：通过调控液压系统的压力控制平衡缸的平衡力。2.不另增加机床主轴头运动部件的重量；液压缸装在机床滑枕8上，机床主轴头3上不承受液压系统的重量。缺点是：1.平衡力控制响应慢，影响数控机床的快速性能：液压缸的运行速度、加速度由液压系统的流量决定，液压系统的流量有最大极限值，目前，既是到了极限流量，也只能接近现代数控驱动系统加速度的1/2，并且，随着数控驱动系统的快速发展，高档数控机床的快移速度、加速度还在不断提高。2.液压系统的振动影响机床精度：液压系统的振动众所周知，液压平衡系统的液压缸缸杆直接装在与机床主轴头3上，液压系统的振动机械波能够波及到机床刀具，使机床对零件的加工质量影响很大。3.对液压源系统的品质要求高，制造成本和使用费用高：为了提高液压平衡系统的运行速度，降低液压系统的振动、温升等对机床性能的影响，目前，不断提升液压源的性能、品质是克服液压平衡系统缺陷的主要手段，所以，提高液压系统的流量、增加储能系统、增加恒温系统等都需要增加制造成本和维护费用。

近几年来，由于机床主轴头液压缸平衡系统的缺陷，使高档数控机床发展受到严重阻碍，特别是伺服直线电机在高档数控机床水平运动方向上的应用，进一步提高了数控机床的运动性能，遗憾的是，伺服直线电机至今还不能在上下运动方向上应用，这就影响了高档数控机床性能的全面提升，因此，近几年来，机床领域相关科研单位、企业和高校高度重视，对机床主轴头液压缸平衡系统进行了一系列的探索、研究和改进，但至今没有明显的突破。事实上，如果能解决了机床主轴头的平衡问题，高档、高速数控机床将会有突破性的提高。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明实施例提供一种高档数控机床主轴头电磁悬浮平衡系统，高档数控机床主轴头电磁悬浮平衡系统由电磁悬浮器、失电制动器、传感器和控制单元构成；所述电磁悬浮器包括悬浮器定子和悬浮器动子，悬浮器定子由铁芯、线圈或永久磁铁和传感器构成，悬浮器定子嵌装在机床滑枕上，悬浮器动子，由铁芯、线圈或永久磁铁和传感器构成，悬浮器动子嵌装在机床主轴头上，悬浮器定子和悬浮器动子是成对耦合副，电磁悬浮器中至少有一套悬浮器定子－悬浮器动子耦合副，也可以有多套，电磁悬浮器通过悬浮器动子向机床主轴头施加平衡力、且平衡力的方向能够向上或向下；在机床工作时，悬浮器定子通电、或悬浮器动子通电、或悬浮器定子通电和悬浮器动子均通电，通电后产生磁场力，悬浮器定子和悬浮器动子相互作用，使悬浮器动子产生向上、或向下的作用力，悬浮器动子与机床主轴头固定连接，机床主轴头3就能得到向上、或向下的推力，由于通入悬浮器定子和悬浮器动子电压和电流的大小是可以调节的，所以，机床主轴头受到电磁悬浮器的推力也是可以控制的；

所述失电制动器包括制动杆、支板和制动钳，支板固装在机床主轴头的上部，制动杆的上端固装在支板上，制动杆的下部插在制动钳中心孔的深处，制动杆与制动钳是成对耦合副，每一失电制动器中至少一副制动杆－制动钳耦合副，也可以有多副；当机床开机、或工作时，制动钳的钳口张开，制动杆与制动钳没有接触；当机床关机、或突然断电时，制动钳的钳口闭合，制动杆就被制动钳卡住，使机床主轴头保留在停机、或断电位置，以遏制机床主轴头下落、保证安全；

所述传感器包括多种多个传感器，其中：位置传感器用于监测悬浮器定子和悬浮器动子的相对位置；力传感器用于监测悬浮器定子和悬浮器动子的作用力；温度传感器用于监测电磁悬浮器的温升；电流传感器用于监控电磁悬浮器的过载情况；

所述控制单元是控制电磁悬浮器的控制模块，所述控制模块能够嵌植在高档数控机床的数控系统中，并接受机床数控系统的控制，使电磁悬浮器与数控机床协调运行。

优选的，机床主轴头电磁悬浮平衡系统，能够适用于滚珠丝杠副驱动的机床主轴头系统，电磁悬浮器与伺服电机通过滚珠丝杠副匹配，由伺服电机通过滚珠丝杠副驱动机床主轴头上下运动，通过电磁悬浮器向机床主轴头施加平衡力，使机床主轴头系统始终处于动态平衡状态；其中：伺服电机固装在机床滑枕上，伺服电机与滚珠丝杠副连接，滚珠丝杠副的丝母与机床主轴头连接。

优选的，机床主轴头电磁悬浮平衡系统，能够适用于伺服直线电机驱动的机床主轴头系统，电磁悬浮器与伺服直线电机匹配，由伺服直线电机驱动机床主轴头上下运动，通过电磁悬浮器向机床主轴头施加平衡力，使机床主轴头系统始终处于动态平衡状态；其中：伺服直线电机包括直线电机定子和直线电机动子，直线电机定子嵌装在机床滑枕上，直线电机动子嵌装在机床主轴头上。

优选的，电磁悬浮器在机床主轴头的两侧对称分布，以保持受力平衡，保证机床的动态稳定性，易于提升机床精度。

优选的，在机床滑枕前端的两侧设有第一凹槽，悬浮器定子固装在第一凹槽中，以保证悬浮器定子安装的牢固性。

优选的，在机床主轴头的两侧设有第二凹槽，悬浮器动子固装在第二凹槽中，以保证悬浮器动子安装的牢固性。

优选的，在机床滑枕前端的正面设第三有凹槽，直线电机定子固装在第三凹槽中，以保证直线电机定子安装的牢固性。

优选的，在机床主轴头的背面设有第四凹槽，直线电机动子固装在第四凹槽中，以保证直线电机动子安装的牢固性。

本发明的有益效果是，该电磁悬浮平衡系统由电磁悬浮器、失电制动器、传感器和控制单元构成，由机床数控系统统一控制、或单独控制，适应于滚珠丝杠副和伺服直线电机等多种驱动结构的机床，其平衡力的大小和方向均可瞬时变化、响应快，能够使主轴头的驱动力获得最佳匹配，使主轴头的运行加速度大幅度提高，使高档数控机床的性能突破性提升，运行平稳、且成本降低。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1～图7为现有技术提供的高档数控机床主轴头平衡系统示意图，其中，主轴头上下运动为传统结构，由伺服电机通过滚珠丝杠副驱动，各图：

图1为现有技术提供的高档数控机床主轴头平衡系统的主视示意图；

图2为图1的左视示意图；

图3为图1的俯视示意图；

图4为图1的H-H局部剖视示意图；

图5为图4的J-J局部剖视示意图；

图6为图5的局部放大示意图；

图7为图1的三维示意图；

图8～图14为本发明实施例提供的高档数控机床主轴头电磁悬浮平衡系统示意图，其中，主轴头上下运动为传统结构，由伺服电机通过滚珠丝杠副驱动，各图：

图8为本发明实施例提供的一种高档数控机床主轴头电磁悬浮平衡系统的主视示意图；

图9为图8的俯视示意图；

图10为图8的左视示意图；

图11为图9的K-K局部剖视示意图；

图12为图11的L-L局部剖视示意图；

图13为图12的局部放大示意图；

图14为图8的三维示意图；

图15～图22为本发明实施例提供的高档数控机床主轴头电磁悬浮平衡系统示意图，其中，主轴头上下运动为新型结构，由伺服直线电机驱动，各图：

图15为本发明实施例提供的另一种高档数控机床主轴头电磁悬浮平衡系统的主视示意图；

图16为图15的俯视示意图；

图17为图15的左视示意图；

图18为图15的M-M局部剖视示意图；

图19为图16的N-N局部剖视示意图；

图20为图15的P-P局部剖视示意图；

图21为20的局部放大示意图；

图22为图15的三维示意图；

图1-22中：1.机床躯体，2.机床工作台，3.机床主轴头，4.伺服电机，5.液压缸，6.滚动导轨副，7.滚珠丝杠副，8.机床滑枕，9.失电制动器，10.电磁悬浮器，11.伺服直线电机，301.机床刀具，501.活塞杆，502.缸套，503.支架，901.制动杆，902.支板，903.制动钳，1001.悬浮器定子，1002.悬浮器动子，1101.直线电机定子，1102.直线电机动子。

具体实施方式

本发明实施例提供的高档数控机床主轴头电磁悬浮平衡系统，如图8～图22所示，高档数控机床主轴头电磁悬浮平衡系统由电磁悬浮器10、失电制动器9、传感器和控制单元构成；

所述电磁悬浮器10包括悬浮器定子1001和悬浮器动子1002，悬浮器定子1001由铁芯、线圈或永久磁铁和传感器构成，悬浮器定子1001嵌装在机床滑枕8上，悬浮器动子1002由铁芯、线圈或永久磁铁和传感器构成，悬浮器动子1002嵌装在机床主轴头3上，悬浮器定子1001和悬浮器动子1002是成对耦合副，电磁悬浮器10中至少有一套悬浮器定子1001－悬浮器动子1002耦合副，也可以有多套，电磁悬浮器10通过悬浮器动子1002向机床主轴头3施加平衡力、且平衡力的方向能够向上或向下；在机床工作时，悬浮器定子1001通电、或悬浮器动子1002通电、或悬浮器定子1001通电和悬浮器动子1002均通电，通电后产生磁场力，悬浮器定子1001和悬浮器动子1002相互作用，使悬浮器动子1002产生向上或向下的作用力，悬浮器动子1002与机床主轴头3固定连接，机床主轴头3就能得到向上或向下的推力，由于通入悬浮器定子1001和悬浮器动子1002电压和电流的大小是可以调节的，所以，机床主轴头3受到电磁悬浮器10的推力也是可以控制的。

所述失电制动器9包括制动杆901、支板902和制动钳903，支板902固装在机床主轴头3的上部，制动杆901的上端固装在支板902上，制动钳903装在滑枕8的上部，制动杆901的下部插在制动钳903中心孔的深处，制动杆901与制动钳903是成对耦合副，每一失电制动器9中至少一副制动杆901－制动钳903耦合副，也可以有多副；当机床开机、或工作时，制动钳903的钳口张开，制动杆901与制动钳903没有接触；当机床关机、或突然断电时，制动钳903的钳口闭合，制动杆901就被制动钳903卡住，使机床主轴头保留在停机、或断电位置，以遏制机床主轴头下落、保证安全。

所述传感器包括多种多个传感器，其中：位置传感器用于监测悬浮器定子1001和悬浮器动子1002的相对位置；力传感器用于监测悬浮器定子1001和悬浮器动子1002的作用力；温度传感器用于监测电磁悬浮器10的温升；电流传感器用于监控电磁悬浮器10的过载情况；这些传感器均与控制单元电连接。

所述控制单元是控制电磁悬浮器10的控制模块，所述控制模块能够嵌植在高档数控机床的数控系统中，由机床数控系统统一控制，使电磁悬浮器10与数控机床协调运行。

图8～图14为本发明实施例提供的高档数控机床主轴头电磁悬浮平衡系统示意图，其中，主轴头上下运动为传统结构，由伺服电机通过滚珠丝杠副驱动，如图8～图14所示，机床主轴头电磁悬浮平衡系统，能够适用于滚珠丝杠副驱动的机床主轴头系统，电磁悬浮器10与伺服电机4通过滚珠丝杠副7匹配，由伺服电机4通过滚珠丝杠副7驱动机床主轴头3上下运动，通过电磁悬浮器10向机床主轴头3施加平衡力，使机床主轴头系统始终处于动态平衡状态；其中：伺服电机4固装在机床滑枕8上，伺服电机4与滚珠丝杠副7连接，滚珠丝杠副7的丝母与机床主轴头3连接；通常丝母通过丝母座固装在机床主轴头3的后背面。

图15～图22为本发明实施例提供的高档数控机床主轴头电磁悬浮平衡系统示意图，其中，主轴头上下运动为新型结构，由伺服直线电机驱动，如图15～图22示，机床主轴头电磁悬浮平衡系统，能够适用于伺服直线电机驱动的机床主轴头系统，电磁悬浮器10与伺服直线电机11匹配，由伺服直线电机11驱动机床主轴头3上下运动，通过电磁悬浮器10向机床主轴头3施加平衡力，使机床主轴头系统始终处于动态平衡状态；其中：伺服直线电机11包括直线电机定子1101和直线电机动子1102，直线电机定子1101嵌装在机床滑枕8上，直线电机动子1102嵌装在机床主轴头3上，通常装在机床主轴头3的后背面。

在具体实施过程中，如图8、图11、图13、图15、图19、图21所示，电磁悬浮器10在机床主轴头3的两侧对称分布即可，以保持受力平衡，保证机床的动态稳定性，易于提升机床精度。

在一种可能的实施例中，如图11、图13、图19、图21所示，在机床滑枕8前端的两侧设有第一凹槽，悬浮器定子1001固装在第一凹槽中，以保证悬浮器定子1001安装的牢固性。

如图11、图13、图19、图21所示，在机床主轴头3的两侧设有第二凹槽，悬浮器动子1002固装在第二凹槽中，以保证悬浮器动子1002安装的牢固性。

在另一种可能的实施例中，如图18、图21所示，在机床滑枕8前端的正面设有第三凹槽，直线电机定子1101固装在第三凹槽中，以保证直线电机定子1101安装的牢固性。

如图18、图21所示，在机床主轴头3的背面设有第四凹槽，直线电机动子1102固装在第四凹槽中，以保证直线电机动子1102安装的牢固性。

现有技术的数控机床主轴头平衡系统，其平衡力是恒力，包括平衡锤式平衡系统和液压缸式平衡系统，用于高档数控机床的平衡系统主要采用液压式，由于平衡力是恒力，到目前为止，伺服直线电机还不能用在数控机床的上下运动轴上。现有机床主轴头平衡系统存在的问题，主要是平衡力的问题，进一步分析，选机床主轴头3为研究对象，机床主轴头3受重力、驱动力、平衡力、导向力和切削力等五个力的作用，其中：重力为恒力、方向向下，驱动力为主动力、方向向上或向下，平衡力为辅助力、方向向上，导向力用于机床主轴头3定向，上下方向为0，切削力为阻力、主要分为上下方向的分力和水平方向的分力，设力的方向向上为正，用“+”表示，并把上述各力用字母代替，重力(－W)、驱动力(±S)、平衡力(+P)、导向力上下方向(0)和切削上下分力(+N)；在工作时，机床主轴头上下受力是平衡的，也就是说，上下向受力之和等于0，即合力∑F

公式化：(－W)+(±S)+(+P)+(+N)＝0，

变换：±S＝(W－P)－N； ①

给定条件：当P＝W时，－S＝－N，

当P＞W时，－S＝(W－P)－N；

当P＜W、(W－P)＞N时，+S＝(W－P)－N，

当P＜W、(W－P)＜N时，－S＝(W－P)－N，

由上述看出，平衡力(P)的大小，直接影响主轴头上下驱动力(S)的大小和方向，在实际中，平衡力(P)的设计与选择有两种情况考虑：

第一种情况，尽量降低主轴头的上下驱动力(S)，以降低成本。选P＜W，即平衡力(P)小于主轴头的重力，这种情况居多，原因是：当机床开机空运行、或切削力较小、(W－P)≥N时，主轴头上下驱动力方向向上、为正、+S，当机床切削力增大、(W－P)＜N时，主轴头上下驱动力方向向下、为负、－S，该方案的设计原则是尽量让|±S|小些，但是，由于切削力N的大小是变化的，并且，用统计规律，机床切削力N超过最大值75％的时间，仅占15％左右，目前，现有技术的平衡力(P)基本上是恒值，所以，仅靠一次性优选平衡力(P)的大小，而大幅度降低主轴头上下驱动力(S)是不可能的；另外，由于此结构使驱动主轴头的滚珠丝杠副丝母频繁变换受力方向，所以，该传动链的扭转刚度、反向间隙等因素会导致机床精度下降、可靠性降低。

第二种情况，尽量保持驱动主轴头的滚珠丝杠副丝母受力方向一致，以提高机床精度稳定性。选P＞W，该状态下，－S＝(W－P)－N，－S即平衡力(P)大于主轴头的重力，使主轴头上下驱动力的方向始终向下，滚珠丝杠副受力方向始终一致，这样，对提高机床精度的稳定性是有利的，但是，也存在很大促增成本的缺陷，一是主轴头上下驱动力增大、功率增大，成本提高；二是平衡力(P)增大、机床主轴头平衡系统的功率增大，成本也提高。

本实施例提供的高档数控机床主轴头电磁悬浮平衡系统，能够适应多种结构的机床主轴头系统，包括滚珠丝杠副驱动和伺服直线电机驱动的机床主轴头系统，通过电磁悬浮器10向机床主轴头3施加平衡力，电磁悬浮器10与传感器、控制单元和机床的数控系统构成闭环控制系统，在机床数控系统的统一控制下，能够使平衡力随着切削力的变化而变化；用P代表平衡力、用S代表主轴头上下驱动力、用N代表切削力的上下分力，用W代表主轴头的重力，引入公式①，±S＝(W－P)－N；如果让±S始终为－S，只要满足(±P－N)＞W即可；整理得：－S＝W－(±P－N)，且满足(±P－N)＞W；对于电磁悬浮器10来说，平衡力的大小和方向均可瞬时变化，实际P为±P，所以，让主轴头驱动力S为－S，也就是力的方向始终向下，实施非常容易，且响应快。

综上所述，机床主轴头电磁悬浮平衡系统，能够适应滚珠丝杠副驱动和伺服直线电机驱动的多种结构的机床主轴头系统，其平衡力的大小和方向均可瞬时变化、响应快，使主轴头的驱动力获得最佳匹配，使主轴头的运行加速度大幅度提高，使高档数控机床的整体性能突破性提升，运行平稳，且结构简化、成本降低。

本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。