一种用于电动卡盘的机床主轴制动能量回收系统

本发明涉及机械加工设备，具体涉及一种用于电动卡盘的机床主轴制动能量回收系统。

背景技术：

1、在智能制造与绿色制造深度融合的产业背景下，数控机床作为现代制造业的核心装备，其能源利用效率与智能化水平日益受到关注。机床设备在加工过程中，其主轴电机需频繁执行启动、加速、稳速、减速及制动等工况变换。尤其在减速制动阶段，驱动电机将处于再生发电状态，产生大量再生制动电能。

2、目前，针对主轴电机再生制动能量的处理，业界普遍采用的方式是通过串接于直流母线上的制动电阻，将这部分电能以热能的形式耗散掉。这种处理方式虽然结构简单、成本较低，但存在显著弊端：一方面，这直接造成了电能的浪费，与绿色制造的发展理念相悖；另一方面，大量热能积聚在机床电气柜内，会导致局部环境温度升高，不仅影响主轴驱动器及其他精密控制器件的工作稳定性与使用寿命，还增加了空调冷却系统的能耗和设备的维护成本。

3、随着电力电子技术的发展，部分高端数控机床的主轴驱动系统集成了再生能量回馈并网功能。该技术通过有源前端（active front end，afe）或能量回馈单元，将再生电能进行同步整流和逆变后回馈至电网，实现了能量的宏观回收。然而，这种并网回馈方案存在明显不足：首先，其技术实现需要复杂的并网控制算法、正弦波滤波及谐波抑制电路，系统架构复杂、硬件成本高昂，难以在量大面广的中低端数控机床上推广应用；其次，再生电能回馈电网的过程中，若控制不当，易引入高次谐波，对电网电能质量造成污染，可能干扰同一电网下其他精密设备及数控系统自身的稳定运行。

4、另一方面，电动卡盘作为一种新型的机床工件夹持装置，其采用伺服电机或步进电机直接驱动卡爪实现工件的夹紧与松开，相较于传统的液压或气压卡盘，具有结构紧凑、响应速度快、控制精度高、无液压泄漏风险等显著优点，正日益广泛地应用于精密加工场景中。然而，电动卡盘在动作瞬间，尤其是在重载夹紧时，驱动电机需承受较大的峰值扭矩，导致其瞬时功率需求较高。在现有技术架构下，电动卡盘的驱动电源通常直接取自机床的辅助电源或独立的外部电源，其供电链路与主轴驱动系统相互独立，二者之间缺乏能量上的协同与交互。

5、综上所述，现有技术中至少存在以下技术问题：其一，主轴频繁制动产生的再生能量无法得到有效且经济的本地化利用，造成能源浪费和热污染；其二，缺乏一种能够将主轴制动这一能量“产生源”与电动卡盘动作这一能量“消耗源”进行功率匹配与定向转移的技术方案；其三，在多路供电（即储能供电与外部电源供电）并存的情况下，如何保障卡盘动作供电的高可靠性以及两路电源切换时的电气安全性，也是本领域亟待解决的技术难题。

6、有鉴于此，提出本技术。

技术实现思路

1、本发明提供了一种用于电动卡盘的机床主轴制动能量回收系统，能至少部分的改善上述问题。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种用于电动卡盘的机床主轴制动能量回收系统，其包括：主轴驱动组件、再生电能回收组件、储能组件、储能供电组件、卡盘驱动组件、外部供电支路组件以及控制单元，所述再生电能回收组件的输入端与主轴驱动组件的直流母线电气连接，所述储能组件的输入端与再生电能回收组件的输出端电气连接，所述卡盘驱动组件的电源端通过储能供电组件与储能组件的输出端电气连接，所述外部供电支路组件的输出端与卡盘驱动组件的电源端电气连接，所述控制单元分别与主轴驱动组件、再生电能回收组件、储能供电组件、外部供电支路组件及卡盘驱动组件电气连接；

4、其中，所述控制单元被配置为通过执行其内部存储的计算机程序以实现如下步骤：

5、实时获取主轴驱动组件的直流母线电压与储能组件的储能电压；

6、当判断到直流母线电压高于预设制动识别阈值时，判定主轴处于再生制动状态，控制再生电能回收组件对主轴驱动组件的主轴再生制动电能进行降压，并传输给储能组件进行充电，直至储能电压达到预设储能上限阈值或主轴制动结束；

7、当接收到卡盘动作指令信号时，判断储能电压是否高于预设放电阈值；

8、若是，断开外部供电支路组件与卡盘驱动组件之间的连接，并导通储能供电组件与卡盘驱动组件之间的连接，由储能组件向卡盘驱动组件供电，以驱动卡盘驱动组件执行对应动作；

9、若否，导通外部供电支路组件与卡盘驱动组件之间的连接，并断开储能供电组件与卡盘驱动组件之间的连接，由外部供电支路组件向卡盘驱动组件供电，以驱动卡盘驱动组件执行对应动作；

10、获取卡盘电机电流信号，并根据卡盘电机电流信号判断到卡盘动作完成时，断开外部供电支路组件与卡盘驱动组件之间的连接，或断开储能供电组件与卡盘驱动组件之间的连接，返回待机监测状态。

11、优选地，所述主轴驱动组件包括主轴电源、第一开关断路器、第一接触器、第一整流器、直流母线、第一逆变器以及主轴电机，其中，主轴电源经第一开关断路器和第一接触器连接至第一整流器的输入端，第一整流器的输出端与直流母线连接，直流母线与第一逆变器的输入端连接，第一逆变器的输出端与主轴电机连接。

12、优选地，所述再生电能回收组件为buck降压变换电路，包括输入滤波电容、主开关器件、第一电感、续流二极管和输出滤波电容，主开关器件的控制端与控制单元连接，控制单元通过脉宽调制信号控制主开关器件的导通与关断，其中，主开关器件为绝缘栅双极晶体管igbt或功率mosfet。

13、优选地，储能组件采用超级电容模组，其内置过压保护单元、欠压保护单元及单体电压均衡单元。

14、优选地，储能供电组件包括第二电感、第一二极管、第一mos管、第一电容、保险丝、第二mos管以及防倒灌二极管，其中，第二电感、第一二极管、第一mos管、第一电容构成boost升压电路，boost升压电路用于将储能电压升压至卡盘驱动组件的额定工作电压，防倒灌二极管用于抑制卡盘驱动组件的侧电压向储能组件反向回灌。

15、优选地，所述卡盘驱动组件包括第二逆变器和卡盘电机，第二逆变器的输出端连接卡盘电机，其中，第二逆变器用于将输入电能转换为驱动卡盘电机运行所需的交流电，卡盘电机用于在第二逆变器的驱动下执行卡盘夹紧或松开动作。

16、优选地，所述外部供电支路组件包括卡盘外部电源、第二开关断路器、第二接触器以及第二整流器，卡盘外部电源经第二开关断路器和第二接触器接入第二整流器的输入端，第二整流器的输出端连接第二逆变器的输入端。

17、优选地，所述控制单元包括控制模块、第一隔离驱动电路、第二隔离驱动电路、第三隔离驱动电路，控制模块的输出端与第一隔离驱动电路的输入端、第二隔离驱动电路的输入端、第三隔离驱动电路的输入端电气连接，第一隔离驱动电路的输出端与再生电能回收组件的控制端电气连接，第二隔离驱动电路的输出端、第三隔离驱动电路的输出端与储能供电组件的控制端电气连接。

18、优选地，还包括：当判断到满足主轴停稳条件和卡盘动作许可条件时，允许卡盘驱动组件执行松开动作，并在卡盘动作过程中，禁止储能供电组件和外部供电支路组件同时导通，在储能组件过压、欠压或供电支路过流时，输出保护控制信号。

19、综上所述，本系统包括主轴驱动组件、再生电能回收组件、储能组件、储能供电组件、卡盘驱动组件、外部供电支路组件以及控制单元，其中，再生电能回收组件的输入端连接于主轴驱动组件的直流母线，用于在主轴减速制动导致直流母线电压升高时，将主轴再生制动电能降压后存储至储能组件；当电动卡盘执行夹紧或松开动作时，控制单元根据储能电压控制储能供电组件或外部供电支路组件向卡盘驱动组件供电，储能供电组件用于将储能组件输出的电能升压稳压后供给卡盘驱动组件。

20、与现有技术相比，本发明实现了主轴制动再生能量向电动卡盘动作能量的定向转移，形成局部能量闭环，并能够在储能不足时自动切换至外部电源供电，从而提高卡盘动作供电的可靠性并降低制动能量耗散。