数控机床高速电主轴系统复杂动力学行为与运行品质研究

Combining the discipline hotspot and the significant industrial demand of the high speed motorized spindle system of high-end CNC machine tool, this project will take CNC high speed motorized spindle as the object of study, starting with multi-physical process, multi-parameters, complex coupling relationship involved in the operation of high speed motorized spindle system, study the nonlinearity, load matching and complicated coupling dynamics characteristics of high speed motorized spindle in operation, discuss the relationship between its complicated dynamics behavior and operation quality, reveal the fundamentally scientific problems involved in the complex dynamic behavior that influence the operation quality of motorized spindle, explore the inverse problem from the rotor spatial position movement to the dynamic behavior of motorized spindle system, epurate system running state characteristic parameters which characterizing the system dynamic behavior, obtain running quality discriminant method based on the dynamic behavior characteristic parameters of motorized spindle. The experimental method and test technology of Complex dynamic behavior and operation quality of high-speed motorized spindle will be involved in research to break through the experimental problems, such as dynamic loading, dynamic stiffness in high speed motorized spindle. An experimental platform will be built to gain the dynamic behavior and operation quality of high speed motorized spindle. Expected results can provide the high-end CNC high speed motorized spindle with scientific and theoretical basis, key technology and experimental evaluation method, which have important academic significance and extensive application prospect.

结合高端数控机床高速电主轴系统的学科热点和产业重大需求难题，以数控机床高速电主轴为对象，从高速电主轴系统运行所涉及到的多物理过程、多参量、复杂耦合关系分析入手，研究高速电主轴系统运行的非线性、负载匹配及多场耦合动力学特性等，探讨其复杂的动力学行为与其运行品质的关系，揭示影响电主轴运行品质的复杂动力学行为所涉及的基础性科学问题；探究从转子空间位姿运动规律到电主轴系统动力学行为的逆问题，提炼表征系统动力学行为的系统运行状态特征参量，获得基于电主轴动力学行为特征参量的运行品质判别方法；研究高速电主轴复杂动力学行为和运行品质实验方法及试验技术，突破高速电主轴动态加载、动态刚度实验难题，建成高速电主轴动力学行为与运行品质实验平台。预期成果能为发展高端数控机床高速电主轴提供科学理论基础、关键技术支撑和实验评价手段，有重要的学术意义和广泛的应用前景。

结合高端数控机床高速电主轴系统的学科热点和产业重大需求难题，以数控机床高速电主轴为对象，研究高速电主轴系统运行的非线性、负载匹配及多场耦合动力学特性等，揭示影响电主轴运行品质的复杂动力学行为所涉及的基础性科学问题。重点完成了以下研究内容：.首先，分析了高速电主轴复杂的动力学特性，建立电主轴的轴承模型、转子模型和有限元动力学模型，通过试验验证了以上模型的准确性。研究了电主轴的热-机耦合模型，在此基础上，建立电主轴的铣削稳定性模型，分析了负载参数对铣削稳定性的影响。其次，电主轴动态支撑刚度是评价其运行品质的重要指标，建立高速轴承动态支撑刚度的计算模型，自主设计并制造电主轴动态支撑刚度测试装置，通过建模分析和实验测量研究了多种运行参数对电主轴动态支撑刚度的影响规律。再次，针对电主轴运行品质研究，提出了基于电桥电路的执行器信号自适应分离感知方法，设计了实验装置，通过实验验证了压电执行器通过该方法提取振动位移信号的有效性，使系统能够在无传感器条件下实现主轴振动主动控制；通过仿真和实验验证了混合H∞/Kalman滤波鲁棒状态反馈控制的振动抑制效果；通过自然减数法和能量平衡法准确地测量了电主轴的摩擦损耗，建立了适合预测高速轴承摩擦损耗的模型。最后，自主研发了内部温度、转速和回转精度可测以及轴承预紧力可调的实验研究电主轴，搭建了通用性强的电主轴控制、润滑、冷却和数据采集系统，建成了电主轴的综合性能测试平台，较为系统地开展了电主轴输出特性、电磁特性、动态支撑刚度和转子回转特性等的实验研究。研发了基于磁流变液和高压水射流的电主轴动态加载系统，解决了电主轴高速动态加载难的难题，开展了电主轴在负载条件下的动态性能研究。.研究结果可为高端数控机床高速电主轴研究提供科学理论基础，运行品质提升提供关键技术支撑和实验评价手段，有重要的学术意义和较广泛的应用前景。