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超高速磨削电主轴系统机电耦合参数优化及动态特性研究

吕浪  
【摘要】: 超高速磨削由于具有效率高、表面质量好,可以实现难加工材料的精密加工等优点,在高效精密加工领域获得了广泛的应用。但是,由于超高速磨削越来越广泛地使用高速电主轴和高频逆变驱动单元,由此也出现了制约超高速磨削技术发展的一系列新难题。在超高速磨削工况下,高频逆变器、电主轴、砂轮以及磨削载荷之间存在复杂的机电耦合振动对磨削系统的稳定性和磨削质量具有显著影响。传统的机械模型由于只能反映砂轮与磨削载荷之间的动态特性,而不能反映由此引起的高频逆变器、电主轴、砂轮以及磨削载荷之间的机电耦合动态特性,已不能满足研究现代超高速磨削电主轴系统动态特性的需要。因此,有必要从机电耦合的角度研究超高速磨削主轴系统的动态特性。本课题来源于国家自然科学基金项目(No.50475054)。 本文首次建立了超高速磨削砂轮电主轴系统的“逆变器—电主轴—砂轮—磨削载荷”机电耦合数学模型。基于机电耦合模型的特点,提出并实施了系统动态特性的数值分析方法。利用该模型及方法研究了超高速磨削砂轮电主轴系统的逆变器参数优化、启动方式优化、升速方式优化以及投入磨削载荷等机电耦合参数优化以及非平稳过程。实验研究了超高速磨削砂轮电主轴系统机电参数。在150m/s超高速平面磨床上实时检测了不同频率下逆变器输出相电流信号、砂轮防护罩横向振动信号。通过对已经测得信号进行频谱分析研究,从试验的角度进一步探索超高速磨削砂轮电主轴系统机电耦合振动的诱发原因。 本文研究表明,所建立的超高速磨削主轴系统“逆变器—电主轴—砂轮—磨削载荷”机电耦合数学模型不仅克服了传统机械模型只能反映砂轮与磨削载荷之间的动态特性的不足,而且能有效地反映高频逆变器、电主轴、砂轮以及磨削载荷之间的机电耦合动态特性。针对同一类电主轴提出了超高速磨削砂轮电主轴系统逆变器工作参数的最优调制区,并提出了系统的最优启动方式与最优升速方式;验证了高次谐波电压是诱发超高速磨削砂轮电主轴系统机电耦合振动的新因素;砂轮重力、磨削力加载的冲击对砂轮横振影响大于扭振。 本文工作为进一步研究超高速磨削砂轮电主轴系统机电耦合振动的防治、砂轮电主轴系统的优化设计以及磨削工艺参数的优化奠定了基础。


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