吴媛媛　李　彬　赵则祥　赵惠英　乔雪涛

(①中原工学院信息商务学院机械工程系，河南 郑州 451191；②中原工学院机电学院，河南 郑州 451191)



基于阻抗能耗的气体静压电主轴制动技术研究*

吴媛媛①李彬②赵则祥②赵惠英②乔雪涛②

(①中原工学院信息商务学院机械工程系，河南 郑州 451191；②中原工学院机电学院，河南 郑州 451191)

气体静压电主轴由于高精度和高转速特性使其在硬脆材料磨削和单点金刚石切削中获得更多的应用。为满足其高效加工的要求，需要使主轴在极高转速下快速制动，以减少换刀或工件更换时间；同时在断气情况下，主轴快速停止以防止刀具、工件和主轴自身损伤。提出了一种依据电动机转矩和制动时间的电阻能耗制动计算方法，并设计主轴控制和制动电气连接图。电气测试表明，所提出的方法可靠，可以有效地快速实现主轴制动，防止驱动器的电流过载报警。

阻抗能耗；电主轴；快速制动

随着现代工业产品的美观和功能的提高，对工件的加工效率、精度、表面粗糙度以及亚表面损伤层提出了更高的控制要求，进而需要更多的精密超精密加工设备。气体静压主轴部件由于高转速和高精度特性，在超精密加工中获得更多的应用[1]。电气控制部分通常采用驱动器，而不是传统的开环变频器控制，以实现较高的运动速度平稳性和动态特性。主轴的制动方法通常包括机械制动和电气制动两种形式。宫文斌通过飞轮惯量的无级调整，实现了机械惯量和电惯量的混合制动[2]。章鸿研究了电子制动器在数控主轴制动中的应用[3]。金子瑜采用制动器试验台针对路试车辆的制动技术进行了研究，通过分析机械转动惯量的变化，分析了电动机驱动电流与主轴瞬时角速度之间的变化规律[4]。吴子敬提出了依靠PLC控制的能耗制动时间的优化设计思路和实现方法，并应用于相关机床的设计和改造[5]。康涛研究了主轴制动器等效惯性试验中的参数选择问题[6]。任东颜对数控车床机械主轴的制动方法进行了列举和分析[7]。上述文献主要针对轴承主轴的制动进行了研究和综述，未涉及到采用驱动器控制的气体静压主轴轴系制动技术研究。

本文提出了针对飞切设备中的气体静压主轴制动技术展开研究。首先根据制动节拍、转动惯量和转速建立了主轴制动电阻计算模型，并设计了主轴制动电阻的电气控制图然后进行试验验证。试验表明，所提出的方法可以保证气体静压主轴稳定制动，不会出现电流或电压过载报警。

1　阻抗能耗电阻功率计算方法

主轴的制动过程实际上为在反转磁场的作用下，将主轴的转速快速降低为零。但在主轴快速制动的过程中，根据驱动器的电流或电压控制模式不同，会出现两者超出额定设置值，因而引发系统报警的情况。其原因为电动机制动过程中所产生的电动势会反馈叠加至驱动器上，从而造成电压或电流过载报警。通过在控制回路中增加负载值，即制动电阻，以耗散制动过程中所产生的正向电动势功率，可以避免电流过载报警。

对于旋转体的功率计算公式为：

(1)

式中：P为制动功率，M为制动扭矩，n为初始转速，9.55为转速单位转化系数，即将转速n的单位r/min转化为rad/s。

由加工节拍确定制动时间T，进而可以确定所需要的制动电阻功率。在设计制动电阻功率值时，需要确定最大制动扭矩Tm、初始制动转速n和终止转速ne。通常ne为0，即主轴停转。主轴的转动惯量JS，采用3D软件可以模拟得到转动惯量值。在进行电阻功率计算时，假设主轴的减速过程为匀减速度。假定主轴使用转速为n，主轴制动时间tB与制动扭矩的关系为：

(2)

对于气体静压电主轴，在存在制动电阻条件下，制动时间可以表达为：

(3)

式中：Jm为主轴转动惯量；JL为载荷惯量，主轴在制动过程中，通常不会存在切削力，因此JL通常为所安装刀盘或砂轮的转动惯量；MN为电动机的额定扭矩；ML为载荷扭矩，气体静压电主轴在制动过程中，主轴和轴套之间介质为空气，摩擦系数极小，所产生的载荷扭矩也极小；MB为制动器制动扭矩；K为电动机的过载系数，通常电动机具有一定的过载能力，为提供制动时间，可以使电动机在极端的时间内过载运行。依据公式(1)，可知：

(4)

代入到式(3)中，可以得到制动时间tB与能耗电阻功率PB的关系是(5)：

(5)

2　阻抗能耗电气设计

在完成制动电阻功率的计算后，需要将其接入到控制电气系统。在将制动电阻引入主轴电气控制系统时，不能像接入过流电阻丝将其进入动力线组中，否则会造成电气系统的载荷增大，无法满足系统的要求。电动机制动过程中，由于所施加的电压方向与转动电动势相反，转子与定子相当于会产生反向电动势，使反向制动电压增加，并施加到控制器的元件上，造成元件过载，从而出现电压或电流过载报警。增加制动电阻等同于放大制动回路中的负载，减小串联元件的承载电流，避免出现过载。如图1所示，制动电阻串联接入驱动器。

3　电阻能耗制动电气实现

根据前两节中提出的制动电阻计算方法和控制电气的实现方法，采用超精密平面铣削气体静压主轴作为试验验证对象。如图2所示，主轴的端部安装有直径为150 mm的铝质刀盘，对称安装有金刚石铣刀和平衡块，主轴的切削转速为4 000 r/min，为满足2 min的平面快速铣削的节拍要求，主轴的制动时间要求为10 s，并且制动过程不会出现驱动报警情况，以避免控制器的复位操作，影响加工效率。

主轴的制动参数如表1所示。在给定节拍、转速和主轴参数的条件下，依据式(5)可以确定制动电阻的功率值，进而为驱动器配置相应的制动电阻功率值。

主轴的启动和制动过程中的加速度是恒定的，如图3所示为主轴的设计增速和制动曲线Matlab模拟图。主轴的启动和制动时间均设置为10 s。

表1主轴制动参数

参数数值主轴转速n/(r/min)4000制动时间tB/s10电动机扭矩MN/N·m5载荷扭矩ML/N·m0主轴转动惯量JM/(kg·m2)0.15刀盘转动惯量JL/(kg·m2)0.02K0.2再生电阻值动功率/W2563

主轴的启动、制动和转速指令由数控系统指定，但可以通过控制器调试和参数设置软件来检测主轴电动机和角位移传感器的信息。图4所示为主轴转速和电动机电流的监测信息；其中电流存在微小的波动，所反应的即是主轴速度的稳定性。对于图4中所示的电流波动，相应的转速波动约为3～5 r/min。图4中横坐标的单位为ms，其中的启动和制动时间偏差均小于10 ms，满足设计目标要求。

4　结语

本文提出了针对飞切设备中气体静压主轴制动技术展开研究，首先建立了根据制动节拍、转动惯量和转速的主轴制动电阻计算模型，并设计了主轴制动电阻的电气控制图；试验表明，所提出的方法可以保证气体静压主轴稳定制动，不会出现电流或电压过载报警。

[1]盖玉先,董申.超精密加工机床的关键部件技术[J].制造技术与机床,2000(1):7-10.

[2]宫文斌,刘安龙,江阔,等.机械惯量混合电模拟技术研究[J].农业机械学报,2009,40(1):208-212.

[3]章鸿,杨金鹏,尹存涛,等.CA6140车床主轴制动系统改造[J].制造技术与机床,2012(10):140-143.

[4]金子瑜.制动器试验台的控制方法分析[J].机电信息,2010(18):63-63,65.

[5]吴子敬.机床主轴制动控制的研究[J].齐齐哈尔大学学报：自然科学版,2005,21(3):83-85.

[6]康涛,李英昌.浅析主轴制动器等效惯性试验的参数选择[J].风能,2014(3):76-79.

[7]任东颜.数控车床主轴制动方法的列举与分析[J].机床与液压,2003(2):190-191,171.

(编辑谭弘颖)

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Research of the aerostatic motor spindle brake technique based on the resistance dissipation

WU Yuanyuan①，LI Bin②，ZHAO Zexiang②，ZHAO Huiying②， QIAO Xuetao②

(① School of Mechanical Engineering, College of Information & Business, Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 451191,CHN;② School of Mechatronics Engineering, Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 451191, CHN)

Aerostatic bearings have gained wide applications in the brittle material grinding and single diamond turing for its high speed and high accuracy characteristics. In order to satisfy the high efficient production demands, spindle needs to be braked from high rotational speed for the reduction of the tool exchange time. By the mean time, the fast braking could avoid tool collision and shaft damage. Calculation method for the brake resistance was proposed according to the motor torque and braking time as well as the spindle control and brake electric connections. The electronic test indicated that the proposed method is reliable which could achieve spindle brake and prevent the current overload alarm.

resistance dissipation; motor spindle; fast brake

TP391

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.06.014

吴媛媛，女，1985年生，硕士、讲师，主要研究方向为精密超精密加工技术与装备。

2015-12-28)

160630

* 国家自然科学基金(51475485)