[发明专利]基于单楔形电机的空气静压电主轴及其控制方法

说明书

本申请属于机床技术领域，具体涉及一种基于单楔形电机的空气静压电主轴及其控制方法。其中的空气静压电主轴包括：机壳，设置在所述机壳内壁的冷却组件，设置在所述机壳内的主轴本体，套设于所述主轴本体上下两端的径向空气轴承组件和径‑轴向复合空气轴承组件，设置于所述主轴本体中部且与所述主轴本体同轴的单楔形电机，所述主轴本体可在所述单楔形电机的驱动下转动，所述单楔形电机包括安装有楔形永磁体磁极的转子和定子铁心为楔形的定子。本申请的电主轴在动态调节电主轴输出功率的同时还能够随动控制轴向磁拉力，用于平衡电主轴轴向冲击载荷，从而有效提高了空气静压电主轴的轴向承载能力，并且具有较高的安全性。

技术领域

本申请属于机床技术领域，具体涉及一种基于单楔形电机的空气静压电主轴及其控制方法。

背景技术

工业机床的工作性能主要取决于电主轴、进给、控制系统等，其中电主轴是机床的核心部件，它的性能优劣决定了机床加工精度和生产效率。空气静压电主轴采用气浮支撑方式，具有摩擦小、轴承发热低，运动平稳、精度高、寿命长、振动小等诸多优点，广泛的应用在航空、航天、医疗、3C等领域中的超精密制造装备当中。但由于气浮轴承承载小、刚度较低，容易出现气锤振动、涡动等现象，从而导致空气静压电主轴存在抗干扰、抗冲击能力较差等不足；尤其是在平面磨床或者转孔的时候，由于一切不确定因素的存在导致电主轴出现轴向窜动，可能会导致止推轴承的动定子相互摩擦，甚至出现电主轴抱死及烧毁。

因此，空气静压轴承的轴向承载力和刚度的提高得到重视。目前最直接提高气膜刚度的方法是提高外界供气气压，但此方法容易引起气泵泄漏，安全性大大降低。此外，还可通过其他方式间接提高气膜刚度，例如通过优化节流孔直径、节流孔数、气膜构型、气膜厚度等核心参数来优化气膜压力分布，但优化效果很有限。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本申请提供一种基于单楔形电机的空气静压电主轴及其控制方法。

(二)技术方案

为达到上述目的，本申请采用如下技术方案：

第一方面，本申请实施例提供一种基于单楔形电机的空气静压电主轴，包括：

机壳，

设置在所述机壳内壁的冷却组件，

设置在所述机壳内的主轴本体，

套设于所述主轴本体上下两端的径向空气轴承组件和径-轴向复合空气轴承组件，

设置于所述主轴本体中部且与所述主轴本体同轴的单楔形电机，所述主轴本体可在所述单楔形电机的驱动下转动，所述单楔形电机包括安装有楔形永磁体磁极的转子和定子铁心为楔形的定子。

可选地，所述主轴本体由芯轴和止推盘组成，所述芯轴采用钛合金材料制作，且所述芯轴轴承位的表面通过渗碳以及气体多元共渗的方法进行硬化处理。

可选地，所述定子的楔形定子铁心轴向长度大于所述转子的转子铁心轴向长度，且二者差值取值范围为1-3mm。

可选地，所述楔形定子铁心的内径与外径之比ζ沿着轴向方向线性变化，ζ的取值范围为0.5-0.7。

可选地，所述机壳的尾端固定安装有基座，所述机壳的前端固定安装有密封端盖。

可选地，在所述密封端盖处设置有用于监测主轴轴向位移的电容式位移传感器。

第二方面，本申请实施例提供一种空气静压电主轴的控制方法，应用于如上第一方面任意一项所述的基于单楔形电机的空气静压电主轴的控制器中，所述单楔形电机为永磁同步电机且采用逆变器供电，该方法包括：

S10、通过轴向位移传感器实时采集电主轴的轴向位移信号，基于所述轴向位移信号得到轴向位移偏差量；