兼顾低速重载和高速轻载电主轴的可控预紧方法研究

为克服电主轴采用传统定压预紧方式低速时预紧力偏小和高速时预紧力偏大的弊端,提出了一种电主轴预紧力可控的预紧方式,对比研究了电主轴在这两种预紧方式下的动力学性能.结果表明,可控预紧电主轴能同时满足低速重切削和高速轻切削的加工要求.     

高速主轴轴承预紧力技术研究

高性能电主轴单元集合了精密主轴轴承技术、高速电机驱动与控制技术、油气润滑与冷却技术、高速主轴轴承预紧等相关技术,其中高速主轴轴承预紧技术是实现高性能电主轴的关键技术之一.论文着重阐述了高速主轴轴承预紧力研究的目的和意义、轴承预紧力的研究现状以及本实验室对轴承施加预紧力的研究.     

轴承预紧力对电主轴刚度及使用寿命的影响分析

电主轴的静刚度是其主要性能指标,是机床加工零件精度和质量的保证。轴承作为电主轴的核心支撑部件,其预紧力的增加或减小对主轴的刚度有着重要的影响,同时预紧力的变化也会影响轴承的使用寿命。为了确定轴承的最佳预紧力,通过仿真分析了预紧力的变化对主轴静刚度、固有频率以及使用寿命的影响。分析结果表明：随着预紧力的增加,主轴的静刚度和固有频率都有明显的提高,但同时降低了轴承的使用寿命。     

高速机床主轴轴承预紧力理论分析

预紧力的大小直接影响机床主轴动态特性,传统的定压预紧已不能满足现代高速化机床主轴的性能需要,预紧力可控成为主轴技术的重要发展方向.采用有限元法,完成了高速主轴系统温度场分析,给出了预紧力和轴承温升的对应关系,以推荐的轴承温升为控制目标,确定高速段轴承预紧力;以轴承的疲劳寿命为设计目标,获得低速段轴承预紧力.以某高速机床主轴为例,分析并计算了预紧力随转速变化的关系曲线,研究结果表明:高速机床主轴轴承预紧力理论分析方法可行,为机床主轴的预紧力控制提供了依据.     

关于轴承预紧力对轴系性能影响的仿真分析

高性能电主轴包括电机驱动与控制系统、主轴轴承系统、润滑与冷却系统、轴承预紧系统等多种重要部件,其中轴承预紧力技术是电主轴的关键技术之一.论文对不同预紧力下的主轴轴承刚度进行了理论计算,并对不同轴承预紧力下的主轴轴承系统进行了模态和谐响应分析.结果表明;随着轴承预紧力的增加,轴承刚度逐渐增大,轴系固有频率逐渐增大,主轴前端和后端径向响应位移逐渐减小,主轴中间径向响应位移则逐渐增大.     

陶瓷球轴承接触角和预紧力对高速磨削电主轴静刚度的影响

陶瓷球轴承作为电主轴的核心部件,其结构参数对电主轴的静刚度有着重要的影响。基于角接触球轴承径向刚度计算公式,通过仿真分析研究了接触角和预紧力对电主轴静刚度的影响。通过建立的主轴-轴承系统三维有限元模型,仿真获得了不同接触角和预紧力下主轴前端径向变形及主轴静刚度,进而根据有限元仿真结果拟合得到了主轴静刚度关于接触角和预紧力的拟合方程及拟合曲线。     

基于双尺度调控的电主轴轴承预紧力优化方法

为研究复杂工况条件下运行激励引起高速电主轴轴承动力学变化对轴承预紧力的影响过程,建立了一种适用于全功能高变速域的高速电主轴角接触轴承预紧力、速度和疲劳寿命耦合优化模型.提出基于轴承疲劳寿命尺度和可靠性度尺度综合控制的轴承预紧力优化方法,构建考虑滚动体滑动、自旋转、陀螺运动的轴承动力学分析方法,研究轴承预紧力与轴承运行状态的动态定量映射关系,以高速电主轴运行过程中轴承疲劳寿命为优化目标,通过可靠性影响因子和疲劳寿命影响因子的双尺度调控,实现轴承预紧力动态优化分析.分析表明:速度激励条件下可通过预紧力动态优化来实现轴承动力学特性动态控制,采用疲劳寿命尺度和可靠度尺度综合调控,可实现轴承预紧力动态定量优化.     

基于双尺度调控的电主轴轴承预紧力优化方法

为研究复杂工况条件下运行激励引起高速电主轴轴承动力学变化对轴承预紧力的影响过程,建立了一种适用于全功能高变速域的高速电主轴角接触轴承预紧力、速度和疲劳寿命耦合优化模型.提出基于轴承疲劳寿命尺度和可靠性度尺度综合控制的轴承预紧力优化方法,构建考虑滚动体滑动、自旋转、陀螺运动的轴承动力学分析方法,研究轴承预紧力与轴承运行状态的动态定量映射关系,以高速电主轴运行过程中轴承疲劳寿命为优化目标,通过可靠性影响因子和疲劳寿命影响因子的双尺度调控,实现轴承预紧力动态优化分析.分析表明:速度激励条件下可通过预紧力动态优化来实现轴承动力学特性动态控制,采用疲劳寿命尺度和可靠度尺度综合调控,可实现轴承预紧力动态定量优化.     

高速电主轴轴承的预紧

针对高速电主轴轴承的预紧,从轴承预紧方式的选择和预紧力大小的确定两个方面进行了分析研究.     

高速电主轴静刚度仿真与实验研究

主轴静刚度是评价电主轴静态特性的一项重要指标,对保证精密数控机床的加工精度至关重要。基于典型工况下切削力和角接触球轴承径向刚度计算公式,通过建立的主轴-轴承系统三维有限元模型,仿真获得了在指定工况下电主轴前端轴向变形量及主轴静刚度。在搭建的实验平台上对电主轴进行了静刚度实验。通过对比仿真结果和实验结果,间接验证了该有限元模型的有效性。基于可靠的有限元模型,进一步仿真获得了电主轴静刚度随前后端轴承预紧力的变化情况。     

超声电机的预压力特性分析与优化

预压力是保证超声电机定转子摩擦驱动的关键因素,开展预压力特性分析及优化方法研究对于提升电机性能及使用寿命具有重要意义。本文通过仿真分析了预压力对接触角及驱动区占比的影响,实验测试了预压力变化时的速度波动规律,并绘制了在不同预压力和转矩下的速度与效率曲面;借助编码器与薄膜温度传感器获取了不同预压力条件下电机工作200 s的速度与定子界面温度的变化过程。综合上述分析结果,提出了一种面对不同应用场合的预压力优化准则,确定了预压力的理想工作区间。实验结果表明,伴随着预压力的增长,接触区与驱动区同步扩展,同时驱动区占比逐步减小,在一定程度上能减小速度波动,电机最大效率点逐渐向大转矩方向移动,且机械效率在某个预压力下存在最高值,而界面温升则呈现先增大、后减小再增大的趋势。根据所提出的优化准则确定出TRUM60A型超声电机预压力较为理想的工作区间为260~320 N,在该预压力范围内,超声电机既能较好地满足低速稳定、温升小的要求,又能使制动力矩和机械效率达到理想范围。     

Estimation of the cutting torque without a speed sensor during CNC turning

In this paper, the cutting torque of a CNC machine tool during machining is monitored through the internet. To estimate the cutting torque precisely, the spindle driving system is divided into two parts: electrical induction motor part and mechanical part. A magnetized current is calculated from the measured three-phase stator currents and used for the total torque estimation generated by a spindle motor. Slip angular velocity is calculated from the magnetized current directly, which gets rid of the necessity of a spindle speed sensor. Since the frictional torque changes according to the cutting torque and the spindle rotational speed, an experiment is adopted to obtain the frictional torque as a function of the cutting torque and the spindle rotation speed. Then the cutting torque can be calculated by solving a 2^nd order difference equation at a given cutting condition. A graphical programming method is used to implement the torque monitoring system developed in this study to the computer and at the same time monitor the torque of the spindle motor in real time through the internet. The cutting torque of the CNC lathe is estimated well within an about 3% error range in average in various cutting conditions.     

步进电机的经济型驱动电源

针对低成本三相反应式步进电机设计的经济实用型驱动电源，在步进电机低速运转时采用低压供电，降低了电机的低频振荡；在高速运转时采用高压供电，提高了电机的高频力矩。驱动电路采用恒流斩波方式，提高了步进电机的运转扭矩和工作效率。选用IRFP250型VMOS场效应管驱动电机，使得驱动电源功耗低、稳定可靠，具有一定的推广使用价值。     

A study on the development of a new conceptual automatic variable preload system for a spindle bearing

In machine-tool spindle systems, rolling bearings are generally the most widely used type of bearing, offering high stiffness and a large load capacity. The performance of bearings is greatly affected by the applied preload. This paper suggests a new automatic variable preload system that uses an eccentric mass device applied to the bearings of a spindle system. A spindle sustains centrifugal force when rotating. The eccentric mass device converts the radial direction force caused by the centrifugal force into axial force using an eccentric mass device. The eccentric mass device applies a small amount of force to the bearing when the spindle rotates at a low speed and applies large force to the bearing when the spindle rotates at a high speed. In this design, the device maintains a large preload at low speeds and lowers the preload at high speeds. Depending on the increase in the spindle rpm, the force that the eccentric mass device delivers to the axial direction will also increase. In addition, the preload applied to the bearings will be reduced. A finite element analysis was conducted to predict the shape of the eccentric mass device and changes of the preload. Based on the analysis results, a prototype was fabricated. According to the results of experiments conducted on the prototype, it was confirmed that the automatic variable preload device with the suggested structure operated satisfactorily. Also, vibration and noise of the prototype were measured and analyzed. The approach suggested in this study is expected to allow reduced manufacturing and operating costs, as the complex devices for hydraulic pressure or electricity required in existing variable preload devices can be eliminated.     

A speed-dependent variable preload system for high speed spindles

High speed machine tools are required to operate in a wide range of spindle rotational speeds with high stiffness and high accuracy. The stiffness of the spindle is largely dependent on the axial preload of the angular contact bearings. A large preload is required at lower range of speeds to provide sufficient stiffness for vibration-free heavy cutting. However, at higher speeds, it results in rapid temperature rise and reduces the life of the bearing. For optimum performance, it is essential that the bearing preload is reduced as the rotational speed increases. In this paper, an automatic variable preload system is proposed that changes the preload on the bearings as a function of rotational speed. This system is based on the use of centrifugal forces and requires little space inside the spindle. The performance of this mechanical system is determined using finite element modeling. A prototype of the system is fabricated and its performance is investigated using a specially devised test stand for direct measurement of the preload. The effectiveness of the proposed system in reducing the preload at higher speeds is demonstrated.     

数控车床实验系统的主轴变频调速系统设计分析

主要针对要求高精度、快响应的数控车床主轴调速系统的设计要求,通过对变频调速的基本原理和变频方式的分析,提出了变频电机与变频器组合的调速方案.根据数控车床实验系统的运行条件,计算车床的切削力和主轴电机的功率,为选择实验系统的主轴变频调速电机提供依据.根据选定的变频电机的特性,提出了变频器的选择原则,进而选择了额定容量和额...     

混合动力汽车动力合成及工况分析

混合动力汽车是综合了电动机和发动机两大动力优点的新一代节能汽车。它高水平地满足了现代汽车对低油耗、低尾气排放量的要求。电动机在低转速下可以产生大扭矩,而发动机则在高转速下具有良好的输出功率。混合动力系统通过最佳控制两种动力资源,使得无论是在低速还是高速时都能实现灵敏、顺畅、平稳的加速感觉。根据行驶条件的变化,可以仅靠电动机驱动力来行驶,也可以利用发动机和电动机共同驱动行驶。     

基于双滑模控制的PMSS直接转矩调速系统设计

针对永磁同步电主轴传统直接转矩控制策略存在较大的磁链和转矩脉动,系统在低速段难以精确控制,以及由于磁链和转矩脉动引起的噪声和抖动等问题,该文提出了基于双滑模变结构控制的永磁同步电主轴直接转矩调速控制方案。提出通过转矩和磁链的2个滑模控制器来代替传统直接转矩中的2个滞环控制器,其输出实现了空间电压矢量调制,保证了逆变器开关频率恒定,减小了磁链和转矩脉动;分析滑模变结构控制所产生抖振缺陷的机理,选择适当的趋近律在保证系统鲁棒性的前提下有效抑制了抖振。实验和仿真结果表明,该调速系统具有动态响应快,磁链和转矩脉动小以及较强的鲁棒性等优点。     

三相反应式步进电机的高性能驱动电源

提出了一种可变细分的高性能步进电机驱动电源，该电源用于驱动三相反应式步进电机。细分波形由AT89S52单片机控制DAC0832数／模转换器产生，驱动单元采用高压型恒流斩波电路。该电源在控制步进电机转动时，微步精度高，低速运转时电机振荡小，高速运转时输出力矩大。通过选择合适的细分数，可与不同档次的CNC控制器配套使用。批量使用结果表明，该电源稳定性好、性价比高，具有一定的推广使用价值。