高速电主轴非接触式加载可靠性试验

摘要 第1节 毕业设计开 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 报告 课 题 名 称： 高速电主轴非接触式加载可靠性试验系统设计  学 生 姓 名： 党睿 学 号： 201110806 指 导 教 师： 李雪 副教授 所在院(系)部： 机 械 工 程 学 院 专 业 名 称： 机 械 电 子 工 程 说 明 1．根据南京工程学院《毕业设计(论文)工作管理规定》，学生必须撰写《毕业设计（论文）开题报告》，由指导教师签署意见、教研室审查，系教学主任批准后实施。 2．开题报告是毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。学生应当在毕业设计（论文）工作前期内完成，开题报告不合格者不得参加答辩。 3．毕业设计开题报告各项内容要实事求是，逐条认真填写。其中的文字表达要明确、严谨，语言通顺，外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现缩写词，须注出全称。 4．本报告中，由学生本人撰写的对课题和研究工作的分析及描述，应不少于2000字，没有经过整理归纳，缺乏个人见解仅仅从网上下载材料拼凑而成的开题报告按不合格论。 5．开题报告检查原则上在第2～4周完成，各系完成毕业设计开题检查后，应写一份开题情况总结报告。 毕业设计(论文)开题报告 学生姓名 党睿 学 号 201110806 专 业 机械电子工程 指导教师 李雪 职 称 副教授 所在院(系) 机械工程学院 课题来源 自拟课题 课题类型 工程技术研究 课题名称 高速电主轴非接触式加载可靠性试验系统设计   毕业设计的 内容和意义 毕业设计的 内容和意义 一、课题背景： 20 世纪 20 年代末，高速切削技术以其高效、低耗的特性受到各国学者的青睐，政府也给予了相当的关注与支持，使其得到了快速发展。90 年代初，高速切削技术的日趋成熟推动了高速数控加工机床行业的蓬勃发展，并迅速在航天制造业，汽车制造业，轻工制造业取得了骄人的成绩，尤其是高频变频技术的推广与应用使得融合多种尖端技术的高速电主轴技术应运而生，成为了高速加工机床的核心技术，它能够满足高速切削时“高速度、高精度、高可靠性及小振动”的要求，在车削，铣削，磨削等诸多领域均有涉及，尤其是在高精密仪器关键功能 部件的制造方面也有其不可替代的作用。高速电主轴性能的好坏与工作可靠性直接影响到高速加工机床整机的加工性能与工作可靠性。 二、课题内容： 1.提出 电主轴作为一种高速加工设备，在高速切削时如果受到轻微的扰动就有可能对电主轴的工作性能产生巨大的影响，这种影响甚至有可能是破坏性的。 可靠性对于高速电主轴来说尤为重要，其稳定性以寿命对整个母机是否能在规定时间规定条件下完成规定的任务有着重要影响，同时影响整个工时、加工精度和加工成本。随着高新技术的引入及相关学科的发展，高速电主轴的转速、轴承性能、冷却散热性能、控制系统性能等指标都有提高，然而可靠性问题却一直是困扰数控装备及系统发展的主要问题之一，特别是国产数控装备可靠性问题更加突出。 2.解决办法 必须着手进行数控设备可靠性的系统研究，对其关键部件电主轴的可靠性进行系统全面研究实验，以完善数控设备面向并行工程和全寿命周期的可靠性设计和故障分析的实用技术。 为了准确反映高速电主轴的实际工况，对电主轴进行可靠性试验，本文设计了一套能同时模拟实现主轴所受扭矩、径向力和轴向力的加载系统——利用电力测功机实现扭矩加载、非接触式激振器实现径向加载、自行设计的电磁铁实现轴向加载。该系统不但能完成对电主轴的动态加载，还可以检测出电主轴在加载过程中的基本性能参数和故障指标参数，并收集故障数据，绘制故障数据曲线并做出可靠性分析，提高电主轴的可靠性 3.设计内容 本文针对转速18000r/min、功率为22Kw的电主轴进行加载实验设计，为电主轴的可靠性研究提出了一种新方法。 主要内容如下： 1．综述了可靠性和电主轴可靠性的研究现状。 2．电主轴结构原理介绍和针对选用的电主轴进行受力计算。 3．电主轴加载设计——扭矩加载、轴向力和径向力加载。 4．电主轴检测控制系统设计和相应设备的选用。 5．其他辅助零件设计如电主轴的夹持支撑机构，最后完成其整体结构的设计。 3、 课题意义: 近年来，激烈的市场竞争以及庞大的市场需求对高档数控机床提出了更高的要求，高速电主轴作为数控机床主要的核心部件，具有响应时间快、惯性较小、重量较轻、节省空间等优点，同时，高速电主轴运转更加稳定，工作效率较传统意义上的电机皮带传动系统大大提高，所以，电主轴性能的好坏也被认为是衡量数控机床是否稳定可靠的一项重要指标之一。高速数控机床的工作性能，首先取决于高速主轴的性能。模拟电主轴的实际工作状态，研制开发其可靠性试验台对于提高高速数控机床整机的 MTBF 水平具有重要意义。 高速电主轴作为现代高速加工技术的核心技术之一，其在高性能机床上的广泛应用，不仅大幅度提高了加工效率，改善了产品质量，降低了生产成本，在为社会创造巨大物质财富的同时，更促进了新材料、新技术的推广与应用，带动了相关产业的发展。研究高速电主轴技术，一方面可以打破先进国家对我国的技术垄断，提升我国技术制造业的整体水平，增强我国制造业在国际上的整体竞争能力；另一方面，高速电主轴技术可以大幅度降低生产准备时间，提高产品的加工效率和加工质量，节约社会成本，创造更多的社会财富。高速电主轴的性能在一定程度上决定了加工机床的整体发展水平，因此高速加工机床对高速电主轴的技术指标有着苛刻的要求，使其不用于传统的主轴系统，其安全性和可靠性等动态性能也成为结构设计和机床运行中的首要问题。因此，无论在理论研究还是实际应用上，对高速电主轴相关技术的研究均具有重要的学术意义和社会经济效益。 可靠性对于高速电主轴来说尤为重要，其稳定性以寿命对整个母机是否能在规定时间规定条件下完成规定的任务有着重要影响，同时影响整个工时、加工精度和加工成本。随着高新技术的引入及相关学科的发展，高速电主轴的转速、轴承性能、冷却散热性能、控制系统性能等指标都有提高，然而可靠性问题却一直是困扰数控装备及系统发展的主要问题之一，特别是国产数控装备可靠性问题更加突出。许多高速加工数控装备，由于在运转和使用过程中由于电主轴发生失效，导致加工系统数控装备及整个数控系统不可靠，高性能不能维持，这样就使任何先进性都失去了意义。数控装备及系统的高水平化和复杂化突出了研究电主轴可靠性的必要性和紧迫感。显然，可靠性技术已成为数控装备及数控系统技术发展的“瓶颈”，是整个数控装备行业乃至当今机械制造行业发展的重大共性和关键的技术。可靠性技术一旦突破，国产数控装备及系统的先进性就会充分利用，传统的机械制造业就会用先进而可靠的数控装备进行改造和武装，从而促进机械制造产业的升级及民族装备工业的振兴。另外，数控装备的可靠性直接影响经济效益和社会效益。 然而国内外都没有关于数控机床高速电主轴可靠性技术全面、系统研究的报道，一些发达国家的机床公司，也仅是对其他行业采用可靠性共性技术的局部抄用。因此，必须着手进行数控设备可靠性的系统研究，对其关键部件，诸如电主轴的可靠性进行系统全面研究实验，以完善数控设备面向并行工程和全寿命周期的可靠性设计和故障分析的实用技术，以推动数控装备工业的技术进步和发展。 而本课题就是通过试验台对某一型号或多种型号的电主轴进行实时加载仿真疲劳试验是我们研究换刀系统可靠性的良好手段，而这是前所未有的创新型研究手段。可靠性试验台的研设成功可以方便我们实时的采集数据和处理数据，方便与计算机系统进行在线连接，进行数据整理和图表对比。这种研究手段可协助我们对电主轴的可靠性系统全面细致的研究，为提高加工中心整体可靠性提供平台。促进数控装备业高速健康发展，为我国装备业立于强国之林贡献微薄力量。 4、 国内外研究现状： 1. 国外可靠性研究现状 可靠性理论萌芽于40 年代的航空领域，创建于50 年代的美国国防部门，在60 年代开始全面发展，70 年代进入成熟阶段，进入80、90 年代可靠性技术步入深入发展阶段，国外专家、学者把可靠性及维修性要求与性能要求同等看待，强调保障性的要求，并重视测试性及故障诊断技术的研究，同时发展综合化的可靠性计算机程序。 机床可靠性技术在70年代发源于前苏联。苏联高校某些机床界的权威人士，如50年代曾来华讲学的机床专家A. C. 普罗尼柯夫，根据机床产品在功能、结构、外载荷等方面的特殊性，对机床可靠性进行了专门的研究，建立了机床可靠性技术的一些基本理论，开辟了在机床领域进行可靠性研究的途径，发表了一系列针对机床具体产品的可靠性论著（如机床热变形、导轨磨损等规律对机床精度故障和无故障工作时间的影响等），并出版了论述数控机床精度与可靠性的专著[近年来，俄罗斯新一代机床可靠性研究人员，其中以B. C. 瓦西里耶夫、B. B. 巴拉巴诺夫等为代表的新一代学者所进行的研究反映了俄罗斯数控机床可靠性研究的现状和动向。他们重视对使用数控机床中的经济效益的研究，提出了技术使用系数的概念，并建立了它的信息概率模型，在机床承载能力的预测方面也做了大量的工作。在机床早期故障的排除方面，提出了进行工艺试运转和可靠性试验的方法。另外，俄罗斯学者还对机床故障情况进行了分类，并进行了预防和保护等方法的研究。这些研究虽然可以对数控机床的加工精度进行控制和预报,但统计表明数控机床的故障表现多为功能性故障，因此这种研究对当前机床可靠性中急需解决的关键问题效果不明显英美等国家在数控加工中心领域，多半进行现场故障数据的采集和对故障数据的数理统计分析以及指标的评定，还未见到对数控加工中心产品进行系统的可靠性研究的报导。日本在民用产品（如家电、汽车等）中的可靠性研究举世瞩目，在数控机床领域，也限于注重现场故障数据的采集和分析，从故障诊断分析入手，寻找故障原因，提出可靠性改进措施，对提高机床产品的可靠性水平起了积极作用。 2.国内研究现状 我国开展可靠性工作最早的是原电子工业部五所，该所在60 年代初就进行了可靠性评估的开拓性工作，推动了我国可靠性工程的发展。70 年代我国的可靠性工作是从引进国外 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 资料开始的，可靠性工程应用在电子、航天、电力、机械、仪表等部门，并取得不同程度的进展。80 年代我国的各种可靠性机构、学术团体迅速发展，在可靠性数学和可靠性理论上已达到一以及机构可靠性分析方面发表了一系列文章,从理论上和实践方面进行了有益的探索。其中有很多方面可以在数控机床的可靠性设计中借鉴。然而我们还要意识到，目前我国可靠性技术在工业和企业的应用还不广泛，与先进国家相比还存在较大的差距。另外，我国台湾学者王国松等应用模糊数学方法对柔性制造系统的故障模式、故障率及可靠度模型等进行了分析。我国对数控机床可靠性研究是从二十世纪80 年代末期开始的。90 年代以来，我国把数控机床可靠性的基础研究工作列入到“八五”和“九五”国家重点科技攻关 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ，制订了CNC 系统等可靠性测定试验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 及一系列标准。积累并处理了国产部分加工中心的故障和维修数据，对国内外部分加工中心的使用现状，进行了可靠性初步考核,并取得成果, 但国产数控机床的整体可靠性水平与进口产品相比仍有较大差距。机床现代诊断技术是一门近20 多年来发展起来的新学科，它是在机床的运行过程中对机床的运行状态及时做出判断，采取相应措施，以提高机床运行的可靠性，进一步提高机床的利用率。在我国机床可靠性的研究中，吉林大学计算机数控装备可信性研究所进行了大量的研究工作。进行了数控车床载荷谱的初步研究，对数控车床进行初步故障分析和维修性分析，对无故障工作时间进行了时间序列分析，得出无故障工作时间的AR模型。对机床的主传动系统进行了动力特性分析，并对传动件进行了可靠性设计的初步研究。 当前可靠性技术的发展趋势是：一方面与现代信息科学相结合，使可靠性技术实现 “信息化”，发展现代化的可靠性共性技术；另一方面，可靠性技术与具体产品相结合，根据不同产品的结构和功能特点研究故障分布和演变过程的规律，发展具有行业特色的实用化的可靠性技术。 参考文献 [1] 大连组合及研究所.组合机床设计.北京：机械工业出版社，1975. [2] 李庆余，张 佳.机械制造装备设计.北京：机械工业出版社，2007. [3] 王志明， 数控技术 上海：上海大学出版社， 2009. [4] 陈婵娟，数控车床设计，北京：化学出版社，2005. [5] 夏田，数控加工中心设计，北京，化学工业出版社，2006 [6] Jia Yazhou etc. Fatigue load and reliability design of machine [7] 秦少军，《基于多影响因子的电主轴可靠性分析》 [8] 李彦，窦怀洛等《浅析提高电主轴可靠性的途径》 [9] E. Abele (2)a,*, Y. Altintas (1)b, C. Brecher (2)c Machine tool spindle units [10] Bernd Bossmanns Jay F. Tu A Power Flow Model for High Speed Motorized Spindles—Heat Generation Characterization [12] 王爱玲.现代数控机床结构与设计.兵器工业出版社.1999 年9 月. 1-170 [13] 王超、王金.机械可靠性工程.冶金工业出版社.1998 年6 月：17-246 [14] J 莫布雷著、石磊，谷宁昌译.以可靠性为中心的维修.北京：机械工业出版社. 2006.12：1-6 [15] 贺国芳.可靠性数据的收集与分析.北京：国防工业出版社，1997:40 研究内容 研究内容: 本文针对转速18000r/min、功率为22Kw的电主轴进行加载实验设计。 1．综述了可靠性和电主轴可靠性的研究现状。 2．电主轴结构原理介绍和针对选用的电主轴进行受力计算。 3. 电主轴加载设计——扭矩加载、轴向力和径向力加载。 4．电主轴检测控制系统设计和相应设备的选用。 5．其他辅助零件设计如电主轴的夹持支撑机构，最后完成其整体结构的设计。 通过电主轴进行可靠性试验，反映高速电主轴的实际工况。本文设计了一套能同时模拟实现主轴所受扭矩、径向力和轴向力的加载系统——利用电力测功机实现扭矩加载、非接触式激振器实现径向加载、自行设计的电磁铁实现轴向加载。完成对电主轴的动态加载，检测出电主轴在加载过程中的基本性能参数和故障指标参数，并收集故障数据，绘制故障数据曲线并做出可靠性分析，提高电主轴的可靠性。 研究计划 研究计划： 第1周熟悉课题的背景，进行国内外现状调查 第2周收集资料，初步方案及结构形式确定 第3周完成开题报告，外文翻译 第4周提出设计方案，设计方案论证 第5周绘制总装配图及设计计算 第6周绘制总装配图及设计计算 第7周绘制零件图及设计计算 第8周绘制零件图及设计计算 第9周绘制控制原理图 第10周绘制控制原理图 第11周控制软件设计并调试，整理设计说明书 第12周撰写毕业设计论文 第13周撰写毕业设计论文 第14周撰写毕业设计论文 第15周准备答辩 特色与创新 1、以计算机辅助，对可靠性试验台机械结构进行了完整细致的设计，使其强度、刚度能满足电主轴高速要求。 2、对转速18000r/min、功率为22Kw的电主轴进行加载实验设计。 3、电主轴各项性能检测。 指导教师 意 见 指导教师签名： 年 月 日 教研室意见 院部意见 主任签名： 年 月 日 教学院长签名： 年 月 日 摘 要 为了准确反映高速电主轴的实际工况，对电主轴进行可靠性试验，本文设计了一套能同时模拟实现主轴所受扭矩、径向力和轴向力的加载系统——利用电力测功机实现扭矩加载、非接触式激振器实现径向加载、自行设计的电磁铁实现轴向加载。该系统不但能完成对电主轴的动态加载，还可以检测出电主轴在加载过程中的基本性能参数和故障指标参数，并收集故障数据，绘制故障数据曲线并做出可靠性分析，提高电主轴的可靠性。本文针对转速18000r/min、功率为22Kw的电主轴进行加载实验设计，为电主轴的可靠性研究提出了一种新方法。 本设计对以上问题进行了分析，主要内容如下： 1． 综述了可靠性和电主轴可靠性的研究现状。 2． 电主轴结构原理介绍和针对选用的电主轴进行受力计算。 3． 电主轴加载设计——扭矩加载、轴向力和径向力加载。 4． 电主轴检测控制系统设计和相应设备的选用。 5． 其他辅助零件设计如电主轴的夹持支撑机构，最后完成其整体结构的设计。 关键词：高速电主轴 可靠性 非接触式加载 设计 Abstract In order to reflect the actual working conditions of high-speed motorized spindle accurately, and text the reliability of the spindle, the paper design a set of simulated system simultaneously suffered the spindle torque, radial force and axial force loading, which use electric dynamometer to achieve the torque loading, contactless shaker to achieve radial loading, the solenoid designed to achieve axial loading. The system not only completes the dynamic loading of the spindle, but also detects the basic performance parameters and fault indicators parameter of the spindle in the loading process. And it collects failure data, draws the curves of fault data and makes reliability analysis, improving the reliability of the spindle. This paper designs the loading text of the spindle whose maximum speed is 18000rpm and electric power is 22Kw, which proposing a new method for the reliability of spindle. This design has carried on the analysis to the above questions, the primary coverage is as following: 1. Reviewed the reliability and the reliability of spindle. 2. The introduction of spindle's structure and principle and calculating the stress of the used spindle. 3. The design for spindle loading：the torque loading ,the radial and axial loading. 4. The design of motorized spindle test and control system and the choosing of corresponding equipment. 5. Other auxiliary parts design such as electric spindle supporting institution, and finishing its whole structure design. Key words: High-speed motorized spindle; Reliability; Contactless loading;Design 目 录 1第1章 绪论 1 第1节 可靠性的研究现状 1 1.1 国外可靠性研究现状 2 1.2 国内可靠性研究现状 3 第2节 电主轴的国内外研究现状 5第2章 电主轴 5 第1节 电主轴结构及关键技术 5 1.1 电主轴机构 6 第2节 电主轴的关键技术 7 第3节 电主轴基本信息 8 第4节 电主轴受力计算 10第3章 加载机构设计 10 第1节 扭矩加载设计 11 1.1 测功机的选型 12 1.2 DLG22型悬浮式交流电力测功机 15 第2节 轴向力加载设计 17 第3节 径向力加载设计 22第4章 检测控制系统设计 23 第1节 转速转矩检测 23 第2节 温度检测 24 第3节 轴向位移和径向跳动检测 24 3.1 电涡流传感器工作原理及特性 25 3.2 检测方案 27 第4节 机壳振动速度与噪声检测 28 第5节 总体检测控制框图 29第5章 其他结构设计 29 第1节 电主轴支撑机构 30 第2节 测试棒强度分析 32设计总结 34致 谢 35参考文献 37附图1 电磁铁组件 38附图2 电主轴 39附图3 电力测功机组件 40附图4 总体试验平台 第1章 绪论 现代制造业作为国民经济的支柱产业，其制造技术水平和设备制造能力的高低，是衡量一个国家科技技术水平和综合国力水平的重要标志。而现代制造技术结合了现代信息技术和微电子技术的理论与应用成果，发展了以数控机床为基础的自动化加工技术，从而促进了高速加工技术、精密和超精密加工技术的迅猛发展。近几十年来，高速加工技术得到了迅猛地发展，尤其在工业发达的国家，它已被广泛应用于工业生产的各个部门。高速电主轴作为高速加工的核心部件，随着高速数控机床和高速加工中心等高速加工机床相继投放国际市场，它的需求正与日剧增，国内外各研究机构纷纷投入力量来开发此项目技术。 高速电主轴作为现代高速加工技术的核心技术之一，在高性能机床上的广泛应用，不仅大幅度提高了加工效率，降低了生产成本，改善了产品质量，在为社会创造巨大物质财富的同时，更促进了新材料、新技术的应用与推广，并带动了相关产业的发展。研究高速电主轴技术，一方面可以打破先进国家对我国的技术垄断，提升我国技术制造业的整体水平，增强我国制造业在国际上的整体竞争能力；另一方面，高速电主轴技术可以大幅度降低生产准备时间，提高产品的加工效率和加工质量，降低社会成本，创造更多的社会财富。高速电主轴的性能高低在一定程度上决定了机床的整体发展水平，因此高速加工机床对高速电主轴的技术指标有着严厉而苛刻的要求，使其不同于传统的主轴系统，其安全性、可靠性和动态性能也成为结构设计和机床运行中的首要考虑的问题。因此，无论在理论研究还是实际应用上，对高速电主轴相关技术的研究均具有重要的学术意义和社会经济效益。高速电主轴作为数控机床关键功能部件之一，其可靠性对机床的可靠性起着决定性的作用，因此研制其可靠性试验台对于提高数控机床整机的MTBF水平具有重要意义。 第2节 可靠性的研究现状 1.1 国外可靠性研究现状 可靠性理论萌芽于40 年代的航空领域，提出于50 年代的美国国防部门，从60 年代开始全面发展，到70年代进入成熟阶段，进入80、90 年代可靠性技术逐步深入发展阶段[1]，国外专家、学者把可靠性和维修性要求与性能要求同等看待，强调保障性要求，并重视测试性及故障诊断技术的研究，同时发展了综合化的可靠性计算机程序。 在70年代，机床可靠性技术发源于前苏联，苏联某些高校机床界的权威人士，如50年代曾来中国讲学的机床专家A.C.普罗尼柯夫，根据机床产品在结构、功能、外载荷等方面的特殊性，对机床可靠性进行过专门的研究，建立了机床可靠性的一些基本理论，在机床领域进行可靠性研究开辟了新途径，发表了一系列针对机床具体产品的可靠性著作（如导轨磨损等规律对机床精度故障和无故障工作时间的影响、机床热变形等），并出版了论述数控机床可靠性与精度的专著。近年来，俄罗斯新一代的机床可靠性研究人员，其中以B.B.巴拉巴诺夫、B.C.瓦西里耶夫等为代表的新一代学者所进行的研究反映了俄罗斯数控机床可靠性研究的动向和现状[2]。他们重视对数控机床使用过程中的经济效益的研究，提出了技术使用系数的概念，并且建立了它的信息概率模型，在机床承载能力预测方面也做了大量的工作，在机床早期故障的排除方面，提出了进行工艺试运转和可靠性试验的方法。另外，俄罗斯学者还对机床故障情况进行了收集分类，并进行了保护和预防等方法的研究。这些研究虽然可以对数控机床的加工精度进行了控制和预报,但实际表明数控机床的故障表现多为功能性故障，所以这种研究对当前机床可靠性中急需解决的关键问题效果不怎么明显。美英等国家在数控加工中心领域，大多数进行现场故障数据的采集和对故障数据的数理统计分析以及指标的评定，还没见到对机床进行系统的可靠性研究的报导[1]。日本在民用产品（如汽车、家电等）中的可靠性研究举世瞩目，但在数控机床领域，也限于注重现场故障数据的采集和分析，从故障诊断分析入手，寻找故障原因，提出了可靠性改进措施，对提高机床产品的可靠性水平起了积极作用。 1.2 国内可靠性研究现状 原电子工业部五所最早开展可靠性工作，在60 年代初，该所就进行了可靠性评估的开拓性工作，促进了我国可靠性工程的发展。70 年代我国的可靠性工作开始于从引进国外标准资料，可靠性工程应用在电子、机械、电力、航天、仪表等部门，并取得不同程度的进展[3]。80 年代我国的各种可靠性机构、学术团体得到迅速发展，在可靠性数学和可靠性理论、机构可靠性分析方面上已取得了一些成绩，发表了一系列文章,从理论上和实践方面进行了相关的探索。其中有很多方面值得在数控机床的可靠性设计中借鉴。但是我们应该意识到，目前我国可靠性技术在工业和企业的应用还不广泛，与先进国家相比还存在较大的差距。另外，我国台湾学者王国松等应用模糊数学方法对柔性制造系统的故障模式、故障率及可靠度模型等进行了分析。我国对数控机床可靠性研究比较晚，是从二十世纪80 年代末期开始的。90 年代以来，我国把数控机床可靠性的基础研究工作列入到了“八五”和“九五”国家重点科技攻关计划中，制订了CNC 系统可靠性测定试验方案及一系列标准。积累并处理了部分国产加工中心的故障和维修数据，对国内外部分加工中心的使用状况，进行了可靠性初步考核,并取得成果, 但国产数控机床的整体可靠性水平与进口数控机床相比仍有较大差距。机床现代诊断技术是一门近20多年来发展起来的新兴学科，它是在机床的运行过程中针对机床的运行状态及时做出判断，并采取相应解决措施，以提高机床运行的可靠性，进一步提高了机床的利用率。在我国机床可靠性的研究中，吉林大学计算机数控装备可信性研究所进行了大量的研究工作[3]。对数控车床载荷谱进行了初步研究，对数控车床进行初步故障分析和维修性分析，对无故障工作时间进行了时间序列分析，得出无故障工作时间的AR模型。对机床的主传动系统进行了动力特性分析，并对传动件的可靠性设计进行了初步研究。 目前可靠性技术的发展趋势是：一方面与现代信息科学相结合，使可靠性技术实现了“信息化”，发展现代化的可靠性技术；另一方面，可靠性技术与具体产品相结合的，根据不同产品的结构和功能特点研究故障分布和演变过程的规律，发展具有行业特色的实用化的可靠性技术[4]。 第2节 电主轴的国内外研究现状 目前国内对电主轴的研究主要对电主轴某一方面的性能进行过研究，对电主轴整体可靠性试验研究还比较缺乏。于印民[5]通过搭建测试平台，深入研究了高速电主轴误差测量原理，并完成了测试平台的搭建。采用USB数据采集卡和PC机，在VB6.0编程环境下，开发了高速电主轴径向振动及轴向热伸长数据采集系统。然后，采用红外温度传感器、电涡流位移传感器，对高速电主轴轴端温度、轴向热伸长、径向振动和进行了非接触实式测量。并对高速电主轴空载运行时测试曲线的分析，得出了测试电主轴的振动性能和稳定时间。最后，提出了一些高速电主轴的误差补偿措施，并通过“普传PI7000.7R5H32型变频器监控系统”来控制变频器以达到调节电主轴运行状态的目的，实现了闭环控制，对高速电主轴径向振动实时测量及轴向伸长与补偿进行研究，为电主轴研究提供了一个实时、动态的测试电主轴性能的测试系统。陈锋[6] 基于模态分析理论，对最高转速为60000 r/min的磨削型高速电主轴进行了模态实验。介绍了实验方法，并分析了实验结果，提取了该电主轴的模态参数（固有阻尼、振型和频率）,验证其是否符合高精度加工生产的要求以及所采用实验方法的正确性，同时阐明了电主轴产生振动的主要原因。并运用随机子空间法对电主轴进行模态参数的识别，排除了电主轴工作在共振区的可能性。胡爱玲[7]利用ansys软件对电主轴的结构和动静态特性进行了深入的研究，再对其优化，对电主轴的工作性能提高有十分重要的意义。康辉民[8]、王永宾[9]分别研制了电主轴的综合性能测试与 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 试验台，前者开展对电主轴的性能测试与分析，开发了相应的测试与评价软件系统，建立了电主轴的测试与评价的规范；后者在控制方法与数学模型之间的相互关系、动态测试方法、稳态和动态数学模型的建立、交叉耦合电压的解耦效果以及它们对主轴动态性能的影响。并且在主轴整体动力学热模型的建立和温升的影响因素确定等方面取得了一定的理论和试验测试成果，为高速电主轴的的后续研究作出了一定的贡献。 因可靠性现场试验存在投入大，周期长的不足，国内对电主轴可靠性研究还比较少，正因为如此，更应发展可靠性试验台的研究。对样品系列进行可靠性试验，为产品可靠性水平提供重要依据，方便日后的市场投入。国内外对电主轴的可靠性有过一些研究，秦少军[10]在建立可靠性数学模型的基础上，对电主轴的可靠性进行了预测，并为提高电主轴系统的可靠性提出了一些建议。李彦，窦怀洛等[11]针对高速电主轴高可靠性的要求，在高速电主轴现有机构的基础上，采用动态设计方法，得出电主轴和滚动轴承的动态特性，进而再研究轴向跨距、预紧力、转轴各台阶外径以及轴承对高速电主轴临界转速的影响因素，最终得到较合理的电主轴结构；同时，对高速电主轴的密封、冷却、润滑、材料等方面也进行了研究，以实现最优化设计，从而满足了高速电主轴的高可靠性要求。在国内外可靠性试验台并不多见，而建立专门的电主轴可靠性试验台实属首例。相较于其他试验手段，试验台更适于对机床功能部件可靠性进行系统的研究。 第2章 电主轴 第1节 电主轴结构 由机床内装式电动机直接驱动机床主轴，基本上取消了带轮传动和齿轮传动，把机床主传动链的长度缩短为零，实现了“零传动”方式。这种把主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，称之为“主轴单元”，俗称为“电主轴”。电主轴是一种智能型功能部件，由于转速高、功率大，就需要有一系列控制主轴温升与振动等机床运行参数的功能，以确保其高速运转的可靠性与安全。 图2-1 电主轴基本结构 电主轴的基本结构如图2-1所示，它由定子、转子、轴承、润滑装置和冷却装置等构成。电主轴是高速轴承技术、冷却技术、润滑技术、动平衡技术、精密制造与装配技术以及电机高速驱动等技术的综合运用。其主要特点如下： (1)机械结构相对简单，运动惯量小，动态响应性好，能实现很高的速度和加速度以及定角度的快速准停。 (2)电主轴系统没有高精密齿轮等关键传动零件，消除了齿轮传动误差。 (3)减少了主轴的振动和噪声，提高了主轴的回转精度。 (4)用交流变频调速和矢量控制，输出功率大，调速范围宽，功率-扭矩特性好。 电动机会产生大量的热，轴承在高速运转下也会产生大量的热，这两个热源构成了主轴主要的内部热源，如果不加以控制，由此引起的热变形会降低机床的加工精度和轴承的使用寿命，从而需要设计专门用于冷却电动机的油冷或水冷系统。主轴的变速是通过变频器来实现的。高速轴承要有专门的润滑装置，润滑方式有油脂润滑、油气润滑、油雾润滑，高速电主轴一般采用后两种润滑方式。为了保证高速回转部件的安全，还要有报警装置及停止用的传感器及其相应控制系统等一系列支持电主轴运转的外围设备和技术。因此，“电主轴”的概念不应简单地理解为只是一根主轴，而是一个在机床数控系统监控下完整的的子系统，如图2-2所示。 图2-2 电主轴系统 第2节 电主轴的关键技术 电主轴单元是一套组件，它是一项涉及电主轴本身及其附件的系统工程技术。电主轴单元所融合的关键技术主要包括以下几方面: （1）高速电机技术。电主轴是电动机与主轴融合的产物，主轴的旋转部分即为电机的转子，理论上就可以把电主轴看作一台高速电动机，其关键技术是高速度下的动平衡、主轴内励磁的稳定性以及驱动技术。 （2）轴承技术。由于普通钢制轴承质量大，限制了它的极限转速，电主轴通常采用陶瓷球轴承，陶瓷球轴承分为全陶瓷轴承和混合陶瓷轴承两种，陶瓷材料具有优良的物理、化学和机械性能。有时也采用静压轴承，或电磁悬浮轴承，内外圈不接触，理论上命无限长。 （3）润滑技术。电主轴的润滑主要是轴承的润滑，主要有油雾润滑、油气润滑及油脂润滑，一般采用的是油气润滑和油雾润滑，也可以采用脂润滑，但其相应的最高速度有了限制。油气润滑，通常是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。这里，油量控制显得十分重要，油量过少，起不到润滑作用；油量过多，又会在轴承高速旋转时因油的阻力而发热。 （4）内置脉冲编码器技术。为了实现自动换刀以及刚性攻螺纹，电主轴内需安装一个脉冲编码器，以实现相位的准确控制以及与进给的配合。 （5）矢量变频技术。要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必须用高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电动机，变频器的输出频率甚至需要达到几千赫兹。 （6）高速刀具的装卡技术。广为熟悉的BT、ISO刀具不适合于高速加工。在高速加工此背景下出现了的HSK、SKI等高速刀柄被广泛运用到了高速电主轴中。 （7）自动换刀技术。为了适用于加工中心，电主轴配备了能进行自动换刀的装置，包括拉刀油缸、碟形弹簧等。 （8）冷却技术。内置电机和主轴轴承是电主轴的两个主要热源，电主轴的冷却系统主要依靠冷却液的循环流动来实现。外水套和内水套为电主轴冷却系统的两种冷却方式。 第3节 电主轴基本信息 本试验选用的是洛阳轴研科技股份有限公司研发的170XDS30Q22型数控铣用电主轴，其基本信息如下： 1.基本参数 ne=23000r/min nm=30000r/min fe=383.33HZ fm=500HZ Ue=380V Um=380V Pe=22KW Pm=22KW Ie=39A Im=40.5A Me=9.15Nm Mm=7Nm 2.主要技术精度: 静态：电主轴锥孔↗≤0.003mm 电主轴+检具远端↗≤0.008mm 电主轴轴向窜动↗≤0.002mm 动态：电主轴以态30000r/min运行时其振动V≤2mm/S 电主轴以30000r/min运行时其噪声≤80db（A） 电主轴运行4小时后外壳温升≤25℃ 3.基本外型安装尺寸与结构要素 (1)外型安装尺寸：Ø170h6×350 +Ø120×72+60 (2)法兰Ø220×25中心节园Ø194±0.15安装6-M8内六角 (3)前轴承组：2-VEX45/NS 7CE1 DDL 后轴承组：2-VEX45/NS 7CE1 DDL (4)安装HSKE-40刀柄（用户自备） 带HSKE40拉爪 OTT松拉刀系统 配带双向油缸 拉刀力560Kg 松刀力850 Kg 进入油缸油压3MPa (5)配omron拉刀 松拉刀接近开关 (6)配MCW-25-01精密水冷机 (7)配意大利西技联4路油气装置 (8)主轴前后轴承油气润滑油品为32#汽轮机油 进气压力为0.5-0.8MPa 出气压力为0.2-0.25 MPa 用油量：1滴/min (9)配用MCW-25C-01精密水冷机，冷却主轴电机和前后轴承， 进入主轴冷却腔体介质温度≤15℃ 冷却水配方：2%无水碳酸钠，1%亚硝酸钠，97%水 第4节 电主轴受力计算 此处省略 NNNNNNNNNNNN字。如需要完整说明书和设计图纸等.请联系 扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计下载！该论文已经通过答辩 电主轴在实际工况中所受力即切削力。《机械加工工艺手册》里对切削力的定义如下：在切削加工时，刀具切入工件，使被加工材料产生弹性和塑性变形而形成切削所需要的力称为切削力。切削力来自于切削过程中：①克服切削变性去材料塑性变形所需的抗力；②克服切削对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对已加工表面和过渡表面的摩擦力所需的抗力。③克服切削变形区材料的弹性变形所需的抗力。由于切削力的大小和方向受到切削过程许多因素的影响，它们都是不固定的。为了便于分析测量，将切削力分解为三个相互垂直于坐标轴方向的分力或力矩来表示，如图1所示。查《机械加工工艺手册》得铣削力和铣削功率的计算公式如下： 扭矩(Nm): ………………………………………….① 背吃刀力和进给切削力按立铣、硬质合金刀加工碳素结构钢、逆铣估算： 背吃刀力: …………………………....② 进给切削力： ……………………………③ 将电主轴的额定转矩带入①式， 按HSKE-40刀柄标准，取 则： 取: 取 为了模拟真实工况，需要添加的轴向力即 ，加载的径向力为 和 的合力,即： 。所以需要加载的轴向力为343.125N,径向力为943.16N，考虑切削过程中的动态因素和其他的不稳定因素，最大轴向力按400N，最大径向力按1000N来设计。 图1 刀具受力分解图 第3章 加载机构设计 测功机是动力试验的重要设备，它在试验中能吸收被测设备的功率和转矩，而且可以通过变频器对测功机的控制来改变被测设备的转速、转矩和功率，因此扭矩加载选用测功机。轴向力和径向力加载有利用伺服电机作为动力源，然后通过锥齿轮减速传递到安装在电主轴测试棒上面的径向滚动轴承和平面滚动轴承的机械接触式加载；还有用两组励磁绕组在轴侧面和轴端面实现非接触式加载[8]。接触式加载在速度不高时有较强的使用性，但是在高速主轴高速运转状态下，轴承受动态力，将产生大量的热和磨损，为了延长轴承的使用寿命就要添加冷却系统和润滑系统。而在高速情况下，冷却系统一般用水冷，润滑系统一般采用油气或油雾润滑，这两个系统将很复杂而且需要较大的空间来安装，而电主轴的测试棒不能太长，空间有限，加载较难实现，这就导致加载系统的可靠性不及电主轴的可靠性，导致可靠性试验失败。而非接触式磁力加载中，轴向力加载，将励磁绕组放在主轴轴线上，由于主轴受的轴向力受力点是切削刀具圆周上，不是在轴线上，所以将励磁绕组放在侧面更能反映切削工况。其总体结构示意图如图3-1。. 1电力测功机 2 弹性联轴器 3 电磁铁 4 导磁体 5 非接触式电磁激振器 6 陶瓷测试棒 7电主轴 图3-1 可靠性试验平台结构示意图 非接触式激振器5内部结构为两组励磁绕组，一个直流绕组和一个交流绕组。为了避免电磁铁3、激振器5和电主轴7的励磁互相干扰，中间的测试棒6采用陶瓷材料加工。导磁体4采用目前磁性最高的永磁材料——钕铁硼（NdFeB），其磁能积在27~50MGoe之间。高速对联轴器2的要求较高，采用的是弹性膜片联轴器。 第1节 扭矩加载设计 测功机作为旋转类动力源输出性能的常用测试设备，在电机等动力源的转速、转矩、输出功率的测试和检验中起着无可替代的作用，它能对被测动力源施加可变负载转矩并吸收其功率。测试时，通过高速联轴器将测功机的轴与被加载的加载器的轴与被测电机的输出轴通过联轴器连接，且在加载器的轴上安装光栅盘，以达到被测电机的同步转速测量的目的；通过控制加载电压或电流的方式控制加载器向被测动力源加载，加载力度的大小可以通过控制仪器调节，加载到什么程度，可由测功机智能显示仪直接将力矩数字显示。再结合其他检测辅助设备，可以测试各种类型电机的输入电压、电流、输出转矩和功率、转速、功率因数及效率等特性曲线，完成对被测电机性能动态测试.测功机可分为按加载器的工作方式不同可以分为水力测功机、磁粉测功机、电力测功机等，电力测功机包括直流测功机，交流测功机，涡流测功机。测功机的转速一般在10000r/min左右，超过两万转就颇为困难，在运转时会有强烈的振动和刺耳的噪声，轴承会急剧发热，其可靠性很低[12]。此次选用的电主轴转速能达到22000r/min,实验要求最高达18000r/min,功率输出为22Kw。 1.1 测功机的选型 水力测功机是利用物体在水中运动产生摩擦阻力吸收发动机的功率的一种测功装置。在汽车行业已逐渐被电涡流测功机所代替，但因其单位转动惯量的扭矩吸收能力强，在大功率测功及耐久性试验等方面仍多采用。其优点是结构简单、造价低廉、高速吸收、功率大、容易操作、运转平稳。其缺点是控制不便、测量精度差、难于实现远距离操纵及自动调节。它由测力机构、供水系统和制动器三部分组成。可分为叶片式、水阻柱式、圆盘式三种。目前国内水力测功机功率能到达20Kw的，最高转速都在10000rpm以下。 磁粉测功机内部线圈通过电流时会产生磁场，该磁场将内部磁粉按磁力线方向排成磁链，磁链产生的拉力将阻碍主轴的转动，这就是负载力矩。通过改变励磁电流的大小即可改变负载力矩的大小。磁粉测功机由实心转子、定子、磁粉介质、励磁线圈、支架、底板等组成。其特点有：①操作方便,力矩的大小只需通过调节励磁电流大小就可实现。②静态转矩力矩平滑，没有齿槽波动转矩和剩磁转矩。③测功机力矩的产生是由磁粉链的拉力形成，力矩变化不具有冲击性。④转子为空心鼓形转子，惯性小，可承受的离心力较大大。⑤没有摩擦结构，使用寿命较长。磁粉测功机的功率达不到20Kw,使用水冷设备时功率可达15Kw，但最大转速基本在1200rpm左右，因此磁粉测功机达不到要求。 直流测功机一般由直流发电机和控制器组成，利用直流发电机作为负载并将发出的电能通过其加载及回馈控制器（逆变器）回馈给输入端，它和扭矩传感器配接，即组成性能优良的加载系统。直流电机的转矩T=KTФIa,即转矩与磁通和电枢电流成正比，对于它激直流电机来说，只要励磁电流不变，转矩只与电枢电流成正比。直流测功机就是利用这一原理来稳定调节转矩的。但是直流测功机转速最多能达4000rpm，转速达不到实验要求。 涡流测功机利用涡流产生制动转矩来测量机械转矩的装置。它由测力计、电磁滑差离合器和测速发电机组成。磁极被安装其上的测力臂上并被掣住,只可以摆动一定的角度,与测力计配合就能由此摆动角直接读出电枢与磁极间的电磁转矩；被测动力源与电磁滑差离合器的输入轴相连接，并带动电枢旋转。省略掉风摩损耗等测量误差时，此电磁转矩就等于被测动力机械的输出转矩。涡流测功机只能产生制动转矩，不能作为电动机一直运行。一般用于测量动力源的转速上升而转矩下降，或转矩变化而转速基本不变的动力源。它的主要特点：①控制器采用单相交流电源，控制功率小；②输入转速范围较宽，可用于变频调速等各类电动机及动力机械的型式试验；③采用水冷却、振动小、噪音低；④转矩的测量可以采用电子磅秤、高精度转矩转速测量仪或压力传感器等，适用于不同测量精度的场合；⑤价格低廉、使用维护方便、结构简单、运行稳定；⑥该装置还能作制动器用，制动力矩较大。 交流电力测功机功率能达到22Kw，转速能达18000rpm，最终选用的是四川城邦测控技术有限公司研发的DLG22型悬浮式交流电力测功机。 1.2 DLG22型悬浮式交流电力测功机 如图3-2所示。交流电力测功机利用发电机的原理，吸收电主轴发出的能量，将其回馈电网，从节约能源角度，具有很大的优越性。选用的交流测功机由一台悬浮起来的交流电机，拉压力传感器测力装置、转速传感器，安装底座及与动力机械连接的法兰，可四象限运行的ACS800系列交流变频调速系统和交流电力测功机测控仪组成。其优点如下： (1)节能 　　水力、电涡流测功机的基本原理是将原动机产生的机械能转化为热能由水冷却后把热量带走，原动机发出的能量不能回收，转换过程中亦需耗费能量。而电力测功机却可以把原动机产生的机械能转换为电能回馈到内部电网，供其他设备使用。 　　 (2)双向加载及拖动特性 　　水力测功机只能在一个方向加载，同时转速低于一定值时加载性能变差；不能作为反拖设备，在需要做发动机机械效率试验时需要另外配置拖动设备。电涡流测功机可以双向加载，但在低速时加载性能比水力测功机还差，不能作为反拖设备，在需要做发动机机械效率试验时需要另外配置拖动设备。电力测功机却可以方便的实现双向加载，同时在转速到0r/min时依然可以提供足够的加载能力；其加载特性为零转速至额定转速为恒扭矩特性，额定转速至最高转速为恒功率特性，完全符合动力机械的负载特性；而且，电力测功机可以作为动力机械倒拖原动机，可以作为机械效率试验的动力和发动机启动动力使用。 (3)瞬态加载特性 　　水力测功机的加载反应时间基本上在秒级，电力测功机的加载反应主时间为ms级，这主要取决与变频器的阶跃响应和系统的惯性；就ACS800本身而言，控制信号的阶跃响应时间小于5ms 。 　　 (4)反拖特性 　　水力测功机和电涡流测功机本身只消耗原动机能量，不能提供驱动动力，因此不能作为反拖设备。电力测功机可以方便的转换成电机拖动模式，从电网吸收能量，作为动力机械倒拖原动机。 　　 (5)可靠性 　　DL系列交流电力测功机的主机由国内著名品牌配套，转矩转速传感器由四川诚邦测控技术有限公司或HBM公司制造，交流变频调速器由ABB公司配套。负载电机、转矩转速传感器、变频器均经国家权威部门严格检测，完全符合相关的行业标准。 　　 (6)可维护性 　　由于采用了完全符合行业标准/国家标准的配套件，用户在维护时不必依赖制造商，完全可以自行进行日常的维护保养，甚至在需要更换主机和传感器时亦可独立完成，降低维护保养费用。 　　(7)基建费用低 　　DL系列交流测功机本身带有风机冷却，无需水冷装置（包括水池和循环管道），节省基建费。 　 (9)紧急保护特性 　　测功机本身具有过流，断相等保护功能，配合控制系统的超速保护功能，有效的避免了因原动机故障而引起的测功机损坏和原动机故障的扩大。 图3-2 交流电力测功机结构图 1联轴器 2校正臂 3拉压力传感器 4电机接线盒 5吊环 6电机 7 导风罩 8冷却风机 9转速传感器 10底座 11转矩转速传感器接线盒 变频器是ABB公司生产的 ACS-800系列变频器，它对电机的控制采用用直接转矩控制方式，该方式以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制，简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算和控制电机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器（Band—Band 控制），把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制，并产生 PWM 脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。它的控制效果不取决于异步电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况，它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。 主要技术参数： (1)测控柜选用卧式机柜，具备良好的通风降温效果，外表面喷塑处理； (2)二次仪表采用插头插座连接方式，连接可靠牢固； (3)测量参数自动显示、打印、存储，并有异常现象报警功能； (4)同时完成各测试数据和报表的记录及各种特性曲线绘制与输出等功能； (5)测功机形式：采用供货方DLG22型电力测功机，其具体技术参数及使用要求满足供货方《产品使用说明书》中要求； (6)测功机最大吸收功率：22kw； (7)测功机控制系统：采用ET2100控制仪，具有手动和程控两种控制方式; (8)特性曲线如图3-3 图3-3 测功机特性曲线 第2节 轴向力加载设计 轴向力加载选用的是DJ-20型非接触式电磁激振器，最大能提供1000N的力，最大激振力为200N，工作频率范围为20—800Hz，激振器与被激构件间隙：0.5±0.01(mm)。它由激励线圈、铁芯、测力线圈、拾振器、支座五部分构成。与与电动式激振器、电液式激振器比较有以下特征：  (1)与被激物体间为非接触式，可用于研究旋转或平面运动的结构动态特性。 (2)单位力体积比电动式小，激振力比电动式大，没有附加质量的影响。 (3)频率范围比电液式激振器宽，工作频率为20-2000Hz，能满足一般大、中、小型机床试验之用。 (4)装有电容式拾振器，能进行非接触式的振动位移量测量。 SHAPE \* MERGEFORMAT 图3-4 电磁激振器工作原理图 其工作原理图如图3-4所示。激励线圈包括直流偏磁绕组和交流励磁绕组两部分，直流偏磁绕组产生一个预置偏磁力，交流励磁绕组产生交变激振力，实现动态加载。当激振铁芯中产生交变磁通时，测力线圈中产生感应电势，把该电势进行积分，得到积分电压，而力与积分电压成正比。经过适当标定，找出力与积分电压的比例关系，就能把积分电压值转换成力的量值。拾振器能拾取被激振系统的相对振动位移量。 交流励磁绕组可以通过编写相应程序，输入任意波形，实现对电主轴轴向力的动态加载。该激振器的加载面是一个120mm 90mm矩形平面，所以设计的导磁体圆盘部分直径设计为200mm，满足加载要求。由于电磁吸力随气隙的增大会急剧减小，所以安装时应保证激振面与导磁体的间隙为0.5±0.01(mm)。 为了将非接触式激振器安装到加载力的位置，需要设计相应的支撑底座机构，而且支撑机构还要方便调节激振器的位置。设计的激振器加载部件如图3-5所示。 图3-5 激振器部件图 由于要保证激振器与导磁体的距离在0.5±0.01(mm)，所以支撑底座在受力状态下的变形量太大会影响激振器加力效果，所以对底座进行了仿真分析。底座采用HT250铸造，实际试验中底座受动态力，需要添加的轴向力最大为343.125N，故只需对底座在最大受力状态下的最大变形量即可。对底座在受343.125N拉力作用下的静力学分析的变形结果如3-6所示。从分析结果可以看出最大的变形为8.74μm，激振器允许的距离误差为10μm，所以可以看出底座的变形量不足以影响激振器的加载,况且底座的变形使激振器与导磁体之间的距离缩小，即气隙变小，漏磁更少，利于电磁力的加载。图3-7为底座的应力分析，从分析结果中可以看出底座受的最大拉应力为2.01Mpa，而HT250的抗拉强度为240Mpa，强度远远满足要求。 图3-6 激振器底座变形图 图3-7 激振器底座应力分析图 第3节 径向力加载设计 电磁铁磁性的有无可以通过通断电流控制；磁性的大小可以用电流的强弱、线圈的匝数控制，也可以通过电流大小和方向来控制磁性大小和方向。电磁铁可以分为牵引电磁铁、框架电磁铁、磁保持式电磁铁、吸盘式电磁铁和管装式电磁铁。牵引式电磁铁的吸力较小只能达8~25Kg，管状式电磁铁即直动往返式电磁铁，动子往复运动，结构上不满足。磁保持式要求零气隙，不满足非接触式加载。吸盘式和框架式吸力能达到，但此时相应的结构尺寸也很大，且加载面和电磁激振器一样为平面，该实验的径向力加载，要求加载在轴上面，轴是一个曲面，气隙无法保证，故市场上现有的电磁铁很难满足实验要求。于是作者自行设计了一个最大吸力为1000N的 型直流电磁铁，其作用原理图4所示，它由铁芯、线圈、衔铁和两个气隙组成。平均磁路长度为 ，衔铁长度为 ，铁芯截面面积为S，气隙为 ，电流为I，线圈匝数为W，电磁力为F。由于磁路磁势大部分消耗在气隙里，所以气隙越小，在通相同电流的时候电磁吸力越大，故取气隙 为0.5mm。 图3-8 型电磁铁作用原理图 根据全电流定律知，如图4中磁路其磁化电流及励磁安匝数有如下关系式： …………………………………………④ 麦克斯韦公式： ……………………………….……….⑤ 式中 、 、 ——分别为气隙中磁场强度、铁芯中磁场强度、衔铁中磁场强度； 、 ——分别为气隙中磁感应强度，真空导磁系数，其值为 亨/米。 直流电磁铁的磁路磁势绝大部分降落在气隙上，由于气隙为0. 5mm，可以忽略漏磁通，所以可以用气隙的磁势代替整个磁路的磁势进行设计，然后再进行力的标定，修正误差。则式④可以写成： ………………………………………………………….⑥ 当设定最大磁力为1000N（每边吸力为F=500N），W为1000匝（每边500匝），U型铁芯的面积S=400 （直径为22.6mm）时，可由⑤式求得： 带入⑥式有 一般用于绕制电磁铁线圈的Q类漆包线1 截面积可允许2.5安电流，所以选用直径为1mm，截面积为0.785 的线能够承受1.41安的电流。设定框架长度为30mm，考虑到绕制线圈时线与线之间的间隙及带漆后1mm的线直径将变为1.07mm，另外防止击穿应乘以一个系数（2~3），这里取3则单边线框宽度为 。两铁芯间距离应该大于2倍线宽取66mm，高度取90mm。为了保证铁芯断面与轴的气隙距离为0.5mm，将铁芯断面做成曲面，曲率半径与导磁体曲率半径相同。其结构如图5所示。 图3-9 电磁铁加载示意图 电磁铁的外围用铝制造，防止磁力线对检测设备和电主轴的干扰。铁芯材料选用1J22软磁合金，1J22软磁合金具有高饱和的磁感应强度、高居里点和高磁致伸缩系数。电磁铁后面连接在型号为CPR24的S型拉压力传感器，传感器通过CXSE增强型单输入通道仪表与PC机相连，通过编写的程序，实时检测和控制磁力大小。电磁铁设计完成后，对电磁铁进行标定，建立电流和力的关系[13]，最终通过电流大小控制电磁吸力。电磁铁的整体结构如图3-10所示。 图3-10 电磁铁结构示意图 1支撑底座 2 S型拉压力传感器 3 连接块 4 铝座 5 挡块（深蓝色） 6 漆包线圈（黄色） 7 U型铁芯 8铝座盖 铝座4内部有与铁芯7大小相同的U型槽，挡块5将铁芯固定在铝座内。通过铝座4和铝座盖8将线圈6包围起来，放置漏磁对电主轴和检测元件的影响。铝座4通过连接块3与S型拉压力传感器2相连接，连接方式为螺栓联接。最后通过螺栓将S型拉压力传感器2固定到底座1上面 当电磁铁的工控机给以加力信号，线圈中通过直流电流，铁芯将被磁化，对导磁体产生电磁吸力。S型拉压力传感器受拉力，能将电磁铁产生的电磁吸力信号实时检测出来，通过放大处理，将信号反馈到工控机，与加力信号相比较，实现闭环控制。 第4章 检测控制系统设计 做电主轴的可靠性试验，需要在加载状态下实时监测电主轴的运行状态，收集故障数据，就需要设计一套性能检测系统。电主轴是高速轴承技术、动平衡技术、润滑技术冷却技术、精密制造与装配技术以及电机高速驱动等技术的综合运用，上述任何一项技术失效，电主轴将无法运行。主轴温升、轴承温升大小反映了其轴承质量、冷却装置的优劣，主轴和轴承的温升可以体现在前轴承端盖上，因此可以检测前轴承端盖的温度来间接检测主轴和轴承的温升。电主轴的速度和转矩反映了其电机高速驱动装置的性能。其支承轴承、精密制造与装配技术的水平又决定了电主轴的回转精度，轴向热伸长，径向跳动，主轴的动静刚度、主轴的振动烈度等性能。噪声是主轴各方面性能的综合体现。所以实时检测这些参数对预防故障，分析故障，提高主轴的可靠性具有重要意义。 检测项 检测指标 传感器 转速 最高转速30000r/min 霍尔式速传感器 转矩 最大转矩0~9.15Nm 电阻应变式拉压力传感器 前端温度 运行4小时后外壳温升 25℃ JWB/C型温度传送器（WZC型） 轴向位移 技术标准 电涡流传感器 （RP6600/6600XL系列） 径向跳动 技术标准 电涡流传感器 （RP6600/6600XL系列） 机壳振动 2mm/s （30000r/min时） 一体化速度振动变送器 噪声 30000r/min运行时噪声 80db（A） BR-N201智能噪声仪 表4-1 电主轴可靠性试验台检测项及相应的传感器 电主轴可靠性试验台的检测控制系统的检测项如表4-1所示，各个检测项的检测方法一一陈述。 第1节 转速转矩检测 电主轴转速转矩的测定即电主轴的负载特性试验，主要使电力测功机的负载在（1.5～0.25）倍的额定功率范围内变化，并测量相应的转速与转矩。电主轴的调速负载特性表达电主轴在整个调速范围内输出转矩及输出功率的特性曲线，是电主轴的重要性能指标，它反映了高速驱动系统的性能。检验电主轴在额定运行情况下的主要技术性能是否满足有关技术标准所规定的值的要求。 检测转速是采用的霍尔式速传感器，转矩采用的是电阻应变式拉压力传感器，其安装方式如图4-1。 1轴承座 2联轴器 3转矩转速传感器 4联轴器 5电机 6平板 图4-1 转速转矩检测方案 第2节 温度检测 电主轴的定子、转子的铁损和铜损等, 不仅消耗了能量, 且最终还成为热量散发出来。由于旋转交变磁场的作用, 在定子铁芯中产生磁滞损耗和涡流损耗，这将要产生大量的热。虽然有相应的冷却系统，带走了大量的热量，若冷却系统出现故障，温度将迅速上升，检测到温度上升就马上停止电主轴的运转。另外轴承在高速运转下由于摩擦产生大量的热，且发热集中，散热困难，所以良好的润滑系统是保证轴承可靠性的前提。系统的温升越高，零配件的热变形就越大，将严重影响主轴的精度。检测主轴的温度，是采用的是JWB/C型温度传送器（WZC型）。 JWB/C型温度传送器在温度传感器的接线盒内安装了变送模块，变送模块选用专用芯片进行放大和线性化处理，提高了传感器测量精度，冷端无需补偿，负载能力大，传输距离远，抗干扰能力强。本实验选用的电主轴要求主轴在运行4小时后外壳温升 25℃，通过软件控制，当温度超过25℃时，停止电主轴的运行。温度传感器的安装方式如图4-2。 图4-2 温度传感器安装位置 第3节 轴向位移和径向跳动检测 数控机床主轴的回转运动误差是影响数控机床加工精度的重要因素之一，它直接影响到加工零件的表面质量、粗糙度及形状精度。主轴回转精度作为机床或仪器轴系工作性能的重要指标，是影响测量精度和精密加工的主要因素，主轴回转误差，是评定机床和仪器精度的主要工作。随着对机械制造精度和效率的不断提高，现代机械制造已向精密和超精密的方向发展，相应的检测精度也向更高精度挺进，检测方法从静态测量转变为动态在线检测。高速电主轴的轴向热伸长及径向振动直接影响刀具的位置，从而造成加工误差。如何快速、准确、简便的测量高速电主轴的热变形量和振动量对研究电主轴动态特性和发展智能电主轴极其重要。在位置精度要求极其高的情况下，为保证高速电主轴工作的稳定性，在主轴高速运行过程中，采用非接触式RP6600/6600XL系列电涡流位移传感器对轴向位移和径向振动进行非接触实时测量，实现对高速电主轴的在线监控。 3.1 电涡流传感器工作原理及特性 电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。 前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流。与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变（线圈的有效阻抗），这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率 、磁导率​ 、尺寸因子 、头部体线圈与金属导体表面的距D、电流强I和频率 参数来描述。则线圈特征阻抗可用Z=F( , , , D, I, )函数来表示。通常能做到控制 , ​, , I, ω这几个参数在一定范围内不变，则线圈的特征阻抗Z 就成为距离D 的单值函数，虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为“S”型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。于此，通过前置器电子线路的处理，将线圈阻抗Z 的变化，即头部体线圈与金属导体的距离D 的变化转化成电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量,原理图4-3。 图4-3 电涡流传感器原理图 其工作过程是：当被测金属与探头之间的距离发生变化时，探头中线圈的Q值也发生变化，Q 值的变化引起振荡电压幅度的变化，而这个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大归一处理转化成电压（电流）变化，最终完成机械位移(间隙)转换成电压（电流）。由上所述，电涡流传感器工作系统中被测体可看作传感器系统的一半，即一个电涡流位移传感器的性能与被测体有关。 3.2检测方案 3.2.1径向跳动检测 图4-4 径向跳动检测方案 当需要测量轴的径向跳动时，要求轴的直径大于探头直径的三倍以上。每个测点应同时安装两个传感器探头，两个探头应分别安装在轴承两边的同一平面上相隔90º±5º。由于轴承盖一般是水平分割的，因此通常将两个探头分别安装在垂直中心线每一侧45º，从原动机端看，分别定义为X 探头（水平方向）和Y 探头（垂直方向），X 方向在垂直中心线的右侧，Y 方向在垂直中心线的左侧。探头中心线应与轴心线正交，探头监测的表面（正对探头中心线的两边1.5倍探头直径宽度的轴的整个圆周面，如图）应无裂痕或其它任何不连续的表面现象（如键槽、凸凹不平、油孔等），且在这个范围内不能有喷镀金属或电镀，其表面的粗糟度应在0.4 um 至0.8um 之间。 3.2.2轴向位移检测 测量轴的轴向位移时，测量面应该与轴是一个整体，这个测量面是以探头的中心线为中心，宽度为1.5 倍的探头圆环。探头安装距离距止推法兰盘不应超过305mm(API670 标准推荐值)。 图4-5 轴向位移检测方案 第4节 机壳振动速度与噪声检测 机壳的振动和整机的噪声是主轴综合性能的集中体现，如主轴出现了故障或过载，主轴的振动和噪声会急剧上升。噪声出厂标准为当转速为30000r/min时，噪声不能超过80db，检测噪声用的是BR-N201智能噪声仪。主轴振动速度出厂标准为当转速为30000r/min时，振动速度不能超过2mm/s，检测振动速度用RP6700 系列一体化速度振动变送器。 BR-N201 型智能噪声仪是一款符合GB/T3785-2型和61672-2级标准的要求而设计的声级计，采用定制大屏幕LCD显示，具有交流和直流信号输出，具备瞬时声级数据输出，每秒1个Lp数据。适用于环境噪声的定点在线监测、汽车检测线噪声的自动测量及旋转机械振动噪声监测。检测方案如图4-6。 图4-6 噪声检测方案 RP6700 系列振动速度传感器，可用于对轴承座、机壳或结构相对于自由空间的绝对振动测量。电主轴上面有个专门放置振动速度传感器的M8螺纹孔，定做的振动速冻传感器通过M8D的螺栓联接到主轴上面。其输出电压与振动速度成正比，故又称速度式振动传感器。其输出可以是速度值的大小，也可以是把速度量经过积分转换成位移量信号输出。这种测量可对旋转或往复式机构的综合工况进行评价。 RP6700 系列速度振动传感器属于惯性式传感器。是利用磁电感应原理把振动信号变换成电信号。它主要由磁路系统、惯性质量、弹簧阻尼等部分组成。在传感器壳体中刚性地固定有磁铁，惯性质量（线圈组件）用弹簧元件悬挂于壳体上。工作时，将传感器安装在机器上，在机器振动时，在传感器工作频率范围内，线圈与磁铁相对运动、切割磁力线，在线圈内产生感应电压，该电压值正比于振动速度值。与二次仪表相配接（如RP6700 振动系列仪表），即可显示振动速度或振动位移量的大小。也可以输送到其它二次仪表或交流电压表进行测量。 第5节 总体检测控制框图 检测控制系统包括数据采集系统和数据处理系统。试验台可检测电主轴的径向跳动、轴向窜动、回转精度、温升、振动、噪声等可靠性数据，这些数据通过高精度位移传感器、温度传感器、振动传感器、噪声传感器进行检测，使用数据采集卡采集并传输至工控机进行处理，如图4-7所示。数据处理系统可对可靠性数据进行分析、显示、存储、打印，并根据可靠性数据是否超标对主轴和加载系统进行反馈调节和操作，例如，当出现故障时，即可靠性数据为故障数据，工控机报警，并控制电主轴和相应加载装置停机。 图4-7 试验台总体控制检测框图 第5章 其他结构设计 第1节 电主轴支撑机构 电主轴的速度高，功率大，如何保证电主轴与测功机的同轴度是首先要解决的问题。考虑到电力测功机的重量大，不容易调整，所以电主轴的支撑机构要设计成为可调整机构，而且要满足空间三个方向的调整，以保证同轴度要求。如图5-1所示。 图5-1 电主轴机构 1 支撑机构 2 竖直调整片 3 电主轴 4 包夹 电主轴通过法兰盘上均布的螺栓与包夹联接在一起。利用不同厚度的竖直调整片调整电主轴竖直方向的高低。固定在带有T型槽的地坪铁上面，就可以通过安装在T型槽里面的螺栓左右移动调整电主轴的左右位置。支撑机构下面有U型槽，在固定前，可以调整电主轴的前后位置。通过以上三部分就可以调整电主轴的空间位置，以保证电主轴与电力测功机的同轴度。 第2节 测试棒强度分析 由于测试棒是承受加载力的主要元件，如果它的强度达不到要求，那整个实验的设计将没有任何意义，下面在CATIA中对加载棒进行强度校核。虽然主轴是受动载荷，但是按最大加载力进行静强度校核，若此时能满足要求，则动载荷也没有问题。加载棒的轴肩处承受轴向力为344N，径向力为960N，转矩为9.15Nm，将加载棒的材料设置成陶瓷。加载过程及结果如下图5-2至5-4所示： 图5-2 加载棒的固定及受力设置 图5-3 加载棒的应力校核结果 图5-4 加载棒的位移校核结果 由图5-3可知，测试棒所承受的最大应力在轴肩处，为10.4Mpa，这样测试棒的设计完全符合强度要求。如图2.80所示，测试棒的最大位移为4μm，也符合实验要求。 设计总结 从去年11月份开始接触这个课题，刚一接触这个项目，我都不知道电主轴具体是什么东西，然后下来收集资料，并且到国内最大的电主轴生产公差——洛阳轴承科技股份有限公司进行实地考察，参观了电主轴的生产线，并和搞电主轴研究的高级工程师徐同申学习很多关于电主轴的知识，包括电主轴的结构、驱动方式、冷却方式、润滑方式、轴承的选用，动平衡实验、以及电主轴常见的故障等等。徐工还给我们搭建高速电主轴可靠性实验平台提出了宝贵意见。 回到学校，在图书馆，网上查询了电主轴的相关论文资料，并在全国范围内调研了电主轴的生产情况，国内电主轴在性能上与国外电主轴相差较远，国内还没有一家生产商能做到，在转速达到18000r/min的同时，功率同时达到22Kw，最后洛阳轴研专门为我们课题组研发这一要求的电主轴。 电主轴的问题解决后，就是设计试验台。由于该试验台的特点是模拟主轴的实际工况，而且是高速，大功率，所以设计过程中，最大的问题就是解决加载方案，设计过电磁加载，电液加载，电力加载等好几种加载方案，经过很长一段时间的研究，不断的确定方案，修改方案，最终确定了电磁加载。在设计期间，使我综合运用机械设计的理论和实际知识，结合实际现有的东西知识，培养分析和解决一般工程实际问题的能力，并使所学的知识得到进一步巩固、深化和扩展；通过设计，使我掌握机械设计的一般规律，树立正确的设计思想，培养独立分析和解决实际问题的能力。 当然在设计过程中，也碰到了许多问题。在陈菲、呼烨、张富等老师的指导和一些同学的帮助下，我也尽自己的努力去克服困难，最后顺利地完成了整个设计。另外，由于本人缺乏经验及水平有限，设计仍存在一些问题，望老师给予指正。 毕业设计不仅锻炼了我们独立完成设计的能力，而且让我们发现了自身的不足，虽然设计的过程困难重重，虽然绕了不少弯路，但最后看到自己的设计成果时，心中有了一丝的成就感。这次毕业设计是我们在本科生阶段的最后一堂课。它将我们平时所学相互结合起来，为我们将来进入下一段人生准备。它让我学习到了更多的新知识。 致 谢 设计结束时，我深切感受到不仅是自己的劳动，还有身边老师和同学的关心和支持才使我取得了本次课题的成果，在此向他们表示衷心的感谢。面对一个全新的设计题目，在设计过程中免不了走弯路，但在老师的指导与同学们的帮助下，最终完成了设计任务。 在本设计的开题论证、课题研究、论文撰写和论文审校整个过程中，得到了陈菲老师和呼烨老师的亲切关怀和精心指导，使得本设计得以顺利完成，其中饱含了他们的汗水和心血。老师敏锐的学术思想、渊博的学识、严谨踏实的治学态度、诲人不倦的育人精神、精益求精的工作作风，将永远铭记在学生心中，使学生终生受益。在此我们向他们表示衷心的感谢和崇高的敬意。 在本次设计中，尤其感谢朱岩同学、马宇鹏、何佳龙同学，我们一起做毕业设计，互相讨论方案，相互学习，不断提高。另外还要感谢实验室的所有师兄师姐，他们提出的宝贵意见使我受益匪浅，感谢那些帮助过我的人。 参考文献 [1] Kuo-shong Wang，Eang-hao Wan Reliability Consideration of Flexible Manufacturing Systemfrom Fuzzy 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[25] 谭庆昌，赵洪志 机械设计，北京：高等教育出版社，2009. 附图1 电磁铁组件 附图2 电主轴 附图3 电力测功机组件 附图4 总体试验平台 直流电源 扼流线圈 信号发生器 交流功放 激振器 频 率 计 测力线圈 DJ型激振器测力表 电容传感器 电容微调器 电容测微仪 记录仪 被激物体 A 视图放大3倍 A 8 4 7 6 5 3 2 1 温度传感器 电主轴 44 3 2 1 _1234567905.unknown _1234567913.unknown _1234567921.unknown _1234567929.unknown _1234567933.unknown _1234567935.unknown _1234567937.unknown _1234567938.unknown _1234567936.unknown _1234567934.unknown _1234567931.unknown _1234567932.unknown _1234567930.unknown _1234567925.unknown _1234567927.unknown _1234567928.unknown _1234567926.unknown _1234567923.unknown _1234567924.unknown _1234567922.unknown _1234567917.unknown _1234567919.unknown _1234567920.unknown _1234567918.unknown _1234567915.unknown _1234567916.unknown _1234567914.unknown _1234567909.unknown _1234567911.unknown _1234567912.unknown _1234567910.unknown _1234567907.unknown _1234567908.unknown _1234567906.unknown _1234567897.unknown _1234567901.unknown _1234567903.unknown _1234567904.unknown _1234567902.unknown _1234567899.unknown _1234567900.unknown _1234567898.unknown _1234567893.unknown _1234567895.unknown _1234567896.unknown _1234567894.unknown _1234567891.unknown _1234567892.unknown _1234567890.unknown