基于压电陶瓷的电主轴自适应预紧机构的研究
发布时间：2021-01-03 13:01
电主轴具有转速范围广、回转精度高等特点,多应用于高速大扭矩、低速大功率的工况下,是机床的核心部件。而预紧力是保障电主轴正常运转的关键参数,在低速段,需要对轴承施加较大的预紧力来提高主轴单元刚度;在高速段,需要施加较小的预紧力来降低轴承温升。因此,电主轴单元应具有根据转速自适应调节预紧力的能力。目前,常用的定位、定压预紧机构由于缺少这种能力,已不能满足现代加工的需求。鉴于预紧机构的研究现状,本文提出了一种基于压电陶瓷的电主轴自适应预紧机构。主要研究内容包括:（1）基于Hertz弹性接触理论,建立了角接触轴承静力学和拟动力学计算公式,并运用Matlab进行分析。最终得到预紧力、转速、接触角、趋近量、摩擦热等参数间的关系曲线,为主轴自适应预紧奠定了理论基础。（2）以AC8230026100高速电主轴为研究对象,将主轴单元刚度、回转精度、轴承生热量等作为控制目标,最终得到不同转速下预紧的规律。并通过与定压预紧机构进行比较,证明了自适应预紧机构可以满足在低速、中速段提高主轴刚度,在高速段降低轴承温度的要求;根据电主轴的生热机理和电主轴不同零部件之间的能量传递过程,建立了主轴生热模型。通过分析电机...
【文章来源】：天津工业大学天津市
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
萨洛蒙曲线
［１４＿１５］。电主轴单元的主要组成部分包括：主轴、轴承、电机、壳体和冷却套等，??如图１－２所示。??图１－２电主轴单元结构示意图??从图中可以看出：电主轴单元由前、后轴承组进行支撑。转子一般过盈安装??在转子座上，或直接过盈安装在芯轴上。定子常与定子冷却套组成一个整体，并??通过前、后端盖和外壳限制其轴向、径向位移。??电主轴单元的优点是：结构相对紧凑、惯性小、响应速度较快。因此，电主??轴单元成为高速机床主轴的理想结构［１６］。早在上个世纪６０年代，国内就己对电??主轴进行研宄。但研制的电主轴存在主轴刚度、转速较低等问题？。上个世纪??７０年代后期至８０年代，国内研制出了高刚度、高转速的电主轴，并将其应用于??制造、加工领域［１８］。上个世纪８０年代末以后，国内开始研发高性能电主轴［１９］。目??前，国内己研制山最高转速２００００ｒ／ｍｉｎ，最大扭矩２００ＮＴＨ的加工中心用电主轴；??最高转速
度、控制精度、输出力和位移的变化规律直接关系到主轴单元的基本性能。预紧??机构的发展主要经历了３个阶段：定量预紧、可变预紧和可控预紧机构。??定量预紧机构包括：（ａ）定位预紧机构和（ｂ）定压预紧机构，如图１－３所??示。定位预紧机构的工作原理：将轴承间内、外隔圈的尺寸差转化为预紧力［２４１。??存在问题：主轴旋转过程中，由于定子、转子、轴承等部件生热量较大，使隔圈??温度升高。由于隔圈存在一定的热膨胀率，导致隔圈的长度发生变化，轴承预紧??力也随之变化。此时，施加在轴承上的预紧力与加工工况下所需预紧力不相符，??不利于主轴的高速化。定压预紧机构的工作原理：通过压缩弹簧产生适当的弹簧??力，将其作为施加在轴承外圈的预紧力［２５２６］。存在问题：由于弹簧钢性较差，应??用在主轴预紧机构当中将导致主轴刚度降低。在切削力较大的场合，将严重影响??被加工零件的精度和表面粗糙度。??￣￣＜丨■丨?１?＜１１１?１???了?Ｉ?ｄ??了?Ｉ￣ｄ??Ｉ??１?ｕ??（ａ）?（ｂ）??图１－３定量预紧机构??３??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于液压预紧结构主轴单元的研究[J]. 常晓宇,齐向阳,聂晓菊,史凯. 机械设计与研究. 2017(04)
[2]基于ANSYS的高速角接触球轴承接触分析[J]. 瞿珏,王崴,韩华亭,刘晓卫. 机械设计与制造. 2016(08)
[3]电主轴故障诊断与分析[J]. 李德恒,聂浩锋,彭敏. 装备制造技术. 2016(05)
[4]基于压电陶瓷主轴单元可控预紧力研究[J]. 李颂华,贾垂盈. 组合机床与自动化加工技术. 2015(08)
[5]电主轴故障分析及提高其可靠性措施[J]. 籍永建,王红军. 机械工程师. 2015(01)
[6]高速主轴轴承预紧力技术研究[J]. 李颂华,冯明昊. 机电产品开发与创新. 2014(03)
[7]高速电主轴技术综述[J]. 马帅,伞红军,吴智恒,张华伟,雷群. 机械制造. 2014(05)
[8]角接触球轴承动刚度的实验研究[J]. 李纯洁,洪军,张进华,朱永生,黄东洋,张秀华,王煜. 西安交通大学学报. 2013(07)
[9]角接触球轴承摩擦力矩特性研究[J]. 邓四二,李兴林,汪久根,滕弘飞. 机械工程学报. 2011(05)
[10]高速电主轴轴承的预紧[J]. 谢黎明,张海杰,邵宽平. 机械制造. 2011(02)
博士论文
[1]高速电主轴动态加载可靠性试验及其故障诊断研究[D]. 陈超.吉林大学 2016
[2]机床主轴静—动—热特性及其对主轴变形的影响规律研究[D]. 齐向阳.天津大学 2014
[3]高速陶瓷电主轴的设计与制造关键技术研究[D]. 李颂华.大连理工大学 2012
[4]高速电主轴综合性能测试及若干关键技术研究[D]. 周大帅.北京工业大学 2011
[5]基于拟静力学方法的球轴承动力学特性研究[D]. 马子魁.浙江大学 2010
[6]高速电主轴动力学分析与实验研究[D]. 孟杰.重庆大学 2008
[7]高速机床若干关键技术问题研究[D]. 张耀满.东北大学 2006
[8]主轴轴承热特性及对速度和动力学性能影响的研究[D]. 蒋兴奇.浙江大学 2001
硕士论文
[1]基于多信号融合的电主轴故障预警方法及系统研究[D]. 刘国飞.吉林大学 2017
[2]可实现温度补偿的压电式微压传感器研究[D]. 鲍爱建.吉林大学 2017
[3]机床高速主轴预紧机构设计及其特性研究[D]. 王鹤宇.天津工业大学 2017
[4]高速大功率电主轴设计及关键技术研究[D]. 曹正凯.北京邮电大学 2017
[5]磁控形状记忆合金执行器迟滞非线性补偿控制方法的研究[D]. 张琦.吉林大学 2015
[6]磁控形状记忆合金高精度驱动器研究[D]. 李贺.武汉科技大学 2015
[7]基于流—固—热耦合的电主轴热特性仿真分析与实验研究[D]. 孙振宏.天津大学 2014
[8]磁控形状记忆合金执行器位移高精度控制方法的研究[D]. 王守斌.吉林大学 2013
[9]电主轴静动态特性分析方法及其应用研究[D]. 纪宗辉.湖南大学 2010
[10]高速电主轴设计与动静态特性分析[D]. 金明刚.吉林大学 2009
本文编号：2955027
【文章来源】：天津工业大学天津市
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
萨洛蒙曲线
［１４＿１５］。电主轴单元的主要组成部分包括：主轴、轴承、电机、壳体和冷却套等，??如图１－２所示。??图１－２电主轴单元结构示意图??从图中可以看出：电主轴单元由前、后轴承组进行支撑。转子一般过盈安装??在转子座上，或直接过盈安装在芯轴上。定子常与定子冷却套组成一个整体，并??通过前、后端盖和外壳限制其轴向、径向位移。??电主轴单元的优点是：结构相对紧凑、惯性小、响应速度较快。因此，电主??轴单元成为高速机床主轴的理想结构［１６］。早在上个世纪６０年代，国内就己对电??主轴进行研宄。但研制的电主轴存在主轴刚度、转速较低等问题？。上个世纪??７０年代后期至８０年代，国内研制出了高刚度、高转速的电主轴，并将其应用于??制造、加工领域［１８］。上个世纪８０年代末以后，国内开始研发高性能电主轴［１９］。目??前，国内己研制山最高转速２００００ｒ／ｍｉｎ，最大扭矩２００ＮＴＨ的加工中心用电主轴；??最高转速
度、控制精度、输出力和位移的变化规律直接关系到主轴单元的基本性能。预紧??机构的发展主要经历了３个阶段：定量预紧、可变预紧和可控预紧机构。??定量预紧机构包括：（ａ）定位预紧机构和（ｂ）定压预紧机构，如图１－３所??示。定位预紧机构的工作原理：将轴承间内、外隔圈的尺寸差转化为预紧力［２４１。??存在问题：主轴旋转过程中，由于定子、转子、轴承等部件生热量较大，使隔圈??温度升高。由于隔圈存在一定的热膨胀率，导致隔圈的长度发生变化，轴承预紧??力也随之变化。此时，施加在轴承上的预紧力与加工工况下所需预紧力不相符，??不利于主轴的高速化。定压预紧机构的工作原理：通过压缩弹簧产生适当的弹簧??力，将其作为施加在轴承外圈的预紧力［２５２６］。存在问题：由于弹簧钢性较差，应??用在主轴预紧机构当中将导致主轴刚度降低。在切削力较大的场合，将严重影响??被加工零件的精度和表面粗糙度。??￣￣＜丨■丨?１?＜１１１?１???了?Ｉ?ｄ??了?Ｉ￣ｄ??Ｉ??１?ｕ??（ａ）?（ｂ）??图１－３定量预紧机构??３??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于液压预紧结构主轴单元的研究[J]. 常晓宇,齐向阳,聂晓菊,史凯. 机械设计与研究. 2017(04)
[2]基于ANSYS的高速角接触球轴承接触分析[J]. 瞿珏,王崴,韩华亭,刘晓卫. 机械设计与制造. 2016(08)
[3]电主轴故障诊断与分析[J]. 李德恒,聂浩锋,彭敏. 装备制造技术. 2016(05)
[4]基于压电陶瓷主轴单元可控预紧力研究[J]. 李颂华,贾垂盈. 组合机床与自动化加工技术. 2015(08)
[5]电主轴故障分析及提高其可靠性措施[J]. 籍永建,王红军. 机械工程师. 2015(01)
[6]高速主轴轴承预紧力技术研究[J]. 李颂华,冯明昊. 机电产品开发与创新. 2014(03)
[7]高速电主轴技术综述[J]. 马帅,伞红军,吴智恒,张华伟,雷群. 机械制造. 2014(05)
[8]角接触球轴承动刚度的实验研究[J]. 李纯洁,洪军,张进华,朱永生,黄东洋,张秀华,王煜. 西安交通大学学报. 2013(07)
[9]角接触球轴承摩擦力矩特性研究[J]. 邓四二,李兴林,汪久根,滕弘飞. 机械工程学报. 2011(05)
[10]高速电主轴轴承的预紧[J]. 谢黎明,张海杰,邵宽平. 机械制造. 2011(02)
博士论文
[1]高速电主轴动态加载可靠性试验及其故障诊断研究[D]. 陈超.吉林大学 2016
[2]机床主轴静—动—热特性及其对主轴变形的影响规律研究[D]. 齐向阳.天津大学 2014
[3]高速陶瓷电主轴的设计与制造关键技术研究[D]. 李颂华.大连理工大学 2012
[4]高速电主轴综合性能测试及若干关键技术研究[D]. 周大帅.北京工业大学 2011
[5]基于拟静力学方法的球轴承动力学特性研究[D]. 马子魁.浙江大学 2010
[6]高速电主轴动力学分析与实验研究[D]. 孟杰.重庆大学 2008
[7]高速机床若干关键技术问题研究[D]. 张耀满.东北大学 2006
[8]主轴轴承热特性及对速度和动力学性能影响的研究[D]. 蒋兴奇.浙江大学 2001
硕士论文
[1]基于多信号融合的电主轴故障预警方法及系统研究[D]. 刘国飞.吉林大学 2017
[2]可实现温度补偿的压电式微压传感器研究[D]. 鲍爱建.吉林大学 2017
[3]机床高速主轴预紧机构设计及其特性研究[D]. 王鹤宇.天津工业大学 2017
[4]高速大功率电主轴设计及关键技术研究[D]. 曹正凯.北京邮电大学 2017
[5]磁控形状记忆合金执行器迟滞非线性补偿控制方法的研究[D]. 张琦.吉林大学 2015
[6]磁控形状记忆合金高精度驱动器研究[D]. 李贺.武汉科技大学 2015
[7]基于流—固—热耦合的电主轴热特性仿真分析与实验研究[D]. 孙振宏.天津大学 2014
[8]磁控形状记忆合金执行器位移高精度控制方法的研究[D]. 王守斌.吉林大学 2013
[9]电主轴静动态特性分析方法及其应用研究[D]. 纪宗辉.湖南大学 2010
[10]高速电主轴设计与动静态特性分析[D]. 金明刚.吉林大学 2009
本文编号：2955027
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