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高速电主轴注液式一体化平衡终端优化设计与实验研究

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振动与冲击 2021年第15期40卷 26-33页

作者：运侠伦袁世珏梅雪松姜歌东王晨西安交通大学陕西省智能机器人重点实验室西安710049 西安交通大学机械制造与系统工程国家重点实验室西安710049 西安交通大学机械工程学院西安710049

注液式在线动平衡是超高速电主轴的主要在线平衡方式之一,为了解决传统的注液式在线平衡终端容腔设计精度不高造成的平衡精度损失问题,计入高速旋转状态下平衡终端容腔内的油气复杂流动状态的影响,建立4种不同截面形状的容腔分析模型,利... 详细信息

注液式在线动平衡是超高速电主轴的主要在线平衡方式之一,为了解决传统的注液式在线平衡终端容腔设计精度不高造成的平衡精度损失问题,计入高速旋转状态下平衡终端容腔内的油气复杂流动状态的影响,建立4种不同截面形状的容腔分析模型,利用FLUENT流体仿真分析手段基于VOF方法实现对平衡终端容腔内流体的三维数值模拟,研究了不同质量液体在不同转速条件下四种容腔内部流体的湍流情况、容腔内液体分布状态以及容腔外壁的合成压力,研究表明:90F形状容腔为最佳截面形状容腔。在充分考虑平衡终端极限运转条件下(最高转速和容腔充满液体),建立容腔外壁的有限元分析模型,实现平衡终端容腔的参数优化,应用3D打印技术制造优化后的平衡终端,在超高速铣削电主轴实验台上进行在线动平衡实验验证。实验结果表明:平衡前后工频幅值下降幅度均超过90%,平衡性能有效提升。

关键词：高速电主轴在线平衡平衡终端容腔流体仿真

高速电主轴热特性建模与冷却系统参数优化方法研究

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制造技术与机床 2023年第10期 90-97页

作者：孙树文高振涛乔云飞王军见北京工业大学材料与制造学部北京100124 先进制造技术北京市重点实验室北京100124 国家机床质量监督检测中心北京101312 重庆大学重庆400044

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... 详细信息

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。

关键词：高速电主轴热特性建模冷却系统热流固耦合正交试验

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高速电主轴热-结构耦合及选材分析

机床与液压 2023年第4期51卷 158-163页

作者：问梦飞钟建琳彭宝营王鹏家王增新北京信息科技大学机电工程学院北京100192 北京超同步股份有限公司北京101500

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... 详细信息

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。

关键词：高速电主轴热变形热-结构耦合陶瓷材料

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高速电主轴主动磁悬浮技术研究进展

机械工程学报 2021年第13期57卷 1-17页

作者：熊万里孙文彪刘侃许铭华裴庭湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心长沙410082 广州市昊志机电股份有限公司广州511356

高速电主轴是高速精密机床的核心功能部件,主动磁悬浮技术是磁悬浮电主轴赖以正常运转和工作的基础。主动磁悬浮电主轴经过数十年的发展虽然在科学研究领域建立了不少案例,但迄今未在高速机床领域得到广泛应用。为探究主动磁悬浮电主轴... 详细信息

高速电主轴是高速精密机床的核心功能部件,主动磁悬浮技术是磁悬浮电主轴赖以正常运转和工作的基础。主动磁悬浮电主轴经过数十年的发展虽然在科学研究领域建立了不少案例,但迄今未在高速机床领域得到广泛应用。为探究主动磁悬浮电主轴在高速机床领域难以推广的主要原因,首先,对主动磁悬浮电主轴的发展历史进行了系统性回顾;其次,从磁轴承承载能力、系统动力学建模、磁轴承控制器设计和控制系统响应特性等方面,对主动磁悬浮电主轴的关键技术进行了较深入的综述分析;最后,从超高速轻载加工、超精密气磁悬浮、高磁密材料研制、新型FPGA控制芯片、功率放大器和传感器角度,提出了未来主动磁悬浮电主轴的发展趋势。

关键词：高速电主轴主动磁悬浮动力学建模控制系统

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高速电主轴热误差预测建模研究

高速电主轴热误差预测建模研究

作者：高延华哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

高速电主轴是数控机床的核心部件,电主轴由于结构紧凑的特点被广泛地应用于各种加工场合。但也由于电主轴结构紧凑,电主轴内部热量难以散出,并发生累积,导致电主轴零件发生热位移,从而产生加工误差。电主轴内部难以设置冷却水流道,因此... 详细信息

高速电主轴是数控机床的核心部件,电主轴由于结构紧凑的特点被广泛地应用于各种加工场合。但也由于电主轴结构紧凑,电主轴内部热量难以散出,并发生累积,导致电主轴零件发生热位移,从而产生加工误差。电主轴内部难以设置冷却水流道,因此搭建电主轴热误差预测模型辅以补偿策略成为提高电主轴加工精度的主要手段。本文从提高电主轴热误差预测模型的准确性方面着手,分析对模型输入电主轴不同温度数据对预测精度的影响,并针对预测模型的缺点进行优化。本文主要研究内容包括:首先,对电主轴进行有限元稳态温度场仿真分析。计算电主轴电机损耗生热量和轴承摩擦生热量。基于电主轴冷却策略与传热机理,分析电主轴内部的热量流动情况。结合A0304型号电主轴结构参数使用Solid Works软件对电主轴行进建模,使用Workbench软件模拟额定转速下A0304型号电主轴的温度场分布,为热阻网络建模划分热节点提供基础。其次,搭建电主轴升速实验平台,使用电涡流位移传感器采集电主轴的鼻端和法兰端面的热位移量,使用铂热电阻温度传感器采集电主轴轴承外圈与电机定子的温度数据,分析实验结果,为热阻网络计算和热误差预测建模提供数据支持。之后,针对实验难以采集轴承内圈和滚子的温度数据问题,采用热阻网络法对电主轴进行建模,结合实验采集的温度数据计算轴承内圈和滚子温度。以实验采集数据和热阻网络法计算数据为基础,建立BP神经网络电主轴热误差预测模型,分别采用轴承外圈、轴承滚子、轴承内圈的温度作为预测模型的训练集,对比分析以轴承不同位置温度数据作为训练集对预测模型精度的影响。最后,使用鲸鱼优化算法(WOA)和鸟群优化算法(BSA)对BP神经网络进行优化,优化BP神经网络的权值和阈值。建立WOA-BP和BSA-BP电主轴热误差预测模型,使用拟合指标对比分析两种预测模型的预测精度。

关键词：高速电主轴热特性分析热阻网络热误差预测建模优化算法

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高速电主轴热误差分析与建模方法研究

高速电主轴热误差分析与建模方法研究

作者：乔云飞北京工业大学

学位级别：硕士

高速电主轴作为高端数控机床的核心部件,其精度直接影响着数控机床的加工精度。高速电主轴消除了主轴系统的传动误差,但是由于其结构紧凑,内部发热量大,导致电主轴在运行过程中会产生较大的热误差。数控机床的加工误差中有40%-70%是机... 详细信息

高速电主轴作为高端数控机床的核心部件,其精度直接影响着数控机床的加工精度。高速电主轴消除了主轴系统的传动误差,但是由于其结构紧凑,内部发热量大,导致电主轴在运行过程中会产生较大的热误差。数控机床的加工误差中有40%-70%是机床零部件的热误差,而电主轴是发热较为严重的数控机床零部件之一,因此如何减少电主轴热误差对数控机床加工精度的影响成为了目前的研究重点。本文以电主轴热误差为研究对象,通过对电主轴进行有限元分析与热误差建模,实现电主轴热误差预测。具体研究内容如下:首先,对高速电主轴结构进行分析,并建立三维模型。结合传热学对电主轴热源与散热方式进行研究与总结,通过经验公式计算在额定转速下电主轴的发热率与换热系数。通过Ansys对电主轴流体域与固体域进行有限元仿真分析,得到基于流固耦合的电主轴温度场与热误差仿真模型,为后续电主轴热误差测量实验的温度传感器布置提供参考。基于有限元仿真结果分析不同材料主轴对热误差的影响,为电主轴材料优化提供理论基础。其次,根据电主轴热误差测量实验需求,提出电主轴热误差测量系统整体方案。采用传感器与数据采集装置搭建电主轴热误差测量系统硬件部分,基于Labview开发电主轴热误差测量系统软件部分,实现温度与热误差数据的采集、显示与储存。进行电主轴热误差测量实验,采集不同转速下电主轴运行过程中的温度与热误差数据,为电主轴热误差预测模型的建立提供数据基础。通过对比实验采集数据与基于流固耦合的电主轴温度场与热误差仿真数据,验证了所建立的电主轴温度场与热误差仿真模型的准确性。然后,以热误差测量实验采集的温度与热误差数据为基础,采用密度峰值快速搜索聚类算法获取测温点最佳聚类簇数。通过模糊C均值聚类分析进行分类并计算每个测温点数据与热误差数据之间的灰色关联度,确定温度敏感点。分析不同转速温度敏感点,从12个测温点中选取出3个适用于任意转速的温度敏感点,作为电主轴热误差预测模型的输入数据。最后,运用最小二乘支持向量机(LSSVM)进行电主轴热误差预测,分析核函数与超参数的选择对预测精度的影响。针对优化算法中优化边界无法确定的情况,提出一种边界自适应哈里斯鹰优化算法(ABHHO)用于优化最小二乘支持向量机的超参数,建立基于ABHHO-LSSVM的电主轴误差预测模型。建立多元线性回归模型、支持向量机模型和最小二乘支持向量机模型并进行对比实验,结果表明所提出的ABHHO-LSSVM模型在拟合精度与预测精度上均优于其他三种模型,可应用于电主轴热误差补偿。为了验证ABHHO-LSSVM模型的通用性,以JSC-180A型数控机床电主轴为研究对象进行电主轴热误差预测实验,结果表明所提出模型具有良好的通用性,适用于不同电主轴热误差预测。

关键词：高速电主轴流固耦合温度敏感点热误差预测模型最小二乘支持向量机

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高速电主轴热特性分析及冷却系统优化设计

高速电主轴热特性分析及冷却系统优化设计

作者：曲航哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

高速电主轴是一种复杂性机电动力耦合系统,融合了传动、执行和控制等功能,可实现高转速、高效率作业,推动了加工制造业的发展,成为了高档数控机床必不可少的核心部件。由于电主轴自身紧密的空间结构,在转速、传动效率提高时,主轴的内部... 详细信息

高速电主轴是一种复杂性机电动力耦合系统,融合了传动、执行和控制等功能,可实现高转速、高效率作业,推动了加工制造业的发展,成为了高档数控机床必不可少的核心部件。由于电主轴自身紧密的空间结构,在转速、传动效率提高时,主轴的内部热量无法及时散发到外部环境中,将导致热变形。目前,电主轴的发热问题已成为提升主轴加工精度的瓶颈,对高速电主轴系统进行热特性分析及冷却系统的相关研究具有至关重要的意义。本文将针对宁波天控五轴技术有限公司C01.10型高速电主轴的实际工作难题展开相关的研究工作。首先,提出此款电主轴的技术指标,对其关键结构进行选型、设计,并在此基础上依据电机学理论、轴承摩擦生热和传热学原理对其内部生热、传热机制进行分析,为后续分析提供理论依据。其次,利用三维建模和有限元分析软件完成电主轴流-热-固耦合仿真分析,剖析同转速、不同冷却条件时此款电主轴的温度场分布情况、热变形规律及T形冷却系统的可靠性,并搭建冷却实验平台,进行多组电主轴热特性实验,采集不同工况条件下主轴温升、热变形数据,验证仿真分析的准确性,进一步探究此款电主轴系统的发热规律及冷却系统的冷却效果,为后续冷却系统优化设计提供着重点。最后,为改进不足之处,通过对主轴常用冷却结构、截面形状、具体尺寸进行研究分析,完成一种新型变速双螺旋冷却系统的优化设计。采用有限元分析的方式,获取变速双螺旋冷却系统电主轴温度场分布、热变形云图,并与原有T形冷却系统的冷却效果进行对比分析,完成新型冷却系统冷却功率校核,验证本文所设计的冷却系统的可靠性、优越性,同时为下一代电主轴冷却系统研发的相关研究内容提供经验。

关键词：高速电主轴热特性分析冷却系统冷却实验流-热-固耦合仿真

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高速电主轴振动特性分析及其优化方法研究

高速电主轴振动特性分析及其优化方法研究

作者：张耀东哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

高速电主轴单元是实现高速高精度加工的核心部件,它将机床主轴与电机融为一体,实现了机床主轴与电机的“零传动”。这种结构极大地降低了高速加工时产生的噪声和振动,提高了工件的加工效率。高速电主轴的振动性能直接影响工件的加工精度... 详细信息

高速电主轴单元是实现高速高精度加工的核心部件,它将机床主轴与电机融为一体,实现了机床主轴与电机的“零传动”。这种结构极大地降低了高速加工时产生的噪声和振动,提高了工件的加工效率。高速电主轴的振动性能直接影响工件的加工精度,因此对高速电主轴整机系统进行振动特性研究及优化设计,具有重要的工程实际意义。本文首先对高速电主轴整机系统的振动特性进行分析。采用传递矩阵法建立电主轴的转子-轴承-外壳动力学模型,分析了电主轴的横向振动形式;为了进一步分析电主轴整机系统的耦合振动形式,考虑主轴-刀柄结合面刚度的影响,建立了电主轴整机的有限元仿真简化模型,通过模态分析得出电主轴的固有频率和模态振型,结合模态分析结果对电主轴进行了谐响应分析,得到了系统频域响应特性曲线,结果表明电主轴的二阶频率为系统的薄弱频率。同时分析了电主轴结构的薄弱部分,为后续实验振动测点布置提供参考依据。为验证仿真分析方法的准确性,对高速电主轴整机进行了模态和动态振动实验。根据仿真分析的结果确定了加速度传感器的安装位置,采用锤击法对电主轴进行模态实验,并筛选振动测点对电主轴进行动态振动测试。将实验结果与有限元分析的结果作对比,研究误差产生的原因,验证了所建立有限元模型的仿真精度,为后续研究提供了仿真模型基础。以装配约束下的高速电主轴轴承位置参数为优化设计变量进行了样本点采样。对电主轴轴承位置之间存在的装配约束进行了分析,提出了一种改进的约束域内拉丁超立方采样方法,采用不同算例对比验证了该方法的通用性;采用改进的约束域采样算法开展了装配约束下电主轴轴承位置参数的样本生成工作,获得了满足装配约束的轴承位置参数样本,避免了无效点的采样和仿真计算。最后,进行了高速电主轴轴承位置的优化设计。分析了轴承位置参数对电主轴振动特性的影响,采用改进的约束域拉丁超立方采样方法获取的满足装配约束的轴承位置样本点,驱动仿真模型建立样本库,并利用样本库构建了符合精度要求的轴承位置Kriging代理模型,并应用NSGA-II算法开展了电主轴轴承位置的优化设计,结果表明优化后的电主轴轴承位置方案,相比初始设计振动性能有着显著提高。

关键词：高速电主轴振动特性约束域采样代理模型参数优化

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高速电主轴热特性分析及轴芯冷却研究

高速电主轴热特性分析及轴芯冷却研究

作者：宣立宇哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

高速电主轴内部空间有限,电机转子和定子都安放在壳体内部,电主轴内部生热率大,空气流通性差,导致转子产生的热量,大量流入电主轴转轴系统。因此,转轴温度较高,产生较大热伸长量,累积到电主轴鼻端产生热误差。同时温度场升高也会对轴承... 详细信息

高速电主轴内部空间有限,电机转子和定子都安放在壳体内部,电主轴内部生热率大,空气流通性差,导致转子产生的热量,大量流入电主轴转轴系统。因此,转轴温度较高,产生较大热伸长量,累积到电主轴鼻端产生热误差。同时温度场升高也会对轴承产生不可忽视的影响,即影响寿命也改变了轴承预紧力,降低了加工精度。针对上述问题,本文从电主轴热学分析开始,通过仿真结果明确电主轴内部复杂的温度产生变化的原因及其影响,提出冷却方案和结构。采用一种轴芯冷却结构,对转轴温度进行冷却,间接对转子冷却环境做出改善。本文主要研究内容包括:采用有限元方法对电主轴生热和传热进行分析,包括简化模型、热源生热计算、零件表面换热系数计算、建立有限元仿真模型。对其稳态后的热特性进行分析,并根据温度场数据建立热-固耦合仿真分析。为电主轴热误差预测模型检验提供理论依据,同时为进一步提出冷却结构优化策略做出基础支持。依据电主轴整机热特性分析结果进行实验验证,包括设计验证实验,采集五组转速条件下的温度和热误差。分析仿真结果与实验结果产生的误差原因,为建立热误差预测模型提供数据支持。补偿系统是提高加工精度的重要环节,建立热误差预测模型是抑制误差的基础。本文通过混合灰狼优化算法在限定范围内全局搜索支持向量回归模型的惩罚因子和核函数宽度,选择适应度最好的参数建立支持向量回归模型预测电主轴热误差。以一组转速下实验数据作为训练,预测不同转速条件下热误差量,验证所建立模型对于热误差预测的可行性。建立对比模型,展现模型精度和鲁棒性。为进一步改善主轴内部温度场情况,针对高速运转的电主轴转子散热条件有限这一问题进行改进,采用转轴开设冷却水道,进行冷却。并分析了冷却原理,基于质量流不变原理进行流体仿真分析,得到流场的速度、压强及换热系数分布规律。进而使用热网络法,对轴芯冷却结构电主轴热误差及温度场进行研究,验证轴芯冷却结构可行性。

关键词：高速电主轴热固耦合热误差建模冷却系统