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高速加工技术是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术,能极大地提高生产率、降低生产成本和提高产品加工质量。电主轴作为高速数控加工机床的核心部件,实现了机床系统的“零传动”而直接参与加工,其工况下的动态输出性能直接影响加工效率与精度。由于内置电动机的存在,电主轴比一般电动机和传统机床主轴有着更为复杂的动态性能,呈现出机电磁热等动力学行为相互耦合的复杂性质,因此建立完整的耦合动力学模型以便更有效地预测电主轴动态性能尤为紧迫。 本文在国家自然科学基金项目《高速电主轴机电耦合动力学分析及仿真与实验研究》(项目编号50675233)和《基于压电堆叠的高速电主轴振动主动控制研究》(项目编号51005259)、中央高校基本科研业务费科研专项《谐波分量影响下基于机电—控制耦合模型的高速高性能电主轴动态特性研究》(项目编号CDJXS11111143)和《多场耦合作用下高速电主轴动态特性研究》(项目编号CDJXS12110004)的资助下,对高速电主轴进行了多场耦合动力学分析和相关实验研究,主要做了以下几个方面的工作: 针对高速电主轴系统具有一般机械系统和复杂机电传动系统的特点,提出对高速电主轴系统进行机电磁热耦合分析的观点,以角接触球轴承模型、系统热模型、转轴动力学模型等子模型为基础,建立高速电主轴多场耦合动力学模型。轴承模型中存在着热机耦合现象,其数学模型以滚动轴承拟静力学理论为基础,且内部几何相容关系考虑了由温升引起的轴承内、外圈相对热位移;轴承产热来自滚动体和内外圈之间的摩擦力矩,同时建立内置电动机电磁损耗模型分析输入功率在电动机电路中的损耗与分配,确定系统内部以及与外部环境之间的热边界条件;应用有限元方法建立转轴动力学模型,其单元的参数矩阵由Timoshenko梁理论确定,并在定转子气隙处的单元引入由不均匀气隙引起的电磁不平衡力;分析各子模型之间的相互影响关系,描述系统多物理场过程、多参数耦合的动力学行为。 设计关于多场耦合动力学模型的计算流程,并以170MD15Y20型号电主轴为对象进行了相关计算分析。研究了空载和加载等工况下电主轴的动态支承刚度、轴承和内置电动机产热、系统温度分布和固有频率等动态性能,着重讨论了热位移和电磁不平衡力对轴承产热、轴承动刚度、系统固有频率的影响,系统分析了高速电主轴系统的机电磁热动力学行为以及它们之间的耦合关系。 为丰富且完善电主轴实验的工况条件,利用测功机对170MD15Y20型号电主轴进行对拖式加载;利用热电偶传感器和温度表测试仪测试了前轴承座,主轴壳体、排气口等关键部位的温度变化情况;为获取电主轴系统静态和动态固有频率,分别开展了自由模态试验和工作模态(振动测试)试验。试验数据和理论结果的良好吻合验证了所建模型和计算流程的可靠性和准确性。 基于多场耦合动力学模型及其计算流程,结合主轴结构特点,以前后轴承组中心间距、主轴悬伸量、“电动机参数”和转轴材料为设计参数,对170MD15Y20型号电主轴进行了动力学设计,研究了系统各种轴承配置下的前两阶固有频率随设计参数的变化规律,计算分析了各设计参数对系统固有频率的灵敏度,并依次调整各设计参数的取值,有效提高了该电主轴系统的一阶固有频率。 综上所述,本文主要研究了高速电主轴多场耦合动力学行为,并设计相关试验对理论进行了验证,最后探讨对电主轴系统的动态设计方法,获取了一定有价值的结论和试验数据,为进一步研究设计高速高性能的电主轴单元提供了基础,具有一定的学术意义和社会经济效应。