基于前馈型模糊PID的电火花主轴运动控制研究

电火花成型机主轴的驱动系统一般采用旋转电机+滚珠丝杠机构,其结构特性导致线速度、加速度及定位精度均有限.在一些极端加工条件下,可能出现排屑困难,导致无法满足超高速、超精密电火花加工需求.针对上述问题,设计了直线电机直接驱动系统,提出了一种前馈型模糊二自由度PID(two Degree Of Freedom-PID,2DOF-PID)控制器结构.建立了电机矢量控制系统的数学模型,设计了模糊2DOF-PID速度控制器.通过模糊规则实时调整2DOF-PID参数,采用该控制器的直线电机控制系统不仅能使跟踪能力和抗干扰能力同时达到最优,且能够满足主轴快速平稳的换向要求.仿真结果显示,模糊2DOF-PID速度控制器的响应速度是传统PID控制器的3.7倍;在受到外部突加扰动时,模糊2DOF-PID速度控制器的速度波动量仅为传统PID控制器的1/8,能较好适用于电火花成型加工.     

基于等温弹流润滑理论的滚珠丝杠副摩擦机理研究

针对滚珠丝杠副在低转速状态存在混合润滑导致丝杠滚道加速磨损的问题,基于等温弹流润滑理论建立了滚珠丝杠副弹流润滑接触模型研究滚珠与滚道间的摩擦机理和磨损形式.首先基于Frenet-Serret坐标转换方法建立丝杠与螺母的滚道曲面几何模型.其次基于Reynolds方程建立了滚珠丝杠副弹流润滑接触模型,求解了润滑油膜接触压力分布、油膜厚度分布和微凸体接触压力分布.最后从微观角度阐明了滚珠丝杠副的摩擦机理,其摩擦因数由微凸体接触摩擦因数和油膜润滑摩擦因数组成.实验结果表明：在低转速阶段丝杠滚道的磨损方式为黏着磨损和磨粒磨损,且模拟的摩擦因数曲线趋势和经典的Stribeck摩擦曲线趋势吻合较好,根据实测摩擦力矩准确识别了不同转速下滚珠丝杠副的摩擦因数和润滑状态.     

高速滚珠丝杠副非赫兹接触应力计算

目的：在滚珠丝杠副运动过程中,滚珠与滚道之间的摩擦和磨损导致滚珠丝杠副精度衰退,降低其精度保持性。针对高速滚珠丝杠副螺旋线滚道接触区域的非对称性,采用传统的赫兹接触理论对丝杠和螺母滚道接触几何形状和关系的计算存在较大误差的问题,本文提出了一种基于最小余能原理对高速滚珠丝杠副滚珠与滚道之间的法向接触应力进行分析计算的方法。 方法：首先基于Frenet-Serret坐标转换公式建立滚珠丝杠副坐标系,对滚珠与滚道接触点处的接触情况进行几何描述,并通过二维插值算法重新进行网格划分以便于后续的接触力学分析;对滚珠与滚道之间的接触区域和控制方程进行离散化分析,提高数值计算的精确性;为了解决接触问题计算求解过程复杂、收敛速度缓慢的问题,本文通过运用变分原理将接触问题转化极值问题,采用共扼梯度法进行循环迭代来实现快速收敛求解,提高接触问题数值解法的计算效率,求解出滚珠与滚道之间的接触应力分布;由于接触表面变形的计算相当于求影响系数矩阵与法向压应力之间的卷积,因此二维卷积运算和对应的二维快速傅里叶变换被用于求解接触问题的数值解。在数值求解中,主要的计算量集中在弹性变形的计算上,使用二维快速傅里叶变换（FFT）技术方便快速地计算接触区域弹性变形。 结果：将最小余能原理与赫兹接触理论分别用于求解光滑的球与平面之间的弹性接触应力分布,将两种计算方法得出的结果进行对比,计算数值重合度很好,验证了基于最小余能原理求解接触应力分布的正确性;基于最小余能原理分析螺旋升角对滚珠与滚道接触点处的接触面积和弹性变形的影响,并将该方法所得结果与赫兹接触理论计算结果进行对比分析,发现赫兹接触解与最小余能非赫兹接触精确解相比,随着滚珠丝杠副滚道螺旋升角的增大,丝杠与滚珠接触点A处的误差始终大于螺母与滚珠接触点B处的误差,丝杠滚道与滚珠接触点A处非赫兹解接触应力峰值逐渐变小,螺母滚道与滚珠接触点B处非赫兹解接触应力峰值逐渐增大,且接触点A处应力峰值始终大于接触点B处峰值。 结论: 随着数控机床高速高精化发展,具有大螺旋升角的高速滚珠丝杠副应用越来越广泛。由于高速滚珠丝杠副接触区域非对称性大,因此避免采用赫兹接触理论计算所带来的误差也显得越发重要。最小余能原理与赫兹接触理论两种方法计算所得滚珠与滚道接触区域的面积和长短轴有所不同。最小余能原理非赫兹接触计算方法可以准确计算滚珠和滚道接触区域应力分布,并且可以全面和准确的计算滚道磨损带的宽度和深度。因此,采用最小余能非赫兹接触解可以有效提高滚珠丝杠副接触应力分布计算精度,保证滚珠丝杠副的精度保持性。     

多层堆叠式永磁动力减振刀杆设计与仿真分析EI北大核心CSCD

针对大长径比刀杆中传统动力减振器的橡胶疲劳老化、阻尼液易泄露、刚度和阻尼难以精准设计等问题,设计了一种利用磁刚度和电涡流阻尼提供刚度和阻尼的多层堆叠式永磁动力减振器,实现了刚度和阻尼的独立精准设计。独特的堆叠式结构可以在相同体积下提供更大的磁刚度和电涡流阻尼,保证多层堆叠式永磁动力减振器达到最优减振条件。分别建立了多层堆叠式永磁动力减振器中磁刚度和电涡流阻尼的理论计算模型,并利用MATLAB软件和Maxwell电磁仿真软件分别探究了磁刚度和电涡流阻尼与多层堆叠式永磁动力减振器各部分尺寸参数之间的关系。最后利用MATLAB软件分别对安装多层堆叠式永磁动力减振器的刀杆和等尺寸实心刀杆进行仿真分析。结果表明,安装多层堆叠式永磁动力减振器后刀杆的频响函数幅值最大值下降91.1%。