面向机电耦合振动抑制的电主轴系统匹配特性研究

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    电主轴是将机床主轴功能和电动机功能从结构上融为一体的新型机床主轴功能部件，省去了复杂的带传动、齿轮传动等中间传动环节，具有速度高、精度高、调速范围宽、振动噪声小等技术优势[1-2]，代表了现代机床主轴的发展趋势。由于电主轴采用逆变器供电，而逆变器供电电压为非正弦波电压，不仅含有基波分量，而且还含有丰富的高频成分。一方面导致电主轴工作运转时不可避免产生高次谐波转矩，如果不进行系统参数和工作参数优化，高次谐波转矩将导致电主轴电动机输出转速和转矩不稳定，从而导致工件的加工表面质量下降。另一方面产生附加谐波损耗，导致高速条件下电主轴电动机的运行效率、输出功率能力下降，力矩特性变软，适应变负载切削能力降低，从而影响工件的加工表面质量。目前，电主轴系统设计是通过对逆变器、电主轴、刀具等关键功能部件进行独立的设计来实现。该方法由于将电主轴系统中机电功能部件实行分离设计，忽视了系统固有的机电耦合作用，难以实现系统机电特性的优化匹配。因此，对电主轴系统进行合理的机电耦合动力学建模，揭示系统内部机电参数之间的相互影响规律，提出系统特性实现优化匹配的设计方法，解决这一制约切削加工技术发展的关键问题十分重要。

    迄今国内外直接针对电主轴系统机电耦合问题的研究，在所涉及的文献范围内，还不够充分，但从机械动力学和动态热态耦合角度研究机床主轴系统特性，现有文献[3-9]已做了一些基础性工作。张珂等[3]研究了陶瓷球轴承电主轴单元电动机内置和后置两种基本结构的优缺点及适用场合，但采用的是静态分析方法，仍不足以反映机床主轴系统的动力学特性。JIANG 等[4]基于传递矩阵法建立了高速内圆磨削主轴—轴承系统的动力学模型，实现了主轴结构参数和砂轮参数的动态优化设计，克服了传统静态分析方法的不足。李松生等[5]揭示了超高速电主轴轴承在离心力、陀螺力矩等惯性力的律。GAGNOL 等[6]利用有限元法建立了高速主轴—轴承系统的动力学模型，揭示了系统设计参数和工作参数对主轴颤振的影响规律。ERTURK 等[7]在文献[6]的基础上进一步考虑了刀具系统质量和结合面特性的影响。但是，文献[4-7]研究主轴系统动态特性时并未考虑轴承发热的影响。实际上，轴承发热使主轴和轴承产生热位移，导致轴承预紧力和刚性发生变化，是影响机床主轴—轴承系统动力学特性不可忽视的因素。针对此，LI 等[8-9]建立了主轴—轴承系统的动态热态耦合模型，研究了轴承配置、热位移等对主轴系统动态特性的影响。近年来，随着电主轴和逆变驱动单元的广泛应用以及人们对机床主轴系统动力学机理研究认识的不断深化，电主轴系统的机电耦合问题仅局限于文献[4-9]机械动力学和动态热态耦合的研究范畴尚不能得到有效解决而被关注。孟杰等[10]利用变分原理和拉格朗日分析力学建立了高速电主轴电动机—主轴系统的机电耦合动力学模型，但该模型未考虑逆变器高频变流的影响。为此，LÜ 等[11-12]进一步建立了高速磨削“逆变器—电主轴—砂轮—磨削载荷”系统的机电耦合动力学模型，揭示了高频变流诱发高次谐波机电耦合振动的物理机理，提出可抑制高次谐波机电耦合振动的逆变器工作参数优选区域，但未对系统匹配特性作进一步深入研究。