高速电主轴非接触式加载可靠性试验.docx
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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。
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。
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60000r/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/minnm=30000r/min
fe=383.33HZfm=500HZ
Ue=380VUm=380V
Pe=22KWPm=22KW
Ie=39AIm=40.5A
Me=9.15NmMm=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/NS7CE1DDL后轴承组:
2-VEX45/NS7CE1DDL
(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850Kg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0.2-0.25MPa
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:
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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
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