In this paper, the torque of CNC spindle motor during machining is estimated without speed measuring sensor. The CNC spindle system is divided into two parts, the induction spindle motor part and mechanical part. In mechanical part, the variation of the frictional force due to the increment of the cutting torque and the effect of damping coefficient is investigated. Damping coefficient is found to be a function of spindle speed and not influenced by the weight of the load, while frictional force is a function of both the cutting torque and spindle speed. Experimental equations are drawn for damping coefficient and Coulomb friction as a function of spindle speed. Incremental frictional torque Is also obtained as a function of both cutting torque and spindle speed. Graphical programming is used to implement the suggested algorithm to monitor the torque of an induction motor in real time. Torque of the spindle induction motor is estimated well in about average 3% error range under various cutting conditions.
The thermal deformation of a machine tool spindle influences the performance of the manufacturing systems for precision products. In this research, thermal analysis of a high speed machine tool spindle with the rolling bearing and the built-in motor is carried out by using Finite Difference Method. The thermal boundary conditions describing the heat generation in the bearing and built-in motor are considered in the simulation. And various convective boundary conditions are assumed with the empirical formula in the references. From the simulation results, the characteristics of each element affecting the dynamic thermal behaviour of the machine tool spindle system have been clarified. Therefore, this model can be well applied to the future development of the high speed spindle systems.
Internet provides the useful method to monitor the current states of the machine tool no matter where a personnel monitors it. In this paper, a monitoring method of the torque of the machine tool's spindle induction motor using interne is suggested. To estimate the torque accurately, spindle driving system of an CNC lathe is divide into two parts, induction motor part and mechanical part attached to the induction motor spindle. Magnetizing current is calculated from the measured 3 phase currents without speed sensor used to estimate the torque generated by an induction motor. In mechanical part of the system, some of the torque is used to overcome friction and remaining torque is used to overcome cutting force. An equation to estimate friction torque is drawn as a function of cutting torque and rotation speed. Graphical programming is used to implement the suggested algorithm. to monitor the torque of an induction motor in real time and to make the estimated torque monitored on client computers. Torque of the spindle induction motor is well monitored on the client computers in about 3% error range under various cutting conditions.
A HDD adopts a sensorless brushless DC (BLDC) motor as a spindle motor. Because there is no direct sensor measuring rotor position. open loop commutations with inductive sensing are used to increase the rotor speed up to a certain speed where the zero crossings of the back electromotive force (EMF) voltage are measurable. Therefore, successful open loop commutations are necessary for the stable start-up control of the spindle motors. In this paper, the time scale and the number of the open loop commutations are employed for design parameters to guarantee robustness to torque constant variation and initial rotor position. The design results are verified by experiments on a very low current start-up of the spindle motor with various environment. The experimental results show that the design results can decrease the start-up failure rate considerably.
Recently, the motor-integrated spindle spindle systems have been used to simplify the machine tool structure, to improve the motion flexibility of machine tool, and to perform the high-speed machining. In this study, a static and dynamic analysis system for motor-integrated high-speed spindle systems is developed based on Timoshenko theory, finite element method and windows programming techniques. Since the system has various analysis modules related to static deformation analysis, modal analysis, frequency response analysis, unbalance response analysis and so on, it is useful in performing systematically the design and evaluation processes of motor-integrated high-speed spindle systems under windows GUI encironment.
Storage drives for mobile devices, such as laptop computers or PDAs, are changing now. The data density of storage drives is becoming higher and sizes of those are becoming smaller and thinner. Spindle motors for rotating disk are also becoming smaller and thinner. But, large torque is required to reduce seek time. In this research, inner rotor type spindle motor suitable for thin thickness has been developed. Rotor and stator are optimized structurally for large torque performance with small size. Especially, high vibration and shock performances, which are essential to mobile devices, are analyzed in detail.
A criterion for the selection of spindle motor speeds in a hard disk drive (HDD) is investigated to guarantee stability and reduce nonrepeatable runout of a spining disk. Since the natural frequencies of the spining disk and the forced frequencies generated from the spindle motor depend on the rotating speed, careful consideration should be taken to avoid the resonance between the disk and motor. To do this, the natural frequencies of the spining disk are calculated and they are compared with the forced frequencies from the spindle motor.
This paper presents analysis of dynamic characteristics of a high-speed milling spindle with a drawbar and a built-in motor. The spindle system with a built-in motor can be used to simplify the structure of machine tools, to improve the machining flexibility of machine tools, and to perform the high speed machining. In this system the shaft is usually assumed as a rigid rotor. In this paper, the modal characteristics of drawbar in high-speed milling spindle system due to supporting stiffness between drawbar and shaft and considering the mass and stiffness effects of the built-in motor's rotor are analyzed by numerical method. The result shows enough stiff supports must be provided between shaft and drawbar to prevent occurring drawbar vibration lower than the natural frequency of 1st bending mode of spindle. And considering the mass and stiffness of built-in motor's rotor is important thing to derive more accurate results.
Multi-function and miniaturization of the medical equipment and tele-communication systems need small and high precision machined parts. For the economic machining of the small size workpiece it should be machined by small and high precision machine tools with high speed machining. The belt type driving system in turning lathe has a limitation of spindle speeds because of the vibrations from driving mechanism, built-in type of driving mechanism is used to reduce the vibration. However, the main spindle of the built-in motor is connected directly to the motor, so the heat generation of the motor and bearing makes bad influence of the accuracy of machine tools. In this study, the analysis of heat generation from motor and bearings supporting main spindle and experiment were carried out. The results of theoretical simulation of temperature and deformation of the main spindle are good agreement with those of measured.
The important problem in the high speed spindles is to reduce and minimize the thermal effect by the motor and ball bearings. Thermal characteristics according to the bearing preload and hollow shaft cooling are studied for the spindle with the oil mist lubrication and high frequency motor. Temperature distribution and thermal deformation according to the spindle speed, preload and flow rate are measured by thermocouple and gap sensor. Temperature distribution and thermal deformation are analyzed by using the finite element method. The results of analysis are compared with the measured data. This paper show that the suitable preload and hollow shaft cooling are very effective to minimize the thermal effect by the motor and ball bearings. This study indicates that temperature distribution and thermal deformation of the high speed spindle system can be estimated reasonably by using the three dimensional model through the finite element method and supports thermal optimization and more effective cooling method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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