永磁同步型磨削电主轴运动精度分析

随着高档数控机床对主轴的运动精度的要求不断提高,研究永磁同步型磨削电主轴运行精度问题是十分必要的。在基于主轴振动误差和热分析的基础上,分别建立了径向误差运动、倾角误差运动和轴向误差运动数学模型。应用最小二乘法近似算法拟合主轴径向误差运动轨迹,然后对倾角运动误差进行建模,得到主轴回转轴线的倾斜角度。结合时域和频域信号分析方法,对轴向运动误差轨迹展开分析。为了实现一次测量主轴径向和轴向误差位移,并且获得主轴热误差,采用了典型的双标准球5-DOF测量主轴误差装置。通过国产某机床厂所研发永磁同步型磨削电主轴在试运行时主轴回转误差问题进行了实验。研究结果表明:当转速升高到最高转速,径向误差和轴向误差升高,离心力对主轴精度作用更加明显;当存在主轴偏心时,径向误差运动轨迹为逐渐由近似圆过渡到花瓣状态;双标准球五点法测试方法不仅可以判断电主轴制造存在的制造、装配等问题,并且该实验方法可应用于电主轴误差运动的实验,同时满足倾角误差、轴向误差运动和主轴温度变形的测试。     

基于LabVIEW的电主轴径向回转误差测量技术

应用数理统计法误差分离技术,开发了一套基于LabVIEW的电主轴径向回转精度的动态测试系统.该系统用软件分度替代了测量所需的角度测试装置--编码器,运用到电主轴回转精度测试,降低了测试设备的安装要求,从而使现场测试变得更准确、方便、有效.     

基于高压水射流的高速电主轴柔性加载系统研究

高速电主轴的动态加载是测试其动态性能、寿命和可靠性等的关键环节.然而,高速电主轴的结构特征和极高的转速,使得其难以实现动态加载.基于高压水射流技术的高速电主轴柔性加载系统首次被设计、制造并测试,描述了该加载系统的原理、结构和组成.利用连续动量方程推导了射流冲击力模型.通过射流冲击力标定试验和射流流体有限元仿真,得到了加载力与靶距、射流压强、流量、喷嘴直径、标靶直径、转速之间的关系,实现了高速电主轴径向力和轴向力的定量加载.此外,利用该加载系统测试了径/轴向力对高速电主轴动态性能的影响,试验结果表明:①高压水射流技术可以为高速电主轴提供稳定的、长时的动态加载;②高速电主轴的温升、功率损耗和振动会随着径/轴向负载力显著增大,空载测试不能揭示高速电主轴的真实动态性能.为解决高速电主轴动态加载的难题提供了一种全新的试验方法.     

异步电主轴三维热误差多物理场耦合分析及计算

为综合考虑高速异步电主轴径向形变及轴向形变对其热误差的影响,分析电主轴各部分损耗。计及径向及轴向形变热误差,提出一种基于电磁-热-机械多物理场耦合的电主轴形变分析方法。分析电主轴机械结构、损耗、温升、电磁等物理场的耦合关系,设计多物理场耦合热误差分析模型计算流程。对异步电主轴进行三维有限元建模,并对其采样点的温升进行计算,并通过实验得出采样点的温升曲线,对比两条电主轴采样点的温升曲线可以验证有限元仿真的准确性。在有限元模型基础上进行多物理场计算,计算结果表明,电主轴由于机械和电磁损耗产生轴向热误差为6.54μm,由于径向形变而产生的基频气隙磁感应强度畸变率为7.6%,基于Maxwell张力张量法得到径向热误差为39μm。研究结果为机床误差分析及优化设计提供了理论基础。     

超精密机床主轴回转误差在线测试与评价技术

为了实现对超精密机床主轴回转误差的在线测试与评价,建立了纳米级在线测试与评价系统。对该系统所采用的测试仪器、干扰抑制、数据处理与指标评价方法进行研究。首先,在某台超精密切削机床上搭建了由5个电容传感器组成的5通道测试模块。接着,以多通道高速数据采集模块实现多通道位移数据模拟量的高速采集。然后,对采集的信号进行必要的干扰信号分离。最后,将5通道位移数据转换为易于理解的轴向误差和径向误差数据,并按照同步误差和异步误差进行分离。测试结果表明:该机床主轴工作转速下的径向同步误差为405 nm,径向异步误差为66 nm;轴向同步误差为59 nm,轴向异步误差为54 nm。能够实现超精密机床主轴回转误差的纳米级在线测试,对于超精密光学加工表面的误差溯源和机床主轴性能分析具有重要意义。     

机床主轴径向回转误差的测试与研究

给出了一种主轴回转误差动态测量的误差分离方法,提出了一套主轴回转精度的动态测试系统.该系统由位移测试单元、采样时钟单元、数据采集卡、通用计算机及数据处理软件组成.该系统用于电主轴回转精度的实际测量,取得了良好效果.     

电主轴调速负载特性测试装置及方法

为了实现高速电主轴调速负载特性测试,准确获取高速电主轴功率-转矩-转速三者之间的关系,搭建了一种基于电力测功机的电主轴调速负载特性测试系统,开展了电主轴稳定可靠运行下的机械特性和负载特性研究,通过研究电主轴负载在额定功率范围内的负载点选取及在不同测试频率下的测试模式,确定了电主轴调速负载特性测试参数,建立了包括负载调节、转速调节、数据采集和数据处理与分析方法等具体规定的电主轴测试规范。通过实例验证了电主轴调速负载特性测试系统及方法的适宜性和准确性。     

预紧力对轴承接触状态及电主轴回转性能的影响

高速电主轴角接触球轴承的性能由转速、支承刚度、旋转精度和摩擦生热等因素决定,这些因素都直接关系到轴承在轴向预紧力作用下的接触特性。研究了轴承滚动体与滚道在轴向预紧力变化下的接触特性。提出了一种利用开尔文四线法测定轴承不同轴向预紧力下接触电阻的新方法。结果表明,随着轴承轴向预紧力的增大,接触电阻呈非线性减小。对于角接触球轴承,当轴向预紧力大于一定值时,接触电阻趋向平稳,形成"L"型曲线。进一步研究了轴向预紧力对背靠背角接触球轴承对作为大型电主轴一端支撑的旋转精度的影响。研究表明,轴承外圈径向跳动随着轴向预紧载荷的增大呈现"降-升-降"的波动趋势,反映了径向游隙变化以及背对背轴承对隔离挡圈平行度误差对轴承外圈姿态变化的综合影响。本研究为角接触球轴承作为小型电主轴和大型电主轴的支撑进行轴向预紧时预紧载荷的优化提供了技术支撑。     

一种气体-磁轴承混合支承的电主轴及其控制系统设计

提出一种新型气体轴承、径向-轴向磁轴承混合支承的电主轴,设计基于粗集理论方法的磁轴承电主轴模糊控制系统,并进行了相关性能试验,结果表明:设计的控制系统使主轴系统具有良好的静动态性能。     

采用动静压轴承支撑的数控电主轴系统发热研究

采用内置式电机结构的液体静压电主轴系统,因具有传动距离短、结构紧凑等诸多优点而被广泛应用于各类机床,但其散热性能不佳而影响机床加工精度。对某液体静压电主轴系统进行热态特性研究,分析系统热源和散热方式,建立基于热-结构耦合的电主轴系统有限元分析模型,通过对电主轴系统进行热-结构耦合分析,得到某工况下电主轴系统的温度场,同时也可进一步得出其热变形。结果表明,电主轴系统出现明显的温升,将影响轴向和径向热变形,影响加工精度。研究结果为电主轴系统的进一步改进设计提供参考依据。     

基于热弹性理论与温度场积分中值定理的 电主轴热误差研究

电主轴热误差的精确建模较困难,且大多数仅关注轴向热误差而忽略径向热误差。 因此,提出了基于热弹性理论与温 度场积分中值定理的热误差建模方法。 用热弹性理论建立了电主轴轴承温度—热变形模型,将积分中值定理运用在轴向热误 差建模中,得到了关键点温度—轴向热变形的线性模型,仅需一个传感器测量关键点温度就可得到主轴末端伸长量。 分析电主 轴径向和轴向误差机理,得到耦合热误差模型。 设计了利用球杆仪快速测量电主轴热误差的新方法,将误差理论建模数据与实 际测量数据作对比,验证了其可行性,并将热误差模型导入自主开发的外挂式误差补偿器中,实验表明加工孔径热误差降低了 73. 5% 左右,证明该方法合理、有效。     

铣削工况下考虑结合面的主轴系统动态特性

机床主轴系统动态特性直接影响铣削稳定和表面加工质量，而铣削状态下主轴系统动态特性与静止或空转状态下存在差异。针对此问题，建立了铣削工况下主轴系统和结合面动力学耦合模型，获得铣削工况下主轴系统动态特性，并通过铣削过程中机床主轴系统动态特性实验测试进行验证，将静止状态与铣削工况进行对比，预测结果误差平均降低了11.35%。实验结果表明，径向铣削载荷和转速削弱了结合面的刚度特征和系统动态特性，而轴向铣削载荷增强了结合面的刚度特征和系统动态特性，影响最为明显的是主轴转速，其次为径向铣削载荷，然后为轴向铣削载荷。研究结果为铣削状态下主轴系统动态特性和铣削稳定性预测提供了理论支持。     

基于最小二乘法的电主轴回转精度评价

以应用于五轴加工中心上的高速电主轴为研究对象,研究基于最小二乘法的电主轴回转精度评价。首先建立电主轴回转误差模型,对电主轴的常量信号、偏心信号等相关信号进行研究和分离。针对电主轴回转精度的最小二乘法评定方法,分析对比了最小二乘牛顿迭代算法、最小二乘近似算法和平均值算法。基于标准球、高精密电容位移传感器等组成的测量系统,采集电主轴高速转动下的径向跳动信号,并分别采用3种算法对信号进行处理与分析,验证了3种算法的有效性。最后在分析对比3种算法结果后,设计了不同应用背景下的电主轴回转精度评价策略,并提出了一种兼顾计算精度和计算效率的电主轴回转精度快速评价算法。     

非切削状态下加工中心主轴动态回转精度的测试及分析

以主轴动态回转精度为出发点,以两种不同类型加工中心主轴为测试对象,在非切削状态下分别进行了径向误差运动和轴向误差运动,以及热变形的测试及分析。提出了使用主轴误差分析仪进行主轴的动态回转精度以及热变形分析的方法,测试结果表明:静态误差相近的主轴,由于其结构、传动方式及冷却方式的不同,其动态精度可能存在很大差异。针对实测的加工中心主轴和整机的结构进行分析,可为机床和主轴的结构设计、误差补偿和实际加工提供技术支撑。     

大口径高精度液体静压转台研制

介绍了一种用于大口径非球面镜超精密数控磨床的高精度液体静压转台部件,通过工艺可行性分析和精度传递模型给出了优化的转台结构;采用数值列举法给出了径向和轴向刚度与油膜厚度的设计参数;为考察油膜压力作用下零件变形对转台刚度的影响,采用流固耦合分析方法对零件的强度进行了校核;利用直径为40 mm,圆度为0.05μm的标准球和电感测微仪对回转工作台的径向和轴向跳动进行了测试试验,得到回转工作台轴向和径向误差均小于0.5μm。     

液体静压电主轴系统热-结构耦合特性研究

对某液体静压电主轴系统进行热态特性研究,分析系统热源和散热方式,建立基于热-结构耦合的电主轴系统有限元分析模型,通过对电主轴系统进行热-结构耦合分析,得到某工况下电主轴系统的温度场和不同方向的热变形分布。结果表明:电主轴系统的最高温度出现在主轴前轴承处;电主轴系统轴向最大热变形出现在主轴前端砂轮安装处,沿径向的热变形偏大,影响加工精度。     

立式加工中心主轴动态误差的测试及研究

首先对主轴动态误差产生的原因进行了分析,采用API的SPN-300主轴动态误差分析仪对某立式加工中心的主轴径向平均误差和异步误差、轴向平均误差和异步误差、主轴最小径向间距等进行了测试,给出了主轴动态误差在不同转速下的3次测试结果;最后对测试结果进行了分析。     

高速电主轴矢量控制机械特性分析与仿真

根据异步电动机的矢量控制原理,推导了高速电主轴矢量控制固有机械特性曲线的数学表达式,据此分析了高速电主轴转速闭环矢量控制在负载条件下的调速机理,得出转速闭环矢量控制通过调节同步转速使电主轴工作在互不相同但互相平行的固有机械特性曲线上,从而获得优良的静动态性能的结论。为了验证理论分析的正确性,根据高速电主轴的矢量控制方程,建立了一个带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统模型。基于此模型,对额定转速为15000转的170MD15Y20型高速电主轴进行了闭环矢量控制加载仿真,仿真结果验证了理论分析的正确性。     

基于NewSpilad的高速电主轴静动态特性分析与研究

文章通过NewSpilad软件对电主轴进行静态和模态分析,探究轴承预紧力和主轴悬伸量对主轴刚度及固有频率影响。结果表明：调整轴承的预紧力对主轴径向刚度影响很小,变化量在20%以下;轴向刚度影响较大,变化量在50%以上;对主轴的固有频率影响较小,最大变化量为24%;增加悬伸量对主轴轴向刚度影响较小,变化量在5%以下;对径向刚度影响较大,变化量在13%左右;一阶固有频率有提升趋势。并通过主轴静动态特性测试试验验证,对比发现有限元分析结果与实际测试结果误差在10%以下。该研究结果为主轴静动态特性分析提供理论基础,进一步提升了主轴设计开发能力。     

气体悬浮电主轴动态特性研究进展

在高效超精密加工中,气体悬浮电主轴存在电动机高速拖动能力衰减过快、电磁偏心激振、高次谐波激振和电动机定、转子发热严重以及主轴高速带来的温度效应和气流惯性效应等一系列技术难题.因此有必要对气体悬浮电主轴动态特性的影响因素进行系统分析和深入总结.分析气体悬浮电主轴的技术现状以及存在的问题:从轴承结构、气体流动形态、电磁偏心激振和不平衡响应等四个方面对电主轴稳定性的影响进行评述;综述轴承类型、轴承参数、表面粗糙度和轴颈倾斜对系统刚度的影响:阐述系统临界转速和电动机转速-力矩特性以及主轴高速带来的温度变化和气流惯性对主轴系统的影响;围绕主轴的回转精度,对主要因素、回转误差形成机理和精度测试与误差分离技术逐一评述;最后对气体悬浮电主轴技术的发展趋势进行预测和展望.