机床主轴振动能量收集技术研究

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在制造业中,机床有着举足轻重的作用,而在整个的机床系统中,主轴作为关键零部件之一,其振动成为影响着最终零件质量和精度的不良因素。为了减小振动对主轴的影响,将多余的振动能变废为宝,利用超磁致伸缩材料Terfenol-D的Villari效应设计并制作了应用于机床主轴处的能量收集装置。主要的研究内容包括:(1)分析了主轴处的振动研究现状和现有的振动能量收集技术,得出了目前主要的振动能量收集方式。根据各种方式的应用场景和优缺点,最终采用了超磁致伸缩式,并着重介绍了目前超磁致伸缩式振动能量收集技术在机床中的应用现状。(2)针对CK6140型机床的振动特性进行了详细的分析,确定了CK6140的基本工作参数,对主轴的振动信号进行MATLAB模拟仿真和其振动模态的ANSYS有限元分析,得出在选定的工作参数内,主轴不会发生谐振。(3)建立磁致伸缩材料的磁-机-热耦合模型。根据磁致伸缩式能量收集装置的应用方式,建立动力学模型,结合磁场模型,得出感应电动势模型。通过MATLAB将推算出的数学模型进行仿真。结果表明,随着温度上升,能量收集装置所输出的感应电动势会随之下降。(4)根据机床主轴处的结构特征和振动特性,设计了能量收集装置结构。该结构中主要有超磁致伸缩材料Terfenol-D、感应线圈、线圈骨架包括调节支撑座、永磁体、顶杆、碟簧零部件组成。设计中考虑了能量收集装置的安装、拆卸要求。(5)实验验证。实验台主要包括激励信号部分、磁致伸缩材料受力部分和采集数据输出部分。实验表明,温度的变化量与振动能量收集装置所输出的感应电动势成反比。实验数据与理论模型数据误差小于5mv,证实了理论模型的有效性。
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