数控机床电主轴的几个问题探讨1

极大的方便，同时也提高了识别的精度。
其中
H e ( ) 1 /( M e
( )
2
j C e K e )
es
H
X e ( ) X F ( )
( 设 )
XeX
es
H
X
c
( )
X c( ) F( )
H
XeX
es
H e ( ) 1 m (
2
• 磁悬浮轴承的应用使得这种超高速、大功 率的主轴成为可能。 • 目前国外已有成熟的磁力轴承电主轴出售。 磁力轴承的缺点是造价贵。
典型结构
• 磁力轴承主轴的优点是高精度、高转速和 高刚度。缺点是结构复杂，需要一套传感 器系统和控制电路，造价一般是滚珠轴承 主轴的两倍以上。 • 考虑到磁力轴承的上述特点，既要获得主 轴的高精度、高转速和高刚度，又要考虑 到结构尽量简单，造价尽可能便宜，获得 高的性价比，同时兼顾主轴的安全可靠性， 对下图所示的方案进行了探索。
各种常用材料的高速切削速度大致 为：
• 铝合金1000～7000m/min ;铜合金900～ 5000 m/min；钢500～2000 m/min；灰铸 件800～3000 m/min。 • 其进给速度范围一般为2～25 m/min，而主 轴最高转速一般可达12000～15000 r/min， 有的高达40000～60000 r/min。
2、主轴轴承的刚度和阻尼系数 测定
• 采用单自由度解耦法排除实验辅助装置的 影响，以获得高精度的测量数据。主轴常 用轴承的刚度和阻尼系数精确测量，是进 行主轴系统动态特性分析计算、结构修改 和优化设计的前提条件
。
轴承测量实验装置
轴承特性测试系统图
试验主轴-轴承系统的运动方程为：
m c ( t ) C e ( x e ( t ) x es ( t )) K e ( x e ( t ) x es ( t )) f ( t ) x
( K ( b ) K 0 ) ( M ( b ) M 0 )u 0
经推导可得：
H e () HX 1 m ( k .H X
2
e
X es X es
() ( ) H X ( ))
c
e
这里可以把 H ( ) 理解成等效单自由度系统的频率响应函数，把图中实验装置所 示的多自由度模型系统转化成一个等效的单自由度系统，这给实验处理带来了
e
c. 硬度高。为轴承钢的2倍以上，可减少磨损，提 高轴承疲劳寿命和抗粘结、剥蚀损坏的能力。 d. 热膨胀系数低。大约为轴承钢的25%，在高温 工作条件下轴承的变形较小，减少了温升导致的 轴承轴向位移，提高了轴承工作的可靠性。 e. 耐腐蚀性强。 在高速电主轴中获得广泛的应用。
高速角接触陶瓷球轴承稳定性及最佳预紧力
• 研究数控机床用高速角接触球轴承稳定性及提 高稳定运转极限转速的措施。重点对钢质和陶 瓷滚子角接触球轴承的旋滚比进行研究。 • 综合考虑滚子、滚道赫兹接触的弹性变形及滚 子高速旋转离心力和外载荷的作用，建立不同 工况下的高速角接触球轴承整体动力学模型， 得出轴承运转状况和旋滚比之间关系，并得出 轴承各种参数与旋滚比之间的相互关系，得出 轴承稳定运转的工作条件，并对轴承参数进行 优化。
k
X k v s
r
r (
dE sr
dv s
sr
3
dTsr dv s
)
E 其中 为正常数， 和 T 分别表示第s个子结构在 第r阶模态下的应变能和动能：
sr
E sr
1 2
u sr K s u sr
T
Tsr
1 2
nr u sr M s u sr
2 T
• 进一步引入 E 和 T 分别表示第s个子结构在 第r阶模态下的单位体积应变能和单位体积 动能，可得：
5 10
8
• 特点4、回转精度高，寿命长； 磁力轴承本身具有高精度、高转速和高刚度的特点，且处于非接 触的工作状态。合理的调整可使前支承的滚动轴承只承受很小的 轴向力，因此，主轴系统可获得高的回转精度和长的工作寿命。 • 特点5、转速高； 转速主要受滚动轴承的限制。采用陶瓷滚子角接触轴承，滚子质 量小(密度约为钢的40%),且滚动轴承承受的径向力和轴向力都较 小，因此转速要远高于同类滚动轴承电主轴的转速； • 特点6、动态特性好，抗振性高； 磁力轴承采用PID控制，合理选择系统控制器的传递函数（频响 特性），可获得期望的系统刚度阻尼特性，使系统稳定运行。 • 特点7、不平衡振动小； 如主轴结构简图，在主轴的前后端都设计有平衡环槽。换刀后， 进行加工以前，设计的主轴平衡系统可很快地给出主轴前后端平 衡块A、B 的圆周位置。在加工过程中，残余不平衡量可由控制 器控制磁力轴承消除。
●单位体积能量法
• 由结构动态响应对结构物理参数的灵敏度分析出 发，导出快速、准确的确定主轴系统的薄弱环节， 进行结构参数与结构布局修改的方法，获得主轴 系统的优良的动态性能。 • 以 X 表示主轴前端切削点处的响应，定义各子结 构（包括主轴前后支承，刀夹系统，主轴分段、 箱体等）的体积（v s ）为设计变量，可推得：
o
●线性参数广义特征值问题逆设计的直接方法
具有线性参数的离散振动系统广义特征值问题的逆设计问题。以系统的全部 或部分的弹性元件与惯性元件的系数为设计参数，对于预先指定的若干阶特 征值与特征向量，通过求解一个线性方程组可一次性求得设计参数向量，从 而实现系统刚度矩阵和质量矩阵的重构。
问题的描述：
线性 n 自由度结构系统的特征值问题可描述为：
• 采用具有足够的耐热性、耐磨性和耐破损 性的刀具材料和新型高速主轴结构，切削 用量比常规提高了几倍到几十倍。 • 数控机床高速主轴等关键零部件的设计与 研究对我国精密、高速加工技术的发展意 义重大。
一、高速电主轴支承与动态优化
设计技术
1、支承技术 高速电主轴极高的工作转速，对其设计、 制造和控制提出了严格的要求,并带来了一系列 的技术难题，如主轴的支承、润滑、散热及动 平衡等。高速电主轴所涉及的关键技术从机械 系统方面讲，包括电主轴支承技术、润滑技术、 冷却技术、动平衡技术、刀具接口与精密加工 精密装配技术等；从控制系统的角度讲，包括 高速电机驱动控制技术和辅助控制技术。
• 对滚动体直径D=11mm，接触角15°，中 心圆直径Dz=82mm，轴承中滚球数目20个 的角接触球轴承的计算结果。
• 由图2可以看出，在转速一定时，旋滚比会 随着轴向力的增大明显减小，所以在高转 速下，通过优化对轴承施加一定量的轴向 预加载荷是保证轴承稳定运转的重要措施。 • 图3表示在 转速为20000r/m，轴承承受轴 向力Fa＝1000N，径向力Fr＝500N时，作 用于轴承内圈的弯矩为My＝50N.M的条件 下，分别采用钢和陶瓷滚动体时轴承旋滚 比的变化曲线，由图，陶瓷轴承在高速运 转时旋滚比及随角位置的变化幅度明显小 于钢制轴承，可获得很高的稳定运转速度。
薄弱子结构的识别及物理参数的修改可按下面的步骤完成： (1) 根据振动响应确定结构的主模态。 (2) 计算在任何一个主模态下整个系统所有子结构的单位体积变 形能()和单位体积动能。根据每个子结构的单位体积变形能和单 位体积动能识别出结构的薄弱子结构。 (3) 修改所有薄弱子结构的参数。对于有较大的单位体积变形能 的子结构，不同的子结构可以采用的不同的修改方法，例如薄 板可以增加厚度，梁可以增加其横截面积等。 (4) 对于有较大的单位体积动能的子结构，应该减小其重量，减 少的重量应该近似的其他子结构中增加的重量，使整个结构总 重量保持不变或使其更轻。 上面所产述的结构修改技术有很高的计算效率，设Ns表示一个 子结构的节点个数。由公式(3-19)可以得到，计算上述各能量的 平均计算次数是o(Ns3)，比直接应用灵敏度分析方法计算与设计 变量有关的特征向量的导数需要的次数少的多，这种方法几乎 不需要叠代。大多数情况下，只要通过一次计算就可以得到一 个满意的结构修改结果，而且可以用于结构布局修改。
数控机床电主轴的 几个问题探讨 伍良生
北京工业大学 2012年6月
主要内容
• 高速电主轴支承与优化设计技术 • 在线动平衡技术 • 测试与评价系统
序言
• 最新信息表明，世界机床发展的趋势将朝 着高速化、精密化、高效能的方向发展。 • 近十多年来，新型刀具材料的不断出现与 机械制造技术及控制技术的发展相结合， 把切削加工的能力和水平提高到一个崭新 的高度，从而促进了数控机床与高速加工 中心的发展。
高速电主轴极高的工作转速，对其设计、制 造和控制提出了严格的要求,并带来了一系 列的技术难题，如主轴的支承、润滑、散热 及动平衡等。高速电主轴所涉及的关键技术 从机械系统方面讲，包括电主轴支承技术、 润滑技术、冷却技术、动平衡技术、刀具接 口与精密加工精密装配技术等；从控制系统 的角度讲，包括高速电机驱动控制技术和辅 助控制技术。这里主要讨论支承技术。电主 轴的最高转速取决于轴承的大小、布置和润 滑方式，同时轴承也是决定主轴寿命和负载 容量的核心部件。目前，采用较多的轴承支 承形式有：
sr
sr
X k v s
r ( E sr 3T sr )
• 由上式，薄弱子结构的识别问题转化成为 各子结构单位体积能量的计算问题。单位 体积应变能大或者单位体积动能大的子结 构都是薄弱子结构。结构修改时，单位体 积应变能大的子结构应增加其刚度，单位 体积动能大的子结构应减少其质量。
( ) ( ) H
X
M m
e
.H
XeX
es
c
( ))
M m
e
k ，k称为调节系数，上式
可改写为：
H e ( )
H 1 m ( k .H
2
XeX XeX
Байду номын сангаас
es
( ) ( ) H