高速电主轴非接触式加载可靠性试验论文.docx

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高速电主轴非接触式加载可靠性试验论文

毕业设计开题报告

课题名称：

高速电主轴非接触式加载可靠性试验系统设计 

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，制订了CNC系统等可靠性测定试验方案及一系列标准。

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

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机械工业出版社.2006.12：

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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

Inordertoreflecttheactualworkingconditionsofhigh-speedmotorizedspindleaccurately,andtextthereliabilityofthespindle,thepaperdesignasetofsimulatedsystemsimultaneouslysufferedthespindletorque,radialforceandaxialforceloading,whichuseelectricdynamometertoachievethetorqueloading,contactlessshakertoachieveradialloading,thesolenoiddesignedtoachieveaxialloading.Thesystemnotonlycompletesthedynamicloadingofthespindle,butalsodetectsthebasicperformanceparametersandfaultindicatorsparameterofthespindleintheloadingprocess.Anditcollectsfailuredata,drawsthecurvesoffaultdataandmakesreliabilityanalysis,improvingthereliabilityofthespindle.Thispaperdesignstheloadingtextofthespindlewhosemaximumspeedis18000rpmandelectricpoweris22Kw,whichproposinganewmethodforthereliabilityofspindle.

Thisdesignhascarriedontheanalysistotheabovequestions,theprimarycoverageisasfollowing:

1.Reviewedthereliabilityandthereliabilityofspindle.

2.Theintroductionofspindle'sstructureandprincipleandcalculatingthestressoftheusedspindle.

3.Thedesignforspindleloading：

thetorqueloading,theradialandaxialloading.

4.Thedesignofmotorizedspindletestandcontrolsystemandthechoosingofcorrespondingequipment.

5.Otherauxiliarypartsdesignsuchaselectricspindlesupportinginstitution,andfinishingitswholestructuredesign.

Keywords:

High-speedmotorizedspindle;Reliability;

Contactlessloading;Design

目录

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1

1.2国内可靠性研究现状2

第2节电主轴的国内外研究现状3

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10

1.1测功机的选型11

1.2DLG22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24

3.1电涡流传感器工作原理及特性24

3.2检测方案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

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。

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