电主轴振动故障诊断与治愈研究进展

电主轴是主轴与电机一体化的新型主轴,是高速机床的首选主轴。加工过程中电主轴振动故障时有发生,影响回转精度、使用寿命和工件质量。综述了近年来机床电主轴振动故障诊断与治愈即振动控制的研究进展。电主轴振动故障诊断主要采用信号处理和机器学习两个思路,前者以振动信号频谱和时频分析为核心,后者以故障数据集降维、分类和聚类分析为重点。故障治愈是故障诊断目标,主要有转子主动平衡、轴承和电机主动调控3个手段。电主轴故障诊断还缺乏神经网络、深度学习和趋势预测等方面研究,故障治愈技术的实用化程度尚不高,智能电主轴的研发仍需持续努力。     

采用压电叠堆的电主轴振动主动控制研究

电主轴轴承-转子系统在工作过程中受到多种振动激励的干扰,严重影响被加工零件的加工精度及可靠性。采用压电叠堆对电主轴轴承-转子系统的动态振动特性进行干预,建立了包含压电叠堆的电主轴轴承-转子物理模型,并运用有限元法建立了电主轴轴承-转子-压电叠堆机电耦合动力学模型。根据线性二次型最优控制(Linear Quadratic Regulator,LQR)理论设计了针对系统的输出反馈控制律,最终建立了高速电主轴轴承-转子系统振动主动控制模型,并运用Matlab软件进行了控制仿真,仿真结果表明:该控制方法在集成了压电叠堆的电主轴振动控制中取得了明显的控制效果。     

高速磨削用陶瓷轴承电主轴单元的动特性分析

电主轴的结构设计、动态特性在很大程度上决定了高速磨削加工的精度和效率.本文针对高速磨削用陶瓷轴承电主轴进行了动态特性的研究和主轴结构的优化,用传递矩阵法对其动力学性能进行了计算分析,并利用有限元分析软件ANSYS对实验用陶瓷轴承电主轴进行了动特性分析,结合PNAC控制下高速精密磨削实验系统进行了陶瓷轴承电主轴的振动性能实验.     

高速磨削电主轴热-结构耦合有限元分析与仿真

在高速磨削加工中,电主轴的热结构状态直接影响高速加工机床的加工尺寸精度和表面质量。这篇文章利用传统理论对高速磨削电主轴进行了热-结构耦合分析,分别计算热稳态下主轴各种边界条件,在理论研究的基础上结合有限元软件进行热-结构耦合仿真分析,得到电主轴热变形主要与电机损耗、轴承发热与冷却液系统有关的结论。这一结论充分说明引起电主轴变形的主要因素,为今后在试验中建立电主轴热补偿体系以及减少热变形提供了有力的理论支持。     

高速静压电主轴动平衡结构设计

高速静压电主轴转子的动态平衡精度会影响工件的加工精度。基于动平衡技术,先从后置式静压电主轴产生动不平衡的原因出发,在电主轴装配和调试以及装机后进行加工所处的不同阶段,设置不同的动平衡结构来确保主轴系统的动平衡精度;之后将该动平衡结构设计方法扩展应用到内置式静压电主轴。在结构设计时增加动平衡的结构,可推广应用到其他类似的高速转子结构中。     

龙门式平面磨床电主轴传动装置动态特性分析

以某龙门式高精密光学玻璃平面磨床电主轴传动装置为研究对象,应用弹簧阻尼单元模拟静压轴承,建立电主轴传动装置的有限元模型,分析其动态特性。首先,采用不同的弹簧阻尼单元刚度值,得到静压轴承刚度的变化对电主轴传动装置模态分析的影响特点。其次,调整装置整体结构阻尼比值和静压轴承刚度,对电主轴传动装置进行谐响应分析,得到结构阻尼比、轴承刚度对装置谐响应峰值及动刚度的影响特点。结果表明结构阻尼比、轴承刚度对靠近砂轮处机构的动刚度影响显著,改进此处的阻尼及采用单油腔刚度达到300 N/μm的四油腔静压轴承有利于增大装置动刚度,减小振动幅度,提高加工精度。     

电机后置式的电主轴动态特性有限元分析

以一种新型电主轴结构为研究对象,用有限元方法对该型号电主轴进行了模态分析和谐响应分析,并研究了轴承刚度的变化对电主轴动态性能的影响。结果表明:电主轴的第一阶临界转速远远高于其最高工作转速,能有效避开共振区;静压轴承刚度对电主轴的动态性能具有重要影响。合理地改进轴承刚度,有利于提高电主轴的刚度,减小振动幅度,提高磨床的加工精度。     

磨用电主轴的选用及维修

电主轴是一种技术含量很高，高精密高转速机电一体化产品，涉及到机械、电气、控制、润滑、冷却、振动、材料以及热处理等诸多方面技术。电主轴在机械装备行业中占主导地位，是金属高速切削机床的重要组成部分。特别是在轴承生产行业，它是机床的重要核心部件。高速磨削有利于提高生产效率，有利于提高砂轮的寿命，有利于提高加工精度和降低表面粗糙度值。工件温升和热变形小，尺寸精度高。     

基于油雾润滑的高速电主轴断油性能试验研究

对基于油雾润滑的高速电主轴进行断油性能试验,利用B&K声学/振动分析系统、红外热像仪等仪器对断油过程中高速电主轴系统的振动特性、主轴轴承内部的润滑、电主轴表面的温度场等状态参数进行监测,并与正常油雾润滑时高速电主轴的状态参数进行比较,分析研究了断油状态对高速电主轴工作性能的影响.试验结果表明:高速电主轴正常工作时主轴轴承所需要的润滑油量很少;短时间断油对电主轴系统的正常运行状态影响不大,主轴轴承内部的润滑、电主轴系统的振动特性和电主轴的热状态等性能参数能够维持在基本正常的水平.     

HMC80卧式加工中心电主轴热态特性分析

分析了高速电主轴的两个热源,轴承发热和电机的发热,并计算了轴承和电机的发热量.分析了高速电主轴的散热特性,并对电主轴各部分散热系数进行了计算.以HMC80卧式加工中心电主轴为例,运用ANSYS有限元软件建立了电主轴的稳态热分析模型,以散热系数为边界条件,轴承和电机的发热量为热载荷进行有限元分析,得出该电主轴在热稳定状态下的温度场分布.分析结果表明,主轴前后轴承的温升符合该电主轴的温升标准,说明了该电主轴设计的合理性,最后提出了改善该电主轴热态特性的措施.     

高速内圆磨削电主轴动态性能试验及分析

针对内圆磨削电主轴高转速高精度低温升的需求,设计了一款高速内圆磨削电主轴,通过建立考虑轴承圆度误差与谐波次数的电主轴有限元模型计算电主轴动态精度与动态特性,确定最佳轴承预紧力与轴承跨距。采用局部法计算轴承损耗发热,基于移动热源法结合有限元方法建立高速球轴承的热分析模型,分析了轴承在预紧条件下的轴承温升,验证了轴承预紧力的正确性。最后通过轴承振动试验验证了电主轴动态热态性能模型的可靠性。     

高速砂轮电主轴系统阶次振动研究

高速外圆磨床是航天领域高精度高表面质量零件的加工母机。高速砂轮电主轴是高速外圆磨床的关键部件,其动态性能决定了高速磨床的加工精度和表面质量。在高速砂轮电主轴使用过程中,发现其远低于临界转速时就发生了强烈的振动,导致零件的加工质量无法得到保证。基于此,提出了一种基于主轴模态和轴承振动阶次分析的高速砂轮电主轴的阶次振动分析方法。首先使用有限元建模分析得到主轴系统的固有频率和振型,再使用轴承振动阶次分析得到电主轴由于轴承制造误差所造成的振动阶次,最后用升速实验验证主轴系统的固有频率并依此得到轴承制造误差造成的主轴阶次振动及对应的振动转速。结果表明,高速砂轮电主轴的强烈振动是由于轴承外圈的制造误差产生的阶次振动所造成的。分析的结果为高速电主轴的结构和工艺的优化提供了理论依据。     

预载荷在线控制电主轴振动特性的试验研究

为实现对电主轴振动特性进行主动控制并改善其运行过程中的动态性能,利用所研制的预载荷可调整电主轴,搭建了电主轴振动特性在线控制试验平台,基于该平台,开展了轴承预载荷在线控制条件下电主轴振动特性的试验研究.试验结果表明:电主轴转子系统的1～5阶固有频率随轴承预载荷的增大而提高,其中2阶固有频率受轴承预载荷的影响最大;在同一...     

电主轴单元热误差半闭环主动控制方法

作为影响数控机床精度稳定性的关键因素,电主轴末端热误差不仅由主轴轴承、电机生成热量引起,更与加工环境温度不稳定性密切相关.为在机床加工状态下并行抑制上述热干扰因素以保证主轴精度稳定性,构建了一种面向电主轴单元热误差的半闭环主动控制方法,该方法基于模糊神经网络-PID主动控制策略对电主轴单元内置循环液供液温度进行动态调整,以实现电主轴单元结构温度稳定性控制与热误差半闭环主动抑制.通过试验证明:该方法可以在22℃～18℃温度缓降工作环境中,将电主轴单元结构温升幅度控制在±0.5℃以内;并且相比于传统循环冷却控制方法,该方法可有效抑制各项主轴热误差(降低比例δx为57.1％,δy为56.9％,δz为34.7％),并放宽了电主轴单元精度稳定性维持对恒温加工环境的要求.     

波形弹簧力学性能研究及其在电机中的应用

波形弹簧在中小型电机中应用广泛,能够调节轴承的预压力和工作游隙,使轴承运行在最佳润滑和滚动状态,从而有效抑制电机运行过程中所产生的振动和噪声,延长轴承及电机的使用寿命。对国产波形弹簧进行力学性能研究,通过压力试验和有限元分析,确认其弹力与变形的关系。同时对某型号电机轴向尺寸链进行计算,合理设计波形弹簧可容空间,进而提高电机的设计精度。     

磁拉力作用下不同结构电主轴的动力学特性研究

为了研究磁拉力对不同结构电主轴动力学特性的影响,依据电主轴磁拉力的力学方程,建立了电主轴的有限元分析模型,进行磁场和力学场双向耦合计算,对电机位于不同主轴位置时的电主轴动力学特性进行研究,得到了其动态特性变化曲线。同时,进行电主轴的试验测试,以验证有限元模型及分析方法的合理性与正确性。结果表明,电主轴的电机位置会影响电主轴运动的稳定性,电机放置在主轴的轴承中间时会比电机放置在主轴一端时运行得更加稳定;在试验测试误差和模型简化误差的条件下,理论计算所得的轴心轨迹总位移比实际测量偏小,初步验证了有限元模型及算法的合理性和正确性。     

永磁型电主轴多频率振动的主动控制

为了有效抑制由砂轮质量不平衡及外部干扰引起的永磁型电主轴转子系统砂轮端的多频率成分振动,在无轴承永磁电机径向磁悬浮力产生原理的基础上,提出了一种基于最小方差快捷分块(FBLMS)的自适应滤波的永磁型双绕组电主轴柔性转子系统砂轮端多频率成分振动的主动控制方案。首先研究了双绕组永磁型电主轴结构及工作原理和径向控制力的模型,借助有限元法建立了永磁型电主轴柔性转子系统的动力学模型,分析了控制电流的不同成分对永磁体涡流损耗及电机定子铁损的影响,设计了永磁型电主轴柔性转子系统砂轮端多频率成分振动的主动控制系统,结果表明,提出的永磁型电主轴柔性转子系统砂轮端多频率成分振动控制方案具有明显的控制效果。     

超高速时电主轴轴承的动态支承刚度分析

基于滚动轴承受力分析的拟静力学和拟动力学模型,利用数值计算方法对超高速时电主轴轴承的内部动力学状态进行计算机模拟仿真,在求解每一个球滚动体动力学基本参量的基础上,计算电主轴轴承对转子支承的动态刚度,并结合具体算例,分析转速、轴承预载荷、径向外载荷等工况条件,以及套圈滚道曲率半径、球滚动体的直径和数量等轴承的内部结构尺寸、球材料的物理性能等方面的因素对轴承动态支承刚度的影响。分析结果表明,外部工况条件以及轴承内部的结构尺寸、球材料的物理性能等方面的因素对超高速时电主轴轴承的动态支承刚度影响较大,超高速时电主轴轴承的动刚度较静态和低速情况有着显著的变化。     

空间相机扫描机构固体润滑轴承组件的寿命试验

开展了固体润滑轴承组件的真空加速寿命试验,以验证固体润滑轴承组件的设计是否满足在轨寿命要求。研究了MoS2基薄膜固体润滑轴承组件在小角度摆动情况下的寿命。试验采用4对轴承模拟在轨±6°连续往复摆动,通过检测轴承组件工作时的摩擦力矩、电机电流和轴承温升判断轴承运行状态。结果显示,寿命试验运行正常,累计摩擦次数为6.2×10~7次。寿命试验后对轴承进行了尺寸精度和旋转精度复测,然后对轴承组件进行了解剖分析。复测结果显示,轴承尺寸精度和旋转精度与试验前一致,轴承润滑状态良好。试验结果验证了固体润滑轴承组件寿命满足在轨任务要求,为其它空间相机小角度摆动的扫描机构固体润滑轴承组件的长寿命设计提供了依据。     

第四讲 电主轴的性能参数

除上述由电动机和驱动器所决定的最高转速、转矩和功率以及它们之间有关的性能参数外 ,电主轴还有以下一些重要的性能参数。1精度和静刚度电主轴的精度和刚度与电主轴前后轴承的配置方式、主要零件的制造精度 (如套筒前后孔和主轴前后轴颈的同轴度等 )、选用滚动轴承的尺寸大小和精度等级(电主轴一般选用最高或次高精度等级的轴承 ,相当于国际标准P2和P4级 ,等同于美国标准ABEC9和ABEC7级 )、装配的技艺水平和预加载荷的大小等密切相关。必须强调指出 ,电主轴的最终精度往往可以得到等于或高于单个轴承的精度 ,这是由于装配工人在装配时…