电主轴的结构和工作原理,从节省成本和减少维修时间角度,分析故障模式,给出加工中心切削用电主轴自主维修的思路和经验。

针对电主轴设计中普遍存在的资源查询困难,大量资源难以有效重用的问题,这里提出电主轴结构设计知识图谱方法,将电主轴结构设计知识分析归纳为事实性知识和过程性知识,运用斯坦福大学七步法,完成电主轴知识图谱模式层的交互式构建,并进一步通过D2RQ映射将设计数据与模式层结合,完成电主轴设计知识图谱的构建,实现了基于Neo4j的数据存储。该研究成果解决了制造业电主轴数据资源利用价值低的问题,为基于知识图谱的电主轴设计推理提供了有力支持。

针对立式加工中心电主轴的精加工提出切实可行的加工工艺方案,并对该工艺方案中刀柄夹持位锥孔的锥度控制、刀柄夹持位锥孔的圆度控制及拉爪接触锥面的轴向尺寸控制进行分析、说明,并提出相应切实可行的解决方案。

为了解决高速电主轴自动松锁刀系统夹紧力不恒定的问题,基于弹性理论,对刀具夹紧力数学模型进行了深入研究,确定了影响刀具夹紧力恒定的主要因素;基于定比传动原理,设计了一种能够实现定比传动的谐波行星齿轮减速结构,利用行星齿轮结构代替原有的薄壁轴承和波发生器,解决了滑差问题;基于PLC控制理论,对伺服控制系统进行了研究,改善了由于柔轮弹性变形导致的中间传动机构传动精度不高的问题,实现了闭环控制刀具夹紧力恒定。该系统具有参数设定输入、数据显示输出、刀具状态监测等功能。

基于油气润滑气液两相流理论,采用COMSOL Multiphysics仿真软件建立B7003CY/P4角接触球轴承腔内的油气两相流模型,分析轴承腔内气相流速、压力以及润滑油的分布。通过计算轴承的摩擦生热量以及腔内关键点的换热系数,分析轴承腔内温度场的分布。试验与仿真结果表明:润滑油沿着进油管道进入轴承腔内,大量的润滑油聚集在轴承腔内的前端,少许润滑油会随着空气进入轴承腔内,而进气速度影响润滑油的分布;轴承腔内的温度受电主轴的转速和进气压力影响,随着电主轴转速提高,摩擦产生的热量增多,轴承腔内的温度升高;进气压力越大,空气流速越大,轴承腔内的温度越低,且轴承腔内换热系数细化后得出的温度场更接近真实值。

研究了3种电主轴的辐射噪声特性。通过实验测量了电主轴辐射噪声,分析了全陶瓷轴承电主轴、钢轴承电主轴和无内圈式陶瓷轴电主轴辐射噪声的时频特性。实验结果表明:提高旋转速度,全陶瓷轴承电主轴与钢轴承电主轴辐射噪声均呈增大趋势,且辐射噪声中含有旋转频率和2倍转频特征,而无内圈式陶瓷轴电主轴的辐射噪声呈现波动式变化,其声压级高于其他2种电主轴,且频谱较为杂乱;在高转速时全陶瓷轴承电主轴声波具有明显的周期性;3种电主轴辐射噪声中均具有较高的摩擦与冲击噪声。

电主轴的热特性与机械特性相互作用,采用轴芯冷却在降低电主轴温升的同时也会影响其机械特性。对具有轴芯冷却结构的150SD电主轴进行热特性、静刚度和动态响应测试,研究轴芯冷却对电主轴热-机械特性的影响。结果表明:轴芯冷却减少了电主轴系统热平衡时间和轴向热变形,但会导致不同转速下系统静刚度和1、2阶固有频率降低。在设计阶段需要对轴芯冷却电主轴从悬伸量、跨距和几何尺寸等方面进行综合优化设计,提高其机械特性。

先进制造方式需要机床具有高速高精密的电主轴功能部件,选用动静压轴承可以提高车削加工中心电主轴的刚度和回转精度,因此选择动静压轴承作为主轴的支撑形式。轴承周向有4个浅腔形式油腔,以小孔节流形式恒压供油。建立润滑分析模型,分析轴承的承载力、最小膜厚和温升等静态性能指标。在卧式试验台上测试轴承的动态性能,结果表明:刚度随着转速的增加主要呈增大趋势,转速在3 000~6 000 r/min时刚度值比较稳定;水平方向和垂直方向的最大振幅分别为4.5、3.9μm。若要提高回转精度可对转子轴系进行优化,并做好动平衡及隔振。

为了实现转子不停机平衡,研究了一种自适应主动平衡算法。基于单平面影响系数平衡方程,通过引入增益因子提高平衡迭代过程稳定性,并引入遗忘因子实现影响系数在线估计,构建了单平面在线自适应平衡算法的数学模型。为验证所提出的平衡算法的有效性,设计了一种含有永磁体的电磁圆环形主动平衡头,通过线圈电磁场与永磁体间的磁力作用驱动配重盘步进转动,依靠磁阻最小原理自锁。针对所设计的电磁平衡头,提出了一种单盘转动平衡策略,对平衡补偿量相位进行了校正。开展了不同不平衡量和转速下电主轴主动平衡试验,获得了平衡过程的时域波形、振幅下降率、平衡步数和配重盘终位置。试验结果表明：不平衡量为24.59gcm∠180°时振幅降低42.65%,不平衡量为24.59gcm∠285°时振幅降低37.8%;转速为2 400rmin^-1时振幅降低40%,转速为3 000rmin^-1时振幅降低60%。...

为了实现旋转机械的智能动平衡,提出了一种转子单平面在线自适应主动平衡方法。从传统的影响系数法出发,先后引入增益因子和遗忘因子,建立了固定参数的转子自适应主动平衡控制算法模型,分析了控制模型的稳定条件。采用数值仿真,对增益因子和遗忘因子对转子自适应主动平衡控制过程的影响规律进行量化研究,获得了转子单平面在线自适应主动平衡控制算法的收敛性和稳定性变化规律。建立了高速电主轴自适应电磁主动平衡试验台,开展了转速3 300 rmin-1下转子单平面自适应主动平衡试验。结果表明增大增益因子可以加快主动平衡过程的收敛速度,减小增益因子可以提高平衡过程的稳定性,准确的影响系数估计可以放宽对遗忘因子取值的要求,试验和理论仿真的规律是一致的,证明所提出的转子自适应主动平衡控制算法是正确的。