機械專業(yè)畢業(yè)論文開題報告
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1 課題提出的背景與研究意義
1.1 課題研究背景
在數(shù)控機床移動式加工中移動部件和靜止導(dǎo)軌之間存在著摩擦，這種摩擦的存在增加了驅(qū)動部件的功率損耗，降低了運動精度和使用壽命，增加了運動噪聲和發(fā)熱，甚至可能使精密部件變形，限制了機床控制精度的提高。由于摩擦與運動速度間存在非線性關(guān)系，特別是在低速微進給情況下，這種非線性關(guān)系難以把握，可能產(chǎn)生所謂的尺蠖運動方式或混沌不清的極限環(huán)現(xiàn)象，嚴重破壞了對微進給、高精度、高響應(yīng)能力的進給性能要求。為此，把消除或減少摩擦的不良影響，作為提高機床技術(shù)水平的努力方向之一。該課題提出的將磁懸浮技術(shù)應(yīng)用到數(shù)控機床加工中，即可以做到消除移動部件與靜止導(dǎo)軌之間存在的摩擦及其不良影響。對提高我國機床工業(yè)水平及趕上或超過國際先進水平具有重大意義，且社會應(yīng)用前景廣闊。
1.2課題研究的意義
機床正向高速度、高精度及高度自動化方向發(fā)展。但在高速切削和高速磨削加工場合，受摩擦磨損的影響，傳統(tǒng)的滾動軸承的壽命一般比較短，而磁懸浮軸承可以克服這方面的不足，磁懸浮軸承具有的高速、高精度、長壽命等突出優(yōu)點，將逐漸帶領(lǐng)機電行業(yè)走向一個沒有摩擦、沒有損耗、沒有限速的嶄新境界。超高速切削是一種用比普通切削速度高得多的速度對零件進行加工的先進制造技術(shù)，它以高加工速度、高加工精度為主要特征，有非常高的生產(chǎn)效率，磁懸浮軸承由于具有轉(zhuǎn)速高、無磨損、無潤滑、可靠性好和動態(tài)特性可調(diào)等突出優(yōu)點，而被應(yīng)用于超高速主軸系統(tǒng)中。要實現(xiàn)高速切削，必須要解決許多關(guān)鍵技術(shù)，其中最主要的就是高速切削主軸系統(tǒng)，而選擇合理的軸承型式對實現(xiàn)其高轉(zhuǎn)速至關(guān)重要。其中，磁懸浮軸承是高速切削主軸最理想的支承型式之一。磁懸浮軸承可以滿足超高速切削技術(shù)對超高速主軸提出的性能要求。但它與普通滑動或滾動軸承的本質(zhì)區(qū)別在于，系統(tǒng)開環(huán)不穩(wěn)定，需要實施主動控制，而這恰恰使得磁懸浮軸承具有動特性可控的優(yōu)點磁懸浮軸承是一個復(fù)雜的機電磁一體化產(chǎn)品，對其精確的分析研究是一項相當(dāng)困難的工作，如果用實驗驗證則會碰到諸如經(jīng)費大、周期長等困難，在目前國內(nèi)情況下不能采取國外以試驗為主的研究方法，主要從理論上進行研究，利用計算機軟件對磁懸浮控制系統(tǒng)進行仿真是一種獲得磁懸浮系統(tǒng)有關(guān)特征簡便而有效的方法。這就是本課題的研究目的和意義。
2 本課題國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀
磁懸浮軸承的應(yīng)用與發(fā)展可以說是傳統(tǒng)支承技術(shù)的革命。由于具有無機械接觸和可實現(xiàn)主動控制兩個顯著的優(yōu)點，主動磁懸浮軸承技術(shù)從一開始就引起了人們的重視。磁懸浮軸承的研究最早可追溯到1937年，Holmes和Beams利用交流諧振電路實現(xiàn)了對鋼球的懸浮。自1988年起，國際上每兩年舉行一屆磁懸浮軸承國際會議，交流和研討該領(lǐng)域的最新研究成果；1990年瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院提出了柔性轉(zhuǎn)子的研究問題，同年G.Schweitzer教授提出了數(shù)字控制問題；1998年瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的R.Vuillemin和B.Aeschlimann等人提出了無傳感器磁懸浮軸承。近十年，瑞士、美國、日本等國家研制的電磁懸浮軸承性能指標已經(jīng)很高，并且已成功應(yīng)用于透平機械、離心機、真空泵、機床主軸等旋轉(zhuǎn)機械中，電磁懸浮軸承技術(shù)在航空航天、計算機制造、醫(yī)療衛(wèi)生及電子束平版印刷等領(lǐng)域中也得到了廣泛的應(yīng)用�？v觀2006年在洛桑和托里諾召開的第10界國際磁軸承研討會，磁軸承主要應(yīng)用研究為磁軸承在高速發(fā)動機、核高溫反應(yīng)堆（HTR-10GT）、人造心臟和回轉(zhuǎn)儀等方面。國內(nèi)在磁懸浮軸承技術(shù)方面的研究起步較晚，對磁懸浮軸承的研究起步于80年代初。
1983年上海微電機研究所采用徑向被動、軸向主動的混合型磁懸浮研制了我國第一臺全懸浮磁力軸承樣機；1988年哈爾濱工業(yè)大學(xué)的陳易新等提出了磁力軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的理論和方法，建立了主動磁力軸承機床主軸控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，這是首次對主動磁力軸承全懸浮機床主軸從結(jié)構(gòu)到控制進行的系統(tǒng)研究；1998年，上海大學(xué)開發(fā)了磁力軸承控制器（600W）用于150m制氧透平膨脹機的'控制；2000年清華大學(xué)與無錫開源機床集團有限公司合作，實現(xiàn)了內(nèi)圓磨床磁力軸承電主軸的工廠應(yīng)用實驗。目前，國內(nèi)清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、國防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等等都在開展磁懸浮軸承方面的研究。2002年清華大學(xué)朱潤生等對主動磁懸浮軸承主軸進行磨削試驗，當(dāng)轉(zhuǎn)速60000r／min、法向磨削力100N左右時，精度達到小于8m的水平，精磨磨削效率基本達到工業(yè)應(yīng)用水平。2003年6月，南京航空航天大學(xué)磁懸浮應(yīng)用技術(shù)研究所研制的磁懸浮干燥機的性能指標已通過江蘇省技術(shù)鑒定，向工業(yè)應(yīng)用邁出了可喜的一步。2005年“濟南磁懸浮工程技術(shù)研究中心”研制的磁懸浮軸承主軸設(shè)備，在濟南第四機床廠做磨削試驗，成功磨制出一個內(nèi)圓孔工件，這是我國第一個用磁懸浮軸承主軸加工的工件。此項技術(shù)填補了國內(nèi)空白。近幾年來，由于微電子技術(shù)、信號處理技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，磁懸浮軸承的研究也取得了巨大進展。
從總體上看，磁懸浮軸承技術(shù)正向以下幾個方向發(fā)展：
(1)理論分析更注重系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析，更多地運用非線性理論對主動
磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的平衡點和穩(wěn)定性進行分析；更注重建立系統(tǒng)的非線性耦合模型以求得更好的性能。
(2)注重系統(tǒng)的整體優(yōu)化設(shè)計，不斷提高其可靠性和經(jīng)濟性，以期獲得磁懸浮軸承更加廣泛的應(yīng)用前景。
(3)控制器的實現(xiàn)越來越多的采用數(shù)字控制。為達到更高的性能要求，控制器的數(shù)字化、智能化、集成化成為必然的發(fā)展趨勢。由于數(shù)字控制器的靈活性，各種現(xiàn)代控制理論的控制算法均在磁懸浮軸承上得到嘗試。
(4)發(fā)展了多種新型磁懸浮軸承如：無傳感器磁懸浮軸承、無軸承電機超導(dǎo)磁懸浮軸承、高溫磁懸浮軸承。此外，磁懸浮機床主軸在各方面也有較大的發(fā)展空間如：高潔凈鋼材Z鋼和EP鋼的引入；陶瓷滾動體，重量比鋼球輕40%；潤滑技術(shù)的開發(fā)，對于高速切削液的主軸，油液和油霧潤滑能有效防止切削液進入主軸；保持架的開發(fā)，聚合物保持架具有重量，自潤滑及低摩擦系數(shù)的特點從應(yīng)用的角度看，磁懸浮軸承的潛力尚未得到的發(fā)掘，而它本身也未達到替代其它軸承的水平，設(shè)計理論，控制方法等都有待研究和解決。
3 課題的研究目標與研究內(nèi)容
3.1 研究目標
控制器是主動控制磁懸浮軸承研究的核心，因此正確選擇控制方案和控制器參數(shù)，是磁懸浮軸承能夠正常工作和發(fā)揮其優(yōu)良性能的前提。該課題主要研究單自由度磁懸浮系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單，性能評判相對容易、研究周期短，并且可以擴展到多自由度磁懸浮系統(tǒng)的研究。針對磁懸浮主軸系統(tǒng)的非線性以及在控制方面的特點，該課題探索出提高系統(tǒng)總體性能和動態(tài)穩(wěn)定性的有效控制策略。
3.2 主要研究內(nèi)容
�。�1）闡述課題的研究背景與意義，對國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究狀況進行綜述。
�。�2）對磁懸浮機床主軸的動力學(xué)模型進行分析，并將其數(shù)值化、離散、解耦和降階等，為后續(xù)研究
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