文摘

高速电主轴已成为高速机床的主要功能部件,有效促进机床技术的发展。更高的速度和更大的权力的发展提出了更严格的要求电动主轴的性能,特别是影响加工精度的动态性能,可靠性和生产效率。克服问题的无效的加载和电主轴动态性能的测量,研制了一种非接触电磁加载装置。可以模拟切削负载使用电磁力。新方法测量力的力传感器,和稳定的瞬态加载力可以准确测量。高速机主轴测试后,主轴相对于机器的频率响应曲线表收集在0 ~ 12000转;然后刚度和速度之间的关系以及阻尼比和速度之间。结果表明,不仅静态和动态刚度,而且阻尼比的增加下降的速度。

1。介绍

高速电主轴,集机床主轴和运动给皮带传动和齿轮传动,有效地促进机床技术的发展。高速电主轴已成为高速机床的关键功能部件,及其性能影响机床的发展。近年来,高速主轴的转速达到成百上千,和dN价值(dN价值的产品是轴承内径(毫米)和工作速度(r / min),和轴承的一个重要参数是描述高速)的程度已经接近2 - 3数百万。更高的速度和更大的权力的发展提出了更严格的要求高速主轴的性能,特别是影响加工精度的动态性能,可靠性和生产效率。因此,研究动态性能更重要(1]。

目前,研究高速主轴的静态和动态性能集中在理论建模和有限元仿真。王、张了机床轴轴承系统模型基于有限元模型(FEM);他们分析了主轴动力学假设Reyleigh梁轴。轴承的刚度和阻尼模型由两个常数矩阵。然而,该模型不包括旋转和预加载的影响,所以没有离心力和陀螺力矩2]。Nelson和McVaugh模型,建立了转子轴的有限元公式使用欧拉伯努利梁理论,考虑旋转;因此,离心力和陀螺力矩包括(3]。然后圭,纳尔逊扩展模型纳尔逊和McVaugh通过添加内部阻尼,而轴承被表示为刚度设备。和模型开发与得票率最高梁理论,考虑旋转和剪切的影响,因此模型更精确(4]。熊等人开发了一种新的动态铣削模型包括一个旋转主轴和陀螺效应的稳定性特征铣削系统第一次。相结合的方法和有限元表示铣削切削力预测陀螺力矩不会改变铣不稳定的地区,但它改变系统的特征值的实部或减少削减的临界轴向深度5]。曹和Altintas主轴系统建模的一般方法,包括主轴轴角接触球轴承,和住房。该方法可以分析离心力和陀螺力矩的影响主轴转子和轴承,以及预加载。轴承的刚度、接触力在轴承球,自然频率、时间历史的回应,和频率响应函数可以通过削减部队获得主轴对于给定的预加载,包括旋转的主轴轴承刚度和轴的动态系统。方法模拟不同的主轴速度,只有在一个静态模型验证。结果预测,离心力对固有频率的影响比陀螺力矩(6]。Gagnola等人提出了一个基于得票率最高的主轴系统的有限元模型梁理论,包括离心力和陀螺力矩的影响,并预测临界转速使用坎贝尔图,但没有考虑轴承动力学在高速旋转的变化(7]。除了纯粹的动态分析,热对主轴的影响不容忽视。林等人提出了一个集成thermomechanical-dynamic模型来描述机械和热影响电动主轴的动态行为在非常高的速度旋转。他们专注于轴承预加载和高速旋转对轴承温升的影响,定性分析了轴承热影响轴承刚度以及整体轴动态(8]。thermomechanical-dynamic模型由李也许是最全面和完整,包括一个全面的轴承动力学模型,轴动态模型和热模型。综合模型可以准确模拟轴承热生成和热膨胀的整个系统基于轴承配置,以及其他参数对主轴的固有频率的影响。通过数值分析的影响(9]。

随着有限元技术的发展,商业有限元软件已成为一个重要的解决方案技术在静态的,动态的,和热分析主轴的性能,使分析更有效。Rantatalo比较实验测试和有限元模拟,以研究陀螺力矩的效果和速度对高速电主轴的本征频率和模态形状。有限元模拟合并一个主轴转速敏感的轴承刚度、单独的质量和刚度半径和剪切变形刚度半径敏感因素。的分析表明,离心力作用于轴承球导致软化的轴承刚度与轴转速增加10]。李等人研究了模式的特点和谐波响应的高速电主轴的有限元法。dual-dimension模型与有限元法开发并使用ANSYS商业软件模拟。他们的研究表明,动态位移和刚度不改变显著而工作的电主轴的静态性能(11]。刘的相似法的研究,刘等人研究了高速电主轴系统的特点,通过考虑轴承支座接触界面,由弹簧阻尼单元建立COMBIN 14。模拟静态、模态、谐响应和热变形进行通过ANSYS商业软件(12]。同样,高速主轴的有限元分析与变量提出了轴承预加载比较实验数据通过Delgado et al .主轴模型模拟和预加载的影响分析了刚度和频率响应函数(降维)使用ANSYS和SpindlePro。研究表明,陀螺力矩的有效性较低的阻尼比和刚度(13]。Holkup使用ANSYS软件来验证基于方法的热机的有限元素模型的预测与滚动轴承的纺锤波,其中包括温度分布和热增长,加上瞬态负载轴承刚度的变化和联系指定的操作条件下(14]。

与理论建模和有限元仿真相比,实验测试可以直接获得高速主轴的静态和动态特性更准确。另一方面,这些测试参数将有助于绩效评估和建模修改轴,这是非常重要的改善主轴性能。作为一种测试方法,干燥的运行测试可以在一定程度上反映了主轴的性能测试主轴的振动和变形过程中操作。但加工实验可能会更有效。

Gagnola等人进行了铣削实验在15000 rpm电动高速铣削主轴为了证实模型预测的有效性。实验验证的基础上进行同步励磁five-tooth工具;速度依赖工具的振动水平的身体被记录使用激光位移传感器。结果表明,稳定不旋转产生的波瓣图传递函数低估的容许深度减少,有时导致不准确的稳定极限预测(15]。Zaghbani和Songmene开发一个完整的动态估计方法在加工机床系统的模态参数使用两种工作模态分析方法(OMA)。使用OMA生成稳定叶,可以更准确地预测稳定性区域。他们发现,主轴转速和边界条件在加工操作影响机床的动态参数(16]。

然而,控制和测量加载力的问题导致了困难的高速主轴的动态性能。然后,载荷试验的方法来代替开发加工实验。削减部队可以使用不同的方法模拟加载力振动轴,和频率响应函数(降维),包括固有频率的参数、刚度和阻尼比将得到迅速通过测量力和位移的工具提示。加载测试的主要任务是如何解决加载的问题。

Albrecht等人测量轴传感器系统的转移函数在不同的速度使用impact-hammering外轴承套圈。轴承外环保持静止,而主轴旋转,这样一个冲击力可以应用到轴(17]。影响测试的加载方法也是Ozturk等人用来测量spindle-machine动力学变量预加载。标准工件是插在轴加载目标,相应的应用力锤。加速度计是用来测量响应的标准工件。工具提示降维得到,反映spindle-machine动力学的变化在不同预加载和速度(18]。以类似的方式,陈等人使用测试来识别速度的影响spindle-machine动力学。所不同的是,锤子直接影响工件的旋转圆柱标准而不是外部轴承套圈。他们描述了旋转工具的预测指出使用敏感性耦合子结构分析频率响应函数(RCSA),和这篇文章提供了实验验证和分析预测过程稳定性的变化与主轴转速(19]。此外,J。陈- s和K。陈- w加载轴使用一个活跃的轴承负荷监测和控制机制,包括一个集成的应变计负载细胞和压电致动器(20.]。Tsuneyoshi开发了一种接触式加载装置轴向刚度的测量21]。

由于存在的问题,如振动、摩擦,和噪音,接触加载条件仅限于静态或低速轴。然而,很明显,主轴高速旋转下的测试更准确和更精确的反映了主轴的实际使用性能。采用非接触式加载方法来满足高速测试的需要。

峰等人提出了一个非接触充气装置高速主轴的静态刚度测量。静压气体膜之间形成装载机和旋转主轴可以应用加载在一个旋转主轴与非接触条件(22]。然而,设备不能施加动态力。

接触加载法和充气等相比,非接触电磁加载更为高效和容易控制。

Kwiatkowski [23Chowdhury]和et al。24提出更早期的方法为了允许电磁刚度测量机床主轴旋转。Kwiatkowski设计了加载试验平台和引力公式推导出的加载装置,研究了电磁加载的影响因素。Chowdhury等人获得一组谐波响应基因座通过测试一个铣床使用电磁Kwiatkowski励磁机。全面的测试表明,实验结果是影响主轴旋转,主轴速度、激振力幅值和预加载,等等。可靠的技术来确定谐波响应位点强迫振动测试。山崎et al。25松原]和et al。26)测量了高速主轴刚度主轴高速旋转的条件是通过使用磁加载装置。的涡流电磁吸引力下降是由有限元建模、分析和周向槽工具是设计和制造减少涡流的影响。

然而,上述研究的设备不能直接获得加载力但计算力的搜索线圈磁感应强度测量的磁心。方法精度低和一个复杂的校准,所以它不适合刚度测试需要加载力的精确测量。

本文研制了一种非接触电磁加载装置来满足测试要求的静态和动态刚度测量主轴在高速旋转。测量力通过力传感器的一种新方法,所以稳定和瞬态加载力可以准确测量。测试实现的高速铣床的主轴,这表明,静态和动态刚度下降的增加速度。

2。加载和测量装置

2.1。总结非接触电磁装置

根据需要测量的高速主轴刚度、非接触式电磁加载和测量装置是在图设计的1。

加载和测量装置的结构图如图2。

该设备由四个部分组成如下:(1)电磁加载部分:电磁铁和仿真工具,(2)数据采集和分析部分:德国m + p Vibpilot-8数据采集和分析系统(DAAS),电脑,(3)力和位移测量的部分:力传感器和位移传感器,(4)表:功率放大器和支持。

电磁铁的核心是由0.35毫米硅钢片和参数如表所示1。

仿真工具,旨在取代标准工具持有人和工具由BT30刀架和加载圆柱。作为一个载体,它可以传输从电磁铁的力电主轴。频响测试结果可能受到不同类型的虚拟工具(19]。然而,错误是允许的,因为虚拟工具的刚度足够大,附加质量很小。

设备的工作原理如下。

DAAS (m + p Vibpilot-8, m + p国际混乱和Rechnertechnik GmbH)生成所需的电压信号,这是由所以Analyzer 4.2软件在计算机控制。将电压信号放大和转换成电流信号,这水湾电磁铁的线圈。磁铁产生磁场的仿真工具和过去电磁铁的两极。虚拟工具应用磁场交变载荷,而振实轴与虚拟工具。轴的位移响应是由位移传感器,测量工具的反作用力对抗电磁铁由应变式力传感器测量。之后,主轴的误差数据处理得到的力和位移信号。

有一些设备的优点如下。(1)采用非接触载荷,它是一个更合适的方式旋转主轴,以避免摩擦,振动和噪声接触载荷。(2)按实际使用量付费很容易控制负载,而不需要手动调整。负载可以通过力传感器实时测量和反馈到DAAS。(3)虚拟工具包括一个标准的工具持有人允许用不同的主轴安装和拆卸。

2.2。加载和测量力的原则

电磁加载的方法使用磁场控制的电流激发铁磁物质。如图所示的基本应用是电磁铁3。

因为与主动磁轴承的结构和原理、设备的电磁力(图1)可以通过电磁场的麦克斯韦方程推导出理论。当非饱和磁场均匀分布在整个电磁铁和工具之间的气隙漏磁的影响被忽略,磁力的大小可以简化为以下表达式(23]:

磁感应强度在(1)是由 在哪里磁极的面积,真空磁导率,等于什么,气隙的厚度,线圈把,电流的大小。

应用u形磁心的设备,所以产生的磁力

在电磁铁的结构设计,参数和是常量,气隙的厚度基本上是不变的,所以磁力将主要取决于电流的平方是吗。根据(3)和参数表1的最大磁力装置305.6 N。

交变负荷需要应用于主轴的动态测量。如果当前的线圈的磁感应强度。因此磁力

因为磁力只能吸引力及其频率电流的两倍,必须提供一个直流磁化事先铁芯,就是能提高磁力的谐波特性。因此,当前的,磁感应强度。磁力变成 如果磁力的频率的条件,应该见过呢。然而,超大的可能导致磁通量的饱和度。

至于传统电磁加载设备,很难直接测量磁力;因此,间接法测量提出了磁通(23- - - - - -26]。特定的线圈应用于诱导磁通产生电流的变化;需要校准的感应电流与激动人心的力量。线圈中的感应电动势可以表示为(6电磁理论的基础上:

只有交流的部分来衡量,常数被忽视;因此,恒力和倍频激振力(5不能有效地测量)。此外,动力与感应电流的校准是困难和低效。方法是不适合测量动力主轴刚度的测量。

提出了一种力的测量新方法如图2的反作用力,实现通过测量工具对付电磁铁采用应变式力传感器。所以它能够测量不仅稳定加载力也瞬态加载力完全。

3所示。力学特性分析的加载装置

3.1。力学模型

在基本装载装置由电磁铁、力传感器,并支持表,薄壁结构的力传感器刚度不足的原因。因为磁铁的刚度和质量比力量更大的传感器,可以简化为一个质量块磁铁和力传感器作为一个弹簧阻尼组件。因此,装载设备可以被视为一个自由的弹簧质量系统如图所示4。

根据力学模型的受力分析,得到运动微分方程如下: 在哪里是激动人心的力量,武力是力测量传感器,的惯性力是电磁铁,阻尼力,电磁铁的质量,是力传感器刚度,阻尼系数。

由(8),力由力传感器激动人心的力的合力,惯性力、阻尼力,而不是纯粹的激动人心的力量。因此,激振力需要校准使用惯性力和阻尼力。

3.2。激振力的动态校准

至于静载荷,电磁铁的作用力是常数,和力测量传感器不受惯性力和阻尼力的影响。然而,惯性力和阻尼力的影响必须消除在动态加载。一种校准方法通过武力传播性提出了基于隔振的原理。

在图5,支持表上的作用力当没有隔振,但它的变化后隔振。力是由 在哪里是频率比,是相对阻尼系数,电磁铁的振动振幅,是固有频率。

根据旋转矢量图,电磁铁的力传递率支持表 尽管电磁铁的力传递率力传感器

因此,真正的激振力可以模拟公式只要力传递率。

获得力传递率的方法如图所示6。

电磁铁是兴奋的电动力学的振动器使用正弦扫频的方法。电磁铁的力在右边是由传感器测量,它相当于力。力测量的传感器相当于力。然后力传递率在一定频率可以获得由幅频响应曲线和相位频率响应曲线。

电磁铁的力传递率的加载装置测量,如图7,这表明有两个明显的模式在251 Hz, 424 Hz。

4所示。测量的动态刚度

高速主轴的动态刚度反映抵抗变形的能力,而主轴受交变载荷,它是一个主要指数评估机床的防振性能。此外,主轴在运行条件下的动态刚度比刚度接近实际的操作条件,所以它是更重要的。

4.1。加载和测量的方法

高速主轴安装在数控铣床是测试的设备,为了测量主轴的径向动刚度相对于机工作台速度不同。一些措施如下。(1)电磁加载装置是安装在机器工作表通过t形槽。(2)轴需要热身通过运行1小时前测试,以避免温度的影响。(3)径向载荷应用于虚拟工具,当主轴以不同的速度运行。(4)位移传感器放置在另一边相对于电磁测量主轴的瞬时变形相对于机器工作表。(5)令人兴奋的信号均匀,确保相同的负载应用到虚拟工具。

动态加载信号(如图8)分为三个部分:第一年代是一个排练的过程来初始化和消除传感器漂移;第二个年代是一个过程只包括直流分量为了测量主轴的刚度;第三部分的实现动态加载年代,它由直流信号和交流信号的正弦扫描从0赫兹到500赫兹。

4.2。测量激振力的结果

主轴在不同运行速度从0变化转速12000转,和间隔是2400 rpm。瞬态力信号通过传感器校准测量上述方法获得实际的激动人心的力量(如图9)。力信号只包含交流信号,而直流信号消除,这样可以获得了结构。

在图9100赫兹的频率,200 Hz, 400 Hz,为例子,交替兴奋的力量改变速度计算,如图10。

根据力量的对比变化速度不同,下面可以看到。(1)电磁力的大小减少非线性的崛起速度。当巨大的虚拟工具迅速旋转磁场,虚拟工具削减磁感应线,导致表面强烈的涡流效应的仿真工具。磁场和涡流反应削弱磁场强度;因此,电磁力减少(27- - - - - -29日]。(2)电磁力的大小与频率的增加减少,这也是由于涡流效应和滞后效应。

有效的解决上述问题是采用薄层虚拟工具;然而很难制造。

4.3。测量的位移响应

主轴的径向位移响应是由位移传感器测量。然而,测量结果包括旋转误差、圆度误差和随机噪声,实际响应信号淹没。首先,实现复制测试获得的多组实验数据。然后,原始信号转换为time-frequency-domain使用短时傅里叶变换(STFT)。瀑布在7200 rpm如图所示(11日)。后之间的重叠的部分和不重叠的部分响应信号和误差信号进行处理,分别采用时域和频域补偿滤波、旋转误差和圆度误差可以分离。最后,多组实验数据在时域平均,消除随机噪声。上述方法得到的响应信号如图所示11 (b)。

此外,由于扫描的方法激发,峰值保持算法需要实现频域的实际响应信号。已知的扫描激发完成从0赫兹到500赫兹在50年代,和采样频率为4096赫兹,所以时间和频率之间的关系决定。为了确保实际响应信号的振幅,4赫兹的频率分辨率是必要的。如果我们想要提高频率分辨率,扫描激发的时候必须相应增加。

不同速度的响应信号如图所示12。

位移响应速度不同的变化基本上是一致的,验证了加载和测量的可用性以及误差分离处理。由于加载应用于主轴的差异,相互比较是无关紧要的数据。因此,主轴的结构是必要的。

5。分析动态刚度

5.1。降维的主轴相对于工作台

频响曲线计算使用的数据(图激动人心的力量9(图)和位移响应12)。

图13由幅频响应曲线和相位频率响应曲线,显示了一致的振幅和相位与频率的变化。然而,有不同的动态灵活性(位移/力)。

5.2。分析动态刚度和阻尼比

频响曲线(图13从0.091)表明,动态弹性变化μ0.7003 m / Nμm / N,所以相应的动态刚度变化范围是1.43 ~ 52.37 N /μm。然而,研究人员通常感兴趣的最小刚度在共振位置或其他模态参数,而不是整个频率范围。为了反映刚度和速度变化,动态刚度60 Hz, 112 Hz, 300 Hz,前三个订单的频率共振,计算。此外,相关的阻尼比也得到,分别使用有理分式多项式拟合方法在频域(RFP)。

静态刚度,它反映了抵抗变形的能力,是动态的基础刚度和决定的基本参数的动态刚度。因此,有必要分析静态刚度的动态刚度。根据图13,主轴的静态刚度之间的关系和旋转速度可以获得的0 Hz。

图14表明,主轴的静态刚度相对于工作台趋势与速度增加。静态轴的静态刚度是10.68 N /μ米,虽然它会降到9.21 N /μ当速度达到12000转。

在不同的旋转速度,动态刚度的变化和相应的阻尼比在前三个订单的频率共振图所示15。

随着主轴转速的增加,动态刚度主轴的前三个订单的共振完全下降,尤其是三阶300 Hz。主轴的静态刚度相比,动态刚度有类似的趋势,但是一个明显的小大小。试验结果表明,主轴的静态和动态刚度是影响速度。速度越高,硬度越低。支持的转子轴角接触球轴承。随着主轴转速的增加,离心力将推动轴承球外,软化轴承因为之间的接触面积减少轴承球和内圈。主轴的刚度主要取决于其支持轴承,因此主轴的静态和动态刚度下降。

类似的变化动态刚度,阻尼比在前三个订单的共振也随着主轴转速的增加减少。原因可能是由于两个部分:在更高的速度,离心力导致更多的轴承润滑不足和润滑膜变薄,这是减少阻尼比的关键;之间的接触面积减少轴承球和内圈振动导致更低的能耗。

虽然动态刚度和阻尼比的变化规律是一样的转速提高,降低的程度并不普通。最大刚度的下降是在300赫兹,而阻尼比在60赫兹。这可能取决于测量机床的特点。此外,研究的不足是,共振频率和旋转速度之间的关系不能识别由于大频率分辨率。

6。结论

克服问题的无效的加载和电主轴动态性能的测量,介绍了一种非接触电磁加载和测量的方法。这种方法提供了一个模拟切削载荷的方法通过使用电磁力,激振力是衡量力传感器。高速数控铣床的主轴后测试,轴相对于机器的频响曲线表收集在0 ~ 12000转;然后刚度和速度之间的关系以及阻尼比和速度之间。根据测试实验,结论如下。(1)电磁加载的方法可以有效地激发主轴高速旋转通过使用扫描激发,但电磁力将减少非线性的崛起速度或扫描频率由于涡流效应。(2)加载力的动态校准基于隔振的原理,提出了稳定和瞬态加载力可以直接测量和准确。位移响应可以通过误差分离提取处理从原始信号的位移传感器。然后得到的频响曲线。(3)结果表明,不仅主轴的径向静态和动态刚度阻尼比也下降明显随着主轴转速的增加。离心力的原因可能是导致轴承的软化和可怜的润滑。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者要感谢的支持INVT电动机械(西安)有限公司,有限公司,和m + p国际混乱——和Rechnertechnik GmbH是一家。结果支持的工作是在大学长江学者和创新研究团队项目(没有。IRT1172)和国家重点技术支持项目(没有。2012 baf01b02)。