电主轴调速负载特性测试装置及方法研究

电主轴调速负载特性测试装置及方法研究

许柏安

东莞市天一精密机电有限公司 广东东莞 523000

摘要：电主轴在调速方面的负载特性，往往是电主轴整个调速范围之中的输出功率及其转矩关联的一种集中反映，也就视同于电主轴综合性能的一个关键性衡量指标。鉴于此，本文主要采取文献检索法，通过检索和整理与此次论文研究相关的文献资料，以此为基础，针对电主轴调速负载特性的测试装置与其测试方法展开总结分析，旨在为业内相关人士提供参考。

关键词：电主轴；调速；负载特性；测试装置；测试方法

前言

对于电主轴，它属于数控机床中枢神经，性能优劣关系数控机床总体工作性能，它的调速负载特性往往属于数控机床总体运行过程中的重要指标，可将高速驱动整个系统性能充分反映出来。因而，阐述电主轴调速负载特性的测试装置与其测试方法具有一定现实意义。

1电主轴调速负载特性的测试装置现状

1.1电主轴总体结构

结合电动机安装至主轴上面不同位置，通常可将电主轴划分成两种不同的结构形式，如安装电动机于主轴前后的轴承中间位置，则电主轴前后存在两个支承，在高速类的数控机床当中比较适用；另外一种则是安装电动机于主轴后侧的轴承之后，即主轴的电动机及主轴箱均布设于主轴轴线上方，此类结构的电主轴则适合应用到高速小型的数控机床当中。关于电主轴内部的主要结构，如下图1：

图1 电主轴内部的主要结构示意图

1.2测试装置现状

1.2.1在测试装置总体布局方面

下列所对电主轴调速负载特性的测试装置当中总体布局与其功能介绍：（1）针对测试专用台架方面：配置电主轴与其电力测功所需用到的安装台架，还设有专业测试平板；（2）针对驱动单元方面：它可提供给待测试的电主轴所需电源[1]；（3）针对测控单元方面：除配置用于采集各项数据所需的CompactDAQ一个专业系统之外，还设有调理信号及端子2个模组，还有测功设备专属控制器/测量电参数的专业仪器设备/加载力专用控制装置/变频柜等；（4）主控装置：即控制终端，具备发布指令下达、直观显示、处理数据等各项功能；（5）润滑系统：按需对待测样品实施润滑调节操作；（6）冷却系统：设有数控水冷装置及管路。

1.2.2在电力测功设备方面

处于超高转速条件之下开展测试操作，对电力测功设备方面要求往往比较高，对此，选取低惯量类型电力测功设备为反拖/吸收电动装置。基于较低的转动惯量及较高的过载能力，确保测功设备能够加速转动，实现较高的动态化响应。该测试系统内部，配置用于采集各项数据所需的CompactDAQ一个专业系统，在总线支持下，把用于数据采集的所有模块均有效集成于整个架构内部。所有传感装置依靠信号调理操作模块，确立信号调理操作对应模组，并在BNC接口/电连接装置辅助下，妥善连接CompactDAQ。而CompactDAQ之中输出的模拟量对应数据模块，可在变频调速相应实操单元辅助下达到对转速的有效控制目的；伺服加载与其电力测功专用设备模块，可以在CompactDAQ协同嵌入的控制装置、以太网及其CAN总线支持下，实现主从控制的完整架构建设，下位机日常负责快速完成各项操作任务，而上位机主要是负责把指令快速下发至下位机中，以此达到参数监控的目的。

1.2.3在机械部件方面

该测试系统当中主要的机械部件，即转矩传感装置/测功装置/主轴支座/轴承座（高速）/待测主轴/模拟刀具等。因电主轴（高速）是此次的待测对象，转速最高为15000r/min，这对于总体机械设计及其装配而言都是重大挑战，此次考虑到高转速所致各种问题，对该测试系统实施合理的优化或改进，具体如下：（1）针对待测主轴方面：考虑到电主轴（高速）基本测试需求，维持测试全程良好的安全性和稳定性，则选取固定安装的这种方式，完成待测主轴整体的安装操作，并运用套装模具，将主轴支座稳固地连接到位，以此达到更高的安装刚性。精加工完成套模之后，借助精度较高的安装孔及各型主轴连接主轴支座，按需更换套模；（2）针对联结测功设备方面：依照实际要求，把测功设备/转矩传感装置/轴承座（高速）全部设于相同刚性操作平台上面，确保所有部件达到更高安装精度，为后续装调提供便利条件[2]；为确保所有装置相互间维持同轴度，就需对主轴支座和测试平板二者中间位置垫片做出适当地调整处理来达到目的。

1.2.4在系统集成方面

整个测试系统集成当中的核心部分，即ET4100测控仪及电力测功设备，基于CAN总线，ET4100测控仪借助通信接口之下，加载控制变频器对应的测功机。表1为测试系统当中重要设备配置与性能参数。图2为电主轴调速负载特性整个的测试系统框架。

表1 设备配置与性能参数

图2 电主轴调速负载特性整个的测试系统框架示意图

2测试分析

2.1测试方法与其步骤

电主轴调速负载特性的测试通常是在完成温升试验过后，重启电主轴情况下开展，分别把调速装置调至所要求频率点，对各频率位置上电主轴的基本作业特性进行测取，以此为基础，完成负载特性相关的曲线绘制操作。电主轴已经启动完成后，则测功设备快速转动，考虑到测控仪器设备尚未加载相应的励磁电流于测功设备之中，以至于测功设备基本不会存在一定的吸收功率及动力矩。着手实施测量操作，在测控仪器设备支持下，加载相应的励磁电流于测功设备之中，此时就会产生相应的制动力矩，确认电主轴实际转速是可满足额定要求。在转速传感与其转矩传感设施设备支持下开展检测作业及信息反馈作业，通过电主轴所设传感装置发挥信息反馈功能，把制动力矩相关信息数据反馈给电主轴，反复确认电主轴实际转速是否可以满足额定要求，而后，依靠转矩专用的测量仪器便可实时显示出整个电主轴当中输出的该部分额定数值，密切观察之后便可确认所显示数值稳定，如此可协助相应的通信软件，把该部分的实测数值均快速完整地记录存储下来，如此便可落实报表编制与曲线绘制各项工作。电主轴重启之后的运行，可以从最高和最低范围当中选取相应转速，处于各转速条件之下，借助测功设备加载到电主轴达到85%最大功率，而后，获取功率、转矩和转速三者关联曲线。

2.2应用分析

选取我国某款电主轴为试样，表2可见该试样各项的指标参数。把试样安置于操作台位置，电主轴的刚性则设到主轴支座处，让电主轴、整个轴承座及其0联轴装置，还有测功设备与其转矩传感系统装置、各个部件等都重合于旋转中心，将其实际偏差把控至＜0.02mm范围。依照前文所阐述测试方法与其步骤完成本次测试试验，测试转速所产生的变化步长则为500 r/min。转速基础条件不同情况下，考虑到功率参数、转矩参数与其转速参数的关联性，结合图2便可完成电主轴总体调速的基本负载特性曲线的完整绘制。向着电主轴当中施加相应的额定功率，则可获取到恒功率和恒转矩区间。施加给电主轴一定负载情况下，恒功率区间是1500r/min～3500r/min，恒转矩区间是1000r/min～1500r/min，这一结果符合电主轴产品厂家所提供数值，如此便可证明该加载方案可靠性及数据信息精准性，此外，本测试系统具有良好的适用性也得到了验证。

表2试样的各项指标参数

3结束语

综上，本文所阐述的电主轴调速负载特性的测试装置与其测试方法，经测试应用实践之后基本上能够验证它的可行性及有效性，值得持续推广并应用于实践中。

参考文献：

[1]吕浪，熊万里.面向变负载超高速磨削的同步电主轴将加速强磁控制方法:CN201610121890.0[P].CN105763121B.2024.

[2]李法敬,朱科,陈培珠.轴芯冷却电主轴热特性分析[J].内燃机与配件,2023(22):33-35.