磁悬浮电主轴的控制策略及工业应用研究

发布时间：2017-09-16 07:35

  本文关键词：磁悬浮电主轴的控制策略及工业应用研究

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【摘要】：磁悬浮电主轴依靠磁悬浮轴承的电磁力将电主轴悬浮于空间,由于无接触且可主动控制振动,其在寿命、振动抑制等方面具有接触式轴承无可比拟的优点,获得了越来越大的关注。本文针对磁悬浮电主轴的控制策略和工业应用进行了研究。本文设计并制作了一台磁悬浮电主轴样机,给出了各环节设计参数,包括磁悬浮轴承及其电控系统、转子系统以及动环与芯轴过盈量等;分析了磁悬浮轴承电磁特性,验证了设计的合理性,并分析了该样机的动静刚度、模态、临界转速以及不平衡响应等静动力学特性;完成了该样机的不完全微分PID及混合灵敏度H∞控制策略设计,借助ADAMS和Matlab Simulink联合仿真校验了磁悬浮轴承承载力以及对比分析了两种控制策略的控制效果,并基于F28335DSP数字控制器实现了静态悬浮和高速旋转;最后测试了该样机的广义动刚度、临界转速、温升以及现场磨削性能。测试结果表明,本文所设计的磁悬浮电主轴样机能够在42000r/min稳定运行,两种控制方式下的最大同频振幅均在3μm以内,其下径向磁悬浮轴承的广义动刚度达到4N/μm,长期工作下驱动电机和磁悬浮轴承温升分别小于30℃和20℃。现场磨削试验表明,该样机可以满足触摸屏的磨削加工要求,达到工业化应用水平。
【关键词】：电主轴 磁悬浮轴承 动静态特性 控制策略 联合仿真 工业应用
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP273
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-17
• 第一章 绪论17-23
• 1.1 磁悬浮轴承及其分类17
• 1.2 磁悬浮电主轴技术研究及工业应用现状17-20
• 1.2.1 磁悬浮电主轴工业应用现状18
• 1.2.2 磁悬浮轴承控制技术在磁悬浮电主轴应用研究现状18-19
• 1.2.3 电主轴静动力学特性研究现状19-20
• 1.3 磁悬浮电主轴的主要单元20-21
• 1.3.1 磁悬浮电主轴转子单元20
• 1.3.2 磁悬浮轴承单元20
• 1.3.3 电机驱动单元20-21
• 1.3.4 冷却单元21
• 1.3.5 刀具单元21
• 1.3.6 其他辅助单元21
• 1.4 研究意义与课题来源21-22
• 1.5 论文内容安排22-23
• 第二章 磁悬浮电主轴的结构设计23-34
• 2.1 总体结构23-24
• 2.2 主要结构布局分析24-25
• 2.2.1 主轴上零件布局24
• 2.2.2 传感器布局24
• 2.2.3 刀具端悬伸量以及径向轴承跨距24-25
• 2.2.4 自动换刀机构25
• 2.2.5 冷却方式25
• 2.3 电机选型25-26
• 2.4 磁悬浮轴承设计26-29
• 2.4.1 磁悬浮轴承设计原则26
• 2.4.2 径向磁悬浮轴承设计26-27
• 2.4.3 轴向磁悬浮轴承设计27-28
• 2.4.4 辅助轴承设计28-29
• 2.4.5 磁悬浮轴承制作29
• 2.5 转子主要结构参数29-30
• 2.6 动环过盈量计算30-32
• 2.7 转子动平衡32-33
• 2.8 本章小结33-34
• 第三章 磁悬浮电主轴电磁及结构性能仿真分析34-49
• 3.1 磁悬浮轴承特性仿真分析34-40
• 3.1.1 径向磁悬浮轴承特性仿真分析34-37
• 3.1.1.1 径向轴承电磁特性仿真分析34-36
• 3.1.1.2 径向轴承定子受力变形仿真分析36-37
• 3.1.2 轴向磁悬浮轴承特性仿真分析37-40
• 3.1.2.1 轴向轴承电磁特性仿真分析37-39
• 3.1.2.2 轴向轴承定子受力变形仿真分析39-40
• 3.2 转子特性仿真分析40-48
• 3.2.1 磁悬浮轴承支撑特性分析40-43
• 3.2.1.1 系统各环节数学模型40-42
• 3.2.1.2 等效支撑刚度和等效支撑阻尼42-43
• 3.2.2 磁悬浮电主轴转子特性分析43-48
• 3.2.2.1 电主轴砂轮段刚度特性分析43-45
• 3.2.2.2 转子动力学特性分析45-48
• 3.3 本章小结48-49
• 第四章 磁悬浮电主轴控制策略设计及其联合仿真49-69
• 4.1 不完全微分PID控制49-50
• 4.2 混合灵敏度H∞控制设计50-59
• 4.2.1 H∞控制问题50-51
• 4.2.2 混合灵敏度H∞控制指标51-53
• 4.2.3 H∞控制策略设计53-59
• 4.2.3.1 结构系统数学模型53-58
• 4.2.3.2 H∞控制器设计58-59
• 4.3 机电联合仿真59-68
• 4.3.1 联合仿真模型建立59-63
• 4.3.1.1 PROE中三维几何模型建立59-60
• 4.3.1.2 AMAMS中刚性体动力学模型建立60-61
• 4.3.1.3 ADAMS软件中柔性体动力学模型建立61-62
• 4.3.1.4 Matlab Simulink中控制系统模型建立62-63
• 4.3.2 联合仿真结果分析63-68
• 4.3.2.1 磁悬浮轴承承载力分析63-65
• 4.3.2.2 起浮性能分析65-66
• 4.3.2.3 升速性能分析66-67
• 4.3.2.4 抗干扰性能分析67-68
• 4.4 本章小结68-69
• 第五章 磁悬浮电主轴性能试验验证69-81
• 5.1 磁悬浮电主轴试验系统介绍69
• 5.2 磁悬浮轴承控制实现69-74
• 5.2.1 控制器硬件环境69-70
• 5.2.2 控制器软件开发70-72
• 5.2.3 控制策略离散化72-74
• 5.2.3.1 ADC以及DAC环节72
• 5.2.3.2 不完全微分PID离散化72-73
• 5.2.3.3 混合灵敏度H∞控制器离散化73-74
• 5.3 系统性能试验研究74-80
• 5.3.1 静态悬浮以及 700Hz高速旋转74-75
• 5.3.2 工作转速下的回转精度分析75-76
• 5.3.3 临界转速测量76-77
• 5.3.4 广义动刚度测量77-78
• 5.3.5 磁悬浮轴承与电机温升测量78-80
• 5.3.6 磨削加工试验80
• 5.4 本章小结80-81
• 第六章 总结与展望81-83
• 6.1 主要工作总结81
• 6.2 进一步展望81-83
• 参考文献83-87
• 致谢87-88
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文88

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 陈帝伊;刘淑琴;马孝义;;径向磁悬浮电主轴系统设计研究[J];动力学与控制学报;2009年04期

2 严道发;;电主轴技术综述[J];机械研究与应用;2006年06期

3 李波;黄守道;;超高速数控磨床磁浮电主轴的研究[J];精密制造与自动化;2006年04期

4 储开宇;;数控高速电主轴技术及其发展趋势[J];机床与液压;2006年10期

5 王硕桂,严红日;高速电主轴端部跳动对电主轴横向振动的影响[J];机械研究与应用;2004年05期

6 陈燕林,段志善,熊万里;高速电主轴技术的研究现状与发展[J];机械研究与应用;2004年04期

7 张松,艾兴,刘战强;基于有限元的高速旋转主轴过盈配合研究[J];机械科学与技术;2004年01期

8 郭策 ,孙庆鸿 ,蒋书运;高速高精度数控车床主轴双转子系统的动力特性计算[J];精密制造与自动化;2003年S1期

9 刘素华,冯利民;电主轴单元的动静态特性分析[J];河南冶金;2003年04期

10 王海,胡业发,宋德超,王晓光;磁悬浮电主轴制造精度的保证方法[J];机械工程师;2002年07期

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本文编号：861731