1、摘要高速电主轴非接触式加载可靠性试验摘 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
2、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AbstractAbstractIn order to reflect the actual working conditions of high-speed motorized spindle accurately, and text the reliability of the spindle, the pape
3、r 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 complet
4、es 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 p
5、aper 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 th
6、e reliability of spindle.2. The introduction of spindles 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 correspon
7、ding 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目 录第 1 章 绪论 .1第 1 节 可靠性的研究现状 .11.1 国外可靠性研究现状 .11.2 国内可靠性研究现状 .2第 2 节 电主轴的国内外研究现状
8、 .3第 2 章 电主轴 .5第 1 节 电主轴结构及关键技术 .51.1 电主轴机构 .5第 2 节 电主轴的关键技术 .6第 3 节 电主轴基本信息 .7第 4 节 电主轴受力计算 .8第 3 章 加载机构设计 .10第 1 节 扭矩加载设计 .101.1 测功机的选型 .111.2 DLG22 型悬浮式交流电力测功机 .12第 2 节 轴向力加载设计 .15第 3 节 径向力加载设计 .17第 4 章 检测控制系统设计 .22第 1 节 转速转矩检测 .23第 2 节 温度检测 .23第 3 节 轴向位移和径向跳动检测 .243.1 电涡流传感器工作原理及特性 .243.2 检测方案 .
9、25第 4 节 机壳振动速度与噪声检测 .27第 5 节 总体检测控制框图 .28第 5 章 其他结构设计 .29第 1 节 电主轴支撑机构 .29目录2第 2 节 测试棒强度分析 .30设计总结 .32致 谢 .34参考文献 .35附图 1 电磁铁组件 .37附图 2 电主轴 .38附图 3 电力测功机组件 .39附图 4 总体试验平台 .40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
10、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
11、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
12、床整机的 MTBF 水平具有重要意义。第 1 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。本科毕业设计说明书2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
13、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，
14、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
15、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
16、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”和本科毕业设计说明书3“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，
17、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
18、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
19、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
20、作在共振区的可能性。胡爱玲 7利用本科毕业设计说明书4ansys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
21、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
22、、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 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
23、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-扭吉林大学本
24、科毕业设计说明书6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
25、。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、
