（机械制造及其自动化专业论文）超高速磨削电主轴系统机电耦合参数优化及动态特性研究.pdf

坝 j 学位论业 摘要 超高速磨削由于具有效率高、表面质量好，可以实现难加工材料的精密加工 等优点，在高效精密加工领域获得了广泛的应用。但是，由于超高速磨削越来越 广泛地使用高速电主轴和高频逆变驱动单元，由此也出现了制约超高速磨削技术 发展的一系列新难题。在超高速磨削工况下，高频逆变器、电主轴、砂轮以及磨 削载荷之间存在复杂的机电耦合振动对磨削系统的稳定性和磨削质量具有显著影 响。传统的机械模型出于只能反映砂轮与磨削载荷之间的动态特性，而不能反映 由此引起的高频逆变器、电主轴、砂轮以及磨削载荷之间的机电耦合动态特性， 已不能满足研究现代超高速磨削电主轴系统动态特性的需要。因此，有必要从机 电耦合的角度研究超高速彦削主轴系统的动态特性。本课题来源于国家自然科学 基金项目( n o 5 0 4 7 5 0 5 4 ) 。 本文首次建立了超高速磨削砂轮电主轴系统的“逆变器一电主轴一砂轮一磨 削载荷”机电耦台数学模型。基于机电耦合模型的特点，提出并实施了系统动态 特性的数值分析方法。利用该模型及方法研究了超高速磨削砂轮电主轴系统的逆 变器参数优化、启动方式优化、升速方式优化以及投入磨削载荷等机电耦合参数 优化以及非平稳过程。实验研究了超高速磨削砂轮电主轴系统机电参数。在 1 5 0 m s 超高速平面磨床上实时检测了不同频率下逆变器输出相电流信号、砂轮防 护罩横向振动信号。通过对已经测得信号进行频谱分析研究，从试验的角度进一 步探索超高速磨削砂轮电主轴系统机电耦合振动的诱发原因。 本文研究表明，所建立的超高速磨削主轴系统“逆变器一电主轴一砂轮一磨 削载荷”机电耦合数学模型不仅克服了传统机械模型只能反映砂轮与磨削载荷之 间的动态特性的不足，而且能有效地反映高频逆变器、电主轴、砂轮以及磨削载 荷之间的机电耦合动态特性。针对同一类电主轴提出了超高速磨削砂轮电主轴系 统逆变器工作参数的最优调制区，并提出了系统的最优启动方式与最优升速方式； 验证了高次谐波电压是诱发超高速磨削砂轮电主轴系统机电耦合振动的新因素： 砂轮重力、磨削力加载的冲击对砂轮横振影晌大于扭振。 本文工作为进一步研究超高速磨削砂轮电主轴系统机电耦合振动的防治、砂 轮电主轴系统的优化设计以及磨削工艺参数的优化奠定了基础。 关键词：超高速磨削；逆变器；电主轴；机电耦合；参数优化；非平稳过程；动 态特性； a b s t r a c t c o m p a r e dw i t ho r d i n a r yg r i n d i n g ，u l t r a h i g hs p e e dg r i n d i n gh a sb e t t e rs u r f a c e q u a l i t ya n dh i g h e re f f i c i e n c ya n di s s u i t a b l ef o rm a t e r i a l sw h i c ha r ed i f f i c u l tt o p r o c e s s t h e r e f o r e ，i th a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nm a c h i n i n gf i e l do fh i g he f f i c i e n c y a n dp r e c i s i o n b u t ，o w i n gt oh i g h f r e q u e n c yc o n v e r t e r sa n dh i g h s p e e dm o t o r i z e d s p i n d l e sm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e di nu l t r a h i g hs p e e dg r i n d i n g ，i th a sc a u s e da s e r i e so fn e wp r o b l e m sw h i c hr e s t r i c tt h ed e v e l o p m e n to fu l t r a h i g hs p e e dg r i n d i n g t e c h n o l o g yt o o t h ec o m p l i c a t e de l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gv i b r a t i o ni nc o n d i t i o no f u l t r a h i g hs p e e dg r i n d i n g ，w h i c he x i s t sa m o n gt h eh i g h f r e q u e n c yc o n v e r t e r ，t h e m o t o r i z e ds p i n d l e ，t h eg r i n d i n gw h e e la n dt h eg r i n d i n gl o a d s ，i n f l u e n c e st h es t a b i l i t y o ft h eg r i n d i n gs y s t e ma n dt h eg r i n d i n gq u a l i t yo b v i o u s l y t h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a l m o d e lc a no n l yr e f l e c td y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e nt h eg r i n d i n gw h e e la n dt h e g r i n d i n gl o a d s ，c a nn o tr e f l e c td y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n g a m o n gt h eh i g h f r e q u e n c yc o n v e r t e r ，t h em o t o r i z e ds p i n d l e ，t h eg r i n d i n gw h e e la n d t h eg r i n d i n gl o a d s ，a n dc a nn o ts a t i s f i e dt h en e e do fs t u d yo nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s o fam o d e r nu l t r a h i g hs p e e dg r i n d i n gw h e e ls y s t e md r i v e nb yam o t o r i z e ds p i n d l e c o n s e q u e n t l y , f r o mp o i n to fv i e wo fe l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n g ，i ti sn e c e s s a r yt o s t u d yd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h es p i n d l es y s t e mf o ru l t r a h i g hs p e e dg r i n d i n g t h e p r o b l e mo r i g i n a t e sf r o mn a t i o n a lf u n dp r o j e c to f n a t u r a ls c i e n c e ( n o 5 0 4 7 5 0 5 4 ) t h ee l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gm a t h e m a t i c a lm o d e lo fa nu l t r a h i g hs p e e d g r i n d i n gw h e e ls y s t e md r i v e nb yam o t o r i z e ds p i n d l e ，w h i c hc o n s i s t so ft h ec o n v e r t e r ， t h em o t o r i z e ds p i n d l e ，t h eg r i n d i n gw h e e la n dt h eg r i n d i n gl o a d s ，h a sb e e nf i r s t c r e a t e d b a s e do nt h ec h a r a c t e ro ft h i sm o d e l ，t h en u m e r i c a lm e t h o dw a sp r e s e n t e d a n du s e dt o a n a l y z ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e m r e s e a r c ho np a r a m e t e r o p t i m i z a t i o na n dn o n s t a t i o n a r yp r o c e s s e so fe l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gf o r a n u l t r a h i g hs p e e dg r i n d i n gw h e e ls y s t e md r i v e nb yam o t o r i z e ds p i n d l e ，s u c ha s p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o no fac o n v e r t e r ，t h eo p t i m i z a t i o no ft h es t a r t i n ga n ds p e e d r i s i n gs t y l ea n dt h eg r i n d i n gf o r c eo fi m p o r t i n gw e r em a d ew i t ht h i sm o d e la n dt h e m e t h o d a l s oe l e c t r o m e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fa nu l t r a - h i g h s p e e dg r i n d i n gw h e e l s y s t e md r i v e nb yam o t o r i z e ds p i n d l ew e r es t u d i e db yt h ee x p e r i m e n t i nc o n d i t i o no f v a r i a b l ef r e q u e n c y ，p h a s ec u r r e n ts i g n a l so fac o n v e r t e ro u t p u ta n dr a d i a lv i b r a t i o n s i g n a l so ft h eg r i n d i n gw h e e ls h i e l dw e r em e a s u r e db yr e a lt i m eo na15 0 m ss u r f a c e g r i n d e ro fu l t r a h i g hs p e e d ，a n dt h e ns t u d ya n da n a l y s i so ns i g n a ls p e c t r u m sw e r e m a d e f r o mp o i n to fv i e wo ft h ee x p e r i m e n t ，c a u s e so fe l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n g l i t v i b r a t i o no fa nu l t r a h i g hs p e e dg r i n d i n gw h e e ls y s t e md r i v e nb yam o t o r i z e ds p i n d l e w e r ef u r t h e re x p l o r e d t h es t u d yi nt h i sp a p e rh a ss h o w nt h a tt h i sm o d e ln o to n l yo v e r c o m et h el a c kt h a t t h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a l m o d e lc a no n l yr e f l e c td y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e nt h e g r i n d i n gw h e e la n dt h eg r i n d i n gl o a d s ，b u ta l s oc a ne f f e c t i v e l yr e f l e c td y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n ga m o n gt h eh i g h f r e q u e n c yc o n v e r t e r ， t h em o t o r i z e ds p i n d l e ，t h eg r i n d i n gw h e e la n dt h eg r i n d i n gl o a d s ；a i m e da tt h es a m e m o t o r i z e ds p i n d l e s ，t h em o s te x c e l l e n tm o d u l a t i o ns e c t i o no fc o n v e r t e rp a r a m e t e r s ， t h eb e s ts t y l eo ft h es t a r t i n ga n dt h eb e s ts t y l eo ft h es p e e dr i s i n gf o ra nu l t r a h i g h s p e e dg r i n d i n gw h e e ls y s t e md r i v e nb yam o t o r i z e ds p i n d l ew e r ep r o p o s e d an e w f a c t o rt h a th i g h - o r d e rh a r m o n i cv o l t a g e sl e a dt oe l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gv i b r a t i o n o fa n u l t r a h i g hs p e e dg r i n d i n gw h e e ls y s t e md r i v e nb yam o t o r i z e ds p i n d l ew a s v a l i d a t e d ；t h eg r a v i t yo ft h eg r i n d i n gw h e e la n dt h eg r i n d i n gf o r c e so fi m p o r t i n gh a sa l e s se f f e c to nt o r s i o n a lv i b r a t i o nt h a no nr a d i a lv i b r a t i o n t h e w o r ki nt h i sp a p e rh a se s t a b l i s h e dt h eb a s i sf o rf u r t h e rs t u d yo nt h e p r e v e n t i o na n dc u r eo fe l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gv i b r a t i o nf o ra nu l t r a h i g hs p e e d g r i n d i n gw h e e ls y s t e md r i v e nb yam o t o r i z e ds p i n d l e ，t h ed e s i g na n do p t i m i z a t i o no f t h i ss y s t e ma n dp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o no ft h eg r i n d i n gt e c h n i c s k e yw o r d s ：u l t r a h i g hs p e e dg r i n d i n g ；c o n v e r t e r ； m o t o r i z e d s p i n d l e ： e l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n g p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n ：n o n s t a t i o n a r yp r o c e s s e s ； d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s i v 物理量名称及符号表 , q 2 一砂轮质量； # 一砂轮羚镶心鬃； r 一砂轮半径； r 一动能； ，一移耱转动镤蕊； 一砂轮轴的径向刚度； 颤一砂轮轴豹扭转列度； d 一砂轮相对电主轴的扭转角； 0 一砂轮机械转角； 毋一砂轮辘械凳速度； 舀一砂轮机械角加速度； ，一砂轮动镳心鬃； ，一砂轮质心平动速度； ，一砂轮质心平动加速度； g 一重力麓逮整； c ，一r 方向阻尼； 氏一0 方向阻尼； f ，一切向磨箭力： 只一法向磨削力； 掰。一擎位甥澍交澎比麓； b 一工件磨削宽度； 瓦一工件实际磨削深度 圪一砂轮线速度； 圪一工件进给速度： g 一褰l 力魄( 泫淘整削力与凌囱爨 削力之比) ； q ，一广义坐标； q t 一f l 义南； ，一广义坐标个数； 筑一砂鲶转孑，方囱嚣受魏j “义力： v q 。一砂轮转子0 方向所受的广义 力： a 一工件磨削深度避给量； 艿。一砂轮外形误差； e 遂交舔全渡整流线电压； r ，正弦调制波周期； t 一三角载波爆麓； 一载波频率比( 三角载波频率与正 弦调制波频率之比) ； 馥正弦谲鼷液受壤率或毫褪定子 电角速度； 冀一调疆比( 薹弦调制波辐值与三翅 载波幅值之院) ； “( ，) 一三角溅波函数； “) 一正弦 l 鼙裁波函数； “。( f ) 一逆变器输出相电压； 甜d 3 一电机定子d 胡电压； “。电视定子g 相魄压： “。逆变器a 相电压； 较遂交嚣b 稳电压； “一逆变器c 相电压； 【c 】。矗。一定子各物理量由a b c 坐标 系变换到由0 坐标系的坐标旋转变换 矩眸； 矽k 。一。一蹩阵陋k 。赘逆燮换矩 阵； 舅d q o 旋转坐标系相对于电机定 予“相绕组轴线的转角； 以电机转予电角度： 0 2 最与g 静燕浚蓑： 坝”j ：字恒继又 。一电机定子相绕组自感； 三，一电机转子相绕组自感； 三。一电机定转子相绕组之间互感； m ，一电机转子电角速度： 一电机定子电阻； n 一电机转子折算电阻； 一 p = 一微分算予( 表示对时间的一 q 【 阶微商1 ； r 一电机电磁转矩； i 。一电机定子q 相电流； i 。一电机定子d 相电流； i 。：一电机转子d 相电流； 屯，一电机转子q 相电流； p 一电机磁极对数； 厶，一电机定子相绕组漏感； 三：，一电机转子折算相绕组漏感： 三，。一电机定转予相绕组励磁电感； ，一电机定予相绕组漏抗； r ，一电机转子相绕组漏抗； _ 。一电机定转子相绕组励磁电阻； 一电机额定频率： t 一时间( 泛指) ； t 一砂轮电主轴系统启动时间； f ，一系统升速结束时刻； r ，一转速保持结束时刻； ，。一磨削载荷作用结束时刻； 厂一频率( 泛指) ； 一基频； ，。一磨削电流所对应的频率； i 。一电机定子d 相电流； s p w m 一正弦脉宽调制f s i n u s o i d a l p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，s h o r t e df o r s p w m ) v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导f 独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：吕，良日期：扣辞 月1 8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位沧文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：吕癌l 翩签名名、携 日期：如6 年r 月1 8 日 日期o - 彳年j 一月，日 1 1 谍题来源及研究意义 第1 章绪论 1 1 。l 课题来源 超高速磨削与普通磨削相比具有效率高、表面质量好、成本低，可实现难加 工材料的精密加工等优点。正燕基于上述优点，超高速磨黼为满足现代翻造业和 世界装备业对离精密零件的需求开拓了广阔的前景。但是，随羲砂轮线速度的提 高，高频逆变器和离速电主轴的应用越来越广泛。超高速磨削s p w m ( s i n u s o i d a l p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n 。s h o r t e df o rs p w m ，歪弦脉宽调制) 电主辘系统壤电参数闫 的相互耦合作用对磨削质量和磨削系统的稳定性的影响越来越显著，不利于超高 速磨削技术向更高散和更商精度方向发展。传统的机械模型只能反映砂轮与瘗潮 载荷之间的动态特性，而不能反映高频逆变器、高速电主轴、砂轮以及磨削载旖 之间的机电耦合动态特性。因此，有必要从机电耦合的角度研究超高速磨削 s p w m 砂轮瞧主轴系统参数优化及动态特性。为磨削工艺参数优化以及工程应用 同类高频逆变器一高速电主轴系统逆变器工作参数优化提供了重要的参考依据。 论文主要研究内容源于国家自然奉季学基金项霞“超高速磨潮主轴系统梳电耦 合振动的基础理论及其防治方法研究”【lj 的课题任务。 1 1 2 研究意义 工程中的绝大部分转子系统都以交流电视作为动力源，机电耦合【2 。1 2 m 3 5 】 是转子系统在启动、升速以及受到负载冲击等非乎稳过程中表现出来的基本特征。 超高速磨削砂轮电主轴系统的些机电耦合振动物理现象也不例外，在磨削 s p w m 砂轮电主辘系统豹启动、升速以及受到磨龚0 载萄瓣冲击等菲平稳过渡过程 中表现出来。除此之外，在超高速磨削条件下，若s p w m 逆变器的调制参数选取 不当，则蘑削砂轮电主轴系统困机电参数匹配不当丽导致该系统强烈的机电耦合 振动。总之，在超高速磨肖4 条件下s p w m 砂轮电主轴系统的机械参数与电气参数 之间的相互耦合作用，不仅缩短砂轮电主轴系统的使用寿命，而且导致磨削表面 质量恶化、磨削糖度和癌削效率的下降。因此，研究超离逮磨澍s p w m 砂轮电主 轴系统的机电耦合参数优化及动态特性是由工程实际需要决定的。其研究意义： f 1 ) 揭示高频逆变嚣、高速电主轴、砂轮以及磨削载蓿之间的机电藕合振动规律， 探求越高速磨削条件下s p w m 砂轮电主轴系统机电耦合振动的诱发原因；( 2 ) 提 出超高速磨削s p w m 砂轮电主轴系统的机电参数测试方法，实时检测不同频率下 超高速磨削电土轴系统机电耦台参数优化及动态特性研究 逆变器输出相电流信号1 7 1 及砂轮防护罩横向振动信号，经频谱分析研究，与理论 研究结果进行对照，从试验的角度避一步探求超高速磨削s p w m 砂轮电主轴系统 机电耦台振动的诱发原因；( 3 ) 为磨削工艺参数的优化、s p w m 砂轮电主轴系统 的优化设计以及机电耦合振动的防治奠定基础。 1 2 研究背景 为满足精密仪表制造业、航空航天业等些特殊行业对更高精度、更高精密 零件目益追切的需求，这势必促进超高磨削技术不断向更舞效、更高精度、赢智 能化方向发展。超高速磨削技术2 3 fm5 3 5 6 1 在取得向前发展的同时，制约超高 速磨削技术向前发展的新闷题逛越来越被匡内外研究者所关注。 超高速磨削时机理发生变化。在超高速磨削条件下，随着砂轮线速度的提高， 在获褥相阃材料去除率豹情况下鼗削力不是升高，丽是下降；工件表颟的温度在 越过“热沟”后不再升高，瓶呈下降趋势5 1 。这说明普通磨削机理及磨削工艺对 超高速磨削不再适用，必须对超高速磨削机理及磨削工艺进行重新研究。 由于在超态速磨削条传下砂轮逸主辅系统使用嵩频逆变驱动单元，s p w m 逆 变器在逆变工作过程中产生高次谐波电压。高次谐波电压方面使得界步电主轴 电辊处在 芷弦电压下运行，无功功率增翻、效率降低帮损耗加大【6 剐；另一方 面引起电主轴电机输出电磁转矩脉动。在高频环境下，电主轴电机损裁增加、温 升变化显著势必弓l 起电主轴电机转子电阻等参数发生非线性交化，使得电主轴电 机的高速性能恶化【2 4 。叫( s p w m 砂轮电圭轴系统的整棒性减弱) 。摩削砂轮电主辘 系统一旦受到较大磨削载荷的冲击，极易激起该系统强烈的机电耦合振动。此外， 在超高速藏潮条件下，砂轮电主轴系统的启动、升透及受羁磨削载穗的冲击等非 平稳动态过程亦能激起高频逆变器、高速电主轴、砂轮以及磨削载荷之间强烈的 梳电耦合振动；在超离速廉澍过程中，蓿逆受器的调制参数选取不当，则翡削 s p w m 砂轮电主轴系统因机电参数匹配不好冠造成该系统强烈的机电耦合振动。 总而言之，超高速磨削s p w m 砂轮电主轴系统的机电耦合振动，降低磨削精度 和塍削效率，加大砂轮煞瘩损量，提高捆工成本。因j 瑾：，必须对超高速疆潮s p w m 砂轮电主轴系统的机电耦合参数优化以及非平稳过程动态特性进行机理研究。 常规转速下的磨削振动现象如主轴偏心弓l 起的强迫振动、磨潮系统的自激颤 振 6 4 1 等，这些在纯机械动力学的范畴内已经得到系统的研究。为了克服主轴偏心 所引起的强迫振动而研发的在线自动平衡技术，增大系统动刚度、增大系统阻尼、 修改磨削参数【9 1 以及变速磨转方法i ”l 等技术也均已成熟。织，在考虑上述因素的 前提下，超高速磨削的试验结果仍然表明，在超高速磨削条件下工件表面所产生 豹波纹与变颏驱动单元的特往参数有关；工件表面绶量在砂轮被充分平衡的条件 f 还受到砂轮扭转振动的影响；单独改变磨削参数并不能消除：i 件表颈波纹。这 硕士学位论文 表明，超高速磨削下机电耦合作阁己成为诱发s p w m 砂轮主轴系统振动新的因 素。超褒速磨削s p w m 砂轮电主轴系统鲍枫电鼹合振动正是在这种全新的背景下 出现的类严羹影响磨划系统的稳定性、磨削质爨秘磨削效率的技术难题【。 1 3 研究现状与趋势 从研究转予系统机电耦台动力学问题煦熬本理论一拉格朗日分柝力学和麦竟 斯韦邀磁场理论( 1 8 7 3 年提出) 的形成，到电机系统广义派克方程的建立、电校l 撬 动理论、鹰削理论和变频调速理论的逐步成熟翻转予动力学基本理论的出现，可 以说从理论上已经其备了研究超高速瓣削s p w m 砂轮电主轴系统机电耦合参数 优化与非平稳过程动态特饿的基本条俘；遥些年来，随着计算机计算速度的大幅 度提高以及计算数学理论的日臻完善，又为数值研究超高速磨削s p w m 砂轮电主 轴系统枫电耦合参数优化与菲平稳过程动态姆性提供了强骞力鹩工兵和方法。尽 管如此，到曩蓠为止肖关超高速磨剡s p w m 砂轮电主辘系统枫电藕合参数优化与 # 平稳过程动态特性方面研究的文献仍极少见。这主要由两方面原阂造成的：首 先楚研究超高速磨潮s p w m 砂轮电主轴系统机电藕合参数伉佬与非平稳过程动 态特性需要机械动力学、电机理论、摩削理论以及变频调速理论等多方面的知识， 丽在以个人研究为主要摸式的常规科研领域，开展该项研究工作需要克服知识弱 不足的困难；其次是超高速磨削s p w m 砂轮魄主辘系统规电参数相互耦舍的圜素 众多，重要的机电耦合问题难于发现。但楚，国内外研究者在纯机械动力学的范 围肉关于磨翻强动机理与防治方面豹研究，已经取得了丰预的成果。 1 3 1 磨削振动圈外研究现状 相对而言，国外研究者在磨削振动方面的研究不仅起步早，而且研究水平也 处于领先，尤其是在磨削振动机理方面的礤究。为了揭示磨削振动机理的发生、 发展规律，寻求抑制磨削振动的裔效方法，国外研究者对磨削振动机理已经进行 了深入系统地研究。 2 0 毯纪9 0 年代以蘸，国外研究砻在磨削振动领域的研究多集中在基于经典 控制理论对磨澍系统进行稳定性分析与控制1 5 引。文献【1 4 lh a h n 探讨了再生颤振理 论，提出了评价痦削系统稳定的判据- - n y q u i s t 圈法；文献”6 1 基于s n o e y s 外圆 磨削颤振环模型【13 1 ，在频域内用缀典控制理论分析了磨削系统的稳定性，并提出 了磨削系统稳定的条件；文献【3 8 1 磅究了砂轮磨削表面的动剐度f 2 6 3 与静刚度对磨 削系统稳定性的影嘀；文献【1 3 1s n o e y s 魏b r o w n 等人用反馈技术研究了磨削系统 参数如砂轮与工件的接触区域变形、砂轮表面磨损及砂轮有限接触弧长等参数对 磨潮系统失稳的影响；文献弘9 1 研究表明，砂轮表面蘑损的不均，将导致工件表蕊 波纹失稳。 2 0 世纪9 0 年代以来，随着计算数学理论、振动理论以及非线性微分方程理 论豹目趋成熟，计算机计算速度的大幅度提高，客观上为瘵酊振动机理的数值研 究刨造了必要条件。阏此，磨削振动时域建模与仿真方面的研究文献大量出现。 文献m 23 基于外圆磨床物理模型，数德模拟了密削对砂轮磨头强迫振动阻尼的 影响；文献【7 j 考虑到联接刚度，提出了砂轮主轴系统的数学模型，利用该模型研 究了砂轮主轴系统的动态特性，研究表明，联接刚度不同程度地影响砂轮主轴系 统的国有频率；文献【2 9 1 提如了稳态密削力模型，并对该模型进行了计算辊仿真 文献【3 l 提出了一种确定动态切削因子的新方法，建立了动态磨削非线性数学模 型。定量解释了外界激励频率的不同导致系统动态特性的不同；文献0 j 研究了砂 轮表露磨损面积豹动态变化对磨削力的影响以及不间性质材料工件对癜削系统动 态特性的影响，并用5 自由度模型模拟了磨削主轴系统的稳态特性与动态特性， 磺究表明，若秒轮表灏密损两积保持不变，则不同健质材料豹工件将导致瘗削主 轴系统动态特性的不同。文献【4 】建立了外圆磨削动力系统时域和频域模型，在这 两个模型的基础上分羽研究了工件扭转振动对磨削颤振及系统动态特性的影响。 有关蘑削系统动态特性试验方面的研究，文献【8 j 试验研究了磨女力的动态测 量；文献】从试验的角度研究了工件扭转振动对磨削系统动态特性的影响，研究 表明，工件扭转振动不仅影响磨削力的大小，磊显影响磨潮系统f | 冬颤振性能。 有关磨削颇振抑制方面的研究，文献【6 】研究表明，在砂轮与工件形成的楔形 区喷入高粘度的磨澍液可延缓磨削颤振的增长，甚至抑翎磨削颤振的发生；文献 1 2 ”提出了一种主轴变速磨削抑制密削颤振的方法。 1 3 2 磨削振动国内研究现状 磨削振动直是磨削领域关注的焦点之。一方面是由于磨削振动会降低工 件加工表露质量，缩短砂轮的使1 目j l 寿命，严重时甚至导致磨剿加工将无法进行【47 1 ； 另一方面是由于磨削振动的诱发、发展机理十分复杂，影响因素众多，理论研究 与试验研究难以对照。基于上述缀困，霞内研究者对磨削振动豹研究作了大艟的 工作，取得了不少研究成果。但是，绝大多数研究者都偏向于磨削振动信号特征 以及磨削振动抑制方面的研究。与此同时，极少数研究者较深入地研究了磨削振 动的诱发、发展机理，从不同角度探求了磨削振动的真正诱因，劳力图达到抑制 磨削振动的目的。 多年来，潮内缀多砑究者鼹瘀削叛动信号豹特徭进行了大量的试验研究。文 献【4 1 4 8 研究了磨削颤振信号特征，研究表明，砂轮的不平衡造成磨削颧振信号时 域内的调翻和频域内的边频带现象；文献一8 1 在文献 4 3 】的墓础上运用菲线性理论迸 一步研究了磨削颤振信号特征。文献【4 4 q5 】在分析平蕊磨削颤振信号时域和频域特 征的基础上，提出了平面磨削颤振预报的新方法；文献 4 6 1 对平面磨削振动信号进 行了统计和功率潜估算研究。 与此间时，国内很多研究者在抑制瘗削颤振方面也作了大量的试验研究工作。 文献 5 2 1 在分析磨削系统振动稳态响应的基础上，提出了增大系统刚度和增大系统 阻尼等减振措施。文献1 4 2 5 5 5 7 5 8 1 研究了变速磨粼掷制颤振，研究表瞩，变速幅度 和频发的不同均可不简程度地影晌磨削颤振的抑制效果；砂轮变速磨削抑制磨削 颤振的效果比工件变速磨划抑制磨划颤振的效果耍明显。由于交速磨削抑制磨削 颤振存在一些不足，例如，交速磨削时有很大的瞬时电流流过电主轴电机的定子 相绕组，这势必对电主轴电机定予相绕组的绝缘能力和主轴系统受载荷冲击的能 力提出相当高的要求。因此，有必要寻求更为方便、实用和有效的方法来抑制磨 削颤振。文献”1 】就提出了这样一种抑制磨削颤振的方法一工艺条件适配法。 少数豳内研究者较深入地研究了磨削振动的发生机理，并取得了一定的研究 成果。文献1 5 9 1 建立了4 自由度无心磨自4 系统的数学模型，利用该模型研究了系统 参数对磨削系统动态特性的影响，研究表明，系统各部件的结构刚度都不同程度 地影响磨削系统的动态特性；文献1 4 7 1 从机理上研究了砂轮与工件的接触刚度对磨 削颤振频率的影响，试验研究表明，当外圆磨床砂轮电主轴系统采用交速磨削时 砂轮转速的变化将引起砂轮与工件接触网度的改变，工件的颤振频率因此发生相 应的改变，从而达到廷缓磨削颤振增长甚至抑制磨削颤攮的目的；文献【4 1 1 提出了 一种由砂轮不平衡引起的混合型颤振一荐生调制烈颤振，并对爵生调制型颤振进 行了机理磷究和试验分柝，研究表明，磨削颤振信号其有时域调制和频域边频带 特征，与文献阶4 8 l 的研究结果一致。 1 4 存在的问题 从目前寄关研究磨削振动的文献来看，国内外研究者对耨削振动的研究仅局 限在纯机械动力学的范围内，对超商速磨肖4s p w m 砂轮电主轴系统机电耦合参数 优亿与非平稳过程动态特性仍末研究到。因此，有必要建立超高速磨削s p w m 砂 轮电主轴系统的机电藕合数学模型，从机电耦含的角度醋究超高速磨削s p w m 砂 轮电主轴系统的参数优化与非平稳过程动态特性。于是，衍生以下几个新问题： ( 1 ) 高次谐波电压是否引起超高速磨削砂轮电主轴系统的枫电耦合振动 传统的机械模型只能反映砂轮与磨削载荷之间的动态特性，而不能反映高频 逆变器、高速电主轴、砂轮以及磨削载荷之间机电耦合动态特性。由于超高速麽 削砂轮电主轴系统采臻裔频逆变驱动单元，逆变器在工作过程中产生商次谐波电 压。豳此，砂轮电主轴电机始终处于非正弦电压下工作。但是，高次谐波电压是 孬是弓i 起超离速磨削砂轮电主轴系统机电耦合振动的新因素仍有待作迸一步的研 究。 ( 2 ) 超商速磨削砂轮电主轴系统的寤动方式优仡、舞邃方式优化 超高速磨削电主轴系统机电耦台参数优化及动态特性研究 由于传统磨削驱动系统通常是在恒频交流电源下启动，并通过机械变速装置 实现调速。因此，传统瘗潮驱动系统不存在启动方式优化、升速方式优化的润题。 而超高速磨削使用高频逆变单元驱动，系统不仅可以实现不同的启动方式、升速 方式，而且系统启动方式、升速方式的不同对机电耦合动态特性的影响也不同。 所以，有必要对超高速磨妻i 砂轮电主轴系统蛉雇动方式优化、升速方式优化进行 研究。 ( 3 ) 超高速密削砂轮电主辘系统递交器工作参数优化 传统磨削通常采用交流电力调速系统驱动，电机在恒频交流电源下工作。因 此，传统磨削瓤动系统的动态特性与逆变器调制参数无关。而现代超高速磨肖0 使 用褒频逆变单元无级调速驱动，糜削砂轮电主轴系统机电耦合动态特憾与逆变器 调制参数密切相关。所以，研究超高速磨削逆变器工作参数优化是一个全新的问 鬣。 1 5 本文的研究思路及主要工作 带着上述几个新闽题，本文以超高速磨削、赢频变流翻高速电机攘动技术为 研究背景，以s p w m 砂轮电主轴系统为研究对象，对高频逆变器、高速电主轴、 砂轮及纛削载祷之间的机电旗合振动进行了梳理与实验研究。论文的主要研究工 作包括： l 在磨削原理、经典电机理论、变频调速理论以及分析力学原理的基础e 建 立超高速磨削s p w m 砂轮电主轴系统机电耦合数学模型。蒸于所建立的机电耦合 数学模型的特点，提出并实施研究超高速磨削s p w m 砂轮电主轴系统机电耦合参 数饯化与动态特性熬数僮分褫方法。 2 基于机电耦合数学模型对超高速磨削s p w m 砂轮电主轴系统逆变器工作 参数优化进行研究。将实测s p w m 逆变器输出相电流波形与电主轴电机定子相绕 组电流仿真波形进行对照，验证超高速磨削s p w m 砂轮电主轴系统机电耦合数学 模型的有效性。基于此，提出超商速磨削s p w m 逆变器工作参数的最优调制区。 3 基于机囊耦合数学模型磅究超高速磨削s p w m 砂轮电圭辘系统的若予典 型非平稳过程动态特性，具体包括：( 1 ) 系统启动方式优化；( 2 ) 系统升速方式优 化；( 3 ) 船载瓣态过程分析。在上述研究工作豹基础t ，提出系统最优扁动方式、 系统最优升速方式，并对超高速磨削s p w m 砂轮电主轴系统机电耦合振动的诱发 原因进行探讨。 4 在1 5 0 m s 超高速平丽磨床上进行砂轮电主轴系统启动试验，使闵振动与动 态测试系统实时检测不同频率下砂轮电主轴系统的机电参数。通过对已经测得机 电信弓遴行频谱分析研究，从试验的蕉度对超商速褒诲l 砂轮电主轴系统的梳电耦 合作用规律作进一步探讨，并与理论研究结果进行对照。 第2 章超高速磨削s p w m 砂轮电主轴系统机电耦合理论 2 1 引言 建模 建立超高速磨削s p w m 砂轮电主轴系统的机电耦合数学模型是研究超高速 磨削s p w m 砂轮电主轴系统的机电祸合参数优化及动念特性的基础。有关机电耦 合模型研究方面的文献，r o b e r t t 3 2 1 和s h a d l e y i 3 0 “1 在机械模型的基础上引入电机 的输入特性，建立了半机电耦合模型；s h a l t o u t 2 8 3 和y a c a m i n i l 2 考虑到电机输出 特性的动态变化，建立了机电一体化的数学模型：文献1 2 0 “】建立了机电传动系统 耦合动力学模型；文献【2 3 4 “1 以机电分析动力学m 1 为基础建立了系统扭振和横振 的机电耦合模型。上述文献的研究工作都是基于理想正弦电压下进行的，对 s p w m 逆变电源下机电传动系统的机电耦合动态特性仍未研究到。本章在文献”副 的基础上进一步考虑到高频逆变器、磨削载荷的冲击的影响并结合实际磨削工况， 根掘分析力学原理、变频调速理论、经典电机理论及磨削原理建立了超高速磨削 s p w m 砂轮电主轴系统的机电耦合数学模型。本章内容是论文研究的理论基础， 为后续研究工作做好铺垫。 2 2 传统砂轮主轴系统机械模型 传统砂轮主轴系统机械模型由两部分组成，一部分是砂轮转子机械模型，另 一部分是磨削力模型。 砂轮在运转过程中由于轴的弹性变形作用导致 砂轮质心的位置不断发生变化，即砂轮在运转过程 中其几何偏心量( 砂轮质心到电主轴几何中心的距 离) 是动态变化的。为了能反映砂轮动奄几何偏心， 建立砂轮转子机械模型的运动微分方程，以电主轴 的几何轴心为原点o ，阻运转状态下砂轮质心o 。帽 列于原点o 的偏心量为径向坐标r ，以向量o o ，逆时 针方向旋转角为角坐标日，建立如图2 1 所示砂轮 在极坐标系下的受力分析国。 图2 1 砂轮受力分析示意国 由于砂轮作平面运动，它不仅绕过电主轴几 j 中心d 的轴转动，而且沿坐标r 方向作平动。因此。砂轮的动能由两部分组成，一部分为绕过电主轴几何中心o 的轴的转动动能，另一部分为沿坐标，方向的平动动能。故，砂轮的动能为： 的轴的转动动能，另一部分为治坐标，方向的平动动能。故，砂轮的动能为： r ：一1m pz + 土( 以+ m r 2 ) 扫2 ( 2 1 ) 22 、。 、 将方程( 2 1 ) 的左右两边分别对r 、，、口和扫求偏导数得： 考虑到砂轮转子( 不计轴的质量) 所受到的广义力，由虚功原理可彳导： i o ，= ( e m g ) s i n o 一只c o s 0 一| i ( ，一p ) 一c ，1 。 【q o = i 5 艿+ ( 只一m g ) r c o s 0 一f ( 露一r s i n 0 ) 一c o o 、 式中，q ，、q 。分别表