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济南大学泉城学院毕业设计外文资料翻译题 目 对配有重载铣削和高度稳定的力矩控制 同步异步伺服电机的主轴系统的比较研究 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 机设0804班 学 生 吉翔 学 号 20083006054 指导教师 侯志坚 二一 年 月 日(宋体三号，居中)CIRP Annals - Manufacturing Technology, 2010, 59: 369-372.对配有重载铣削和高度稳定的力矩控制同步和异步伺服电机的主轴系统的比较研究点击输入作者，宋体小四机械与宇航工程处，戴维斯分校希尔兹大道，CA95616-5294，美国加州大学戴维斯分校，森精机有限公司，名古屋，日本摘 要 为了创造一个较高的转矩用于生产的铣削操作的主轴系统，转速对转矩扰动稳定性已是主轴机械设计参数，驱动器类型和主轴控制算法的研究。研究显示，在主轴转速对扭矩感应伺服电机和永磁同步伺服电机配备了主轴系统之间的干扰稳定性显着差异。这项研究结果已获得通过理论分析，数值模拟和物理实验，实验研究表明，混合驱动主轴，实现更长的刀具寿命。关键词 主轴，动力学，重型铣削1 介绍在最近的研究工作，开发了一个紧凑型多用途主轴系统，配备感应电机和同步电机，这两者都是直接进入主轴1建成组成的混合驱动方法。拟议的设计理念的优势是相当大的生产率的提高，在重型机械加工和提高能源效率与高度可靠的操作机械简单，不影响静态和动态的主轴特点。加工混合驱动主轴进行的测试表明，与无骨折/削磨损，这通常发生在传统的重型使用硬质合金刀具铣削刀具寿命显着改善2。改善刀具磨损/骨折获得特点可归结为主轴在加工过程中的动态特性的差异。由过去的研究人员尝试已取得相当大的提高加工动态，并避免不必要的振动以实现最大材料去除率3,4。到目前为止，大部分研究工作都集中在铣削过程颤振，而有限的研究已经进行了调查主轴扭转振动的影响，加工稳定性和切削磨损5工具。该文件的目的是研究的混合动力驱动主轴为何有更可取的特点，比只配备了感应电机高性能切削主轴。它特别侧重于转速的主轴和感应伺服电机和同步伺服电机的驱动下加工过程中其输出力矩的动态行为。研究方法包括以下三个步骤：（1）装备与控制系统的主轴电动机驱动器的理论模型的推导;（2）主轴转矩扰动下动态仿真研究;（3）对比实验来验证仿真结果。2 多用途的主轴系统的工作原理正如图所示。1，除了传统的主轴的交流异步电机，多功能主轴配备了一个额外的直接驱动（DD）的电机，这是一个永磁同步伺服电机。采用直接耦合机制为订婚/ DD马达脱离接触主轴等，总输出扭矩T可提高到T= T1 + T2的（T1和T2是异步电机和DD马达的最大扭矩，分别）。DD电机参与，尤其是在低速范围内有效地提高材料去除率，而脱离主轴在高速范围内的DD电机。基于上述的功能特性，主轴系统被称为“双驱动主轴系统（DSS），”1。3 DSS系统的分析模型的构建图2显示了一个典型的主轴驱动系统的配置。以电机驱动器主轴系统的动力学研究，电动机，控制系统和机械系统的数学模型，应首先建立。D-Q模型是用来描述统一由作者过去的研究为基础的感应电机和同步电机的工作原理6,7。级联控制结构，然后用控制电机驱动。主轴电机转子的机械系统，集成为具有下列参数系统J，结合惯性; B，电机和负载的等效粘性摩擦; T和TL，电磁和反对负载扭矩分别VM，转子的速度和u，转子的角位移。机电方程式是：3.1 交流同步和交流感应电机矢量控制建模在6,7，山崎等。得出不同的电机驱动系统的车型，以开发所谓的柔性伺服控制器（FSC）的系统，如图所示。 3。在本文中，类似的方法被用来研究电动马达的动力。 根据图中所示的图。 3，下面的公式可以得到同步电机：方程（7），可以近似为二阶机械系统，电气传动主轴系统，其中，J，B +焦耳/ TE和B / TE + KtKe/ LS是广义惯性项，阻尼和弹簧系数，分别为。能源驱动系统中存储的元素，如机械惯量和电电感，负责扰动的响应延迟和瞬态行为的变化。为主轴驱动系统，电机和负载B等效粘性摩擦约0.06根据初步研究，这是比较小的。因此，简化二阶系统的阻尼系数主要受电机的时间和主轴的惯性J.通常情况下，b0的值越小，更快的系统是由影响。这将导致大冲，但是。另一方面，在上升时间增加阻尼效果的增加和减少过冲。因此，权衡作出。从电机控制点的观点，电枢电阻经常调整，以获得所需的电机时间常数。电枢电阻增加，可明显减少超调，但过大的阻力，使系统不畅。增加的惯性有类似的效果，然而，它大大提高了机械结构的大小，并降低了系统的迅捷。因此，它是更有效地调整电机的参数，以达到有针对性的动态特性，而不是仅仅提高主轴的惯性。获得的电力驱动系统的动态方程后，下一步是设计，它可以在合理的时间内达到稳定的条件下，控制系统等。如图原理与两个PI控制器（速度环和电流环）控制系统。4，VR是参考价值的主轴转速，电压U是从PI控制器的输出，干扰是外部的切削转矩负载。3.2电动驱动器主轴系统的仿真模型在这项研究中，有限元ABAQUS软件用于模拟主轴的旋转动态。第一步计算结构的固有频率和模态;然后瞬时转矩扰动下的动态响应计算中的第二步。边界条件适用于在最初的步骤，然后模拟其图。 3。的d-q型号的交流同步和交流感应电机5。（一）交流同步电机。 （二）交流异步电机。动力学进行了下图所示的两个轴承系统的支持。5。在仿真，控制系统实现使用ABAQUS的用户子程序，计算基于上述电动机矢量控制的电动机提供的扭矩。4 数值研究和模拟结果基于3.1和3.2节中所描述的模型，评估已被执行，主要是惯性主轴，控制器参数，电气参数，主轴的转速转矩扰动下的稳定性的影响。五种不同的驱动模式，即，交流异步电机的主轴系统的动态响应，交流感应DD马达（关闭电源），决策支持系统，DD马达（直资）和DD电机与决策支持系统相同的扭矩容量，调查。图6显示了在127 N米的扭矩载荷在0.6秒一步的速度响应。一旦DD电机是一家从事主轴，速度波动较小由于惯性增加。然而，它的交流异步电机和交流DD马达驱动模式（关闭电源）相同的时间内回来的参考速度，如图。6。图6也说明，从DD电机的扭矩显着地降低了主轴转速的快速响应外部力矩干扰的波动。的感应电机驱动系统，但不能响应像的副署长电机自滑移速度应该可以增加实现更高的输出扭矩，它然后导致转子的旋转速度下降，直到速度是增加匹配的滑动速度的增加量。同步电机，转速应用于电力频率被锁定，不管负载保持恒定的电机转速。因此，主要是由于增加的扭矩，而不是增加从DD电机的惯性，转速主轴系统的稳定性显着提高。如果只有一个DD电机，它具有相同的扭矩容量为DSS（AC感应+ DD马达）搭载主轴，显然相比，实现更好的性能（对转矩扰动和加工过程中转速波动较少的更快响应）直接资助计划。此外，频繁加速/减速，因为没有大量的功率需要克服的主轴速度波动图所示，可以达到减少电力消耗。 6（C）。因此，DD设备齐全的主轴电机，不仅有助于提高其速度稳定性，而且在重型铣削的功率消耗要少得多。转矩扰动的频率响应也进行了分析。在分析了一系列谐波转矩扰动TD（= T0sin（VT）应用于主轴，其中T0=1nm的，V是角速度，频率范围从5到1000赫兹被选为如此给予足够的响应曲线。输出增益（速度波动幅度/ T0代）在图所示的整个频率范围内利益。7表明，较小的速度波动和更大的带宽达到使用DSS驱动器。5 实验研究和讨论为了验证模拟结果和研究原型DSS的加工性能，实验已经进行了。感应伺服电机和同步伺服电机的最大扭矩是1009列印命令810 N米，分别。两种类型的实验，在重型机械加工和刀具磨损/损坏评估的其他测量主轴转速波动，已经完成。 碳钢C55和不锈钢SUS304（JIS）的工作材料。涂层硬质合金工具（ISOP级），直径160毫米，用于端面铣削下来的这两项工作材料。相同的DD马达用于DSS和DD马达唯一的驱动器的情况下，切削条件列于表15.1在加工过程中DSS和传统的主轴系统速度波动的测量在一个单一的切割刀片的加工，转速测量图所示。8（一）。一旦从事重型铣削刀具，突然扭矩干扰适用于它。因此，对主轴施加转矩负载大幅增加，从而产生了对电力的需求。然后，出现一时的速度下降，以便增加电力输入主轴负载增加的需求，如图所示。 8。速度波动是DD电机驱动异步电动机的转矩响应速度比小很多。根据转矩负载时最初从事切削刀具的急剧增加，DD电机提供主要的扭矩，匹配负载转矩。然而，AC感应为DSS的情况下，可以逐步提供更多的扭矩，以抵御负载转矩，随后在一个更小的速度变化和更短的时间内，结果，以达到稳定的条件下，只有DD马达驱动器的情况下相比。此外，模拟已进行到下图所示的三个驱动器模式的主轴系统的动力学研究在重型铣削。 8（B）。基于比较研究，仿真结果与实验结果已同意，但测量的速度曲线不光滑，可能是由于低转速传感分辨率和较低的采样频率（1000赫兹）。因此，理论模型，可以准确地描述在重型铣削主轴的动态。 5.2 使用DSS和定期的主轴系统在重型切割工具的寿命比较实验也已进行评估切削刀具磨损和刀具寿命方面的性能。图9显示了刀具磨损后铣削与切割长度21600毫米C55。交流异步电机驱动的情况下，骨折/切削刀具的磨损被发现，然而，没有明显的切削磨损刀具上观察和更长的刀具寿命与决策支持系统实现。面铣图2000毫米的切割长度304发现了类似的结果。 10。硬质合金刀具在断续切削，高的机械和热循环影响下，强大的真正循环（准静态）疲劳作用，是造成高温2硬质合金切削磨损的主要原因。mishnaevsky8发现，刀具和工件之间的振幅越小，刀具磨损较小。因此，更稳定的旋转速度与DSS是最主要的原因，以避免在重型铣削切削磨损。6 总结为了实现强大和稳定的生产铣削过程加工，分析和实验研究已进行了配备感应伺服电机和同步伺服电机与主轴系统。以下的结论：同步伺服电机驱动的主轴有一个更快的反应比突然感应伺服电机驱动的扭矩干扰。根据理论分析和实验进行，同步伺服电机直接驱动主轴是有效地抑制以更低的功耗相比，感应伺服电机，主轴转速波动。因此，同步伺服电机是更可取的重型加工。在重型铣削获得的实验结果表明，抑制主轴转速波动已被认为是有效避免小打小闹磨损和实现更长的刀具寿命。参考文献：说明：1. 所翻译的外文必须是与课题方向相关的文献。2. 翻译后的中文必须达到2000字以上，并出自同一文献。3. 必须要有外文翻译的封面，使用学校统一的封面；封面上的翻译题目要写翻译过来的中文题目；封面上时间与开题时间一致。4. 外文原文在前，中文翻译在后；5. 保持原文的完整性。6. 翻译中的中文文章字体为小四，所有字母、数字均为英文格式下的，中文为宋体，标准字符间距。7. 原文中的图片和表格可以直接剪切、粘贴，但是表头与图示必须翻译成中文。8. 图表必须居中，文章段落应两端对齐、首行缩进2个汉字字符、1.25倍行距。例如：图1. 蛋白质样品的PCA图谱与8-卟啉识别排列分析(a)或16-卟啉识别排列分析(b)。为了得到 b 的数据矩阵，样品用16-卟啉识别排列分析来检测，而a 是通过捕获首八卟啉接收器数据矩阵从 b 中萃取的。