一种具有力感知与微进给补偿功能的电机主轴及其控制方法

技术领域

本发明涉及精密加工技术领域，具体涉及一种具有力感知与微进给补偿功能的电机主轴及其控制方法。

背景技术

超精密加工，是现代机械制造业最主要的发展方向之一,在提高机电产品的性能、质量和发展高新技术中起着至关重要的作用。机床作为机器制造的主要加工设备，是现代工业发展的重要基石，机床主轴的加工精度是影响加工成品的质量、可靠性的关键因素之一。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一体的新技术，其对加工最终成品质量具有关键作用。目前，国内电主轴生产商针对主轴高精度方面聚焦电主轴的轴端内锥面全跳动度，感知方面搭配温度传感器、位移传感器、振动传感器，很大程度上提升了电主轴的加工性能。此外，国内现已公开的专利中提出一种宏微结合机器人加工系统及其加工轨迹规划方法(CN116652678A)，此专利提出将六自由度机器人与三自由度高精度加工中心相配合实现工位间移动、大行程运动和位姿调整，其中通过伺服电机及其电主轴形成三自由度高精度加工中心并搭配线激光传感器模块以实现三个方向上的高精度定位及加工，从而实现具有较大工作空间和较高加工精度。综上所述，国内电主轴技术虽然已经实现从不同角度提升电主轴的性能，但随着现在工业产品以及科学实验设备对仪器精度的要求不断提升，现有电主轴技术不能很好地满足现代工业生产需要，微米级、纳米级加工精度要求现有加工设备不断升级以满足现代及未来科学技术的发展要求。

因此，发明一种具有力感知与微进给补偿功能的电机主轴及其控制方法，用于高精度机床加工以提高机床加工产品质量和性能，助力我国在机械、模具、液压、电子、半导体、光学、传感器和测量技术及金属加工等工业领域的发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有力感知与微进给补偿功能的电机主轴及其控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种具有力感知与微进给补偿功能的电机主轴及其控制方法，包括高精度微进给补偿与力感知集成单元、滚动与直动一体化单元、电机驱动单元、分体式主轴壳体、拉刀机构，所述高精度微进给补偿与力感知集成单元安装在分体式主轴壳体内部，两端由孔用弹性挡圈完成轴向固定，所述滚动与直动一体化单元设置有2组，分别安装在电机驱动单元两侧；

所述高精度微进给补偿与力感知集成单元包括主轴、挡片、弹性单元一、线圈骨架、导磁环、激励线圈、感应线圈、超磁致伸缩管，所述主轴为阶梯轴，轴向安装有挡片、弹性单元一、导磁环、超磁致伸缩管，所述挡片设置有两组，分别设置在弹性单元一两侧，其中弹性单元一下端挡片与主轴轴肩面接触，所述导磁环设置有两组，分别设置在超磁致伸缩管两侧，其中超磁致伸缩管下端导磁环与弹性单元一上端挡片面接触，所述超磁致伸缩管呈圆管状，材料选用超磁致伸缩材料，所述导磁环与超磁致伸缩管外部设置有线圈骨架，所述线圈骨架绕有激励线圈、感应线圈；

所述高精度微进给补偿与力感知集成单元上端设置有滚动与直动一体化单元，两个单元之间设置有平面轴承、轴承挡片，所述平面轴承下端与超磁致伸缩管上端导磁环面接触，平面轴承上端嵌入轴承挡片下端所开设的凹槽内部，轴承挡片上端与滚动轴承外环面面接触，所述滚动与直动一体化单元，包括滚动轴承、过渡轴承、导向键、螺钉一、主轴，所述过渡轴承嵌套在滚动轴承内孔中，导向键安装在主轴键槽内部采用螺钉连接，主轴与过渡轴承采用键连接；

所述分体式主轴壳体包括主轴前罩壳盖板、主轴前罩壳、主轴中罩壳、主轴后罩壳、主轴后罩壳盖板、垫片、螺钉二，所述主轴前罩壳盖板与主轴前罩壳下端采用螺钉连接固定，主轴前罩壳上端与主轴中罩壳下端采用螺钉连接固定，主轴中罩壳上端与主轴后罩壳下端采用螺钉连接固定，主轴后罩壳上端与主轴后罩壳盖板采用螺钉连接固定。

优选的，所述过渡轴承呈盘状结构，外径部分嵌套在滚动轴承内孔中，过渡轴承内孔开设不少于1个的键槽。

优选的，所述主轴前罩壳内部开设有两个间隔一定距离的环形槽，将线圈骨架安装在两个环形槽之间，在环形槽内部安装孔用弹性挡圈完成线圈骨架的轴向固定。

优选的，所述主轴外部开设有2处轴向间隔一定距离的键槽特征，所述键槽特征在所在轴段圆周方向均匀开设有多个键槽，各键槽内部开设有不少于一个螺纹孔，主轴轴向2处键槽特征之间开设有不少于1个的径向螺纹孔特征，所述径向螺纹孔特征在其所在轴段圆周方向均匀开设有多个径向螺纹孔，主轴内部为阶梯孔状结构，在两端阶梯内孔中均开设有内螺纹孔一和内螺纹孔二。

优选的，所述拉刀机构包括拉爪、拉钉、环形弹簧、拉杆、轴套、弹性单元二、拉刀挡片、锁止轴套，所述拉刀机构安装在主轴内部阶梯孔内，所述轴套一面圆周方向均匀开设有多个销孔且外部开设有外螺纹与主轴内部螺纹孔采用螺纹连接，轴套内孔穿过拉杆，所述弹性单元二内孔穿过拉杆，其一端安装在主轴内孔轴肩处，另一端与拉杆挡片端面贴合，所述拉杆与拉杆挡片采用焊接连接，所述锁止轴套外部开设有外螺纹和两个相互平行的铣平面，所述锁止轴套外螺纹与主轴内部螺纹孔采用螺纹连接。

优选的，所述电机驱动单元包括电机系统、冷却系统，所述电机系统包括定子、绕组线圈、主轴、永磁体轴套、永磁体、螺钉三，所述条形永磁体与永磁体轴套采用螺钉连接，所述永磁体轴套与主轴之间采用螺钉连接，所述冷却系统包括冷却水套、管接头、孔用密封件、主轴中罩壳。

优选的，所述电机驱动单元的冷却系统，将两端装有孔用密封件的冷却水套安装在主轴中罩壳内部，所述主轴中罩壳外部开设有2个间隔一定距离的管接头螺纹孔，所述管接头与主轴中罩壳采用螺纹连接，冷却气体或液体通过下端的管接头流入冷却系统上端流出冷却系统。

优选的，所述永磁体轴套外部圆周方向均匀开设有多个轴向槽，轴向槽内部开设有不少于一个的通孔。

优选的，所述控制方法包括高精度微进给补偿的控制方法与力感知功能的控制方法。

优选的，所述高精度微进给补偿的控制方法为基于超磁致伸缩材料正磁致伸缩效应的特性，通过调节通入激励线圈的电流大小控制激励线圈产生激励磁场的强弱，进而控制超磁致伸缩管产生轴向的微位移量，实现主轴的高精度轴向微进给补偿的功能。

优选的，所述力感知的控制方法至少不少于2种。力感知控制方法一：激励线圈通入电流I后产生沿轴向的磁场H，磁场H与通入激励线圈的电流成正相关关系，感应线圈在磁场H的作用下内部产生感应电动势，综合法拉第电磁感应定律、弹性元件的载荷位移特性及元件自身重力的影响，建立感应电动势与主轴所受轴向力的数学关系，实现主轴所受轴向力的实时感知的功能与主轴电机在保持恒定轴向力的工况下运行的能力；力感知控制方法二：感应线圈替换为管状永磁体提供恒定磁场，激励线圈通入电流产生沿轴向的磁场，磁场激励超磁致伸缩管发生微量轴向应变，根据激励线圈中的电流大小，综合超磁致伸缩材料在变化磁场作用下的应力应变特性、弹性元件的载荷位移特性及元件自身重力的影响，建立电流与主轴所受轴向力的数学关系，实现主轴所受轴向力的实时感知的功能与主轴电机在保持恒定轴向力的工况下运行的能力。

本发明的有益效果如下：

本发明所述的一种具有力感知与微进给补偿功能的电机主轴及其控制方法，所述高精度微进给补偿与力感知单元是基于超磁致伸缩材料正磁致伸缩效应的特性提出一种主轴高精度微进给补偿方案，基于线圈在变化磁场中产生感应电动势，综合法拉第电磁感应定律、弹性元件的载荷位移特性及元件自身重力的影响，建立感应电动势与主轴所受轴向力的数学关系，也可综合超磁致伸缩材料在变化磁场作用下的应力应变特性、弹性元件的载荷位移特性及元件自身重力的影响，建立电流与主轴所受轴向力的数学关系，可完成主轴实时所受轴向力大小的检测与主轴电机保持恒定轴向力的工况下运行。将高精度微进给补偿与力感知单元集成在电机主轴内部，实现电机主轴在加工过程中进行高精度微进给刀具补偿，具有结构集成度高、加工精度高、响应速度快等优点。

附图说明

图1为本发明的平面剖视图；

图2为本发明的高精度微进给补偿与力感知单元平面剖视图；

图3为本发明的滚动与直动一体化单元平面剖视图；

图4为本发明的滚动与直动一体化单元立体剖视图；

图5为本发明的分体式主轴壳体立体图；

图6为本发明的主轴前罩壳立体剖视图；

图7为本发明的主轴立体剖视图；

图8为本发明的拉杆机构立体剖视图；

图9为本发明的轴套立体剖视图；

图10为本发明的锁止轴套立体剖视图；

图11为本发明的电机驱动单元平面剖视图；

图12为本发明的主轴中罩壳立体剖视图；

图13为本发明的永磁体轴套立体图；

图14为本发明的过渡轴承立体图。

图中：1-高精度微进给补偿与力感知单元；2-滚动与直动一体化单元；3-电机驱动单元；4-分体式主轴壳体；5-拉杆机构；6-孔用弹性挡圈；7-轴承挡片；8-平面轴承；11-主轴；12-挡片一；13-弹性单元一；14-线圈骨架；15-导磁环；16-激励线圈；17-感应线圈；18-超磁致伸缩管；21-过渡轴承；22-导向键；23-螺钉二；24-滚动轴承；31-定子；32-绕组线圈；33-永磁体轴套；34-条形永磁体；35-螺钉三；36-冷却水套；37-管接头；38-孔用密封圈；41-主轴前罩壳盖板；42主轴前罩壳；43-主轴中罩壳；44-主轴后罩壳；45-主轴后罩壳盖板；46-垫片；47-螺钉一；51-拉爪；52-拉钉；53-环形弹簧；54-拉杆；55-轴套；56-弹性单元二；57-拉杆挡片；58-锁止轴套；111-键槽；112-径向螺纹孔；113-螺纹孔；114-内螺纹孔一；115-主轴内孔轴肩；116-内螺纹孔二；331-轴向槽；332-螺纹孔三；421-键槽；551-销孔；552-轴套外螺纹；581-锁止轴套外螺纹；582-锁止轴套铣平面；

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

参阅图1，一种具有力感知与微进给补偿功能的电机主轴及其控制方法，包括高精度微进给补偿与力感知集成单元1、滚动与直动一体化单元2、电机驱动单元3、分体式主轴壳体4、拉刀机构5，其特征在于：所述高精度微进给补偿与力感知集成单元1安装在分体式主轴壳体4内部，两端由孔用弹性挡圈6完成轴向固定，所述滚动与直动一体化单元2设置有两组，分别安装在电机驱动单元3两侧。

参阅图2，所述高精度微进给补偿与力感知集成单元1包括主轴11、挡片12、弹性单元一13、线圈骨架14、导磁环15、激励线圈16、感应线圈17、超磁致伸缩管18，所述主轴11为阶梯轴，轴向安装有挡片12、弹性单元一13、导磁环15、超磁致伸缩管18，所述挡片12设置有两组，分别设置在弹性单元一13两侧，其中弹性单元一下端挡片12与主轴轴肩面接触，所述导磁环15设置有两组，分别设置在超磁致伸缩管18两侧，其中超磁致伸缩管18下端导磁环15与弹性单元一13上端挡片12面接触，所述超磁致伸缩管18呈圆管状，材料选用超磁致伸缩材料，所述导磁环14与超磁致伸缩管18外部设置有线圈骨架14，所述线圈骨架14绕有激励线圈16、感应线圈17。

参阅图1、图3和图4，所述高精度微进给补偿与力感知集成单元1上端设置有滚动与直动一体化单元2，两个单元之间设置有平面轴承7、轴承挡片8，所述平面轴承7下端与超磁致伸缩管18上端导磁环15面接触，平面轴承7上端嵌入轴承挡片8下端所开设的凹槽内部，轴承挡片8上端与滚动轴承21外环面面接触，所述滚动与直动一体化单元2，包括滚动轴承21、过渡轴承22、导向键23、螺钉一24、主轴11，所述过渡轴承22嵌套在滚动轴承21内孔中，导向键23安装在主轴11键槽内部采用螺钉24连接，主轴11与过渡轴承22采用键连接。

参阅图5，所述分体式主轴壳体4包括主轴前罩壳盖板41、主轴前罩壳42、主轴中罩壳43、主轴后罩壳44、主轴后罩壳盖板45、垫片46、螺钉二47，所述主轴前罩壳盖板41与主轴前罩壳42下端采用螺钉连接固定，主轴前罩壳42上端与主轴中罩壳43下端采用螺钉连接固定，主轴中罩壳43上端与主轴后罩壳44下端采用螺钉连接固定，主轴后罩壳44上端与主轴后罩壳盖板45采用螺钉连接固定。

参阅图6，所述主轴前罩壳42内部开设有两个间隔一定距离的环形槽421，将线圈骨架14安装在两个环形槽421之间，在环形槽421内部安装孔用弹性挡圈6完成线圈骨架14的轴向固定。

参阅图7，所述主轴11外部开设有两处轴向间隔一定距离的键槽特征111，所述键槽特征在所在轴段圆周方向均匀开设有多个键槽，各键槽内部开设有不少于一个螺纹孔112，主轴11轴向两处键槽特征之间开设有不少于一个的径向螺纹孔特征113，所述径向螺纹孔特征在其所在轴段圆周方向均匀开设有多个径向螺纹孔，主轴11内部为阶梯孔状结构，在两端阶梯内孔中均开设有内螺纹孔一114、内螺纹孔二116。

参阅图1、图7和图8，所述拉刀机构5包括拉爪51、拉钉52、环形弹簧53、拉杆54、轴套55、弹性单元二56、拉刀挡片57、锁止轴套58，所述拉刀机构安装在主轴11内部阶梯孔内，所述轴套55一面圆周方向均匀开设有多个销孔551且外部开设有外螺纹552与主轴内部螺纹孔116采用螺纹连接，轴套55内孔穿过拉杆54，所述弹性单元二57内孔穿过拉杆54，其一端安装在主轴11内孔轴肩115处，另一端与拉杆挡片57端面贴合，所述拉杆54与拉杆挡片57采用焊接连接，所述锁止轴套58外部开设有外螺纹581和两个相互平行的铣平面582，所述锁止轴套外螺纹581与主轴内部螺纹孔114采用螺纹连接。

参阅图1、图11，所述电机驱动单元3包括电机系统、冷却系统，所述电机系统包括定子31、绕组线圈32、主轴11、永磁体轴套33、条形永磁体34、螺钉三35，所述条形永磁体34与永磁体轴套33采用螺钉连接，所述永磁体轴套33与主轴11之间采用螺钉连接，所述冷却系统包括冷却水套36、管接头37、孔用密封件38、主轴中罩壳43。

参阅图11和图12，所述电机驱动单元冷却系统，将两端装有孔用密封件38的冷却水套36安装在主轴中罩壳43内部，所述主轴中罩壳43外部开设有两个间隔一定距离的管接头螺纹孔431，所述管接头37与主轴中罩壳采43用螺纹连接，冷却气体或液体通过下端的管接头37流入冷却系统上端流出冷却系统。

参阅图11和图13，所述永磁体轴套33外部圆周方向均匀开设有多个轴向槽331，轴向槽内部开设有不少于一个的通孔332。

本发明的工作原理如下：

主轴电机转动原理：定子31内线圈绕组32通入电流产生旋转磁场，安装在永磁体轴套33外侧的条形永磁体34在旋转磁场的激励下发生旋转，永磁体轴套33与主轴11采用螺钉固定连接，永磁体轴套33从而带动主轴11进行同步转动；

滚动与直动一体化单元工作原理：

滚动轴承24内孔嵌套过渡轴承21，过渡轴承21内孔开设有4个键槽111，过渡轴承21与主轴11采用键连接方式，主轴11发生旋转时可通过过渡轴承21与滚动轴承24提供径向支撑，主轴11可通过导向键22沿过渡轴承内孔键槽211方向进行轴向位移，进而完成电机主轴在高转速运行的工况下完成轴向位移。

高精度微位移补偿工作原理：将高精度微进给补偿与力感知单元1内部的激励线圈16通入电流I，在激励线圈16内部产生沿轴向的磁场H,根据超磁致伸缩材料在磁场中具有正磁致伸缩效应的特性，使得超磁致伸缩管18在磁场H的作用下产生微量轴向应变，保持超磁致伸缩管一端固定，使得微量轴向应变效果通过导磁环15、挡片12、弹性单元一13作用到主轴11轴肩处，进而推动主轴完成高精度微进给补偿，通过调节通入激励线圈16电流的大小控制磁场H的大小进而控制主轴的高精度伸缩的位移量。

主轴电机力感知原理：

力感知原理一：激励线圈16通入电流I后产生沿轴向的磁场H，磁场H与通入激励线圈16的电流成正相关关系，感应线圈17在磁场H的作用下内部产生感应电动势，综合法拉第电磁感应定律、弹性元件的载荷位移特性及元件自身重力的影响，建立感应电动势与主轴所受轴向力的数学关系，可完成主轴实时所受轴向力大小的检测与主轴电机保持恒定轴向力的工况下运行。

力感知原理二：感应线圈17替换为管状永磁体提供恒定磁场，激励线圈16通入电流产生沿轴向的磁场，磁场激励超磁致伸缩管18发生微量轴向应变，根据激励线圈16中的电流大小，综合超磁致伸缩材料在变化磁场作用下的应力应变特性、弹性元件的载荷位移特性及元件自身重力的影响，建立电流与主轴所受轴向力的数学关系，可完成主轴实时所受轴向力大小的检测与主轴电机保持恒定轴向力的工况下运行。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施方式和说明书中的描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。