A cone-shaped active magnetic healing spindle system for high speed internal grinding with built-in motor that has 7.5kW power and maximum rotational speed of 50,000 rpm is designed and built. Using cone-shaped AMB(Active Magnetic Bearing) system, the axial rotor dick and magnets of conventional 5-axis actuating design can be eliminated. so this concept of design provides a simple magnetic bearing system. In this paper, the cone-shaped electromagnets are designed by magnetic circuit theory, and a de-coupled direct feedback PID controller is applied to control the coupled magnetic bearings. The designed crone-shaped AMB spindle system is built and constructed with a digital control system, which has TMS320C6702 DSP, 16 bit AD/DA, switching power amplifier and gap sensors. As the AMB system provides high damping ratio eliminating overshoot and resonance speed, this spindle runs up to 40,000 rpm stably with about 5${\mu}{\textrm}{m}$ of runout.
본 논문에서는 산업체 CNC(Computer Numerical Control) 분야에서 사용되는 빌트인 타입 스핀들 모터를 구동하기 위한 기법을 제시하였다. 저속 영역에서 유리한 전류 모델과 고속 영역에서 유리한 전압 모델을 혼합해서 사용하는 고피나스 모델 자속추정기는 회전자 자속추정을 위하여 이용하였다. 그리고 약계자 제어를 사용하여 스핀들 모터를 고속 운전하였다. 시뮬레이션과 실험을 통해 약계자 영역에서의 스핀들 모터 고속운전을 확인하였다.
한국정밀공학회 2000년도 Handout for 2000 Inter. Machine Tool Technical Seminar
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pp.109-115
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2000
The spindle unit is core parts in high precision machine tools. Diverse static, dynamic and thermal charateristics of spindle unit are needed for special purpose of machine tools. Compromise between those charateristics will be done in concept design phase. High static stiffness at spindle nose may be very important performance for heavy cutting work. High dynamic stiffness is also useful to high precision and high speed machine tools. Improvement of thermal charateristics in spindle lead to high reliability of positioning accuracy. For high speed spindle structure, the design parameter such as, bearing span, diameter, bearing type and arrangement, preload, cooling and lubrication method should be in harmony.
This paper presents a strategy to drive built in-type spindle induction motor which is used as CNC (Computer Numerical Control) in the industrial world. The direct vector control which is robust to the changed machine parameters in the high speed range is used in this motor control method. And electrical model of induction motor presents the basic idea based on observer structure, which is composed of voltage model and current model. But the former has the defects in low speed range, the latter has the defects of sensitivity to motor parameter. Thus Gopinath model flux estimator which is the closed loop flux observer based on two models for the rotor flut estimation is used in this paper. Moreover this paper presents to drive the spindle motor in the high speed range by using the flux weakening control.
A motor-integrated high-speed spindle system with .psi. 65*25, 000rpm is modeled for analytical and experimental studies related to the dynamic characteristics. And the systematic and rational identification processes for evaluating the material properties of spindle and built-in motor is introduced. The impulse excitation method is applied for the experimental model testing, and the dynamic characteristics of test model is theoretically analysed by using the finite element method based on Timoshenko theory. Especially, the experimental and theoetical results reveal that the test model under the required operational conditions has no critical problem for dynamic characteristics.
The spindle is the main component in machine tools. The static and dynamic stiffness of the spindle directly affect the machining productivity and surface integrity of the workpiece. The static and dynamic stiffness of the spindle depend on the shaft size, bearing arrangement, bearing span length, and so on. Therefore, the selection of shaft size and bearing span length are important to improve the spindle stiffness. This paper presents the determination of shaft size and bearing span length in spindle design step. In order to select the optimal bearing and built-in motor locations with constraint conditions, the extreme vertices design was applied. The results show that extreme vertices design is usable for spindle design with design constraints.
초고속 일체형 주축의 공진주파수가 일체형 주축 시스템의 모터 회전자의 질량과 주축의 굽힘 강성에 의존하기 때문에 초고속 주축 시스템의 동적 특성을 향상시키기 위해 주축과 회전자를 각각 고분자 기지 섬유강화 복합재료와 자성분말이 함침된 에폭시 수지를 이용하여 설계하였다. 설계된 복합재료 회전자의 자기 특성을 향상시키기 위해 내부에 강철 코어를 삽입하였으며, 강철 코어와 전도체 봉의 기하학적 형상의 변화가 전동기의 성능에 미치는 효과를 파악하기 위해 자기 해석을 수행하였다. 유한요소해석을 통해 복합재료 회전자의 최적의 기하학적 조건을 제안하였다. 또한 복합 재료 회전자 재료의 열특성을 파악하기 위해 TMA, DMA및 VSM을 이용한 기계적, 전자기적 물성측정을 수행하여 복합재료 회전자의 최적 설계에 적용하였다.
The spindle system is very important unit for the product accuracy in machine tools. A spindle system is designed by using the angular contact ceramic ball bearings, built-in motor, oil-air lubrication method and oil jacket cooling method. The static and dynamic analysis and stiffness evaluation of 45,000rpm spindle for machine tool has been investigated. Using a finite element method, we obtained some analyzed a static and dynamic characteristics of a spindle, such as natural frequency, harmonic analysis and we got the value of compliance through it. We evaluated stiffness by taking the inverse this value. A 45,000rpm spindle is successfully developed using the results.
The thermal characteristics of high-speed air spindle system with built-in motor are studied. Experiment and finite difference method analysis obtain temperature rise and temperature distribution of housing. For the analysis, air fluid film model is built and temperature rise and distribution in thermal steady state are computed for each rotational speed. Generally, it is said that the heat generation of air bearing is negligible. But the heat generation in air film by heat dissipation can not be negligible especially into high-speed region of the journal. In case that the heat generation of air spindle system is high, natural frequency of the spindle system becomes lower when the thermal state is in steady-state and it means the changes of air bearing stiffness due to the change of bearing clearance. It is shown that the temperature rise of air spindle system causes thermal expansion and induces the variation of bearing clearance. In consequence the stiffness of air bearing becomes smaller.
The demand of high speed machining is increasing because the high speed cutting providers high efficiency of process, short process time, improved metal removal capacity and better surface finish. Active magnetic bearings allow much high surface speed than conventional ball bearings and therefore greatly suitable for high speed cutting. The automatic control concept of magnetic bearing system provides ability of intelligent control of spindle system to increase accuracy and flexibility by means of adaptive vibration control. This paper describes a design and development of a milling spindle system which includes built-in motor with power 5.5㎾ and maximum speed 70,000rpm, HSK-32C tool holer and active magnetic bearing system. Magnetic actuators are designed for satisfying static load condition. The Performances of manufactured spindle system was examined for its static and dynamic stiffness, load capacity, and rotational accuracy. This spindle was run up to 70,000 rpm stably, which is 3.5 million DmN.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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