Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.19
no.2
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pp.203-212
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2002
Active magnetic hearings allow much high surface speed than conventional ball bearings and therefore greatly suitable for high speed cutting. This paper describes a design and test of an active magnetic bearing system with 16-pole radial magnets. The spindle is originally designed for a CNC lathe and driven by outer motor with 5.5 kW power and maximum speed 10,000 rpm. Considering static load condition and geometric restrictions, radial magnet is designed 16-pole type for smaller outer diameter of the spindle system. Dynamic system characteristics such as natural frequency, critical speed, stiffness, damping and system stabilities are simulated with a rigid rotor model including direct feedback controller. The designed spindle system is realized with digital PIDD controller to compensate phase lag of PWM amplifier and magnet coils. With levitation and step response experiment the control system characteristics are tested, and the spindle is rotated up to 10,000 rpm stab1y.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.19
no.2
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pp.213-219
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2002
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.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.37
no.1
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pp.105-111
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2013
The spindle is the main component in machine tools. The static and dynamic characteristics of the spindle directly affect the machining accuracy of workpieces. The characteristics of the spindle depend on the shaft size, bearing span, built-in motor location, and so on. Therefore, the appropriate selection of these parameters is important to improve the spindle characteristics. This paper presents the analysis of the static and dynamic characteristics and optimization design of a 40,000-rpm high-speed spindle. Statistical analysis for optimization and finite element analysis were performed. This study uses the response surface method to optimize the objective function and design factors. The targets are the natural frequency and displacement. The design factors are the shaft length, shaft diameter, bearing span, and motor location. The optimized design provides better results than the initial model, and these results are expected to improve the static and dynamic characteristics of the spindle.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.19
no.11
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pp.221-227
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2002
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.
Proceedings of the Korean Society of Machine Tool Engineers Conference
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2002.04a
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pp.82-86
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2002
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.
This paper introduces an electric gear to run a high speed spindle motor. Compared with inverter driving, electric gear can be used to reduce switching loss caused by using high switching frequency and improve heating problem on reactor with sinusoidal current wave form. In this paper advantages and disadvantages of electric gear are presented in comparison with those of inverter driving and mechanical gear, and its usefulness is verified by means of experimental approach.
Proceedings of the Korean Society of Machine Tool Engineers Conference
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2004.04a
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pp.416-423
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2004
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.
Transactions of the Korean Society of Machine Tool Engineers
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v.13
no.5
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pp.30-37
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2004
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.
Proceedings of the Korean Society of Machine Tool Engineers Conference
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2002.10a
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pp.141-146
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2002
Real-time monitoring and control of the cutting force is essential for unmanned cutting process. Although the cutting force can be measured directly using tool dynamometers, their implementation is not feasible in industry due to high cost. Alternative approach is the cutting force estimation based on spindle drive models, but it requires the knowledge of their characteristics with the spindle speed variation. This paper investigates the power-factor and frictional characteristics of three-phase induction motors and determines its characteristics below and above the base speed, respectively. In order to realize the proposed cutting force monitoring system, a stand-alone DSP board was utilized. Its monitoring and control performance is evaluated in a CNC lathe.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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