磨床M7130进给系统的改造及直线电机应用的研究

摘要

高速磨削技术作为近年来兴起的一种先进加工技术，常常用于零件的精加工，可以获得较好的精度与表面特性。一台高速磨削机床不仅需要转速较高的电主轴，其进给系统的性能也是尤为重要的。进给系统的定位能力、速度、加速度性能对被加工零件的轮廓精度与表面粗糙度产生直接影响。所以，对于磨床M7130进给系统的数控化、高速化改造是十分必要的。
　　本文对磨床M7130现有结构优缺点做出细致分析总结之后，比较对照了数种进给系统常用驱动元件，决定采用永磁同步直线电机结构替换原有的液压缸进给结构来实现磨床M7130进给系统的数控化、高速化改造。
　　本文首先分析磨床现进给系统的受力载荷以及结构尺寸，在确定磨床主要技术参数之后预选定直线电机与直线导轨型号，并改造磨床现有结构保证直线电机装配的精度。基于三维实体软件PRO/E对改造后磨床进给系统建立模型，并导入有限元分析软件ANSYS建立有限元模型。通过分析床身、工作台、电机安装平台的应力、应变云图以及模态阵型图找出改造后结构中存在的薄弱环节与不足之处，对其进行二次改造，使其最终符合磨床正常工作的强度、刚度要求。
　　其次对此次改造的核心部件一永磁同步直线电机的性能进行了分析。提出了优化永磁同步直线电机性能的方法，应用电磁有限元仿真软件ANSOFT对永磁同步直线电机的气隙、初级齿槽形状、次级永磁体排布做出了分析，结合分析结果对电机进行了结构的优化设计，取得了良好的结果。
　　最后对进给系统伺服系统进行了研究，主要探究了永磁同步直线电机的控制方法。基于确立的控制方法设计出永磁同步直线电机三环伺服控制系统，并利用MATLAB软件下的Simulink模块对其仿真分析。结果证明了设计的伺服控制系统具有良好的动态特性与抗扰动性。
　　本文对机床进给系统不论是从机械结构上还是伺服控制系统上都做了比较深入的研究，得到的理论成果可以为实际工程中机床的生产或改造提供有力依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 机床进给系统改造设计及特性研究概况

1．2．1 机床进给系统研究的重要性

1．2．2 机床进给伺服系统研究现状

1．3 永磁同步直线电机性能及其控制系统的研究

1．3．1 直线电动机概述

1．3．2 数控机床中永磁同步直线电机应用及研究现状

1．4 本文的主要研究内容

第二章 平面磨床进给系统的结构改造

2．1 平面磨床及其进给系统结构简介

2．2．磨床受力分析

2．2．1 磨床各部件的质量

2．2．2 磨削力的计算

2．2．3 磨床进给系统部分受力分析

2．3 PMLSM及直线滚动导轨副的选择

2．3．1 磨床运动要求的参数确定

2．3．2 预选定直线电动机

2．3．3 参数验算

2．3．4 导轨的选择与计算

2．4 机床床身与工作台的结构改造

2．4．1 机床床身结构改造

2．4．2 机床工作台结构改造

2．4．3 电机安装平台的设计与装配

2．4．4 床身、工作台、直线滚动导轨副以及PMLSM的装配

2．5 机床散热、防磁等问题的解决方法

2．5．1 PMLSM散热问题的解决办法

2．5．2 PMLSM防磁与密封问题的解决办法

2．5．3 其他部件的安装与调试

2．6 本章小结

第三章 改造后进给系统的有限元分析与优化设计

3．1 有限元法及ANSYS简介

3．2 床身有限元分析

3．3 工作台有限元分析

3．4 直线电机安装平台有限元分析

3．5 本章小结

第四章 PMLSM特性分析

4．1 PMLSM结构及基本工作原理

4．1．1 PMLSM结构

4．1．2 永磁同步直线电动机基本工作原理

4．2 影响PMLSM性能的因素

4．3 电磁场有限元理论

4．4 气隙与推力大小关系的研究

4．5 斜极对PMLSM推力波动抑制的研究

4．5．1 永磁同步直线电动机推力波动产生原因及优化方法

4．5．2 永磁同步直线电动机的有限元分析

4．5．3 仿真结果及分析

4．5．4 斜极的实现形式

4．6 端部齿形状对PMLSM端部效应抑制的研究

4．7 本章小结

第五章 直线电机伺服控制系统的设计

5．1 交流永磁同步直线电机的矢量控制原理

5．1．1 交流永磁同步直线电机的矢量控制

5．1．2 交流永磁同步直线电机的数学模型

5．1．3 脉宽调制技术

5．2 永磁同步直线电机交流伺服系统

5．2．1 交流伺服系统结构设计

5．2．2 伺服控制系统MATLAB仿真

5．3 位置环和速度环的改进设计与仿真

5．3．1 传统PID控制

5．3．2 模糊PID控制

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文