調(diào)整電主軸靜動態(tài)性能分析與實驗檢測技術(shù).pdf

1、高速電主軸作為現(xiàn)代高速加工技術(shù)的核心部件之一，廣泛應(yīng)用于各種數(shù)控加工中心和高性能的機床主軸上，具有多變量、非線性、強耦合的特點，其內(nèi)部的電磁轉(zhuǎn)換與主軸動態(tài)輸出性能之間存在著非常復(fù)雜的相互依存關(guān)系。因此，研究如何解釋和控制這種相互依賴關(guān)系，一直是高速電主軸的研究重點之一。但由于高速電主軸運行時，轉(zhuǎn)速非常高，很難對其進行動態(tài)加載測試，且由于國外的技術(shù)壟斷，國內(nèi)尚未完全掌握主軸內(nèi)部的電磁耦合關(guān)系與主軸轉(zhuǎn)矩動態(tài)輸出性能之間的作用規(guī)律，有關(guān)這一方

2、面的基礎(chǔ)資料也十分缺乏，嚴重影響了高速電主軸技術(shù)的深入研究和工程應(yīng)用?；谏鲜鲈颍菊n題從高速電主軸的電磁特性出發(fā)，提出了一套比較完整的高速電主軸動態(tài)性能測試方法，并通過對實驗數(shù)據(jù)與理論分析的對比，取得了以下主要結(jié)論：
　　 ①高速電主軸的動態(tài)性能測試包括電氣參數(shù)測試和機械特性參數(shù)的測試。利用測功機并結(jié)合三相高頻電參數(shù)儀等輔助設(shè)備，可以獲得高速電主軸的輸入電壓、電流、功率因數(shù)以及輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和效率等機械和電氣參數(shù)；而通過單向

3、加載并同時測試力與力的方向上的位移可以獲得高速電主軸的動態(tài)剛度值。本文對高速電主軸的轉(zhuǎn)矩和動態(tài)剛度的測試均給出了機械式和電磁式兩種測試方法，并指出采用測功機測試轉(zhuǎn)矩時，對機械接觸式加載需解決測功機與被測電主軸及聯(lián)軸器的動平衡問題；而用非接觸式的電渦流測功機，則需保證加載磁場的穩(wěn)定性和測功機側(cè)電磁熱的及時散發(fā)。當對高速電主軸的動態(tài)剛度進行測試時，若采用機械式的接觸式加載，需有效解決接觸磨損所導(dǎo)致的加載失效以及磨屑和摩擦熱的散失；而采用電磁

4、加載方式時，除了磁場的穩(wěn)定性外，還需要考慮磁場對位移傳感器的干擾，以防止數(shù)據(jù)采集失敗。
　　 ②由于高速電主軸輸出的機械能取決于高速電主軸氣隙磁場中的機電能量轉(zhuǎn)換，所以對磁場的控制，是高速電主軸動態(tài)性能研究的重點，涉及到高速電主軸數(shù)學模型的建立和控制方式的選取。本文根據(jù)高速電主軸的特性建立了兩種模型：以高速電主軸電磁參數(shù)有效值為基礎(chǔ)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型和以過程控制為基礎(chǔ)的動態(tài)數(shù)學模型。前者以控制氣隙磁場為目的，當負載變化時，通過控制定

5、子電流來近似控制勵磁電流恒定，以滿足轉(zhuǎn)子電流與負載的線性關(guān)系。該模型適應(yīng)U/f控制方式，控制方法簡單，但控制精度不高。后者分別以控制轉(zhuǎn)子磁鏈和定子磁鏈為目的，各自對應(yīng)矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制方式。本文重點對矢量控制進行了分析和試驗，介紹了無速度傳感器矢量控制的原理和該控制方式下高速電主軸的動態(tài)性能，論述了當主軸負載變化時，該控制方式控制磁通穩(wěn)定和抵抗外界干擾時所采用的策略，并進行了實驗驗證。
　　 ③當主軸的運行頻率下降時，U/f

6、控制下的輸入電壓應(yīng)根據(jù)高速電主軸額定狀態(tài)下定子繞組反電動勢的大小進行電壓補償，以確保低頻下的磁通穩(wěn)定性；而矢量控制時對勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的控制精度取決于高速電主軸動態(tài)數(shù)學模型中耦合電壓的解耦效果。因此，本文詳細論述了在U/f控制時，如何有效進行低頻電壓補償?shù)姆椒?，并根?jù)實驗數(shù)據(jù)進行了具體論證；而對矢量控制下交叉耦合電壓的解耦途徑和效果，進行了對比研究，利用實驗驗證了高速電主軸在矢量控制下的抗擾動能力和動態(tài)速度跟隨精度。
　　 ④

7、應(yīng)用疊加原理，論述了由諧波磁場產(chǎn)生的諧波磁動勢如何通過疊加在主軸磁通上來影響主軸的電磁轉(zhuǎn)矩和輸出轉(zhuǎn)速的方式，進而對高速電主軸的靜動態(tài)性能產(chǎn)生嚴重影響。并指出各階諧波影響的程度不同：諧波階次越低，影響越大；高速電主軸運行的頻率越低，需要抑制的諧波次數(shù)越大。所以高速電主軸的實際負載運行速度不能過低，這是因為諧波的干擾限制了高速電主軸的實際轉(zhuǎn)速范圍。
　　 ⑤應(yīng)用電機學和運動學原理，分析了高速電主軸電磁熱和摩擦熱產(chǎn)生的原因，并根據(jù)傳熱

8、學理論確定了高速電主軸各部分的傳熱系數(shù)和導(dǎo)熱熱阻，從而建立了高速電主軸的整體動力學熱模型。試驗結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速越高，主軸的溫升越大；而氣壓和潤滑油量對主軸溫升的影響存在一個最佳的適應(yīng)范圍。
　　 綜上所述，本文主要在高速電主軸的動態(tài)性能測試方法、穩(wěn)態(tài)和動態(tài)數(shù)學模型的建立、控制方法與數(shù)學模型之間的相互關(guān)系、交叉耦合電壓的解耦效果以及對主軸動態(tài)性能的影響、主軸整體動力學熱模型的建立與主軸溫升的影響因素等方面取得了一定的理論和試驗測試成