数控机床高速电主轴动态性能测试与分析

电主轴的性能尤其是动态性能直接影响着主轴运转的稳定性及高速加工的加工精度和生产效率,也决定着高速数控机床的整体发展水平。通过分析数控机床高速电主轴动态性能的主要影响因素,搭建了电主轴动态性能测试试验平台,完成了电主轴在1 000~15 000 rpm转速范围内的振动信号采集与处理,实现了电主轴的动态性能测试与分析,并据此提出了提高电主轴动态性能的有效措施。     

基于损耗实验的电主轴温度场分析

目的分析高速电主轴温度场分布情况,为研究高速电主轴温升、热变形预测提供理论依据.方法建立高速电主轴1/4三维有限元模型,基于损耗实验计算主轴电机及轴承生热率前提下分析高速电主轴温升分布情况.通过电主轴测试系统建立温升实验,测量高速电主轴外壳不同部位温升验证有限元仿真结论.结果仿真结果表明:高速电主轴稳态温度场中转子处温度最高,温度为84.4℃;高速主轴壳体最高温升出现在电主轴轴头处,温升为23℃,与实验结果相比误差为8.6%.结论通过分析温升仿真和实验得到高速主轴外壳不同部位温升不同,外壳温度变化是一个非线性变化过程,前2000s温度快速升高,2000s后温度逐步稳定.此结论为有效控制高速主轴温升,减小主轴变形及提高主轴精度提供理论基础.     

150MD24Y20高速电主轴热特性分析

目的分析电主轴热变形产生及分布,为研究电主轴热误差,提高主轴加工精度提供理论依据.方法基于电主轴稳态温度场分布,采用ANSYS顺序耦合理论,分析高速电主轴热变形分布情况.通过电主轴测试系统建立热变形实验,测量高速电主轴工作端热变形,验证有限元仿真结果.结果仿真结果表明:随着电主轴速度增高,主轴热变形和温升也越来越大.电主轴在热稳态下,沿着轴向伸长而径向弯曲变形.结论当主轴材料一定,热变形与速度几乎呈线性关系,同时,主轴温升越大,热变形越大.此结论为有效控制主轴热变形,减小热误差及提高主轴稳定性提供理论基础.     

高速电主轴的电压解耦与负载特性

为了研究高速电主轴动态数学模型中耦合回路对高速电主轴负载特性的影响,根据控制理论的不变性原理,在高速电主轴给定电流和反馈电流的偏差处引入外部解耦支路来消除耦合电压的影响,研究解耦后高速电主轴的励磁电流和转矩电流在负载变化时对主轴磁通、电磁转矩以及负载特性的影响方式,并利用高速电主轴性能测试试验平台进行负载特性测试.理论分析和试验结果表明:高速电主轴的解耦效果会直接影响主轴磁通的稳定性和转矩电流对负载的线性跟踪能力,并通过不同频率下机械特性曲线的平行度、电磁转矩脉动程度、主轴的载荷能力、功率因素和效率等特性参数直接体现.因此,可以根据包含上述特征信息的机械特性曲线、功率因素曲线和效率曲线的变化趋势,判断高速电主轴的实际解耦效果,并预测高速电主轴在该控制方式下的动态性能.     

基于权重法的机床主轴可变预紧力确定方法

目的研究不同转速、载荷条件下机床主轴轴承的最佳预紧力,满足高速机床主轴全速段性能要求.方法建立基于拟静力学的轴承分析模型,计算不同转速、负荷条件下满足轴承使用寿命的最大轴向预紧力,和能够限制轴承陀螺旋转的最小轴向预紧力,得出预紧力取值的上下限.通过试验分析轴向预紧力对电主轴轴承温升和振动的影响.结果在低速范围内,轴向预紧力的变化对主轴振动和轴承温度无明显影响.在中速范围内,随着轴向预紧力增加,主轴振动有较明显减弱,轴承温度有较明显增加.在高速范围内,随着轴向预紧力增加,主轴振动大幅度减弱,轴承温度大幅度增加.结论在每个转速范围内分别引入不同的预紧力上下限权重值,得出满足高速机床主轴全速段性能要求的轴承最佳预紧力.     

机床柔性主轴转子低速无试重动平衡方法研究

为解决机床柔性主轴转子动平衡过程中需要在高速下试重的问题,提出一种柔性主轴转子低速无试重动平衡方法。在构建机床主轴动力学模型的基础上,根据刚体力学理论,通过对不平衡量与振动响应之间映射关系的提取,实现了工作转速下采集一次振动数据即可完成不平衡量的无试重识别;为了在非真实失衡面对呈现柔性特征的主轴转子失衡振动进行有效抑制,分析了柔性状态下的不平衡主轴模态振动行为,并基于此提出了不平衡量校正位置迁移方法。在高速柔性电主轴动平衡平台上进行了仿真与实验分析,实验在7 200r/min时进行,结果表明:基于一阶临界转速下所采集的振动数据,可得到迁移至两侧配重平面的等效不平衡量,对该不平衡量予以校正之后,一阶临界转速下主轴振动幅值下降了74.7%,且临界转速前后的振动降幅也较为明显,有效抑制了高速振型不平衡。     

高速电主轴热态特性的ANSYS仿真分析

分析高速电主轴的发热和散热特性,建立高速电主轴热态分析有限元模型.运用 ANSYS有限元软件,分析热稳定状态下电主轴的温度场分布以及冷却润滑系统对电主轴温升的影响.分析结果表明,提高电主轴现有冷却润滑系统的冷却效率可有效控制轴承的温升,但对转子轴的温升影响很小,要有效控制转子轴的温升和提高电主轴的精度和寿命,必须研究转子轴的冷却途径和方法.同时,仿真分析转速对电主轴温升的影响,揭示电主轴温度场分布的非线性特征,为电主轴温升的在线监测和控制提供理论依据.     

基于S试件的加工中心电主轴载荷谱编制

开展以载荷谱为指导的电主轴模拟加载试验是检验主轴可靠性的一种重要途径。该文提出一种基于切削力系数辨识及切削仿真的加工中心电主轴载荷谱编制的方法。基于切削力模型,开展切削力系数辨识实验,然后将辨识得到的切削力系数代入到切削力模型用于切削力计算,并通过对比实验检验切削模型的准确性;在AdvantEdge FEM软件的PM 3D(production module 3D)模块中开展基于S试件的切削仿真,获取切削参数的时间历程;结合切削力模型与切削S试件的切削参数,仿真获取较准确的动态切削力,并用雨流计数法进行循环计数;根据计数结果对备选概率分布模型进行参数拟合,通过拟合图形与KS(Kolmogorov-Smirnov)检验值的分析比较,筛选出的最优模型即为基于概率分布模型的载荷谱。基于该载荷谱,在一台电主轴可靠性试验台上进行了加载试验来验证载荷谱对加载试验的指导作用。结果表明:基于仿真的动态切削力与实验值基本一致,可用于载荷谱编制;该载荷谱可以指导加载试验。该方法为主轴可靠性试验奠定了坚实基础。     

高速电主轴热特性仿真与实验研究

对高速电主轴温度场分布随转速的变化规律进行了研究。通过在外壳上布置一定数量的温度传感器,对不同转速下的外壳温度进行实时测量,并将实验结果与ANSYS的模拟结果进行对比,验证了采用在电主轴外壳上布置多个测点测量与仿真相结合的方法来预测电主轴内部温度场分布的可行性;另外还分析了在不同转速下,高速电主轴关键部位的温升,仿真结果表明:主轴在6000~10000 r/min时,温升呈线性增加,在大于10000 r/min后,温升以指数规律增加。     

高速气浮电主轴转子系统不平衡响应分析

针对高速气浮电主轴转速高,动力学行为复杂,对不平衡激励敏感的特点,基于推广的拉格朗日方程,建立了高速电主轴转子气体轴承系统的动力学数学模型,获得了自由振动微分方程与强迫振动微分方程。在分析气浮电主轴系统残余不平衡质量产生的惯性离心力及不平衡磁拉力的作用机理的基础上,利用有限元方法,对某最高工作转速为250000 r／min 的高速气浮电主轴转子系统进行了不平衡激励的谐响应分析,揭示了运行于超临界模式的高速气浮电主轴在不平衡激励下的动力学行为,为实际工程应用中的高速气浮电主轴转子系统的优化设计、振动控制等提供了理论依据。     

基于电力测功和压电陶瓷加载系统的高速电主轴可靠性试验台设计

 高速数控机床的工作性能首先取决于高速主轴的性能。设计了一种基于电力测功加载系统和压电陶瓷加载系统的高速电主轴可靠性试验台,它能够完成转速为18000r/min以上的电主轴可靠性试验;实现高速电主轴的性能指标测试,如电主轴温升控制,主轴的径向跳动和轴向窜动等的测试;采用电力测功加载系统及压电陶瓷加载系统模拟主轴受力状况(包括径向力、轴向力与扭矩),实现电主轴的动态加载实验与测试;检测试验过程中的各种故障,记录试验过程中试验信息,并可进行查询,通过采集的参数数据进行可靠性分析,为提高电主轴的可靠性提供了定量数值评估平台。     

陶瓷轴承电主轴单元的设计与研究

介绍了高速机床用电主轴优良特性及其应用现状·结合磨用电主轴单元的研制实践,探讨了高速电主轴单元设计制造中的结构布局型式设计,研究了电主轴轴承的选用,陶瓷轴承的力学性能分析和轴承轴向预负荷的确定,分析了电主轴单元的冷却与润滑系统的设置·高速电主轴的性能试验表明,该型电主轴设计合理,动、静态性能指标符合要求,为其在高速机床上的实际应用提供一定的技术依据·     

高速无内圈式陶瓷电主轴设计开发与实验研究

利用高性能结构陶瓷作为高速主轴及轴承材料研制开发了一种无内圈式高速陶瓷电主轴单元,进行了陶瓷轴承失效机理的分析与内部结构参数的优化,确定了高速陶瓷电主轴-轴承的最佳预负荷及最佳润滑条件,实现了高速陶瓷电主轴单元样机的精密装配,并对其进行了综合性能测试与分析.结果表明,在最佳预负荷和油气润滑条件下,高速陶瓷电主轴可充分发挥结构陶瓷材料优良的综合性能,如高硬度、低热膨胀性、轻重量、高耐磨性和好的化学及热性能,极大地减小了主轴-轴承单元高速旋转的离心力和惯性力,并有效提高了电主轴系统的精度、刚度和使用寿命,且运行稳定可靠,精度保持性好.     

高速电主轴的结构设计与发展

根据电主轴的结构特点和设计要求,通过分析其结构、电机技术、冷却、润滑等直接影响电主轴性能的各项指标,进行性能的分析和比较,提出了提高电主轴性能的主轴设计方案,为高速电主轴的快速发展提供参考.     

超细木粉粉碎机电主轴的过盈配合量

为了保证发电用超细木粉粉碎机主轴达到精确的动平衡,针对内装式电主轴的工况条件,依据材料力学和弹性力学理论,分析电主轴的配合特性,推导出电主轴在静态和动态条件下的过盈量公式。分析表明,电主轴过盈配合量由静态分量和动态分量组成,低速时动态分量可以忽略,主轴的过盈量由静态部分确定;高速时主轴过盈量受离心力影响较大,主要由动态部分确定,离心力是影响过盈配合量的主要因素。     

高速电主轴中主轴-机壳振动传递力学模型

主轴的振动是影响机床加工精度的重要因素,且包含大量机床的工况信息。在保证精度的条件下,为实现主轴振动加速度能够在机壳外部测量,建立了主轴与机壳之间的振动传递力学模型。针对力学模型中的未知参数,基于Hertz理论和最小二乘法理论相结合的方法求解出轴承的线性刚度;基于Hooke定律,利用Ansys软件求解出电主轴固定基座的刚度。以170XDS20Z11型电主轴作为实验对象进行实验验证与仿真分析。结果表明:在机壳上测量振动信号,通过该模型可以高效、准确地推导出主轴真实振动。此理论可以运用到主轴振动间接测量方法中,提高测量精度。     

从专注到专业—湖南大学熊万里教授之“高速电主轴技术”研究

对于自己唯一的研究方向—“高速电主轴技术”，熊万里教授可以称得上是一往情深。科研绽放 或许，一般如你我，第一反应便是何为“高速电主轴技术”？简单的说，高速电主轴是高档数控机床的核心功能部件，是传统机床中皮带传动主轴系统的更新换代产品，可大幅度提高现代机床的加工效率、加工精度和加工质量，     

一种电主轴在线动平衡测试算法

目的研究一体式轴套高速电主轴的动平衡在线测量方法.方法采用傅里叶变换方法、多项式曲线拟合和胡克定律相结合的方法设计开发出一套能测出电主轴动不平衡力大小、矢量位置和方向的算法,利用labview对算法进行编程,通过实验,在labview模块中可得到动不平衡力的大小、矢量位置和方向.结果通过labview模块中得到的电主轴动不平衡力大小为11.274 8 N,距离左端点位移量为172 mm,矢量方向为4.108 55°.实际理论值动不平衡力14.231 6 N,实际距离左端点位移量mm,实际矢量方向4.125 42°.两者对比很相近.结论主轴动不平衡检测计算方法适合一体式轴套下各种主轴运行工况,实现主轴动不平衡的计算,可实现高速主轴动平衡状态的监控、分析、调整;所开发的算法具有良好的实时性和可视性,能直观准确地检测分析出电主轴转子不平衡时所受力的大小和位置,从所获特性可知该系统可提高高速主轴的回转精度,实现高质量零件的加工,并在实验中体现出良好的应用效果和实用价值.     

Fe基涂层切削振动特性分析研究

切削振动会对涂层结合强度产生一定的影响,强烈地振动甚至会导致涂层的脱落。在不同主轴转速下,通过对Fe基涂层加工过程中的振动进行测量,并与基体材料45钢进行对比,分析了Fe基非晶涂层切削加工过程中的振动特性。结果表明:45钢在切削过程中的振动只包含自激振动;Fe基涂层切削过程中的振动包含自激振动和强迫振动,且主轴转速越高,切削力越大,涂层受迫力随之增大,Fe基涂层切削加工振动加速度幅值越大。     

基于响应曲面法的CFRP高速铣削切削力试验研究

切削力是高速切削过程中重要物理量之一,直接影响到加工质量和刀具寿命。文章采用中心复合响应曲面法建立了碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)高速铣削过程切削力模型,并用方差分析对模型及回归系数进行了显著性检验,分析了主轴转速、每齿进给和切削深度对切削力的影响规律,为高速铣削过程中切削参数的选择及切削力的控制提供了试验依据。试验结果表明:该模型能较好地预测切削力,切削深度和每齿进给对切削力的影响较大,切削力随着切削深度或每齿进给的增大而增大,主轴转速则对切削力影响不是很大。