喬曉利

(1. 紹興文理學(xué)院元培學(xué)院，浙江紹興 312000; 2. 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州 310027 )

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磁懸浮電主軸系統(tǒng)動態(tài)分析及振動控制技術(shù)綜述

喬曉利1,2

(1. 紹興文理學(xué)院元培學(xué)院，浙江紹興 312000; 2. 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州 310027 )

高速電主軸性能的好壞直接決定著高檔機(jī)床的發(fā)展，而切削系統(tǒng)的動態(tài)特性及振動控制效果又與電主軸的性能密不可分，它們互相影響、協(xié)同決定著機(jī)械加工過程中的切削效率、工件的表面質(zhì)量以及刀具的使用壽命。為此，對磁懸浮電主軸、磁懸浮軸承-柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)建模理論和動力學(xué)特性及柔性磁懸浮電主軸轉(zhuǎn)子振動主動控制技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行了評述，指出了目前柔性磁懸浮電主軸切削領(lǐng)域中所存在的問題，并對磁懸浮電主軸研究的發(fā)展趨勢及應(yīng)用前景進(jìn)行了預(yù)測。

振動控制；磁懸浮軸承；電主軸；切削；動態(tài)特性

隨著數(shù)控機(jī)床向高速化方向的發(fā)展，傳統(tǒng)機(jī)床已不能滿足高速化機(jī)械加工的需要，如今機(jī)械加工領(lǐng)域?qū)C(jī)床提出了更高的要求：不僅要求轉(zhuǎn)速高、效率高、精度高，還要求可靠性高。為了順應(yīng)時(shí)代的要求，電主軸應(yīng)運(yùn)而生。它是由電動機(jī)和機(jī)床主軸結(jié)合為一體的新型機(jī)床主軸技術(shù)，靠高頻交流電動機(jī)驅(qū)動，因此也被稱為“高頻電主軸”(high frequency spindle)或“直接傳動主軸”(direct drive spindle)。由于在機(jī)械加工過程中，刀具或者工件直接安裝在電主軸的端部，電主軸性能的好壞不僅對工件的加工精度及表面質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，而且對機(jī)床的生產(chǎn)率也影響巨大。因此，作為機(jī)床關(guān)鍵部件之一的電主軸直接決定著高速機(jī)床的整體發(fā)展水平[1-3]。

高速加工技術(shù)的不斷發(fā)展使得傳統(tǒng)的機(jī)床軸承成為電主軸高速化發(fā)展的障礙。傳統(tǒng)的滾動軸承和靜壓軸承所表現(xiàn)出的振動、噪聲、發(fā)熱、污染環(huán)境、增加能耗及使用壽命短等諸多問題已不能滿足高速化電主軸的要求。磁懸浮軸承的出現(xiàn)為電主軸向大功率、高轉(zhuǎn)速方向發(fā)展提供了可能。目前，作為高速電主軸關(guān)鍵技術(shù)之一的磁懸浮軸承技術(shù)已是國外發(fā)達(dá)國家研究的重點(diǎn)，有些研究機(jī)構(gòu)已開始研究大功率超高速的電主軸。磁懸浮軸承的完全無機(jī)械摩擦、無需潤滑、無振動和噪聲、溫升小等優(yōu)點(diǎn)使得它已成為高速主軸支撐技術(shù)的首選[4-5]。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 磁懸浮電主軸

國內(nèi)外學(xué)者在磁懸浮電主軸方面進(jìn)行了較深入的研究，并取得了一些成果，有些磁懸浮電主軸已投入工業(yè)應(yīng)用。世界上第1臺高速磁懸浮電主軸機(jī)床在1977年由法國的S2M公司研制成功；1981年，在歐洲國際機(jī)床展覽會議上，該公司第一次推出了轉(zhuǎn)速高達(dá)3.5×104r/min的B20/500磁懸浮主軸系統(tǒng)并進(jìn)行了鉆削和銑削演示；隨后該公司又成功研發(fā)了轉(zhuǎn)速高達(dá)1.8×104r/min的磨床主軸系統(tǒng)并投入工業(yè)應(yīng)用；目前，該公司已研發(fā)出30多個(gè)品種、數(shù)百套磁懸浮軸承用于各類機(jī)床。日本在1990年研制出轉(zhuǎn)速為1.8×106r/min的超高速且加工精度超過滾珠軸承磨削的電主軸，并能夠在線監(jiān)測研磨力、砂輪磨損等參數(shù)。1995年,瑞士IBAG公司成功研制出轉(zhuǎn)速為4×104r/min，穩(wěn)定運(yùn)行功率為30 kW，最大功率達(dá)40 kW的銑削電主軸產(chǎn)品，已投入工業(yè)生產(chǎn)。1996年瑞士的PHILPP等在日本召開的第5屆磁軸承國際會議上介紹了轉(zhuǎn)速達(dá)4×104r/min，功率為35 kW，切削力高達(dá)1 kN切削機(jī)床用的數(shù)控磁軸承[6-9]。除此之外,還有很多國外學(xué)者對磁懸浮電主軸進(jìn)行了大量的研究,例如：DRUMET不僅對磁懸浮軸承應(yīng)用于高速電主軸時(shí)所要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)描述，還對磁懸浮電主軸的性能做了研究；回轉(zhuǎn)精度小于2 μm的磁懸浮電主軸由NONAMIA研制成功；SIEGWART等對高速磨削用磁懸浮電主軸的性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究；荷蘭的KIMMAN等成功研制最高轉(zhuǎn)速達(dá)1.5×105r/min的銑削用磁懸浮電主軸[10]。磁懸浮電主軸在工業(yè)應(yīng)用方面處于國際領(lǐng)先地位的主要有法國、德國、瑞士、日本，這些國家研制生產(chǎn)的磁懸浮電主軸已成功應(yīng)用于數(shù)百臺機(jī)床[11-12]。

在中國進(jìn)行磁懸浮電主軸研究的單位中，高等院校主要有清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、上海大學(xué)、山東科技大學(xué)、江蘇大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、浙江大學(xué)、大連交通大學(xué)等；科研單位主要有洛陽軸承研究所、山東省磁懸浮軸承工程技術(shù)研究中心，以及廣州機(jī)床研究所。關(guān)于磁懸浮電主軸的研究最早起于20世紀(jì)50年代。1986年，廣州機(jī)床研究所與哈爾濱工業(yè)大學(xué)首先對磁力軸承的開發(fā)及在柔性制造系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究后，才逐漸引起國家的重視。目前，在中國磁懸浮電主軸的研究也日益增多，有些研究成果已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室逐漸走向工業(yè)化。1990年，西安交通大學(xué)第一次研制出最高轉(zhuǎn)速為3 000 r/min的四自由度能夠穩(wěn)定懸浮的磁懸浮軸承；到1992年已有多個(gè)轉(zhuǎn)速高達(dá)60 000 r/min的磁懸浮軸承試驗(yàn)臺在南京航空航天大學(xué)搭建成功；而在1994年,該校為開封空分機(jī)廠成功研制了轉(zhuǎn)速達(dá)35 000 r/min的磁懸浮軸承[13-17]。最近幾年，關(guān)于磁懸浮電主軸的研究主要有：山東科技大學(xué)的丁鴻昌[18]于2012年對磁懸浮高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子動力學(xué)與振動控制進(jìn)行了研究，主要研究了高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度、磁軸承的支承特性、磁懸浮轉(zhuǎn)子的動力學(xué)特性、磁懸浮轉(zhuǎn)子穿越臨界轉(zhuǎn)速的振動控制，并研制了一臺4 kW，60 000 r/min 的磁懸浮高速永磁電機(jī)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)對上述部分研究內(nèi)容進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。山東大學(xué)的李德廣等[19]研究了基于磁懸浮軸承高速電主軸的法向磨削力檢測方法。江蘇大學(xué)的吳瑩[20]在2013年對五自由度磁懸浮電主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制進(jìn)行了研究, 該五自由度磁懸浮電主軸由一個(gè)無軸承異步電機(jī)與一個(gè)三自由度軸向混合磁軸承構(gòu)成。鄭仲橋等[21]于2013年在磁懸浮電主軸的基礎(chǔ)上提出了一種基于TMS320F28335數(shù)字電位器的數(shù)?；旌鲜絇ID控制器，該控制器解決了數(shù)字控制器響應(yīng)較慢和模擬控制器參數(shù)調(diào)整困難的問題。

在工業(yè)應(yīng)用方面，清華大學(xué)的張德魁等[22]首先研制出達(dá)到了工業(yè)應(yīng)用水平的全電磁懸浮內(nèi)圓磨床用電主軸；接著，清華大學(xué)磁懸浮軸承研究所為無錫磨床廠研制出磁懸浮磨床主軸。除了湖南大學(xué)的李波等[23]、清華大學(xué)的楊作興等[24]研制出了轉(zhuǎn)速高達(dá)60 000 r/min并接近工業(yè)應(yīng)用水平的磁懸浮磨床用電主軸，在國家863計(jì)劃的支持下山東省磁懸浮工程技術(shù)研究中心重點(diǎn)研究了高速數(shù)控磨床的磁懸浮電主軸，并成功地進(jìn)行了磨削試驗(yàn)[10]。該項(xiàng)目在主軸設(shè)計(jì)、功率放大器、控制器以及高速電機(jī)的研制方面進(jìn)行了大量研究，采用DSP芯片實(shí)現(xiàn)了控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測顯示一體化，實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)速、高剛度和高回轉(zhuǎn)精度；在取得樣機(jī)試驗(yàn)成功的基礎(chǔ)上，又在數(shù)控磨床上成功進(jìn)行了工業(yè)現(xiàn)場的高速磨削試驗(yàn)，工件粗糙度(Ra)為0.89 μm，意義重大，應(yīng)用前景廣闊[25]。此外，還有其他研究人員進(jìn)行了磁懸浮電機(jī)的研究[26-27]。

1.2 磁懸浮軸承-柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)建模理論及動力學(xué)特性

隨著電主軸轉(zhuǎn)速的升高，磁懸浮電主軸的運(yùn)行越來越不穩(wěn)定,這主要是由于當(dāng)電主軸轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速超過一定值時(shí)，它將表現(xiàn)出柔性特性，動態(tài)性能將變得更加復(fù)雜。在磁懸浮軸承支承的高速機(jī)械加工領(lǐng)域，要全面提高磁懸浮電主軸轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動態(tài)性能，僅僅關(guān)注電主軸轉(zhuǎn)子和軸承之間的支承關(guān)系是不充分的，必須考慮電主軸轉(zhuǎn)子的柔性特性。

在磁懸浮軸承支承特性研究方面，現(xiàn)有的理論研究大多都是基于傳遞函數(shù)表達(dá)式和標(biāo)準(zhǔn)PID 控制[28-31]，也有學(xué)者采用其他方法確定磁懸浮軸承支承特性參數(shù)，例如：BALOH 等[32]通過最小均方誤差自適應(yīng)估計(jì)對磁懸浮軸承的電流剛度系數(shù)和位移剛度系數(shù)進(jìn)行了測試；JEON等[33]通過激勵(lì)法對柔性轉(zhuǎn)子模型的參數(shù)和剛度特性進(jìn)行了測試并對PID控制下的磁懸浮軸承支承特性參數(shù)進(jìn)行了識別。中國最早對電磁軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行研究的代表為西安交通大學(xué)的虞烈[34]；接著，上海大學(xué)的汪希平等[35]利用傳遞函數(shù)法分析了磁懸浮軸承的特性；合肥工業(yè)大學(xué)的李林[36]及武漢理工大學(xué)的盧長明[37]也對電磁軸承的阻尼和剛度特性進(jìn)行了分析和研究；胡業(yè)發(fā)[38]根據(jù)磁力軸承的支承特性規(guī)律，對磁力軸承的時(shí)域剛度和阻尼進(jìn)行了建模。吳華春等[39]采用試驗(yàn)測量和有限元分析相結(jié)合的方法對磁懸浮磨削的熱特性進(jìn)行了研究。趙雷等[40]研究了轉(zhuǎn)子的陀螺效應(yīng)對磁懸浮軸承控制器參數(shù)設(shè)計(jì)的影響。還有，重慶大學(xué)的楊鋼[41]、北京理工大學(xué)的呂冬明等[42]和浙江理工大學(xué)的蔣科堅(jiān)[43-44]也對磁懸浮軸承的支撐特性進(jìn)行了研究。

傳遞矩陣法和有限元法是目前分析柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性的有效方法。由于傳遞矩陣法的程序簡單、運(yùn)算快，在過去很長一段時(shí)間里，傳遞矩陣法在柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)的研究中占主導(dǎo)地位。由于利用有限元法建立的模型能夠反映轉(zhuǎn)動慣量、陀螺力矩、軸向載荷、外內(nèi)阻以及剪切變形等因素對轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性的影響，因此有限元法被認(rèn)為是更為精確的建模方法。但其計(jì)算矩陣隨轉(zhuǎn)子的節(jié)點(diǎn)數(shù)急劇增加，計(jì)算量也成倍增加。如今，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，計(jì)算量已不再成為主要障礙，有限元法的優(yōu)勢凸顯。最近有限元法已經(jīng)成為柔性轉(zhuǎn)子動力學(xué)常用的分析工具。雖然關(guān)于柔性轉(zhuǎn)子的動力學(xué)特性的研究已較深入，但基于磁懸浮軸承支承的柔性轉(zhuǎn)子的研究還相對較少。特別在國內(nèi)，研究的學(xué)者更少。清華大學(xué)核能與新能源研究院磁軸承研究所開展了基于磁懸浮軸承的柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動的研究，并建立了磁懸浮軸承-柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺。浙江大學(xué)的祝長生[45]在對永磁軸承、磁懸浮軸承、轉(zhuǎn)子動力學(xué)等進(jìn)行大量研究的基礎(chǔ)上，對主動電磁永磁/高溫超導(dǎo)混合磁軸承高速飛輪系統(tǒng)進(jìn)行了較深入地研究，并建立了主動磁軸承的高速飛輪裝置；目前，又完成了電磁軸承-柔性轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)平臺，正在開展柔性轉(zhuǎn)子不平衡振動控制、裂紋轉(zhuǎn)子等相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。此外，李克雷等[46]、萬金貴等[47]也對磁懸浮柔性轉(zhuǎn)子的特性進(jìn)行了研究。2014年，北京航空航天大學(xué)慣性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的黃梓嫄等[48]對非線性接觸下磁懸浮電機(jī)柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模態(tài)進(jìn)行了分析。在機(jī)械加工領(lǐng)域，對柔性磁懸浮電主軸系統(tǒng)的動態(tài)特性進(jìn)行研究的有吳華春等[49]，而上海大學(xué)的楊新洲[50]、吳國慶[51]和合肥工業(yè)大學(xué)的李香濱[52]、劉建明[53]對磁懸浮電主軸轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)特性進(jìn)行了研究，上海大學(xué)的學(xué)者僅僅研究了控制器參數(shù)對電主軸轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性的影響，而合肥工業(yè)大學(xué)通過仿真軟件對磁懸浮電主軸轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)特性進(jìn)行了分析。

1.3 柔性磁懸浮電主軸轉(zhuǎn)子振動主動控制技術(shù)

隨著電主軸轉(zhuǎn)速的升高，電主軸轉(zhuǎn)子及刀具由于加工所造成的質(zhì)量不平衡、刀具的長期磨損以及加工過程中刀具受到的瞬態(tài)激振力都將會導(dǎo)致切削過程的極大振動，在該振動的影響下，電主軸轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動態(tài)特性發(fā)生了變化，從而降低了切削加工精度，造成機(jī)械加工系統(tǒng)的不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)還可能造成設(shè)備和人身傷害事故。為此，機(jī)械加工過程中的振動問題一直以來都受到極大的關(guān)注。

1)在柔性磁懸浮轉(zhuǎn)子振動控制方面

柔性轉(zhuǎn)子振動主動控制方法主要有模態(tài)平衡法和影響系數(shù)法。模態(tài)平衡法是根據(jù)振動模態(tài)逐階平衡不平衡量，這種方法首先必須找到各個(gè)模態(tài)所對應(yīng)的不平衡量，為此該方法必須精確獲知轉(zhuǎn)子對象的振動模態(tài)信息，因此，精確的數(shù)學(xué)模型是模態(tài)平衡法的前提。而影響系數(shù)法的最大優(yōu)點(diǎn)就是不依賴于控制對象的數(shù)學(xué)模型，直接以校正力和節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系實(shí)現(xiàn)振動控制，與轉(zhuǎn)子的模態(tài)特征無關(guān)，只要求轉(zhuǎn)子振動在線性范圍。因此，目前電磁軸承-柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)控制領(lǐng)域被普遍認(rèn)為最有前途的方法就是影響系數(shù)法，該方法也是目前電磁軸承柔性轉(zhuǎn)子振動控制領(lǐng)域中采用最多的方法。根據(jù)磁懸浮軸承的特點(diǎn)(具有實(shí)時(shí)性和在線性)及柔性轉(zhuǎn)子振動的實(shí)時(shí)情況，在線調(diào)整電磁校正力，使得柔性轉(zhuǎn)子在各個(gè)轉(zhuǎn)速下的振動控制都達(dá)到最優(yōu)。磁軸承的等效阻尼和剛度能夠通過控制器實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，這就使得通過改變磁軸承的支承特性就可以改變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動態(tài)特性，從而改善轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動特性[54-56]。周朝暾等[57]研究發(fā)現(xiàn)通過改變電磁軸承剛度和阻尼來抑制轉(zhuǎn)子的振動。YU等[58]也通過控制電磁軸承的剛度和阻尼對柔性轉(zhuǎn)子的振動進(jìn)行了主動控制。北京航空航天大學(xué)的湯恩瓊等[59]針對磁懸浮電動機(jī)柔性轉(zhuǎn)子由于振動很難穿越一階彎曲臨界轉(zhuǎn)速的問題，研究了一種綜合多種控制器于一體的振動控制方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制器的有效性；武漢理工大學(xué)的陳喜迎[60]主要研究了磁懸浮柔性轉(zhuǎn)子的控制算法。除此之外，關(guān)于磁懸浮柔性轉(zhuǎn)子的控制算法還有很多[18,61-65]，這里就不再一一列舉。

2)在電主軸振動主動控制方面

隨著高速切削的發(fā)展，切削過程中的振動極大制約著切削過程的高速化，嚴(yán)重影響加工零件的質(zhì)量。為此，基于一般軸承的切削過程中振動的控制技術(shù)已較多，但對基于磁懸浮軸承電主軸轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動控制研究還不是很多。例如清華大學(xué)的張德魁等[66]利用開環(huán)前饋控制方法對磁懸浮磨床電主軸系統(tǒng)中的不平衡振動進(jìn)行了主動控制，實(shí)驗(yàn)表明控制效果良好；TSAI等[65]通過模糊邏輯算法和自適應(yīng)前饋控制器實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)磁懸浮軸承的特性對電主軸轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡振動進(jìn)行了補(bǔ)償；TAMISIER等[67]采用數(shù)字控制器對磁懸浮電主軸轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡振動進(jìn)行抑制?；谌嵝噪娭鬏S轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動控制也有研究，如RADECKI 等[68]利用壓電執(zhí)行器對切削過程的振動進(jìn)行了主動控制；PESCH 等[69]提出了一種魯棒性控制策略借助主動磁軸承對磁懸浮電主軸切削過程中的顫振進(jìn)行了抑制。喬曉利等[70-74]自2009年以來一直致力于柔性電主軸轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動態(tài)特性分析及銑削及切削過程中振動控制技術(shù)的研究。

2 存在的問題

對磁懸浮電主軸的研究主要集中在剛性電主軸的穩(wěn)定懸浮上，對利用磁懸浮軸承來控制機(jī)械加工過程振動的研究還相對較少。隨著電主軸轉(zhuǎn)速的升高，電主軸從剛性變?yōu)槿嵝?，磁軸承的支承特性也隨之變化，再加上切削速度、切削刀具、工件材料等切削條件的變化，二者的特性在切削過程中相互作用、協(xié)同影響，從而使得振動控制變得更加復(fù)雜。

目前，柔性磁懸浮電主軸切削領(lǐng)域存在如下問題。

1)切削機(jī)理的研究還有待深入

目前，大部分研究還是利用穩(wěn)態(tài)下的切削力模型，忽略了很多因素，并沒有考慮切削的瞬態(tài)過程。實(shí)際上切削機(jī)理是相當(dāng)復(fù)雜的，它不僅與切削速度、切削工件的材料、切削角度的變化、刀具的磨損、刀具的材料有關(guān)，還與機(jī)床主軸的陀螺效應(yīng)、軸承的阻尼和剛度、刀具夾的剛度和阻尼、軸的熱運(yùn)動的動態(tài)特性有關(guān)。切削力模型的精確度直接影響切削的動態(tài)特性及振動控制的可靠性。因此，切削機(jī)理的研究有待進(jìn)一步深入。

2)缺乏可變切削條件下的磁懸浮柔性電主軸切削系統(tǒng)機(jī)電耦合的動力學(xué)模型

在主軸轉(zhuǎn)子動力學(xué)領(lǐng)域，傳統(tǒng)的機(jī)械軸承彈性支承的柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)建模理論及其動力學(xué)研究方法已相當(dāng)成熟。同樣，在磁懸浮轉(zhuǎn)子領(lǐng)域，對磁懸浮軸承線性和非線性電磁力特性，以及磁懸浮支承特性的分析研究也非常深入。然而，以上兩者的結(jié)合，即支承在磁懸浮軸承上的整個(gè)柔性電主軸切削系統(tǒng)機(jī)電耦合的動力學(xué)特性的研究有待進(jìn)一步深入，這是因?yàn)樵撓到y(tǒng)的動態(tài)特性將決定著后續(xù)動態(tài)切削系統(tǒng)振動控制的成敗。

①在目前磁懸浮軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)(包括剛性和柔性)研究領(lǐng)域，基本上還是基于傳統(tǒng)機(jī)械軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的分析和建模方法，仍然是通過等效剛度和等效阻尼對磁懸浮軸承進(jìn)行建模來研究轉(zhuǎn)子的動力學(xué)特性。在建模過程中，一般先計(jì)算電磁軸承支承特性的剛度阻尼參數(shù)，再利用計(jì)算結(jié)果遵循傳統(tǒng)機(jī)械軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的建模方法建模。由于傳統(tǒng)建模方法孤立地考慮了磁懸浮軸承的剛度、阻尼參數(shù)隨控制策略的調(diào)節(jié)而變化的特點(diǎn)，實(shí)際上當(dāng)磁懸浮軸承的剛度、阻尼參數(shù)隨機(jī)械加工過程中切削條件主動或被動變化時(shí)，傳統(tǒng)的建模方法已不適用。

②在傳統(tǒng)柔性轉(zhuǎn)子建模表述中，軸承支承的剛度和阻尼參數(shù)所表示的一般是在軸承處的同一位置上的力與位移關(guān)系。而在機(jī)械加工過程中，是以加工刀具端的振動特性為研究目標(biāo)的。這樣，其位移傳感器和磁懸浮軸承的電磁支承力作用點(diǎn)就不在同一位置上。磁懸浮軸承是通過位移的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)懸浮支承，對于剛性轉(zhuǎn)子，由于忽略轉(zhuǎn)子形變，可以近似將傳感器所測位置的轉(zhuǎn)子位移作為電磁力作用點(diǎn)處的轉(zhuǎn)子位移。而柔性轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)速下呈現(xiàn)不同的模態(tài)振型和不同的形變，因此，很難得出傳感器測量處和電磁力作用處位移的簡單換算關(guān)系。另外，由于動態(tài)切削過程復(fù)雜、切削條件可變且作用在柔性電主軸的一端，再加上柔性轉(zhuǎn)子的變形，這樣不同位置上的磁懸浮軸承的電磁支承力的計(jì)算將更加復(fù)雜。這是磁懸浮軸承-柔性電主軸轉(zhuǎn)子切削系統(tǒng)的建模中常有的問題。

3)切削過程中磁懸浮柔性電主軸切削系統(tǒng)的振動控制問題有待深入研究

①隨著電主軸轉(zhuǎn)速的升高，它的動態(tài)特性會發(fā)生不同程度的變化，再加上切削過程中切削力的不斷變化，在一定的磁懸浮支承特性下或者在恒定的切削力模型下，研究切削系統(tǒng)的振動控制是不妥的。

②切削系統(tǒng)中影響加工產(chǎn)品質(zhì)量的振動主要指刀具端的振動，這對于剛性電主軸來說，只要以刀具端振動為目標(biāo)就可以了。但對于柔性電主軸轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，這種以單目標(biāo)為主的控制方法已顯得不妥。已有研究表明，影響系數(shù)法無法通過在轉(zhuǎn)子上某個(gè)位置(節(jié)點(diǎn))施加電磁力的方法完全抑制整個(gè)柔性電主軸轉(zhuǎn)子所有節(jié)點(diǎn)的振動。因此，需要研究新的控制策略以適應(yīng)整個(gè)柔性電主軸轉(zhuǎn)子切削系統(tǒng)的振動控制方法。

3 結(jié) 語

高速電主軸在數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的模塊化、機(jī)床結(jié)構(gòu)的簡化、機(jī)床性能的提高方面起著至關(guān)重要的作用，而如今能夠促進(jìn)高速電主軸進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)就是磁懸浮電主軸。這一關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用必將在高檔機(jī)床領(lǐng)域掀起一場革命。雖然國內(nèi)外對磁懸浮電主軸都已有所研究，但目前的研究成果尚未達(dá)到人們的預(yù)期，隨著機(jī)械加工領(lǐng)域的要求不斷提高，磁懸浮電主軸將會繼續(xù)向高轉(zhuǎn)速、高精度、高速大功率、高剛度、高可靠性等方向發(fā)展。

高精度、高效率的磁懸浮電主軸將會為航空航天、汽車、船舶、精密模具、精密機(jī)械等尖端產(chǎn)品的制造領(lǐng)域提供有力的支持。目前，磁懸浮電主軸技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展也相當(dāng)迅速，各生產(chǎn)廠商在電主軸方面的核心技術(shù)攻關(guān)主要集中在高精度、高加工效率、高智能化等方面，以期形成各自的特色，占領(lǐng)電主軸技術(shù)發(fā)展的制高點(diǎn)。

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Magnetic suspension motorized spindle-cutting system dynamics analysis and vibration control review

QIAO Xiaoli1,2

(1.Department of Yuanpei, Shaoxing College of Arts and Sciences, Shaoxing, Zhejiang 312000, China; 2.College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang 310027, China)

The performance of high-speed spindle directly determines the development of high-end machine tools. The cutting system's dynamic characteristics and vibration control effect are inseparable with the performance of the spindle，which influence each other, synergistic effect together the cutting efficiency, the surface quality of the workpiece and tool life in machining process. So, the review status on magnetic suspension motorized spindle, magnetic suspension bearing-flexible rotor system dynamics modeling theory and status of active control technology of flexible magnetic suspension motorized spindle rotor vibration are studied, and the problems which present in the magnetic suspension flexible motorized spindle rotor systems are refined, and the development trend of magnetic levitation motorized spindle and the application prospect is forecasted.

vibration control; magnetic suspension bearing; motorized spindle; cutting； dynamic characteristics

1008-1542(2016)05-0441-08

10.7535/hbkd.2016yx05003

2015-11-05；

2016-03-31；責(zé)任編輯：王海云

國家自然科學(xué)基金 (51505296)；浙江省自然科學(xué)基金 (LY14E050004)

喬曉利(1975—)，女，河南洛陽人，副教授，博士，主要從事切削動態(tài)及振動控制方面的研究。

E-mail:qiaoxiaoli168@163.com

TG130

A

喬曉利.磁懸浮電主軸系統(tǒng)動態(tài)分析及振動控制技術(shù)綜述[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào),2016,37(5):441-448.

QIAO Xiaoli.Magnetic suspension motorized spindle-cutting system dynamics analysis and vibration control review[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2016,37(5):441-448.