磁悬浮机电耦合系统控制参数动力学优化

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1、济南大学硕十学位论文摘要磁悬浮主轴是以磁悬浮轴承为支承元件的新型主轴单元，具有转速高、精度高、寿命长、无污染等一般主轴无法比拟的优点，成为目前高速数控加工机床的理想主轴单元，在机械加工领域得到了越来越广泛地应用。目前，磁悬浮主轴单元多采用相对位移控制法，即通过位移传感器检测出主轴转子和轴承定子间的相对位移，并采用位移反馈控制来保证主轴较高旋转精度。然而，磁悬浮主轴在加工工件时，通常被安装在机床等复杂弹性基础上。切削力和主轴不平衡力都将以轴承电磁力、内置电机电磁力的变化形式体现出来，并通过主轴定子

2、传给机床，这些电磁力以及其它外界激励的作用都将引起机床的振动，机床振动又将诱发主轴定子绝对空间位置的变化，尽管主轴单元自身的控制参数能够保证主轴与定子间的相对加工精度，但它的绝对空间位置已随定子绝对空间位置的变化而变化，这样就降低了磁悬浮主轴的加工精度。为提高安装在机床等弹性结构上磁悬浮主轴单元的加工精度，尽量削弱机床振动对主轴加工精度的影响。本文对五自由度磁悬浮刚性主轴和立式数控铣床组成的磁悬浮机电耦合系统进行组合建模，并通过优化磁悬浮主轴单元的控制器参数来提高其加工精度。首先，系统阐述了课题

3、研究的现状、目的和意义。通过对基础一磁悬浮轴承一转子系统动态特性研究现状的阐述和分析，指出了目前研究尚存在的不完善之处，提出在建立磁悬浮主轴的模型时，必须计入实际机床振动位移的影响。针对立式数控铣床主轴的结构尺寸，设计了磁悬浮主轴转子的结构，设计并计算出满足立式数控铣床尺寸要求的径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承的结构参数和电气参数。其次，建立了磁悬浮机电耦合系统的数学模型。数学模型表明，磁悬浮主轴的动态特性不仅与其自身的刚度和阻尼有关，而且与机床的动态特性有关。对于磁悬浮机电耦合系统的建模，采用了

4、理论与试验相结合的建模方法，将立式数控铣床与磁悬浮主轴结合点的机械导纳引入了系统动力学方程。为得到反映立式数控铣床动态特性的机械导纳函数，采用锤击激振法对其进行了试验模态分析，识别出了立式数控铣床在V磁悬浮机电耦含系统控制参数动力学优化较低频段内的固有频率、阻尼比、机械导纳函数等模态参数；获得了铣床的振型、试验和拟合频响函数和机械导纳圆。最后，确定了优化模型的设计变量、目标函数和约束条件。在VC6．0环境下编制了基于遗传算法的优化程序，通过改变磁悬浮主轴的结构参数、频率和立式数控铣床的加速度导纳

5、函数矩阵来对各个频率下的磁悬浮主轴PID参数进行动力学优化。分别在不考虑机床振动和考虑机床振动的前提下，对磁悬浮主轴单元在正弦激励作用下的PID控制参数进行了动力学优化；计算出了主轴单元在正弦激励作用下的响应幅值；并对两种情况下的响应幅值进行了比较研究。分析数据表明，优化之后，考虑机床振动的主轴单元PID控制参数优于不考虑机床振动时主轴单元的PID控制参数，通过优化复杂磁悬浮机电耦合系统的PID控制参数可以降低机床振动带来的不利影响，提高磁悬浮主轴单元的加工精度。本文的创新性和新颖性主要体现在两

6、个方面：第一，在考虑机床振动的前提下，采用理论和试验相结合的建模方法，建立了复杂磁悬浮机电耦合系统的数学模型。第二，编写了基于遗传算法的优化程序，对复杂磁悬浮机电耦合系统PID控制参数进行了动力学优化。研究表明，通过优化复杂磁悬浮机电耦合系统的PID控制参数可以提高磁悬浮主轴单元在机床振动影响下的；0n-r精度。关键词：磁悬浮主轴；机电耦合系统；PID控制器；模态分析；动力学优化VI济南大学硕十学位论文AbstractThemagneticsuspensionspindleisanewtypeo

7、fspindlecells，whichissupportedbymagneticbearingsandhasmanyunmatchedadvantagescomparedwiththegeneralspindles，forexample，high—speed，high-precision，longlife，pollution-free，andSOon．Itbecomestheidealspindleunitofcurrenthigh—speedNCmachinetools，andhasbeenm

8、oreandmorewidelyappliedinthefieldofmechanicalprocessing．Atpresent，themagneticsuspensionspindlecontrolsystemalmostusesrelativemotioncontrolstrategy．Itsrelativedisplacementbetweenthespindleandthemagneticbearingsstatorismeasuredwiththedisplacementsensor