基于多物理场耦合的高速电主轴不平衡自愈机理及调控策略研究

During the rotation of high-speed motorized spindle, unbalanced vibration occur due to the influence of various working conditions. In the multi-physical field coupling environment, the complexity of unbalanced vibration will be further aggravated. It leads to reduction of machining precision and service life. In order to improve online dynamic balancing performance of motorized spindle in multi-field coupling conditions, this project presents an overall solution for online dynamic balancing self-healing mechanism and control strategy based on multi field coupling. A relational model can be established between unbalanced vibration and a coupling model of motorized spindle motor, temperature field and flow field and so on. The coupling mechanism model of the electric spindle is established to obtain the nonlinear time-varying motion characteristics of the high-speed motorized spindle. meanwhile, this project also construct the prediction model of motorized spindle unbalanced vibration on the basis of multi-physical field coupling. We reveal the rule which the spindle unbalance vibration response varies with the amount of unbalance size, and propose signal extraction method based on cross-correlation and modal decomposition of motorized spindle unbalance, it aims to study the motorized spindle built-in online dynamic balance control strategy. We can realize the optimization of the automatic control strategy by establishing the dynamic balance performance evaluation model affected by the coupling of multi-factor indexes. The project has great scientific significance and application value for improving the dynamic balance self-healing mechanism of motorized spindle and promoting the machining accuracy and performance.

高速电主轴在旋转过程中，由于受到多种工况的影响，导致不平衡振动的情况发生，而在多物理场耦合环境下会进一步加剧不平衡振动的复杂性，进而降低加工精度及使用寿命。本项目以提高电主轴在多场耦合条件下的在线动平衡调控性能为目标，建立高速电主轴电机、温度场、流场等多场耦合模型及不平衡振动关联模型，提出在多场耦合下高速电主轴在线动平衡自愈机理及调控策略方面的总体解决方案。建立机-电-热-磁耦合状态下电主轴耦合机理模型，获取高速电主轴的非线性时变运动特征，建立基于多物理场耦合下的电主轴不平衡振动预测模型；揭示主轴不平衡振动响应随不平衡量大小变化规律，提出基于互相关与模态分解的电主轴不平衡信号提取方法，研究电主轴内置式在线动平衡调控策略；构建多因素指标耦合影响下电主轴动平衡性能评估模型，实现电主轴动平衡自动控制策略优化。课题的研究对于完善电主轴动平衡自愈机理提升加工精度和性能具有重要的科学意义和应用价值

作为高速精密数控机床的核心部件，电主轴单元是承载高速切削技术的主体，其精度及性能直接影响高速数控机床整体水平及应用范围。为了实现电主轴进行在线实时的动平衡调控自愈，针对多物理场环境下的高速电主轴不平衡振动特征辨识以及电主轴不平衡自愈调控方法等问题，本项目研究了偏心影响的电主轴轴承-转子系统不平衡动力学建模及振动特征辨识，分析了电主轴轴承-转子系统的多场耦合下的动态特性，分析了多场耦合下电主轴非线性振动规律，提出了以一种基于模态平衡的电主轴动平衡调控方法及质量补偿优化策略，取得了一定的重要成果。. 在理论方面，建立了偏心影响的电主轴动力学模型，获得了在几何偏心和质量偏心的影响下电主轴的动力学特性和振动规律。提出了一种电主轴不平衡振动信号特征辨识方法，可以有效准确地获得电主轴在高速运转中的不平衡振动幅值和相位。提出了一种基于模态平衡的电主轴动平衡调控方法，可在多阶动平衡前后的振动大幅下降，有效抑制不平衡振动。. 在实验和数据方面，当不平衡磁拉力与质量偏心产生的离心力共同作用在转子上时，转速的增大会导致不平衡振动的增大，并且转速越大振动增大的幅度越大。运用提出的模态动平衡方法可以使电主轴优化后转子的振幅平均下降72.38%，最高下降75.88%。经过质量补偿优化平衡后的电主轴的振幅相对于自动平衡后的振幅可以平均下降19.84%，最高可以下降41.62%。. 项目的研究成果可直接推广到高速复杂旋转机械的动平衡研究领域，为转子动平衡基础方法提供必要的理论依据和技术支持。因此，本项目的研究具有重要的理论学术意义及实际应用价值。本项目的开展是顺应了中国制造智能化装备的发展需求，对于解决数控机床主轴系统所面临的难点问题将起到积极促进作用，有利于提高高端制造装备行业整体技术水平，提高高端加工制造装备的智能化、高精密化和高效化的发展，有利于节约智能制造装备投资，提高资源和能源利用效率，具有良好的经济和社会效益。