切削条件可变的磁悬浮柔性电主轴切削系统的动力学特性分析及振动的主动控制技术

The dynamics of a maglev flexible rotor has been researched at present, but there are very few scholars to research the dynamics of the entire maglev flexible electric spindle based on cutting conditions constantly changing in cutting system. Therefore, with the cutting conditions changing in dynamic cutting process, the project will focus on the dynamics of maglev flexible electric spindle based on the dynamics of the previous maglev flexible rotor system. The active control for unbalance vibration and chatter in process of cutting system will be further studied. .The project will solve the following questions:.1.On the basis of a flexible rotor dynamics model, the problem of electromechanical coupling dynamic modeling of maglev flexible spindle with variable cutting conditions will be solved. The effect of different magnetic bearing characteristics and different cutting conditions on the dynamics of maglev flexible spindle will be researched. In particular, the problem of electromagnetic control force not in the same position of displacement detecting device will be solve, which is a unique magnetic bearing and may lead to magnetic bearing model does not reflect the actual situation accurately..2. The problem of maglev electric spindle smoothly across the critical speed will be solved based on the dynamics of flexible maglev electrical spindle in cutting system. The unbalance vibration and chatter in the cutting process will be try to be reduced, which will enhance the stability of the cutting system running.

关于磁轴承支撑的柔性转子系统的动力学特性虽有研究，但在切削条件可变下对整个磁悬浮柔性电主轴切削系统的动力学特性的研究却很少有人涉及。为此，本项目是在前人对磁悬浮柔性转子系统动力学研究的基础上，结合切削条件可变的切削过程，着重研究切削条件可变的磁悬浮柔性电主轴切削系统的动力学特性，并进一步研究切削过程中不平衡振动和颤振的主动控制技术。.解决如下问题：.1．解决切削条件可变时磁悬浮柔性电主轴切削系统的机电耦合动力学建模问题；解决不同的磁轴承特性及不同切削条件对主动磁轴承柔性电主轴转子系统的动态特性影响问题；尤其是解决磁悬浮轴承特有的，电磁控制力与位移检测不在同一位置所造成磁悬浮轴承模型不能准确反映实际情况的问题。.2．在主动磁轴承柔性电主轴动态切削系统动力学特性的基础上，解决磁悬浮电主轴能够顺利越过临界转速的问题；力争降低切削过程中不平衡振动及颤振，从而提高切削系统运行的稳定性。

机床高速化是继数控加工技术之后制造技术的又一次革命性的飞跃，已成为现代制造技术发展的重要方向。在该背景下本项目提出了磁悬浮电主轴切削系统。.主要研究内容：利用有限元法结合磁悬浮轴承支承特性建立了磁悬浮柔性电主轴动态切削系统的动力学模型；在磁悬浮柔性电主轴动态切削系统的动力学模型的基础上，分析了不同的主动磁轴承等效刚度及切削力系数对电主轴模态及临界转速的影响以及对刀具端频率响应的影响；在磁悬浮柔性电主轴动态切削系统的动力学模型的基础上，研究了主动磁轴承等效刚度及等效阻尼对切削过程中颤振稳定性的影响及主动控制技术；利用优化的影响系数法对磁轴承支承下的柔性电主轴转子系统多节点不平衡振动的特性及主动控制进行了研究；针对电磁轴承转子系统的振动抑制问题，提出了一种基于逆系统解耦的二自由度控制算法、提出了一种基于模态分离和速度观测的解耦控制算法、提出了一种电磁轴承转子系统的模态分离-状态反馈内模控制算法，并进行了仿真和实验验证；最后，通过实验对切削过程中刀具端的不平衡振动进行了试验分析和研究。.重要结果：完成了不同切削条件下磁悬浮轴承支承的柔性电主轴切削系统机电耦合的动力学建模理论；完成了可变切削条件下由磁悬浮轴承支承的柔性电主轴多节点振动控制和兼顾电磁力需求的多控制目标控制策略的具体操作方法的研究；研究了磁悬浮轴承支承特性及不同切削条件对切削稳定性的影响规律；针对电磁轴承转子系统的振动抑制问题，提出了一种基于逆系统解耦的二自由度控制算法；提出了一种基于模态分离和速度观测的解耦控制算法。.科学意义：该研究对高速转子系统、电主轴系统机械加工、基于磁悬浮的高速设备的研究都起着一定促进作用，如果高速磁悬浮电主轴机械加工系统的振动问题能够得到较大改善，这将是高速机械加工领域的又一次突破。