高速电主轴瞬态热特性实验研究

热变形是影响高速机床加工精度的重要因素。为了研究高速电主轴热特性,搭建了包含多组温度传感器、多通道无知记录仪、激光位移传感器、涡电流传感器、高频数据采集卡、工控机的高速机床温度场和热变形实时检测平台。测试结果表明,电主轴定子的温度随转速增加而升高,转速超过3000转/分后温升更显著。电主轴系统产生的大部分热量被冷却水吸收,底座、水套、轴承外圈温升不大。主轴因热变形引起的位置偏差随转速增大而增大,主轴端面跳动却随转速增大而减小。该研究为高速机床热误差控制和补偿建模提供依据。

高速电主轴油气润滑参数优化系统及平台设计

油气润滑是高速电主轴最高效的冷却润滑方式,然而要达到最佳的润滑效果必须针对不同型号轴承以及不同工况设定准确的油气润滑参数,这就需要可靠的试验装备进行大量的试验分析。为此搭建模拟电主轴运行工况的实验平台,设计油气润滑系统并设计一种兼具油气混合器和油气分配器功能的油气混合分配器。试验结果表明:试验平台最佳的转速范围为0~30 000 r/min,满足高速机床主轴试验的转速要求;油气混合分配器供油误差满足±10%的行业标准,使用寿命达到12万次。因此搭建的试验平台和油气润滑系统对高速电主轴油气润滑参数的试验研究有较高的可靠性。

高速电主轴热平衡实验与热态特性分析

为研究所设计的高速电主轴在实际工况下的热态特性,采用热网络法和能量守恒定律构建电主轴热网络模型和热平衡方程组。基于温度平衡实验,将获取的电主轴温升数据作为稳态和瞬态温度场有限元分析的线性初始条件,求解电主轴内部温度场分布及温度-时间变化曲线。另外进行热-固耦合有限元分析,求解得到电主轴在4850 s达到热平衡时,轴向最大热位移为50.493μm;并提取仿真数据建立时间-热位移变化曲线。最后基于主轴热变形量测仪和电容式位移传感器测量电主轴在空转达到热平衡时的温度-时间-位移曲线,求得其Z向平衡热位移量为47μm,验证有限元结果的正确性,为主轴的使用提供了热机方案,同时为进行主轴的热误差补偿提供数据支持。

高速电主轴的热态性能分析与计算

高速主轴是实现高速加工技术的关键功能部件,主轴的刚度、热态特性、疲劳寿命等性能参数均影响产品的加工质量和加工精度。日、德、意大利、瑞士等国家的数控设备多采用电主轴,相较于传统的主轴,电主轴具备结构紧凑、回转精度高、动态特性好等特点,是实现高速加工的核心部件。

高速电主轴热特性建模与冷却系统参数优化方法研究

电主轴热变形是影响加工精度的主要因素之一,而热变形主要由电主轴温升引起,其中冷却系统是影响电主轴温升的关键因素。为了优化冷却系统关键技术参数,以某型号高速电主轴为例,建立了考虑主轴不同旋转面换热系数的热特性模型,提高了温度场和热误差的仿真精度,并进行了主轴不同转速的温升与热误差实验,验证了仿真模型的正确性;基于所建立的电主轴热特性仿真模型,利用正交试验法进行了冷却系统参数优化,冷却参数优化后的仿真实验结果表明,电主轴最高温度降低了2.0℃,热变形减小了25.76μm,为电主轴冷却系统优化提供了理论参考。

高速电主轴冷却润滑技术综述

高速电主轴因散热效率而产生的温升是导致热变形问题的重要因素,热变形是影响加工精度的主要因素之一,因此对其冷却润滑系统进行研究至关重要。为了讨论近年来高速电主轴冷却润滑技术的研究进展,以高速电主轴为对象,围绕其内部生热及传热机制等方面进行了热特性分析。结合国内外学者对电主轴冷却润滑技术的研究,分别从电机和轴承方面阐述了不同冷却方式在高速电主轴冷却润滑技术的方法、原理、优缺点及应用。同时分析了研究中存在的主要问题,并对今后的研究作出展望。

高速电主轴热-结构耦合及选材分析

高速电主轴热变形问题一直是影响加工精度的重要因素。为降低电主轴的温升和轴向热伸长量,对某电主轴的热源及热边界条件进行分析,利用ANSYS Workbench软件进行热-结构耦合仿真,得到电主轴温度场和热结构耦合场;搭建实验台测试电主轴系统的温度场和轴向热伸长,验证有限元模型建立的正确性。最后选用38CrMoAl、ZrO_(2)、Si_(3)N_(4)、玻璃陶瓷作为主轴材料进行热-结构耦合对比分析。结果表明:陶瓷材料在热态性能方面优于钢材,玻璃陶瓷材料热态性能最好。

高速电主轴热误差补偿及结构优化研究进展

电主轴热位移控制是解决加工过程中关键问题之一。控制电主轴热位移,提高加工精度和表面质量。常用方法之一是通过冷却系统来降低电主轴温度,内部或外部引入冷却介质如水或油。优化冷却系统设计和控制策略,可进一步提高热位移控制效果。另一方法是通过热补偿控制电主轴热位移。安装温度传感器,并与预先建立的热补偿模型结合,实时进行补偿调整工具或工件位置,以实现高精度加工。同时,选择热稳定性较好材料是另一种控制热位移的策略,它们具有低热膨胀系数和高热导率,可减少热变形引起的位移效应。综上所述,电主轴热位移控制综合考虑冷却系统、热补偿和材料等因素,合理应用这些方法可有效降低电主轴的热位移,提高加工精度和表面质量。

高速电主轴冷却系统的优化设计

为解决电主轴发热及提升高速电主轴热稳定性的难题,通过研究高速电主轴的基本结构,分析电主轴冷却系统对电主轴的整体温度的影响,探究并联冷却流道、单螺旋冷却流道和双螺旋冷却流道的冷却特性,采用理论计算和有限元仿真相结合对比研究不同流道截面的冷却效果。结果表明,冷却流道截面形状换热效果由好至坏依次为拱桥形、矩形、半圆形和圆形截面,冷却流道截面形状为矩形更符合经济效益。优化后的冷却系统螺旋进水流道尺寸为25 mm×3 mm,出水流道尺寸为15 mm×3 mm时,电主轴的冷却效益最佳。

高速电主轴驱动系统性能评价研究

目的 提出一种基于隐含状态映射机制高速电主轴驱动系统的性能评价方法,以提高数控机床的加工质量,降低设备故障风险。方法 根据驱动系统动态特性提取系统模型特征参数,依据系统模型参数提取特征,获得对应的隐含状态信息;根据仿真分析结果与实际经验相结合来确定电主轴驱动系统的性能评价等级;以高速电主轴驱动系统中变频器内的IGBT器件发生性能退化现象为例进行实验验证。结果 随着剪断键合线数量不断增加,笔者所提方法的隐含退化量不断增大;当剪断四根键合线时,隐含退化量值为0.218 3,系统出现失效状态。结论 IGBT器件的不同退化程度所对应的辨识参数能够映射为隐含状态特征,用于驱动系统的性能评价,可以验证该方法的合理性和有效性;笔者所提方法可用于驱动单元发生性能失效前的健康状态评价,能够有效地提高电主轴系统的安全性和可靠性,为构建整个高速电主轴系统的运行评价管理框架奠定基础。

高速电主轴热态性能及其影响

高速电主轴作为高速机床的核心部件,其热稳定性影响着机床的加工精度。为有效预测并控制电主轴运转过程中的热态性能及其对主轴动态特性的影响,建立一种考虑系统热响应和预紧方式影响的角接触球轴承热-机耦合动力学模型,分析运行状态下主轴轴承的摩擦损耗及动态支承刚度,并应用电磁学理论讨论实际输入功率下内置电动机的电磁损耗;确定系统产热和热边界条件后,制定电主轴整体热-机动力学行为计算流程,对120MD60Y6型号电主轴展开温升试验,获取主轴关键部位温度变化规律。同时,理论计算和试验结果表明所建模型及分析流程具有足够的精度;轴承热位移对不同轴承配置的支承刚度和不同工况下系统的固有频率有着不同的影响;进行合理的轴承配置、选择合适润滑油量以及增加冷却水流量均可有效改善电主轴热态性能。

高速电主轴水冷系统三维仿真与试验分析

以耦合传热数值计算理论为基础,应用ANSYSCFX对高速电主轴水冷系统进行了仿真与试验分析。通过改变水冷系统有限元模型的边界条件,对不同冷却水流量、工况、环境温度条件下电主轴的温升进行了对比分析。研究表明:当处于旺盛湍流阶段时,使用k-ε控制方程求解耦合传热方程是一种有效的方法;冷却水流量越大,电主轴温升越小,当冷却水流量增大到一定值时,仅依靠增大流量已不能控制温升;环境温度不是影响电主轴温升的主要因素。

高速电主轴轴承热分析与实验研究

根据高速电主轴角接触球轴承中滚动体的运动情况,分析其受力状态,并考虑轴承预加载荷对滚动体在高速旋转状态下陀螺力矩的平衡效果,应用Palmgren经验公式计算轴承整体的摩擦热,然后依据传热学理论建立轴承的温升热模型,并用热网络法建立其热阻抗网络图,最后用120MD60Y6油雾润滑型电主轴的轴承进行试验验证。结果表明,轴承温升主要受转速、润滑油量、供气压力及载荷的影响,在主轴启动的初始阶段温升变化最快,且润滑油量和供气压力对轴承温升有一个最佳的适用范围。

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.

无速度传感器矢量控制下高速电主轴动态性能分析

为了研究高速电主轴的控制精度与主轴机械参数之间的动态关系,根据法拉第电磁感应定律建立高速电主轴的动态数学模型,并利用无速度传感器矢量控制逆变调速原理,将该模型的定子电流分解为励磁电流和转矩电流两个分量,组成两个独立的一阶线性子系统——磁链子系统和转矩子系统,实现励磁磁链和电磁转矩对各自参考值的全局渐进跟踪。试验结果表明,在无速度传感器矢量控制下,高速电主轴的励磁磁链受励磁电流的控制,且不受主轴负载和转速高低的影响,始终保持恒定;转矩电流控制高速电主轴的电磁转矩,与负载呈线性关系。有效控制励磁电流和转矩电流两个独立变量,不仅可以保证高速电主轴在负载状态下转差率小、转矩输出稳定性高的特点,而且当高速电主轴受到瞬间外力冲击时,其快速的转矩响应能力、动态速度跟随精度和抗挠动性等动态特性参数都可以通过控制励磁电流和转矩电流的精度实现。

高速电主轴球轴承——转子系统动力学性能分析

结合高速电主轴的结构特征,论述了球轴承支承的高速电主轴转子系统动力学性能的基本规律和一般特点,在分析角接触球轴承高速时动刚度的基础上,应用有限元法,建立了高速电主轴球轴承———转子系统动力学的分析模型和数值计算方法,并结合具体算例,分析了有关球轴承内部结构、外部工况条件以及转子系统结构等方面的参数对电主轴转子系统动力学性能的影响,并得出相关结论。

U/f控制下高速电主轴的低频电压补偿与负载特性分析

主轴磁通作为高速电主轴机电能量转换的唯一媒介,在高速电主轴的运行过程中,磁通的大小和稳定性将决定主轴的转矩输出能力和转速差的大小,是高速电主轴设计与控制的重要参数。因此为了保证高速电主轴运行时主轴的磁通恒定不变,从高速电主轴的稳态性能出发,根据高速电主轴电路等效的基本思想和变频调速原理,论述主轴在U/f控制下低频运行时磁通减弱的原因,并推导出确保磁通恒定的电压补偿公式。在此基础上,通过转差频率将电磁转矩与主轴的转速差联系起来,导出转速差与电磁转矩、定子电流之间的关系式,作为主轴频率变化时磁通是否恒定的依据。结果表明,在U/f控制下,按电压补偿公式进行电压补偿后,主轴的转矩输出能力不受频率变化的影响;通过空载电流对磁通的稳定性判断与理论分析相符;主轴转速对径向圆跳动量的影响直接反映了主轴运行过程中磁通的脉动程度、转矩的控制精度以及主轴的动平衡特性。

高速电主轴电动机—主轴系统的机电耦合动力学建模

针对高速电主轴系统具有复杂机电系统的特点,提出对高速电主轴系统进行机电耦合分析的观点。提炼并归纳了高速电主轴系统中存在的多物理过程、多参数耦合现象,给出高速电主轴系统全局耦合关系的框图。通过分析高速电主轴电动机—主轴子系统的结构及其耦合情况,得到了该子系统的机电耦合关系框图,并建立其物理模型。基于机电系统分析动力学理论,采用变分原理法,应用拉格朗日方程建立电动机—主轴子系统的电压方程和机械运动方程,将两组方程联立得到与该子系统物理模型相对应的数学模型,导出子系统的动力学方程,为进一步研究高速电主轴系统的机电耦合动力学性能提供理论基础。

考虑气隙变化的高速电主轴热特性仿真

为了解决电主轴高速旋转时结构变化引起的自身热特性改变的问题,提出离心膨胀和热膨胀会影响电主轴内定、转子间对流换热的观点.基于弹性力学理论,计算电主轴定、转子受离心力和热载荷而产生的径向膨胀量及由此导致的气隙变化量;根据对流换热理论得出离心力影响下泰勒数随转速和气隙长度的变化规律以及对流换热系数的变化规律.计算发现,气隙长度随定、转子的膨胀而减小,该减小量占设计值的37.7%;泰勒数随转速升高而增大,随气隙长度增大而减小;对流换热系数随气隙长度增加而降低,使得定、转子间传热受到抑制.结果表明,若能提高气隙间对流换热系数,适当提升油水冷却功率,能够大幅度降低主轴转子温升和热位移,提高加工精度.

高速电主轴轴向振动研究

针对高速电主轴轴向振动直接影响立式加工件品质高低问题,用有限元法建立高速电主轴转子-轴承动力学模型,分析系统固有特性。轴向一阶固有振型为转子刚体振动振形,固有频率远低于一阶径向振动,理论计算固有频率结果与实验结果误差较小;据线性二次型最优控制理论对高速电主轴轴向振动的主动抑制进行理论分析,设计输出反馈控制系统,建立闭环动力学模型。实例计算结果表明,闭环系统能有效抑制高速电主轴轴向振动。