In a high speed spindle system, it is very important to monitor the state of rotating rotor. Particularly in active control spindle system, the position sensor must provide feedback to the control system on the exact position of the rotor. In order to monitor the state of a high speed spindle exactly, high accuracy and wide frequency bandwidth of sensors are important. This paper observes the factors which has an effect on dynamic performances of inductive position sensor.
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.
In this paper, the active monitoring and control system is developed. This system can monitor the status of high the speed spindle in real time during its processing, and can analyze its influence of dimensional accuracy and processing if any, and can control the machining condition to realize the machining system equipped with active monitoring and self-diagnostic features. Machining experiment was performed on 3 materials Al, Brass and S45C in order to derive the relation between active monitoring and control algorithm by the machining load. In addition, we measured surface roughness of processing specimen along with the data change of spindle rotating speed and conveying speed according to variation of machining load. Based on these experiments, we derived relations for each material that can be applied to the control algorithm to allow self control of the rotating speed and conveying speed according to the machining load.
This paper presents the structural characteristics 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 motor and linear motion guides, and the Z-axis feeding system is composed of the servo-motor, ball screw and linear motion guide. The structural analysis model of the high-speed horizontal machining center is constructed by the finite element method, and the validity of structural design is estimated based on the structural deformation of the high-speed horizontal machining center and spindle nose caused by the gravity and inertia forces.
Since a long work piece influences the natural frequency of the entire system with a miniature high speed spindle, a bar-feeder is used for a long work piece to improve the vibration characteristics of a spindle system. Therefore, it is very important to design optimally support positions between a bar-feeder and a long work piece for a miniature high speed spindle system. The goal of the current paper is to present an optimization method for the design of support positions between a bar-feeder and a long work piece. This optimization method is effectively composed of the method of design of experiment (DOE), the artificial neural network (ANN) and the genetic algorithm (GA). First, finite element models which include a high speed spindle, a long work piece and the support conditions of a bar-feeder were generated from the orthogonal array of the DOE method, and then the results of natural vibration analysis using FEM were provided for the learning inputs of the neural network. Finally, the design of bar-feeder support positions was optimized by the genetic algorithm method using the neural network approximations.
한국윤활학회 2002년도 proceedings of the second asia international conference on tribology
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pp.115-116
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2002
This study was carried out as one of efforts to overcome difficulties in air bearing design due to low stiffness and low damping. Hydrodynamic effects on hydrodynamic stiffness of a fluid film in a high speed air bearing with tow-row air sources are investigated. The hydrodynamic effects by the high speed over DN 1,000,000 and eccentricity of a proceeding which are not considered in conventional design of an air bearing need to be reconsidered. The hydrodynamic effects, which dominantly influence on the load capacity of air bearing, are caused mainly by proceeding speed, eccentricity, and the source positions. The two-row source arrangement in the air bearing produces quite unique hydrodynamic effects with respect to pressure distribution of the air film. Optimal arrangement of the two-row sources improves performance of an air bearing in film reaction force and loading capacity of high speed spindles. This study compares the pressure distribution by numerical simulation as a function of eccentricity of proceeding and the source positions. The air source position 1/7L form one end of an air bearing was found to be superior to source position of 1/4L. The dynamic stiffness were obtained using a two-dimensional cutting method which can directly measure the cutting reaction forces and the displacements of the spindle in two directions using a tool dynamometer and transducer sensors. Heat generation in the air film can not be negligible over the speed of DN 2,000,000. In order to analysis effects of heat generation on the characteristics of air bearing, high cooling bearing spindle and low cooling bearing spindle were tested and compared. Characteristics of the frequency response of shaft and motion of run out errors were different for the spindle. The test results show that, in the case of low cooling bearing spindle, the stiffness became smaller due to heat generation. The results, which were obtained for high speed region, may be used as a design information for spindle which can be applied to precision devices such as ultra precision grinding and ultra high speed milling.
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. To improve the competition power of price to quality, spindle design is very important. Because it possesses over 10 percent of machine tool's price. The latest machine tools have rotational frequency and excellent about might and precision cutting. So it requires static and dynamic strength in the load aspect. In conclusion, the deformation of the spindle end have to extremely small displacement in static and dynamic load. In this study, On the assumption that the bearings that are supporting 24,000rpm high-speed spindle are selected in the most optimum condition, the natural frequency and deformation of the spindle end is obtained by FEM mode analysis. The Taguchi Method was used to draw optimized condition of bearing position and it's stiffness.
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.
Recently, the high-tech industries, such as aerospace industry, auto industry, and electronics industry, are growing up considerably. Because of that, high machining accuracy and productivity of precision parts have been required. The tooling system is important part in the machining center. HSK tooling system is more suitable than BT tooling system for that of high speed machining center. It is because static stiffness and machining accuracy of HSK tooling system are higher than those of BT tooling system. In this paper, stress distribution characteristics of the HSK tooling System is analyzed according to the spindle speed. In order that, the mechanism and the force amplification principle of HSK tooling system are analyzed. The HSK tooling system is modelled by using a 3D modeling/design program. Then stress distribution characteristics of HSK tooling system are analyzed according to spindle speed by using the finite element analysis.
International Journal of Precision Engineering and Manufacturing
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제1권1호
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pp.42-48
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2000
Friction in bearing exerts an important effect upon power dissipation and heat generation of spindle system. This paper presents frictional moments derived from rotational axis coordinate system of spindle and frictional characteristics to spindle speed A frictional moment of spindle bearings is derived by work-energy method. Differential sliding moments in outer raceway has a major effect upon frictional resistance; spin sliding moments in inner raceway has a secondary effect. As spindle speed increases, also the frictional moments increase. In high-speed region, ceramic ball bearing 몬 smaller frictional moment than steel ball bearing.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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