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田口方法在高速电主轴系统设计的应用,方法,法子,高速,主轴,系统,设计,应用,利用,运用
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田口方法在高速电主轴系统设计的应用 作者：智威麟 工业工程与系统管理 台中 台湾逢甲大学 摘要： 随着主轴转速的增加，高速所产生的影响效果变得更加显着。因此，在最初的设计阶段，工程师有必要对机床设计，构造一个强大的高速机床，具有较高的固有频率和不敏感的高运行速度的模式。在本文中，相对于系统第一模式的固有频率的信号对噪声比，田口方法是用来识别一个强大的高速主轴系统的设计变量最优值。 交阵列包括七个主要的设计变量，三个层次，一个主要的设计变量在两个层面而噪声因子为六水平的主轴转 速。结果表明，新的最优设计提高了原来设计的第一模式的固有频率的信号对噪声比 意味着已经降低到其原始值 62的质量损失。数值实验验证已确认优化设计。 关键词： 田口方法，坚固耐用的设计，高速电主轴系统设计，系统动力学，有限元模型 1、简介 高速加工（ 一种新兴的材料去除加工技术。虽然高速金属切削理论可以追溯到 20 世纪 30 年代，但是商业机床并不能够实现这些切削速度，直到20 世纪 80 年代末 1， 2，行业纷纷开始尝试使用高速机床的生产。中航工业最先开始使用，其次是汽车企业和模具制造商。为了进 一步提高生产力，许多机床制造商和学术研究人员一直努力改进生产机床主轴可旋转的速度要快于早期的主轴系统生产机床。主轴系统的设计已经成为高速机床发展的最重要组成部分之一。 电主轴系统的设计过程中，通常始于识别轴承的类型，配置，预压的方法和主轴电机的系统，这适合所需的加工中应用 3。一旦阐明了主轴的概念，设计详细规格，例如静态和动态刚度的水平，最大的运行速度，功率要求等是用来定义主轴系统的设计变量的值。然而，在初始阶段的高速主轴设计中，最重要的考虑是，第一模式自然频率 (远高于最大主轴转速 ;如果 够高，强迫共振可能发生 4 这也是值得注意的，随着主轴转速的增加，高速主轴系统第一模式的固有频率的影响可能会变得更加显着。要理解复杂的热机械电主轴在高速旋转的动态行为，林等人。提出了一个全面、综合有限元法 (型的电主 轴系统， 轴承预压和轴的刚度变化也不容忽视。在高速加工试验台配备一个定制的、高性能的电主轴已经证实了这个模型 6。结果表明，由于高速影响所造成的离心力和陀螺力矩，主轴系统自然频率的下降作为主轴速度提高分成向后和向前的模式。这意味着高速主轴系统的第一个模式自然频率在其生命周期中可能会有所不同，因为在实践中，主轴速度通常需要进行调整，以适合应用和加工条件。因此， 工程师有必要对机床设计构建一个强大的高速机床， 不仅具有较高模式的固有频率，但是运行速度不敏感，特别是高速的影响存在。由于有两个目标，寻求优化，通常情况下，揭示非线性要找到第一模式的固有频率公式，本文中讨论的问题可以类专业人员作为一种非线性多目标优化方案，这可能不是通过传统的方法，但这是有效地解决现有基于梯度的方法。 这个方法来自于田口玄一博士，特别是技术参数设计， 已被证明是实现稳健的非常有效手段。在过去 40 年，田口方法以 优异的成绩已成功地应用在全球成千上万的企业 7。如本文的调查，对于静态的问题，田口方法将影响产品质量的因素特性分为两类：控制因素（ 噪声因素（ 设计团队可以很容易地指定 平，但无法控制 口方法的参数设计揭示，我们可以同时调整高速主轴系统的设计对噪音的因素，即主轴转速，最大限度地提高系统的第一模式自然频率，通过指定控制因素的水平，即设计变量的标称值。为了找到最佳水平的控制因素，部分因子设计，利用田口方法使用正交阵列表来测试所有可能的组合以避免效率低下 8。这种质量工程方法 已被成功地使用在许多为找到最佳参数水平的学术研究中。 本文中，在详细设计阶段，我们使用了参数化设计技术的田口方法，以确定设计变量的水平，来达到稳健的高速主轴系统，同时最大限度地提高第一模式的自然频率，并尽量减少由高速造成的影响。首先， 引入参数的设计方法。然后，是一个高速主轴系统综合的动态模型，如图 1 所示，简要讨论，并据此确定主要设计变量及其相应水平。通过应用田口方法，得到这些设计变量的最佳水平，进行确认试验来验证结果，并以统计学上显着的设计变量来确定方差分析（ 由此可得出结论，总结本文的结果。 图 在这个研究中，田口参数设计技术是用来决定 水平控制因素最稳 健的设计。一个信号噪声比（ 来自于一个测量系统质量特性的质量损失函数。信噪比具有不同形式不同类型的质量损失函数。若本文研究时，在更大更好的情况下，信噪比（ C）可以写为 8 ny i 2/1lo （ 1） 其中 有关质量特性的观测数据， n 为样本大小。 田口正 交阵列的设计对控制因素的影响进行研究，并决定他们的最佳水平与少量的实验，这种做法是一个更高效完整的因子实验设计。正交阵列提供一套平衡的方式运行实验可以得出这样的结论 7。选择一个合适的正交阵列，首先必须确定有多少个自由度（ 存在，自由度的数量取决于控制因素的数量和水平。在田口方法中，正交阵列表示为拉丁方块 中需要显示实验运行的总数。 田口方法提供了一个完善的参数设计问题的方法 ;实施本研究归纳为以下步骤： 1 确定适当的质量特性，并确定一个理想功能性的品质特点。 2 确定所有控制和噪声影响因素的质量特 性和定义其水平。 3 选择一个正交的数组，适当的大小、水平的控制和噪声因素形成了内部和外部的数组。 4 在正交阵列配置的基础上进行实验。 5 分析数据，以计算出影响控制因素的质量特性（即信噪比），并确定所有最佳水平的控制因素。 6 通过方差分析，确定主要影响控制因素的信噪比。 7 验证优化设计与确认数值实验。 正如所提到的，本文认为高速主轴系统的质量特性是第一模式的固有频率，本研究旨在最大限度地利用这个变量。在第二步骤的描述中，动态模型简要介绍了高速主轴系统是确定主要的设计变量，并证明影响噪声系数（主轴转速）的是系统第一模式的 固有频率。 图 高速电动主轴的动力学非常复杂，因为存在几种相互热和机械相互作用的非线性和闭环现象。为了设计目的，图 1 中的矩形块。图 2 显示了描述主轴系统的动态特性所需的基本物理模型，包括主轴的综合动态有限元模型，主轴的有限元模型，轴承刚度模型，热预加载模型，热膨胀模型和传热模型。在本文中， 5应用于优化图 1 所示的电动主轴系统。 1 关于高速效应 ;前轴承对刚性地预装有特定尺寸的垫片，预压为 891N。 如果主轴轴元件被建模为 ，并且每个节点的位移被赋予四个自由度（两个用于横向和两个角度），则机动主轴的积分动态 型可以表示为 4其中 q是旋转坐标系中主轴承系统的全局节点位移 ; 是主轴转速 ; 过渡质量矩阵 ; 旋转质量矩阵 ; G是主轴的陀螺矩阵 ; K是由主轴和径向轴承刚度构成的系统刚度矩阵 ;和 Q（ t） 是负载向量。该模型不考虑任何结构阻尼或轴向力。 从等式（ 2）可以看出，矩阵 G和 K都是从主轴的尺寸和材料来确定的 ; K也是轴承的位置和对它们执行的预载荷的函数。图。图 2 显示了动态模型中的主要自变量。独立变量分为两类，表示为设计变量（ 运算变量（ 主轴和轴承的尺寸等 设计阶段决定，在主轴已经传送到使用者之后很少进行修改，而在车间设置诸如主轴转速的 别包括控制因素和噪声因子。 表 1 中描述的林和图 4确定的八个重要 括主轴材料，主轴直径和总长度，轴承初始预载荷，前后轴承组件的轴承间距，前后轴承组件的中间线间隔，前后轴承组件的中 间线与切削刀具的端部间隔。这八个设计变量是本研究的控制因素。表 1 还显示了这些因素的水平以及自由度。列“ ”表示每个控制因素的原始设计（图 1）的标称值。注意，由于本研究中使用的主轴的横截面不均匀， B”行中的符号 示每个横截面直径的原始设计值，并且由于 ， F， G，和 H 与主轴的长度有关，主轴的长度在实验运行中有变化，表中这些水平值以主轴（ C”）的总长度的百分比表示。最后，噪音系数，主轴转速被认为是从 0 25,000 六个级别，增量为 5000 An on by in it is to a to In is to of a to of 18 at at at of dB 2 of by a is an of be to 930s, of 980s 1, 2. of in to of a of +8863636; +(, 20113. a as to of of in of is is is 4. It as on of a To of 5 a of in in be on a a 6. of as to by of a in in to be to it is to is to to be is as in be as a be r. of to be to in of 0 7. as in s we by of of In to of to 8. in to 9, 10, 11, 12, 13? ? ? to at we to of in it by is a of as 1,is of a is to of a is x 95 x 18 #1 #2 #3 #4. of is to of A is a to NR of as in ) be 8 = 10 1/ (1)yi is of n is to of to a of is a An a of be in a 7. To an of on of a, a of a of is as 8, 9, 7 :1. an of an is to of . of EM on of to of on of NR a of is to is of to to of on s of of 2 to of an EM of EM of a a a a In EM in et 5 is 1 to of 91 is as a of of EM be 4( + q Gq + (K 2( )q = Q(t) (2)4q is of in is is is G is of K is by Q(t) is or q. (2) it be , G, K of K is a of of on 2 in as as of in to as on Vs Vs in u 4, , of of or of of of to of as as ” of 1) of in is in F“B” of s , F,G, to of of Fs in as of of C”). is at 5,000 a 5,000 . of 1011 1011 1B* of C of D 300 340 370 2E* of 2F* of 2G* of 2H* of of 25* of of * to of C”)3, is by a 233, it be on 1, on 0 1 of A . of to a of of be of on of be 5is of to of of NR of NR of by in is an OF As , 5 in 18, of to 14, is as to of is in In in , 2, , of in 1 be to at 1 5,000 a 5,000 An 8 In to . in , is to A” H” in EM is at 5,000 a 5,000 1 as in . NR be by q. (1); in NR . ,000 0,000 5,000 0,000 5,000 B C D E F G H 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 1 3 3 3 3 3
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