This paper shows the temperature characteristics of a high speed angular contact ball gearing which is 7004C type with ISO P2 tolerance class. A built-in motor type high speed spindle which adopts an oil-air lubrication system was used to measure the temperature rise up to 60,000rpm. The gearing temperature was measured using thermocouples that were attached to the outside surfaces of the outer rings. The result showed that the continuous test method which was suggested in this paper is more effective than on and off method and the lubrication oil supply rate should be reduced in high speed rolling bearings as long as the seizure does not occur. And the result were confirmed that the bearings packed with ceramic balls are superior to those with steel balls in temperature characteristics.
This paper presents the thermal characteristic analysis of a high-speed horizontal machining center with spindle speed of 50,000rpm and feedrate of 120m/fin. The spindle system is designed based on the built-in motor, angular contact ceramic ball bearings, oil-air lubrication and oil-jacket cooling method. The X-axis and Y-axis feeding systems are composed of the linear motors and linear motion guides, and the Z-axis feeding system is composed of the servo-motor, ball screw and linear motion guides. The thermal characteristics such as the temperature distribution, temperature rise, thermal deformation and step response, are estimated based on the finite element model of machining center and the heat generation rates of heat sources related to the machine operation conditions. Especially, the thermal time constant assessed from the step response function is introduced as an index of thermal response characteristics.
This paper presents the thermal characteristic analysis of a high-speed horizontal machining center with spindle speed of 50,000rpm and feedrate of 120m/min. The spindle system is designed based on the built-in motor, angular contact ceramic ball bearings, oil-air lubrication and oil-jacket cooling method. The X-axis and Y-axis feeding systems are composed of the linear motors and linear motion guides, and the Z-axis feeding system is composed of the servo-motor, ball screw and linear motion guides. The thermal characteristics such as the temperature distribution, temperature rise, thermal deformation and step response, are estimated based on the finite element model of machining center and the heat generation rates of heat sources related to the machine operation conditions. Especially, the thermal time constant assessed from the step response function is introduced as an index of thermal response characteristics.
This paper describes influence of thermal deformation on nosic characteristics in high speed spindle systems. Heat generation in front, rear spindle bearings and built in motor lead to diverse thermal deformation of headstock with time. This deformation changes assemble tolerance in bearing housing, especially to elliptic form. The elliptic assemble tolerance generate high nosie level with dominant amplitude in double rotational frequency.
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.
주축은 공작기계의 핵심요소로서 주축의 정 동적 특성은 공작물의 가공정밀도에 직접적으로 영향을 미친다. 주축의 특성은 축 크기, 베어링 간격, 내장모터의 위치 등에 의해 결정된다. 그러므로 축 크기, 베어링 간격, 모터위치의 선정은 주축 특성을 개선하는데 중요한 요소라 할 수 있다. 본 논문은 40,000rpm 고속주축의 정 동적 해석과 최적 설계에 관한 연구로, 유한요소해석과 최적화를 위한 통계분석을 하였다. 이를 위하여 반응표면법을 사용하여 목적함수와 설계변수를 최적화하였다. 최적화 대상은 주축의 고유진동수의 최대화와 변위의 최소화이다. 설계변수는 축길이, 축직경, 베어링 간격, 모터위치로 선정했다. 최적설계를 통해 도출된 설계안으로 초기모델보다 개선된 결과를 얻을 수 있었고, 본 연구의 결과를 주축 설계에 적용하면 주축의 정 동적 특성 개선에 도움이 될 것으로 기대된다.
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.
공작기계 응용에 있어서 고속 및 고효율 가공의 추세는 스핀들의 고속화를 지속적으로 요구하고 있다. 내장형 모터를 장착한 스핀들은 가공시스템의 구조를 단순하게 한다. 하지만 로터에는 불평형 질량에 의해 진동이 발생하며, 이를 제거하기 위한 밸런싱 작업은 필수적이다. 이 논문에서는 내장형 모터를 장착한 고속 스핀들의 동적거동을 해석하였다. 불평형 질량, 베어링 강성, 회전 속도의 변화에 따른 휘돌림 궤적을 해석하였고, 이를 저감시키는 방법을 모색하였다. 또한 Timoshenko 빔 요소를 적용하여 스핀들-베어링 시스템을 모델링하고, 영향 계수법을 적용하여 밸런싱 과정을 시뮬레이션 하였다. 스핀들의 경우, 불평형 하중이 작용할 때, 베어링 지지점에서 가장 작은 휘돌림 궤적이 나타났으며, 양단에서 가장 큰 휘돌림 궤적을 나타내었다. 스핀들의 회전속도가 증가함에 따라 스핀들 선단에서의 휘돌림 궤적도 증가하였다. 베어링의 강성이 커짐에 따라 휘돌림 궤적 또한 증가하였다. 밸런싱 전, 후의 휘돌림 궤적 반경은 최대 73%까지 감소함을 확인할 수 있었다. 이러한 연구 결과는 CNC 자동선반의 스핀들 고속화에 중요한 정보를 제공하고 있다.
Tapping is a machining process that makes a female screw on parts to be assembly together. Recently, as the number of small and compact products increases the radius of tap as small as 1 mm is not unusual and more accurate tapping is needed. In complying with those needs, some high-speed tapping machines with synchronizing function have been developed. This paper describes the development of an ultra high-speed tapping machine up to 10,000rpm. The key factors in the tapping speed are the acceleration/deceleration and the synchronizing errors between spindle motor and fred motor. To minimize the acceleration/deceleration time, a low inertia spindle with a synchronous built-in servo motor was developed. To minimize the synchronizing errors, the tapping cycle algorithm was optimized on an open architecture CNC. The developed tapping machine has the acceleration/deceleration time of 0.13sec/10,000rpm for rigid tapping and the synchronizing error below 4.4%. The cycle time for tapping a female screw of M3 and depth 2 times diameter was 0.55sec.
Generally, it is said that the heat generation of air bearing is negligible. But the air bearing using at the built-in spindle is different from the general air bearing itself because of the thermal effects from the spindle motor and high-speed conditions. In this paper, in order to analysis the characteristics of air bearing by the heat, We made easy -heating-bearing-system (EHBS) and hard-heating-bearing-system (HHBS) and could identify the changes between the two bearing systems from the experiments and simulation. When spindle system reached at thermal steady-state, the changes means that the stiffness of air bearing becomes change due to the clearance change between bearing and journal. It is shown that the temperature rise and thermal effects to cause the thormal expansions have to be considered when designing air spindle system.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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