浅谈数控机床高速电主轴技术

1电主轴的定义及特点 电主轴是“高频电机主轴单元”的简称,又称“内装式电机主轴单元”、“内装式电机主轴”。其主要特点是将主轴电机内置于机床主轴单元内部直接驱动主轴,实现电机、主轴一体化的功能。     

高速电主轴块控自适应反演控制

针对高速电主轴驱动控制系统的不确定性,强耦合,非线性等难点,提出基于智能RBF调节神经网络的高速电主轴块控自适应反演控制方案。采用李雅普诺夫稳定性理论推导出主轴系统的控制律和参数自适应律,主轴转子转速及磁链跟踪显示出优良的瞬态性能并且能够对附加扭矩干扰以及主轴系统的不确定性具有较强的鲁棒性。仿真结果验证了此方案的有效性和合理性。     

不同控制策略对高速电主轴动态性能影响

针对高阶、强耦合、非线性复杂机电耦合系统的高速电主轴,内置的电机控制效果直接影响其动态性能问题,对各种控制策略控制特点进行系统研究,建立高速电主轴动态数学模型;重点对U/f控制及矢量控制,利用实验研究高速电主轴的控制精度与主轴机械参数间动态关系,为改善高速电主轴动态性能、寻找更优控制策略提供试验依据及分析方法;并展望高速电主轴系统控制策略的未来发展趋势。     

基于ANSYS的电主轴热结构耦合分析

以高速电主轴为研究对象,利用Solidworks建立主轴的三维实体模型,采用有限元法对电主轴进行结构分析,将ANSYS的热分析结果作为初始载荷,外加结构载荷,对电主轴进行了热结构耦合,获得了电主轴的应力应变分布云图和主轴的最大变形量,为该型电主轴的优化提供了理论依据．     

高速精密电主轴动态热态特性的研究进展

高速化和精密化是目前世界装备制造业发展的两大趋势.高速精密电主轴作为机床赖以实现高速精密加工的核心功能部件,其性能的高低决定了机床的整体发展水平.目前制约电主轴发展水平的关键之一是对电主轴的动态热态特性缺乏系统深入的研究.本文从轴承动态特性、轴承热态特性、电主轴整体热态特性及主轴系统动态热态性能设计等角度,分析了影响电主轴工作性能的若干关键技术,介绍了国内外电主轴相关技术的研究进展,指出了高速精密电主轴技术的发展趋势.     

电主轴偏摆测试仪校准装置的研制

电主轴偏摆测试仪是用来测量主轴高速旋转状态下偏摆量的测量仪器,研究如何计量校准高速电主轴偏摆测试仪,从而保障电主轴偏摆测试仪的量值溯源非常有意义。文章提出采用非接触式测量模式对高速电主轴某一运动状态进行偏摆量的测量标定,利用高精度激光位移传感器高频率响应对高速运行的电主轴采样测量主轴偏摆量,标定电主轴偏摆量值,再对主轴偏摆测试仪进行校准,达到量值溯源目的。     

高速精密轧辊磨头主轴驱动控制系统设计

高速轧辊磨床是冶金生产领域一种不可或缺的重要设备,它是基于高精度和稳定可靠的电气控制系统来实现对磨削过程的准确控制。针对一种砂轮线速度在80 m/s以上的高速轧辊磨床,以FX_3UPLC作为控制器,采用与PLC（programmable logic controller,可编程逻辑控制器）标准配套的A/D及D/A特殊功能模块,组成PLC模拟量控制系统,设计了基于FX_3UPLC和变频器控制的高速精密轧辊磨头主轴驱动控制系统。介绍了高速精密轧辊磨头运行时的控制要求及磨头主轴电机变频调速控制系统的组成、控制方案及信号处理方法,设计了硬件电路、电机速度控制梯形图及系统通信程序。利用组态王软件开发了上位机监控界面,通过上位机组态界面输入框设定电机转速,加入模拟量编码器作为主轴电机转速反馈传感器,引入PID速度闭环控制系统,使得电机能够在给定转速下稳定运行。系统采用PLC对模拟量信号进行实时采集,经数模计算和反馈,实现轧辊磨头主轴系统各过程变量的实时监测和主轴电机输出转速的在线调整。该系统运行稳定,具有较好的抗干扰性能,保证了高速精密轧辊磨头连续可靠、安全高效的运行。     

基于主轴系统电机电流信号监测铣削力的研究

针对高速干切数控螺旋锥齿轮铣齿机存在的稳定性差、加工精度低、所加工的工件齿面有振纹等技术问题,对机床进行了深入的研究。通过研究发现铣削力是机床运行状态和加工品质的重要表征参数。基于国产高速干切数控螺旋锥齿轮铣齿机的实际铣齿工况,提出了采用同时监测刀具主轴和工件主轴电机电流来反映铣削力的间接测量方法。为了建立刀具主轴电机电流与铣削力间的模型,从分析机床的主轴系统入手,建立了刀具主轴系统运动学模型;利用双轴力矩电机电流监测法,对电流信号进行时频分析,并采用数值分析的方法对电机电流信号进行处理,对刀具主轴系统运动学模型中的待定参数进行了标定,建立了主轴系统电机电流信号与铣削力间的模型。利用该模型,可实时监测机床刀具主轴的铣削力,为机床结构的优化设计和加工工艺参数的改进提供了数据支持。     

高速空气静压主轴动静态特性的有限元分析

本文利用ANSYS软件过对高速大功率空气静压电主轴动静态特性进行有限元分析研究，得到电主轴的动静态特性的理论数据，为后续对轴承的支承结构和主轴的动静态特性进行优化提供必要的理论依据。     

高速电主轴负载扭矩软测量技术研究

在分析高速电主轴功率与负载转矩关系的基础上,提出了一种负载扭矩软测量的方法.采用电主轴定子电压、定子电流、空载电流和主轴转速作为辅助变量,建立了基于BP神经网络的负载扭矩软测量模型.以航空发动机离合器轴承试验台扭矩检测为例,对软测量模型进行了仿真研究.仿真结果表明,该方法能够满足一定精度要求,为解决高速电主轴拖动系统扭矩传感器昂贵和不易安装等问题,提供了一种解决方法.     

高速静压内置式电主轴系统稳定性分析及优化

针对高效精密机床电主轴系统的高速化,讨论液体静压主轴系统失稳机理,并对高速静压内置式电主轴系统进行稳定性分析;提出基于遗传算法的电主轴系统稳定性优化方法。以系统稳定性评价指标为优化目标、电主轴系统轴向尺寸参数为设计变量,采用高效微型遗传算法实现电主轴系统稳定性优化。该方法既能高效解决增强轴系稳定性优化问题,又可避免复杂结构参数修改;通过某高速磨床静压内置式电主轴系统稳定性分析及优化对该方法进行验证。结果表明,稳定性分析及优化后系统稳定性得到明显提高。     

Research Progress of Key Technology of High-Speed and High Precision Motorized Spindles

High speed machining and high precision machining are two tendencies of the manufacturing technology worldwide. The motorized spindle is the core component of the machine tools for achieving the high speed and high precise machining, which affects the general development level of the machine tools to a great extent. Progress of the key techniques is reviewed in this paper, in which the high speed and high precision spindle bearings, the dynamical and thermal characteristics of spindles, the design technique of the high frequency motors and the drivers, the anti-electromagnetic damage technique of the motors, and the machining and assembling technique are involved. Finally, tha development tendencies of the motorized spindles are presented.     

大口径光学镜面超精密加工机床的研制

设计制作了最大加工直径为φ880 mm的光学镜面超精密加工机床.该机床采用大理石床身、4轴数控联动、全气浮支承和零传动结构,以实现光学球、非球及自由形面的超精密切削.介绍了机床整体结构特点和性能参数,描述了气浮电主轴、气浮直线导轨、直驱回转工作台等关键技术及部件.该机床主轴回转精度0.05μm,直线伺服轴分辨力1.25 nm,回转工作台角位移分辨力0.009.″在硬铝和无氧铜材料上分别加工出了面形精度0.5μm、表面粗糙度5 nm的φ400 mm球面和面形精度0.5μm/φ100 mm、表面粗糙度8 nm的非球形面.     

A new phase-delay-free method to detect back EMF zero-crossing points for sensorless control of spindle motors

This paper introduces a new rotor position detecting method for the sensorless control of spindle motors in hard disk drives. The method applies a digital filtering procedure to identify the true and false zero-crossing points of phase back electromotive forces, the latter of which are caused by the terminal voltage spikes due to phase commutations. The proposed method is phase-delay free and independent of motor parameters. It is especially suitable for high-speed sensorless brushless dc motors. We used the method to drive many kinds of spindle motors for different hard disk drives. The experimental results confirmed the effectiveness of the proposed method in a wide speed range.     

计及套圈变形的电主轴角接触球轴承动刚度分析

针对高速电主轴结构特点,应用弹性力学和滚动轴承动力学理论,建立考虑内圈弯曲变形影响的角接触球轴承动刚度分析模型,探讨不同工况下内圈的径向挠度及其对轴承动刚度的影响,最后在12MD60Y6型号电主轴上进行轴承动刚度测试。理论和实验结果表明,内圈径向挠度和轴承的轴向载荷成正比、与转速成反比,在重载条件下其值不容忽视。考虑内圈径向挠度的轴承动刚度计算结果更接近实验结果。     

150MD24Z7.5高速电主轴多场耦合模型与动态性能预测

电主轴是机电一体化产品,充分考虑并预测其动态特性是机床主轴系统优化设计的前提。本文基于电主轴内部磁场、电场、温度场、结构场间的耦合关系,建立了150MD24Z7.5高速电主轴多场耦合有限元模型,通过电主轴电机电磁损耗及轴承摩擦生热计算,仿真电主轴温度场及结构场变化,讨论电主轴热态特性与振动特性之间耦合关系,分析电主轴温升热膨胀后气隙变化对振动特性的影响并通过实验加以验证。研究结果表明,电主轴温升形变对振动幅值影响较大,其中由气隙变化引起的电磁力幅值增加12.1%。利用该多场耦合模型可预测电主轴振动幅值,预测误差为10.2%。     

电主轴冷却系统设计与仿真优化

为解决电主轴因内部温度场复杂而造成冷却效果差的问题,设计了一种用于电主轴冷却的水冷机系统。根据电主轴热特性分析结果,提出了水冷机冷却方案,计算了相关的传热参数,并建立了电主轴温度-流速控制模型。然后,利用ANSYS Fluent软件对电主轴进行了流体冷却有限元仿真,并通过电主轴冷却实验对仿真结果进行了验证。通过对比仿真结果和实验结果可知,冷却后电主轴电机定子最高温度约下降了60%,转轴的形变量约降低了70%。结果表明：利用水冷机系统对电主轴进行冷却具有良好的冷却效果,这可为高精密机床主动热控制技术的研究提供一定的借鉴和参考。     

高速电主轴多场耦合动力学特性研究

建立了一种新型的高速电主轴多场耦合动力学模型,讨论了轴承模型、热态模型、芯轴动力学模型和电机电磁模型之间的耦合关系,提出热膨胀、轴承内圈离心膨胀、轴承内外圈接触膨胀、电磁不平衡拉力载荷和离心力载荷5种耦合因素,并且设计出多场耦合动力学模型的计算流程,分析耦合因素对高速电主轴系统运行状态的影响。以2ZDG60型高速电主轴为研究对象,计算结果表明：考虑耦合因素与不考虑耦合因素相比较,轴承动态支承刚度、轴承损耗功率以及芯轴动力学行为差别较大;实验结果表明：考虑耦合因素时的高速电主轴温升分布和芯轴固有特性与实验结果的吻合度较高。     

基于模糊滑模切换控制的PMSMS弱磁调速控制策略

针对表贴式永磁同步电主轴(PMSMS)弱磁控制方案中,主轴系统调速性能欠佳的问题,提出一种基于模糊滑模切换控制(FSMSC)的超前角弱磁调速策略。在转速误差大于设定阈值时,使用模糊控制器实现主轴转速快速趋近给定值,利用模糊控制的特点对控制器进行实时的参数调整,使系统具有更强的鲁棒性;在转速误差小于设定阈值时,使用趋近律滑模控制器提高系统抗干扰能力,减小加工过程中因负载突变造成的加工误差,进一步增强系统鲁棒性。实验结果表明,基于FSMSC的超前角弱磁调速策略能有效抑制定子电流震荡以及电磁转矩脉动,并且控制器对抖动因子参数敏感性低,参数调节便捷,在实际加工中具有重要意义。     

Improved thermal resistance network model of motorized spindle system considering temperature variation of cooling system

In the motorized spindle system of a computer numerical control (CNC) machine tool, internal heat sources are formed during high-speed rotation; these cause thermal errors and affect the machining accuracy. To address this problem, in this study, a thermal resistance network model of the motorized spindle system is established based on the heat transfer theory. The heat balance equations of the critical thermal nodes are established according to this model with Kirchhoff's law. Then, they are solved using the Newmark-β method to obtain the temperature of each main component, and steady thermal analysis and transient thermal analysis of the motorized spindle system are performed. In order to obtain accurate thermal characteristics of the spindle system, the thermalconduction resistance of each component and the thermalconvection resistance between the cooling system and the components of the spindle system are accurately obtained considering the effect of the heat exchanger on the temperature of the coolant in the cooling system. Simultaneously, high-precision magnetic temperature sensors are used to detect the temperature variation of the spindle in the CNC machining center at different rotational speeds. The experimental results demonstrate that the thermal resistance network model can predict the temperature field distribution in the spindle system with reasonable accuracy. In addition, the influences of the rotational speed and cooling conditions on the temperature increase of the main components of the spindle system are analyzed. Finally, a few recommendations are provided to improve the thermal performance of the spindle system under different operational conditions.The full text can be downloaded at https://link.springer.com/article/10.1007/s40436-018-0239-4