（机械制造及其自动化专业论文）hmc80加工中心电主轴单元实验平台设计与试验研究.pdf

1 r t h e d e s i g na n dt e s tr e s e a r c ho nh m c 8 0 m o t o r i z e ds p i n d l eu n i t e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m b y w a n g m i n g w e i b e ( n a n y a n gi n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 4 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n i nt h e g r a d u a t esc h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rs h e nh a o m a y ，2 0 1 1 研 集 已 校 查 编 汇 1 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 插图索引i v 附表索引v 第l 章绪论1 1 1 课题来源l 1 2 国内外电主轴研究现状1 1 2 1 国外电主轴研究现状2 1 2 2 国内电主轴研究现状2 1 3 电主轴实验平台研究现状2 1 4 课题研究的目的及意义3 1 4 1 课题研究的目的3 1 4 2 课题研究的主要内容3 1 4 3 课题研究的意义4 第2 章h m c 8 0 电主轴实验平台的功能与结构5 2 1 电主轴实验平台的功能5 2 2l m g 测试系统及传感器原理6 2 2 1l m s 测试系统6 2 2 2 热电偶传感器工作原理及特点7 2 2 3 压电式三向加速计工作原理7 2 2 4 电涡流传感器工作原理一8 2 3 电主轴实验平台设计方案9 2 4 热电偶温度传感器固定装置设计1 0 2 5 电涡流传感器固定装置设计1 l 2 6 本章小结1 4 第3 章h m c s 0 电主轴实验平台理论分析1 5 3 1 机械振动理论1 6 3 2h m c 8 0 电主轴实验平台振动模型1 6 3 3h m c 8 0 电主轴实验平台理论模态分析1 8 3 3 1 有限元思想1 8 3 3 2 模态分析基础1 9 3 3 3 频率与振型1 9 3 3 4 基本频率2 0 h m c 8 0 加工中心电主轴单元实验平台设计与试验研究 3 3 5 临界转速2 0 3 3 6s o l i d w o r k ss i m u l a t i 0 1 3 软件应用2 0 3 3 7s o li d w o r k ss i m u l a t i o n 有限元模态分析基础2 l 3 3 8 电涡流传感器固定支架有限元模态分析2 l 3 3 9 主轴箱体有限元模态分析2 2 3 3 1 0 电主轴实验平台( 未装传感器支架) 有限元模态分析2 3 3 3 1 l 电主轴实验平台整体结构有限元模态分析2 4 3 3 1 2 电主轴实验平台有限元模态分析结论2 5 3 4 基于a n s y s 软件的电主轴单元轴承温度场仿真2 5 3 4 1 轴承的摩擦生热2 5 3 4 2 轴承的传热2 6 3 4 3 电主轴单元轴承a n s y s 热分析2 6 3 5 本章小结2 8 第4 章基于实验平台的电主轴测试试验2 9 4 1 基于实验平台的电主轴温度测试试验2 9 4 1 1 试验概况2 9 4 1 2 试验目的2 9 4 1 3 试验原理3 0 4 1 4 试验系统组成3 0 4 1 5 测试试验步骤3 0 4 1 6 试验测试结果3 1 4 2 基于实验平台的电主轴振动测试试验- 3 3 4 2 1 振动测试试验意义3 3 4 2 2 试验目的3 3 4 2 3 试验内容3 3 4 2 4 测试原理3 4 4 2 5 试验步骤3 5 4 2 6 测试结果3 5 4 3 基于实验平台的电主轴回转精度测试试验3 8 4 3 1 电主轴回转精度测试试验目的3 8 4 3 2 电主轴回转精度测试试验原理3 9 4 3 3 试验系统的组成3 9 4 3 4 试验步骤一4 l 4 3 5 试验结果4 2 4 4 本章小结4 5 硕士学位论文 第5 章数据对比及实验平台性能分析4 6 5 1 轴承温度理论分析与试验测试结果对比4 6 5 2 实验平台理论模态分析与振动测试结果对比4 7 5 3 回转精度两种试验方案测试结果对比4 8 5 4 振动对回转精度测试的影响4 8 5 5 实验平台性能综合评价4 8 5 6 本章小结4 9 结论与展望5 0 参考文献51 致谢5 4 附录攻读学位期间的学术成果5 5 i 埘c 8 0 加工中心电主轴单元实验平台设计与试验研究 摘要 高速电主轴是高速加工机床的核心功能部件，为了实现对电主轴特性参数的 研究，本课题研制了高速加工中心电主轴单元实验平台，在实验平台上实现电主 轴单元的轴承温度、振动、回转精度等特征参数的测试，为电主轴单元的深入研 究提供可靠数据。 结合电主轴结构特点和电主轴特性参数测试要求，本文提出了电主轴实验平 台设计方案，设计出测试轴承温度和电主轴回转精度的传感器固定装置。 高速电主轴单元具有高速、高精密等特点，实验平台本身的性能对电主轴特 征参数的测试结果有直接影响。本课题对电主轴实验平台进行模态分析，分别得 出实验平台的电涡流传感固定支架、主轴箱、电主轴单元实验平台装配体的前四 阶固有频率和振型图：对轴承温度进行a n s y s 分析，得出不同转速下电主轴单元 前后轴承温度场分布。 基于实验平台对高速电主轴进行轴承温度测试、电主轴单元振动、回转精度 测试，得出实验数据。采用两种测试方案对电主轴回转精度进行测试。 通过理论数据与实验数据对比，电主轴轴承温度理论值与实验值一致；电主 轴单元实验平台有限元理论分析数据与振动测试结果、电主轴单元回转精度测试 结果得到的振动最大的主轴转速一致，证明了本课题研究方法的正确性。 经过理论分析和实验测试证明了实验平台的可行性和合理性，得出了轴承温 度、电主轴单元振动、回转精度的变化规律。 关键词：电主轴单元；实验平台；固有频率；轴承温度；回转精度；试验测试 硕士学位论文 a bs t r a c t h i g hs p e e de l e c t r i cs p i n d l ei st h ek e yf u n c t i o n a lc o m p o n e n to fh i g hs p e e dp r o c e s s m a c h i n et 0 0 1 i no r d e rt or e s e a r c ht h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fe l e c t r i cs p i n d l e ， t h i ss u b j e c td e v e l o p e dah i g hs p e e dm a c h i n ec e n t e rs p i n d l eu n i te x p e r i m e n t a l p l a t f o r m t oa c h i e v es o m ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e rt e s t so ft h es p i n d l eu n i to nt h e e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，s u c ha sb e a r i n gt e m p e r a t u r e ，v i b r a t i o na n dr o t a r yp r e c i s i o n ， w h i c hp r o v i d er e l i a b l ed a t af o rt h ee l e c t r i cs p i n d l eu n i t sf u r t h e rs t u d y i n g t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dad e s i g ns c h e m eo ne l e c t r i c i t ys p i n d l ee x p e r i m e n t a l p l a t f o r m ，w h i c hc o m b i n et h es t r u c t u r eo f e l e c t r i cs p i n d l ea n dt h et e s tr e q u i r e m e n t so f e l e c t r i c s p i n d l e s c h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r t h e s e n s o rf i x t u r et ot e s t b e a r i n g t e m p e r a t u r ea n de l e c t r i cs p i n d l e sg y r a t i o na c c u r a c yi sd e s i g n e d h i g h s p e e de l e c t r i cs p i n d l eu n i th a st h e c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sh i g hs p e e da n d h i g hp r e c i s i o n t h ep e r f o r m a n c eo fe x p e r i m e n t a lp l a t f o r mh a sa d i r e c ti m p a c to nt h e t e s tr e s u l t so fe l e c t r i c s p i n d l e s c h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r s t h i sp a p e ro b t a i n e d r e s p e c t i v e l yt h ee d d yc u r r e n ts e n s o rf i x e db r a c k e t ，s p i n d l eb o x ，e l e c t r i cs p i n d l eu n i t ， a s s e m b l yb o d y st o pf o u ro r d e rn a t u r a lf r e q u e n c ya n dv i b r a t i o nm o d ef i g u r eo ft h e e x p e r i m e n tp l a t f o r mb y t h em o d a la n a l y s i so ft h ee l e c t r i cs p i n d l ee x p e r i m e n t a l p l a t f o r m ；g o tb e a r i n gt e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o na r o u n dt h ee l e c t r i cs p i n d l eu n i t u n d e rd i f f e r e n tr o t a t es p e e d st e m p e r a t u r ew h i c hi st h ea n s y sa n a l y s i st ot h eb e a r i n g t e m p e r a t u r e b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r md os o m et e s to nh i g hs p e e de l e c t r i cs p i n d l e ， s u c ha sb e a r i n gt e m p e r a t u r et e s t i n g ，e l e c t r i cs p i n d l eu n i tv i b r a t i o na n dr o t a t i o n a c c u r a c yt e s t i n g ，e x p e r i m e n t a l r e s e a r c hd a t ai s c o n c l u d e d u s i n g t w ok i n d so f s c h e m e st ot e s te l e c t r i cs p i n d l e 。sg y r a t i o na c c u r a c y b yt h ec o n t r a s tb e t w e e nt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ld a t a ，t h er e s u l ti sg o tt h a t b e a r i n gt e m p e r a t u r ee x p e r i m e n t a lv a l u ea st h es a m ea st h e o r e t i c a lv a l u e s p i n d l ec e l l f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fe x p e r i m e n t a ld a t ap l a t f o r ma n dv i b r a t i o nt e s tr e s u l t sa n dt h e p r e c i s i o nr o t a t i n gs p i n d l eu n i t sv i b r a t i o nt e s tr e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h em a x i m u m s p i n d l es p e e d ，t h a tt h ec o r r e c t n e s so f t h er e s e a r c hm e t h o di sp r o v e d a c c o r d i n gt ot h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lt e s t s ，e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi s f e a s i b l ea n dr e a s o n a b l et h a ti sp r o v e da n dt h eb e a r i n gt e m p e r a t u r e ，v i b r a t i o no f s p i n d l eu n i ta n dt h ec h a n g e so f r o t a t i o n a la c c u r a c yi so b t a i n e d h h m c 8 0 加工中心电主轴单元实验平台设计与试验研究 k e y w o r d s ：e l e c t r i cs p i n d l eu n i t ；e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ；n a t u r a lf r e q u e n c y ；b e a r i n g t e m p e r a t u r e ；g y r a t i o na c c u r a c y ；e x p e r i m e n t a lt e s t s h i 硕士学位论文 插图索引 图1 1 电主轴结构l 图1 2 电主轴实验平台3 图2 1 电主轴动态性能综合实验平台原理流程图5 图2 2 电主轴单元测试原理示意图7 图2 3 热电偶传感器回路示意图7 图2 4 压电式加速度计的结构原理和力学模型8 图2 5 电涡流传感器的工作原理图9 图2 6 实验平台设计方案模型1 0 图2 7 前轴承热电偶固定装置1 1 图2 8 前轴承热电偶固定装置局部放大图1 1 图2 9 后轴承热电偶固定装置1 l 图2 1 0 后轴承热电偶固定装置局部放大图1 1 图2 1 l 常用的x ，y ，z 向电涡流传感器固定装置示意图1 2 图2 1 2 支架模型图1 2 图2 1 3 法兰套模型图1 2 图2 1 4 检套模型图1 3 图2 1 5 端面传感器安装套模型图1 3 图2 1 6 电涡流传传感器固定装置( 带检套) 纵剖面图1 3 图2 1 7 电涡流传感器固定装置( 带安装套) 纵剖面图1 3 图2 1 8 传感器固定装置( 带检套) 模型图1 3 图2 1 9 传感器固定装置( 带安装套) 模型1 3 图3 1 单自由度振动系统及其建模过程1 5 图3 2 欠阻尼系统的衰减振动1 6 图3 3 振幅对数衰减率与阻尼比的关系1 6 图3 4 电主轴实验平台二维模型1 7 图3 5 实验平台等效振动模型1 7 图3 6 传感器固定支架一阶振型2 1 图3 7 传感器固定支架二阶振型2 l 图3 8 传感器固定支架三阶振型2 1 图3 9 传感器固定支架四阶振型2 1 图3 1 0 主轴箱体一阶振型2 2 h m c 8 0 加工中心电主轴单元实验平台设计与试验研究 图3 1 1 图3 1 2 图3 13 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 17 图 图 图 图 l8 1 9 2 0 2 l 主轴箱体二阶振型2 2 主轴箱体三阶振型2 2 主轴箱体四阶振型2 2 实验平台( 未装支架) 一阶振型2 3 实验平台( 未装支架) 二阶振型2 3 实验平台( 未装支架) 三阶振型2 3 实验平台( 未装支架) 四阶振型2 3 实验平台一阶振型2 4 实验平台二阶振型2 4 实验平台三阶振型2 4 实验平台四阶振型2 4 图3 2 2 转速n = 1 0 0 0 r m i n 轴承温度场分布2 7 图3 2 3 转速n ：5 0 0 0 r m i n 轴承温度场分布2 7 图3 2 4 转速n = 1 0 0 0 0 r m i n 轴承温度场分布2 7 图3 2 5 转速n = 1 5 0 0 0 r m i n 轴承温度场分布2 7 图4 1 轴承温度测试原理图3 0 图4 2 前轴承温度测试装置3 0 图4 3 后轴承温度测试装置3 0 图4 4 前轴承2 温度随主轴转速变化曲线3 l 图4 5 前轴承3 温度随主轴转速变化曲线3 l 图4 6 前轴承4 温度随主轴转速变化曲线3 l 图4 7 后轴承温度随主轴转速变化曲线3 2 图4 8 电主轴振动测试传感器安装位置图3 4 图4 9 支架振动测试传感器安装位置图3 4 图4 1 0 电主轴单元振动频谱图3 6 图4 1 1 电涡流传感器固定支架振动频谱图3 7 图4 1 2 电主轴回转精度测试系统( 第一种方法) 4 0 图4 1 3 电涡流传感器固定装置( 第一种方法) 4 0 图4 1 4 电涡流传感器固定装置( 第二种方法) 4 1 图4 15 利用电涡流固定装置1 测得的电主轴轴心轨迹图4 3 图4 16 利用电涡流固定装置2 测得的电主轴轴心轨迹图4 5 v 硕士学位论文 附表索引 表3 1 传感器固定支架前四阶固有频率2 2 表3 2 传感器固定支架前四阶固有频率对应的主轴转速2 2 表3 3 主轴箱体前四阶固有频率2 3 表3 4 主轴箱体前四阶振动频率对应的主轴转速2 3 表3 5 实验平台( 未装传感器支架) 前四阶固有频率2 4 表3 6 实验平台( 未装传感器支架) 前四阶固有频率对应的主轴转速2 4 表3 7 实验平台( 未装传感器支架) 前四阶固有频率2 5 表3 8 实验平台( 未装传感器支架) 前四阶固有频率对应的主轴转速2 5 表3 9 不同转速下轴承对应的温度理论值2 7 表4不同转速下轴承对应的温度试验值3 2 表5 1 前轴承2 温度t 2 理论与实际测试数据对比表4 6 表5 2 前轴承3 温度t 3 理论与实际测试数据对比表4 6 表5 3 前轴承4 温度t 4 理论与实际测试数据对比表4 6 表5 4 后轴承4 温度t 5 理论与实际测试数据对比表4 6 表5 5 实验平台各部件及整体结构前四阶固有频率对应的主轴转速4 7 墨 h m c 8 0 加t 中心电主轴单元实验平台设计与试验研究 第1 章绪论 1 1 课题来源 课题来自于由青海第一数控机床有限责任公司、兰州理工大学、武汉天喻软 件有限责任公司联合承接的“高速立、卧式加工中心 国家科技重大专项项目 中的分项一一加工中心电主轴研究。 1 2 国内外电主轴研究现状 高速大功率主轴单元的基本方案是采用集成内装式电主轴，这种结构基本上 取消了带传动和齿轮传动等中间传动环节，其主轴由内装式电机直接驱动，从而 把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床主轴的“零传动。这是一种由 内装式电机和机床主轴“合二为一 的传动形式，即采用无外壳电机，将其空心 转子直接套装在机床的主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内， 形成内装式电机主轴( b u i1 d inm o t o r i z e ds p i n d l e ) ，或称高速电主轴心3 ( h i g h s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e ) 。电主轴典型的结构和系统组成如图1 1 所示。 图1 1 电主轴结构 早在2 0 世纪5 0 年代，就已出现了用于磨削小孔的高频电主轴，当时的变频 器采用的是真空电子管，虽然转速高，但传递的功率小，转矩也小。随着高速切 削发展的需要和功率电子器件、微电子器件和计算机技术的发展，产生了全固态 元件的变频器和矢量控制驱动器；加上混合陶瓷球轴承的出现，使得在2 0 世纪 8 0 年代末、9 0 年代初出现了用于铣削、钻削、加工中心及车削等加工的大功率、 大转矩、高转速的电主轴n 3 。 硕士学位论文 1 2 1 国外电主轴研究现状 国外高速电主轴技术发展较快，中等规格的加工中心的主轴转速目前已普遍 达到1 0 0 0 0 r m i n 甚至更高。1 9 7 6 年美国的v o u g h t 公司首次推出一台超高速铣 床，采用了b r y a n t 内装式电机主轴系统，最高转速达到了2 0 0 0 0 r m i n ，功率为 1 5 k w 。到9 0 年代末期，电主轴发展的水平是：转速4 0 0 0 0 r m i n ，功率4 0 k w 。但 2 0 0 1 年美国c i n c i n n a t i 公司为宇航工业生产了s u p e r m a c h 大型高速加工中心， 其电主轴最高转速达6 0 0 0 0 r m i n ，功率为8 0 k w n l 。目前世界各主要工业国家均 有装备优良的电主轴专业生产厂，批量生产一系列用于加工中心和高速数控机床 的电主轴。其中最著名的生产厂家有：瑞士的f i s c h e r 公司、i b a g 公司和s t e p - t e c 公司，德国的g m n 公司和f a g 公司，美国的p r e c i s e 公司，意大利的g a m f i o r 公 司和f o e m a t 公司，日本的n s k 公司和k o y o 公司，以及瑞典的s k f 公司等。高速 电主轴生产技术的突破，大大推动了世界高速加工技术的发展与应用乜1 。从8 0 年 代中后期以来，商品化的超高速切削机床不断出现，超高速机床从单一的超高速 铣床发展成为超高速车铣床、钻铣床乃至各种加工中心等。德国、美国、瑞士、 英国、法国、日本也相继推出了自己的超高速机床。其中日本工业界善于汲取各 国的研究成果并及时应用到新产品开发中去，尤其在超高速切削机床的研究和开 发方面后来居上，现已跃居世界领先地位。日本厂商现已成为世界上超高速机床 的主要提供者口3 。 1 2 2 国内电主轴研究现状 在我国，也开始有厂家生产超高速机床。中国机床工具行业近几年的快速发 展，受到世界机床制造业界瞩目。代表当今机床技术发展主流的数控机床，更是 异军突起，国产数控机床在高速、多轴、复合、精密以及自动化等方面都取得了 明显的进展。尤其在数控机床的高速化和品种发展上进步明显。在c i m t 2 0 0 3 届展 会的高速加工中心展品有3 0 多台，占参展国产加工中心总数的3 0 。在高速加 工中心展品中，宁江机床集团公司的n j 一5 h m c 4 0 卧式加工中心最高主轴转速达 4 0 0 0 0 r m i n ，快速行程达6 0 m m i n 。在高精度产品中有北京机床研究所的高速 立式加工中心，成都托普数控机床公司的p m c 6 0 0 高速立式加工中心，大连机床集 团有限公司的d h s c 5 0 0 高速卧式加工中心，沈阳机床股份有限公司的b w 6 0 h s 1 卧式加工中心等都使用了高速电主轴h 1 。 1 3 电主轴实验平台研究现状 国内对电主轴实验平台的研究刚刚起步，某研究机构研制的高速电主轴实验 平台如图1 2 所示，图中1 为平台底座，2 为后v 型座，3 为绞结架，4 为前v 型 架，5 为电主轴单元。实验平台前后v 型座固定在平台底座，电主轴单元靠前后v 2 i c 8 0 加工中心电主轴单元实验平台设计与试验研究 型座支撑，绞结架压紧固定。此实验平台结构简单，操作方便，但电主轴在实际 工程应用中是安装在主轴箱内的，在此类实验平台的测试结果与实际安装在机床 上的电主轴性能参数会有一定的偏差。北一大隈( 北京) 机床有限公司的装配车 间内亦有简易的电主轴实验台，只对电主轴外部温升进行测试，电主轴的其它特 性参数无法测试。 图1 2 电主轴实验平台 1 4 课题研究的目的及意义 电主轴单元作为数控机床的心脏部件，其动态性能的好坏至关重要，为此对 电主轴单元的抗振性、旋转精度、动平衡和热特性等方面都提出了严格要求哺3 。 对电主轴单元进行研究，掌握电主轴的关键技术，需要建立高速电主轴单元动态 性能检测实验平台，在实验平台上测试电主轴在高速回转中动态回转精度变化， 主轴温升，刚度变化，振动频谱分布等，为高速电主轴单元的综合性能评价提供 依据。 1 4 1 课题研究的目的 本课题的目的在于以h m c 8 0 加工中心电主轴单元为研究对象，开发研制出一 套对电主轴重要性能参数进行测试的实验平台。在电主轴实验平台上测试电主轴 单元在高速回转中动态回转精度变化，主轴温升，振动频谱分布。 1 4 2 课题研究的主要内容 本课题研究内容包括： 根据电主轴单元动态特性参数测试要求，完成电主轴实验平台设计。 建立电主轴实验平台振动模型，对实验平台振动模型进行理论分析。 建立电主轴实验平台有限元模型，对电涡流传感器固定装置、主轴箱体、实 验平台进行理论模态分析，找出装置的振型和固有频率，对电主轴单元轴承温度 3 硕十学位论文 场进行了有限元分析，得出电主轴前后轴承的温度场分布。 在电主轴实验平台上，对电主轴单元进行温度、振动、回转精度测试试验， 得出其试验数据。 针对电主轴单元动态综合性能参数，确定具体测试方案，由测试方案得出电 主轴实验平台应满足的特性，通过理论和试验数据的对比，对电主轴单元实验平 台性能进行评价。 1 4 3 课题研究的意义 电主轴的工作不仅转速高，而且要求有很高的角加、减速度，在指定位置快 速准停，这不仅对其结构设计、制造和控制提出了非常严格的要求，而且带来了 一系列技术难题，如电主轴的散热、润滑及精密控制等，因此必须妥善地解决这 些问题，才能确保主轴稳定可靠的高速运转，实现高效精密加工。而要解决这些 问题，就有必要建立电主轴综合实验平台，对电主轴性能有关参数进行检测， 深入研究回转精度、温升、振动等特征参数之间的变化规律，找出影响转速 提高的根本原因。 建立高速主轴单元动态性能检测的综合实验平台，测试主轴在高速回转中动 态回转精度变化、主轴温升、振动频谱分布等，深入开展高速电主轴单元动态综 合性能的实验研究，为研究影响高速主轴单元空间矢量误差的多领域( 温度、振 动等) 耦合作用的形成机制，用在线检测一一闭环补偿的方法来实现主轴单元的 温度在线控制，高速主轴的综合性能评价提供相关依据，也为高速回转机构的动 态性能检测建立良好的基础叩3 。 4 h m c 8 0 加工中心电主轴单元实验平台设计与试验研究 第2 章h m c 8 0 电主轴实验平台的功能与结构 2 1 电主轴实验平台的功能 电主轴动态性能综合实验平台原理流程如图2 2 所示。 图2 1 电主轴动态性能综合实验平台原理流程图 电主轴实验平台以电主轴单元空间矢量误差动态检测分析为目标，着重进行下 列研究： ( 1 ) 研究电主轴单元的温度场，振动，回转精度特性。 ( 2 ) 开发高速电主轴单元回转误差动态检测系统 对主轴单元空间矢量误差进行综合检测，搭建一个满足测量要求的高速、高 精度的数据采集、分析、处理软件和硬件系统，实现对误差信号的实时在线显示、 频谱分析、系统消偏，分别运用最小二乘圆和最小区域圆两种方法对系统所测误 差进行评定，提供主轴轴心运动轨迹图。 依据实验平台原理，电主轴实验平台必须包括电主轴温度测试，振动测试， 回转精度测试等系统： ( 1 ) 电主轴温度测试系统 硕+ 学位论文 高速电主轴的热源主要是来自内装式电动机的损耗发热和轴承的摩擦发热， 其中轴承发热是影响电主轴性能的关键因素n 1 ，电主轴高速旋转时，电主轴轴承 温度测试系统必须能够准确测出电主轴轴承的温升变化，将温度信号转变成电信 号，借助计算机进行处理分析。 ( 2 ) 电主轴振动测试系统 电主轴系统振动是影响超精密加工表面形貌的一个极为重要因素，它主要包 括轴向窜动、径向跳动和角度摆动三种基本形式，其中主轴轴向振动作用于超精 密端面切削的误差敏感方向，会引起端面表面的平面度误差和对工件轴线的垂直 度误差，其振动的低频分量形成表面波纹度特征，高频分量形成表面粗糙度特征。 为控制超光滑表面质量，了解机床主轴振动特性十分必要。电主轴高速运转时， 电主轴振动测试系统能够准确测量出电主轴振动，将振动信号转变成电信号，借 助计算机进行处理分析。 ( 3 ) 电主轴回转精度测试系统 主轴的回转精度是指主轴于工作转速运转时其轴线位置的变化情形，是主轴 性能的重要指标哺1 ，其整体的优劣性将表现在工件的加工精度和表面粗糙度上。 利用微机控制信号采集与处理模块，并接收来自采样功能模块通过总线传输过来 的数据，将其存入数据库对数据进行分析。 2 2l m s 测试系统及传感器原理 分别采用热电偶传感器、压电式三向加速度仪、电涡流传感器，运用l m s t e s t l a b 系统对电主轴单元的温度、振动、回转精度进行测试并完成数据的处理。 2 2 1l m s 测试系统 l m st e s t l a b 是比利时l m s 公司开发的一套完整的振动、噪声、温度测试系 统。包括声学、旋转机械、结构试验、环境试验、振动控制、电子报告生成及数 据管理。l m s 国际公司，总部位于比利时鲁文，成立3 0 年来一直致力于研发在计 算机辅助测试( c a t ) 和计算机仿真分析( c a e ) 技术，提供独特的将试验、仿真以及 工程咨询相结合的解决方案阳1 。l m st e s t l a b 不同的软件包之间操作界面统一、 数据共享无缝进行，其易用性极大地提高了用户的工作效率。l m st e s t l a b 测试 系统以信号处理、振动动力学、声学、数据分析等学科为理论背景，具有良好的 人机操作界面，可用于几何建模、信号特性测试分析、模态测试、模态分析、谱 分析等n 叫。此外，l m st e s t l a b 解决方案在一个单独的软件包中就能够处理重复 性标准试验，还能进行更为复杂的故障诊断。电主轴单元的温度、振动、回转精 度测试原理示意图如图2 2 所示。 6 删c 8 0 加工中心电主轴单元实验平台设计与试验研究 l 电主轴单元卜一传感器卜叫l ms 测试系统卜叫计算机l 图2 2 电主轴单元测试原理示意图 2 2 2 热电偶传感器工作原理及特点 热电偶测量温度的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两 端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在s e e b e c k 电动势 一一热电动势，这就是所谓的塞贝克效应n 。两种不同成份的均质导体为热电极， 温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定 的温度下n 引。根据热电动势与温度的函数关系，制成热电偶分度表；分度表是自 由端温度在0 时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回 路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热电偶所产生的 热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此，在热电偶测温 时，可接入测量仪表，测得热电动势后，即可知道被测介质的温度口3 1 。热电势 有两点基本原理： ( 1 )热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶 的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关； ( 2 )当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只 与热电偶的温度差有关；若热电偶冷端的温度保持一定，这时热电偶的热电势仅 仅是工作端温度的单值函数。热电偶传感器回路示意图如图2 3 所示n 钔，其中1 为 电热偶，2 为连接导线，3 为显示仪表。本课题温升试验采用的传感器为国产赛亿 凌热电偶s t t t r 系列热电偶。 图2 3 热电偶传感器回路示意图 2 2 3 压电式三向加速计( 仪) 工作原理 振动测试通常用于寻找振源、振动强度、可靠性和舒适性等问题的分析，近 年来更是成功用于重要设备的测试、状态识别、故障诊断等方面。目前，大型成 套设备本身的结构及其运行机制通常相当复杂，利用振动响应和系统动态特征的 变化来进行故障测试、预报是设备故障诊断重要研究手段之一n5 1 。振动测量中， 常需测量位移、速度和加速度三个基本量，而位移、速度和加速度三者之中只需 7 硕士学位论文 测出其一，其余两个量就可以通过相应的微积分运算电路计算得到。在各类振动 测量传感器中，压电式加速度计因其具有体积小、重量轻、犋响范围宽 ( 0 1 h z - 2 0 h z ) 、加速度测量范围大、测量精度高、抗干扰能力强，可在常温和 高温下测量等优点，从而在加速度测量系统中广为应用。 预压弹簧 压电元件 螺栓 f 结构原理力学模型 图2 4 压电式加速度计的结构原理和力学模型 压电式加速度计是一种机电换能器，所用的压电元件在承受一定方向的应力 或形变时，极化面会产生与应力相应的电荷。 压电式加速度计的结构原理和力学模型工作原理如图2 4 所示，当与被测物 固定在一起的加速度传感器受到振动时，