精密数控磨床气磁轴承主轴设计及数字控制研究

论文摘要

本文将精密气磁轴承技术应用在精密磨床主轴系统中。精密磨床主轴是实现精密磨床高精度磨削的核心关键部件。气磁轴承是结合了静压气体轴承和主动磁轴承的一种新型主轴支承型式,具有回转精度高、承载能力大、刚度大及可控性好等优点。将精密气磁轴承应用在精密磨床主轴系统中,以提高磨床主轴的回转精度、承载能力和刚度。设计了一种结构型式的精密磨床气磁轴承主轴系统,采用两个静压气体轴承和两个主动磁轴承作为径向轴承,一个止推磁轴承作为轴向轴承,详细进行了结构参数的设计,通过对精密磨床气磁轴承主轴系统的研究分析,推导出系统单自由度动力学模型和五自由度动力学模型;对精密磨床主轴系统采用分散控制方法,分别采用数字PID控制算法实现对各自由度的控制;研究了主轴不平衡振动误差分离与补偿控制方法,设计了基于TMS320F2812 DSP的数字控制系统的硬件电路与软件程序流程图;最后,进行了试验台结构的设计,并绘制了系统装配图。通过MATLAB语言对系统动力学模型进行数值仿真,结果显示,所设计的精密磨床主轴系统在运动中是稳定的;利用MATLAB/SIMULINK对所采用的不平衡补偿控制方法进行仿真,结果表明,该补偿控制方法达到了分离不平衡振动信号,提高主轴回转精度的目的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 精密磨削技术与精密磨床概述
• 1.3 精密磨床主轴轴承技术研究现状
• 1.4 气磁轴承技术的发展及研究现状
• 1.4.1 静压气体轴承的发展及研究现状
• 1.4.2 主动磁轴承发展及研究现状
• 1.5 课题主要研究内容
• 2 精密磨床气磁轴承主轴结构参数设计
• 2.1 精密磨床气磁轴承主轴系统原理
• 2.2 静压气体轴承
• 2.2.1 小孔节流静压气体轴承的结构原理
• 2.2.2 小孔节流静压气体轴承参数设计
• 2.3 主动磁轴承
• 2.3.1 径向磁轴承的设计
• 2.3.2 轴向磁轴承设计
• 2.4 本章小结
• 3 精密磨床气磁轴承主轴静特性与动力学分析
• 3.1 静压气体轴承静态特性分析
• 3.1.1 小孔节流静压气体轴承的雷诺方程
• 3.1.2 静压气体轴承静态特性
• 3.2 主动磁轴承的电磁力
• 3.3 单自由度气磁轴承的动力学模型
• 3.4 五自由度精密磨床主轴系统动力学模型
• 3.5 精密磨床气磁轴承主轴系统动力学模型的数值仿真
• 3.6 本章小结
• 4 精密磨床气磁轴承控制算法与不平衡补偿
• 4.1 主动磁轴承控制系统的组成
• 4.2 单自由度系统的传递函数
• 4.3 气磁轴承PID控制器的设计
• 4.3.1 数字PID控制算法实现及仿真
• 4.3.2 数字PID算法的改进
• 4.4 精密磨床气磁轴承主轴不平衡补偿控制
• 4.4.1 不平衡补偿原理及其实现
• 4.4.2 不平衡补偿控制仿真结果分析
• 4.5 本章小结
• 5 基于TMS320F2812的数字控制系统
• 5.1 数字信号处理器（DSP）简介
• 5.1.1 TI公司的TMS320系列DSP芯片
• 5.1.2 TMS320F2812 DSP功能概述
• 5.2 控制系统硬件设计
• 5.2.1 抗混叠滤波电路设计
• 5.2.2 A/D采用通道设计
• 5.2.3 D/A转换通道设计
• 5.2.4 DSP复位电路设计
• 5.2.5 串行通信接口设计
• 5.3 控制系统软件设计
• 5.3.1 集成开发环境CCS
• 5.3.2 软件设计流程图
• 5.4 本章小结
• 6 精密磨床气磁轴承主轴系统试验台简介
• 6.1 试验台的结构
• 6.2 试验台外围设备
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢