电主轴特性曲线测试试验台架设计.doc

上海第二工业大学本科毕业设计 电主轴特性曲线测试实验台架设计本科毕业设计（ 论文 ）题 目：电主轴特性曲线测试试验台架设计 学 号：084813304 姓 名：陆智轶 班 级： 08机工A3 专 业：机械电子工程专业 学 院：机电学院 入学时间：2008.9.1 指导教师：孙芳方 日 期： 2011.9.28-2012.5.1 5摘要电主轴是精密的高速机床的关键部件。电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，它与直线电机技术、高速刀具技术一起，将会把高速加工推向一个新时代电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置电主轴其主要特征是将电动机内置于主轴内部直接驱动主轴，实现电动机、主轴一体化的功能。本文主要阐述了如何去设计出简单又方便的测试电主轴的特性曲线的台架。在要选取本次课题所需要的电主轴之后，根据电主轴的大小来选择合适的夹具。在选取了电主轴之后，就可以去选择本次研究的负载。本文选取的负载就是磁粉制动器。在有了负载跟电主轴之后，根据量程来选择传感器。有了本次设计主要的仪器与部件之后，就要想方设法的选取连接电主轴，磁粉制动器与传感器转矩转速传感器之间的转动轴之间的连接。在所有的仪器与部件选择之后，根据联轴器的各个特点来选取最为合适的联轴器。确定好所有的零部件之后开始装配，按照规范的步骤，仔细的完成装配后，接通电源，待负载转速稳定后就可在转矩转速传感器上读出本次研究所得到的数据。得到数据之后，通过编写的VB程序来显示本文研究时的转矩，转速与时间t的关系图。本次论文研究的部件都是按照课题设计时所需要的要求，各个仪器与部件都是按照真实的仪器的大小与尺寸来画出三维图。所需要的额定的转矩都是根据真实仪器与部件的出厂是给定的数据。所以，本文研究的可靠性的非常高。关键字： 电主轴，特性曲线，磁粉制动器，转矩转速传感器AbstractThe key components of the electric spindle is precision high-speed machine tools. The electric spindle in recent years in the field of CNC machine tools, machine tool spindle and the spindle motor integration of new technologies, together with the linear motor technology, high-speed cutting tool technology, will be the high-speed machining to a new era. The electric spindle is a set of components, including electric spindle itself and its accessories: electric spindle, high frequency inverter device, oil mist lubrication, cooling system, built-in encoder, tool changer. The main characteristics of electric spindle motor built-in direct-drive spindle, within the spindle motor, spindle integration functions. This article focuses on how to design a simple and convenient test characteristic curve of the electric spindle bench. To select the topics required for electric spindle, depending on the size of the electric spindle to select the right fixture. Electric spindle is selected, you can go to the study load. This paper selects the load is the magnetic particle brake. With the load with the electric spindle according to the range to select the sensor. With the design of equipment and components, we must strive to select the connected electric spindle, the axis of rotation of the connection between the magnetic powder brake and the sensor torque and speed sensors. After all the instruments and component selection, according to various characteristics of the coupling to select the most appropriate coupling. To begin assembling all of the parts is determined, in accordance with the standard steps, careful assembly, the power, after the load speed stability can torque and speed sensors to read out the data obtained by the Institute. Get data to write VB program to display the diagram of the torque, speed and time t in this study.Parts of this thesis are in accordance with the requirements of the subject design, the various instruments and components in accordance with the size and dimensions of the real instrument to draw three-dimensional map. The rated torque are based on real instruments and parts factory is given data. Therefore, this study is very high reliability.Keywords： Motor spindles，Characteristic curve，Magnetic powder brake，Torque and speed sensor上海第二工业大学本科毕业设计 电主轴特性曲线测试实验台架设计目录摘要IAbstractII1 绪论11.1本文的研究背景：112电主轴的概述：1121电主轴的结构11.2.2电主轴的优点21.2.3电主轴的结构21.3国内外研究现状31.4本文研究的内容41.5本文文章结构42 电主轴特性曲线的测试62.1电主轴特性曲线的测试方法62.1.1以磁粉制动器为负载的测转矩转速62.1.2以测功机来测转矩转速82.1.3 机械特性的超声波测量方法82.1.4对以上三种测试方法的比较102.2本章小结113 电主轴特性曲线的试验台架设计123.1电主轴的选型123.2传感器的选型143.2.1传感器的分类143.2.1传感器的选用原则153.3磁粉制动器的选型1934联轴器的选型223.5 夹具的选型273.6螺柱，螺帽以及螺栓的设计283.6.1螺柱的选型293.6.2螺帽的选型303.6.3螺栓的选型：323.7电主轴特性曲线台架设计333.8 本章小结344 电主轴特性曲线的模拟364.1Visual Basic6.0简介364.2Visual Basic6.0界面384.3本章小结39总结40参考文献41致谢431 绪论1.1本文的研究背景：电主轴是非常精密的部件。高速数控机床（CNC）是装备制造业的技术基础和发展方向之一，是装备制造业的战略性产业。高速数控机床的工作性能，首先取决于高速主轴的性能。数控机床高速电主轴单元影响加工系统的精度、稳定性及应用范围，其动力性能及稳定性对高速加工起着关键的作用。所以，我们很有必要去研究电主轴的特性曲线。但我们不能去凭空的想象如何如何的得到一些数据来证明我们是对的。所以必须要有试验的仪器。选定好仪器，设计出一个简单方便的台架就可以去进行我们的试验了。12电主轴的概述：121电主轴的结构电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，它与直线电机技术、高速刀具技术一起，将会把高速加工推向一个新时代电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置电主轴其主要特征是将电动机内置于主轴内部直接驱动主轴，实现电动机、主轴一体化的功能与传统机床主轴相比，电主轴具有如下特点：(1)主轴由内装式电动机直接驱动，省去了中间传动环节，具有结构紧凑、机械效率高、噪声低、振动小和精度高等特点。(2)采用交流变频调速和矢量控制，输出功率大，调整范围宽，功率转矩特性好；(3)机械结构简单，转动惯量小，可实现很高的速度和加速度及定角度的快速停；(4)电主轴更容易实现高速化，其动态精度和动态稳定性更好(5)由于没有中间传动环节的外力作用，主轴运行更平稳，使主轴轴承寿命得到延长。电主轴是高速机床的“心脏部件”，是高速、精密且承受较大径向和轴向切削负荷的旋转部件。电主轴采用无外壳电机，直接将电机定子装配在主轴套筒内，转子和主轴的旋转部件做成一体，主轴的变速范围完全由交流变频主轴电机进行控制，使电机和机床主轴合二为一。由于电主轴具有转速高、调速范围宽、重量轻、结构简单紧凑等优点，所以得到越来越广泛的应用。1.2.2电主轴的优点电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低、响应快等优点，而且转速高、功率大、简化机床设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中的一种理想结构。电主轴轴承采用高速轴承技术，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍。1.2.3电主轴的结构电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，它与直线电机技术、高速刀具技术一起，将会把高速加工推向一个新时代电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置电主轴其主要特征是将电动机内置于主轴内部直接驱动主轴，实现电动机、主轴一体化的功能与传统机床主轴相比，电主轴具有如下特点：(1)主轴由内装式电动机直接驱动，省去了中间传动环节，具有结构紧凑、机械效率高、噪声低、振动小和精度高等特点。(2)采用交流变频调速和矢量控制，输出功率大，调整范围宽，功率转矩特性好；(3)机械结构简单，转动惯量小，可实现很高的速度和加速度及定角度的快速停；(4)电主轴更容易实现高速化，其动态精度和动态稳定性更好(5)由于没有中间传动环节的外力作用，主轴运行更平稳，使主轴轴承寿命得到延长。电主轴是高速机床的“心脏部件”，是高速、精密且承受较大径向和轴向切削负荷的旋转部件。电主轴采用无外壳电机，直接将电机定子装配在主轴套筒内，转子和主轴的旋转部件做成一体，主轴的变速范围完全由交流变频主轴电机进行控制，使电机和机床主轴合二为一。由于电主轴具有转速高、调速范围宽、重量轻、结构简单紧凑等优点，所以得到越来越广泛的应用。1.3国内外研究现状国内从事电主轴研究与生产的企业总体上来说与国外上述公司相比在产品研发以及技术的创新能力上不具有优势，但是具有相对的成本优势。国外数控机床主轴公司往往只负责主轴的总体设计，技术研发以及零部件装配和测试工作，其余的关键零部件例如：主轴轴承，内装电机，主轴松拉刀机构，动力油缸或气缸，主轴轴承润滑油品等全部实行采购，在产业的分工与合作上具有很强的组织性和互补性，同时由于分工的细致，机床主轴生产商与各附件生产商之间形成了良性的循环，各自针对本专业的关键技术投入人力物力进行科技攻关，由此带动了国外电主轴行业的整体技术进步。反观国内厂商，各自为战，技术资源分散，除洛阳轴研究科技作为原来国家轴承行业技术归口所拥有一定的综合研发实力外，其他的企业基本上市在模仿国内外同行的产品进行生产，技术实力较弱，创新能力严重不足。在涉及电主轴轴承润滑，零部件材料选取以及加工工艺，内装式主轴电机，松拉刀接口，主轴轴承润滑油品等方面没有自己独立的知识产权和核心技术，尤其是在电主轴的附件领域如伺服驱动控制器，编码器，动力油缸或气缸，只能传感器等方面变现的更为突出，基本上市国外产品包打天下。这也是知道目前为止制约国产高档数控机床发展的关键原因所在。国产电主轴和国外产品相比较，无论是性能，品种和质量都有较大差距，国产电主轴产品和国外的相比较，主要存在以下差距：国外电主轴低速端的输出扭矩最大可达1000N*m，而我国目前仅在300N*m以内。在高转速方面，国外用于加工中心的电主轴转速已达74000r/min,我国则多在30000 r/min以内。电主轴的轴承润滑，国外普遍采用油气润滑，而我国仍用油脂润滑。其他配套技术也有较大差距，如主轴电机矢量控制，交流伺服控制技术，精确定向技术，快速启动，停止等。在产品的品种，规格，数量和制造规模等方面，国产电主轴仍处于小量研发试制阶段，没有形成系列化，专业化，远不能满足国内数控机床和加工中心发展的需求。欧美公司在关键部件的研发上具有很强的前瞻性和创新能力，国际上涉及电主轴的比如编码器系统，刀具接口，电机工作制等的国际标准和产品都是欧美相关企业制定和生产的，这是他们最具有优势的地方。（1）在电主轴的低速大转矩方面，国外产品低速段的输出转矩可以达到300N*m以上，有的更高达600N*m，而国内目前则多在100N*m以内。（2）在高速方面，国外用于加工中心电主轴的转速已经达到了75000 r/min，而我国则多在20000 r/min以下。其他用途的电主轴吗，国外已经达到了250000 r/min，而我国电主轴的最高转速为150000 r/min。（3）在店主走的润滑方面，国外高速转速店主走轴承已经普遍采用先进的油气润滑技术，而我国则仍然以油脂润滑和油雾润滑为主。（4）在电主轴的功能和性能方面，国外已经再发展过功能，高性能的数控机床用电主轴产品，而我国仍然以常规产品为主要发展方向。（5）在电主轴的支承技术方面，国外已经有动，静压液（气）浮轴承电主轴，磁浮轴承电主轴的成熟商品，而我国则仍然处于科学研究或小批量试制之中。（6）在其他与电主轴相关配套技术方面，如电主轴内装电机闭环矢量控制技术，交流伺服技术，停机角向准确定位（准停）技术，C轴传动技术，快速启动与停止技术，HSK刀柄制造与应用技术，主轴只能监控技术等，国内仍然不够成熟，或不能满足实际应用需要。（7）在产品的品种，数量及制造规模方面，尽管国内已经有部分企业在从事电主轴的研究和制造，但仍然以磨床用电主轴为主，对于数控机床用高速电主轴，则仍然处于小量开发和研究阶段，远没有形成系列化，专业化和规模化生产，还无法与国外先进水平相比，远远不能满足国内市场日益增长的需要，还不具备与国外产品相抗衡的能力。1.4本文研究的内容本论文研究的是电主轴在负载带动的情况下的特性曲线。在选定了电主轴之后，根据其范围选择合适的负载与传感器。本实验选择是磁粉制动器以及转速转矩传感器。在根据电主轴选择合适的夹具，根据磁粉制动器与转矩转速传感器选择合适的联轴器，并选择合适的螺钉来固定。由此得出实验所需的数据，由数据求出特性曲线图。1.5本文文章结构本文研究的是电主轴特性曲线的台架设计。所以研究是所需要用到的仪器与部件，还有这些仪器与部件装配完成后台架的设计，等全部仪器与部件装夹在台架上之后，就可以仔细小心的通电测量了，最后将测得的数据连接到VB仿真程序就可以有程序模拟出所要测得的特性曲线图。首先在第二章选取了测量电主轴特性曲线的三种方法，在相比较对比之后，选用比较适合本文研究的测量方法。本次研究的方法就是将磁粉制动器做为电主轴拖动的负载，并用转矩转速传感器来测量转矩转速从而得到特性曲线图。在确定好方案之后，第三章讲述的就是本文所要研究的各个仪器与部件的所有选型。包括电主轴，转矩转速传感器，负载磁粉制动器，联轴器，螺栓，螺帽，双头螺柱。还有最后的台架的设计成型。第四章则就是在硬件确定好之后的软件编程。2 电主轴特性曲线的测试这一章主要阐述的是电主轴特性曲线的测量方法。有以磁粉制动器作为负载，用转矩转速传感器来测转矩转速，从而得到特性曲线的。也有直接使用测功机来测转矩转速来得到特性曲线的。用超声波来测量转矩转速也是可行的。以下就是阐述了一下几种测量的方法。2.1电主轴特性曲线的测试方法在测试之前，首先要了解什么是特性曲线，而什么是特性曲线，简单的说就是电动机的机械特性，即转矩一转速特性曲线(T=(n)是电动机测试的主要内容之一1,2，其中转矩测量是关键。图2-1就是本文所要研究的机械特性曲线图。其中TN是额定转矩，Tst是启动转矩，Tmax是最大转矩。n0是旋转磁场转速，nN是额定转速。图2-1机械特性曲线图本章接下去讲述的是几种测试机械特性曲线的方法，根据比较来选择合适的一种方法。2.1.1以磁粉制动器为负载的测转矩转速首先，要选定合适的电主轴，通过电主轴的转速来确定负载与传感器，而本文选用的是磁粉制动器做为负载，在选择传感器的方面，由于传感器的分类众多，而且功能各有各的优势，经过层层的删选，最后确定了用转速转矩传感器来作为本文研究的传感器。在选择电主轴的同时，也能查到此电主轴的外形尺寸，通过这个外形尺寸来选择将其固定的夹具。不同的夹具有不同的优势，这里就不展开进行一一的叙述，等下章夹具的选择的来进行详细的叙述。在确定了本文研究的主要仪器与部件之后，各个仪器与部件的转动轴的大小尺寸也就确定下来，通过这些转动轴的尺寸大小来选择合适的联轴器。由于联轴器的分类繁多，优势各异，所以在本章也就不一一叙述了，等下章再详细介绍。在确定了各仪器与部件之间的关系，位置之后，在精密的数据之前，要有自己设计出的一个台架，等台架设计出来之后，按照规范将各个部件与仪器仔细的装配，按顺序，同轴度等一些配合要求将仪器与部件转配好，通电，带磁粉制动器转动稳定之后，就能将转矩转速传感器上的读数读出来就是所要求的转矩转速了。转矩传感器主要由扭力轴、磁检测器，转筒及壳体等四部分组成。磁检测器包括配对的两组内、外齿轮，永久磁钢和感应线圈。外齿轮安装载扭力轴测量段的两端；内齿轮转筒内,和外齿轮相对，永久磁钢紧接内齿轮安装在转筒内。永久磁钢，内外齿轮构成环状闭合磁路,感应线圈固定在壳体的两端盖内。在驱动电机带动下，内 齿轮随同转筒旋转。内外齿轮是变位齿轮，并不齿合，齿顶六由工作气隙，内外齿轮的齿顶相对时气隙最窄，齿顶和齿槽相对时，气隙最宽。内外齿轮在相对旋转运动时，齿顶与齿槽交 替相对，相对转动一个齿位时,工作气隙发生一个周期的变化,磁路的磁阻和磁通随之相应作周期变化,因此线圈中感应出近似正弦波的电压讯号,讯号电压瞬时值 的变化和内外齿轮的相对位置的变化是一致的。如果两组检测器的齿轮的投影互相重合时、两组电压讯号的相位差为零。安装时，两只内齿轮的投影是重合的。而扭力轴上的两只外齿轮是按错动半个齿安装的。因 此，两个电压讯号具有半个周期的相位差，即初始相位差为0=180。若齿轮为120齿，分度角为3，相位差为180时，相应外齿轮错动1.5。当扭力轴受到扭矩作用时，产生扭角，两只外齿轮的错位角变为1.5两个电压讯号的相差角相应变为：=120 （1.5）=180120。扭角和扭矩是成正比例的,因此扭角的变化和扭矩成正比,即相位差角的变化=-0=120=120K1M=KM 式中K1为相位差角和扭矩的比例系数，K=120K1，“”另表示转动方向。 设扭力轴测量段的直径为d，长度为L，扭力轴材料的剪切弹性模为G，则K1=32L/dG。将传感器的两个电压讯号输入TR-1转矩转速功率测量仪，经过仪表将电压讯号进行放大、整形、检相、变换成计数脉冲，然后计数和显示，便可直接读出扭矩和转速的测量结果。2.1.2以测功机来测转矩转速以测功机直接作为负载来测电主轴转动的转矩转速。然后在连接测功机的计算机上即可看到转矩与转速，并即可看到特性曲线图。直流测功机可作为直流发电机运行，作为被测动力机械的负载，以测量被测机械的轴上输出转矩；也可以作直流发电机运行，拖动其他机械，以测量其轴上输入转矩。转矩与测速发电机测得的转速之积即轴功率。图2-2 以测功机来测转矩转速图2-2 测功机测特性曲线由电涡流测功机结构图可知，感应子主要由旋转部分和摆动部分（电枢和励磁线圈）组成。转子轴上的感应子形状犹如齿轮，与转子同轴装有一个直流励磁线圈。当 励磁线圈组通以直流电流时，其周围便有磁场存在，那么围绕励磁组就产生一闭合磁通。很明显，位于绕组左侧的感应子具有一个极性，右侧具有相反的极性。旋转时，由于磁密值的周期性变化而产生涡流，此涡流产生的磁场同产生它的磁场相互作用，从而产生与被试机反向的制动力矩，使电枢摆动，通过电枢上的力臂，将制动力传给测量装置。转速测量采用非接触式磁电转速传感器和装于主轴的60齿牙盘，将转速信号转换成电信号输出。2.1.3 机械特性的超声波测量方法首先先简单介绍一下这个方法的测量原理：由物理学基础知识可知，转动物体所受到的转矩与其角加速度成正比：Mj=I (1)式中，Mj为外力矩；，I为转动物体的转动惯量；为角加速度。对于电动机，当它通电旋转时满足： (2)式中，M为电动机本身产生的电磁转矩；M0为阻力转矩；G为转动部分总质量；D为转动部分外径；n为电动机转速。电动机空载时，由于M0很小，在大中型电机中，它通常只占额定转矩的o3。07，在小型电机中则只占额定转矩的l3，因此眠通常可略去，这时式(2)变为： (3)即电动机产生的电磁转矩与其角加速度成正比。而转差率s的定义为： (4)式中nl为电机的同步转速。由电机的结构及电源性质决定。由式(3)、式(4)可知，只要在电动机空载启动时测得转速n及角加速度dn/dt，就可测得电动机的Ms曲线。测量的方法就如图2-2就是测量系统的示意图。图2-3测量系统示意图利用压电陶瓷换能器产生超声波，并测得被测反射的声波信号频率，有频率转换器换成直流电压信号，经A/D接口变换，由计算机采集数据局，用数据处理软件处理数据，绘出M-s曲线。超声测速是通过测量声波的多普勒频仪，进而测得转动物体的转速。图2-3为超声测速示意图。A与B是超声波发生器的一对探头，由工作在50kHz的压电陶瓷换能器和放大器组成，作用范围在O10m,-035 In，它们与旋转物体c以图2-3中的位置安放。A发射频率为f的超声波，经转速为n的物体C反射后，反射波的频率为f，并由B接收，多普勒频仪fd为： (5)式中，c为声速；F为c的线速度在超声波传播方向上的分量。若转动物体c的半径为R，则： (6)由式(5)、式(6)可得： (7)因此，只要测得反射波频率f，即可计算出转速n，通过对转速n的连续测量，就可测得转动物体的加速度dn/dt，由计算机处理后可绘出电机的M-s曲线。图2-4超声测速示意图如上试验的频率转化则是利用美国Telcom公司的TC9401f/V转换芯片进行频率转换，转换后可得到随频率变化的直流电压，经A/D接口后送计算机。根据前人对一台JZR2一528型绕线式异步电机进行了测量，转差率s测量值与由电机参数计算所得值的比较见图2-5。由图2-5可知，在转矩的最大值(Mmax=1 2144 N*m)附近，测量值与计算值相差较小，而在s值较小与较大处，M的测量值与计算值则相差较大。图2-5转差率s测量值与计算值的比较其测量范围由于空气中的声速较慢，当被测物速度在声波传播方向上的分最大于声速时，将测不到反射的声波。由式(7)知道，该法不适于测量转速n60c21rcosa的电机。2.1.4对以上三种测试方法的比较首先，分析了以上三种测转矩转速的研究方法，比较之后发现，虽然以测功机来测转矩转速所用到的仪器与部件相对而言比较少，测试的方法简单方便，但是测功机的体积较大，而且连接的计算机的外形尺寸也是相对的很大。价格相较磁粉制动器大，从经济方面来考虑也是很不合算的。如果选用了用超声波来测量转矩转速并得到特性曲线图。但是不适于测量转速n60c21rcosa的电机。由于该方法有一定的局限性，试着选择另一种用以磁粉制动器作为负载来测转矩转速。对于磁粉制动器作为负载来测转速转矩的方法，虽然研究所要用到的仪器与部件相对测功机来说是多一点，零部件价格便宜，连接方法简单，测试出来的数据也是精确。得到数据之后通过VB程序也可以直接求得到电主轴的特性曲线图。所以，经过以上的测试方法比较之后，本文研究的过程与方法就决定是选择用以磁粉制动器作为负载来测试转矩转速从而求得特性曲线图。2.2本章小结对于本章上述提到的三种测试方法做一个较为深入的比较与选择，然后选择了磁粉制动器作为负载来测转矩转速。如此，只要确定了本文要求的内容之后就可以选取本文研究所需要用到的仪器与部件，下一章就是详细的介绍本文研究所需要用到的仪器与部件。3 电主轴特性曲线的试验台架设计本章所要讲述的就是本文所要研究的台架设计当中所有的所要仪器与部件的选型。3.1电主轴的选型电主轴最早是用在磨床上，后来才发展到加工中心强大的精密机械工业不断提出要求，使电主轴的功率和品质都不断得到提高随着机床技术、高速切削技术的发展和实际应用的需要，人们对机床电主轴的性能也提出了越来越高的要求，电主轴向高速大功率、高精度、高刚度、精确定向(准停)和超高速方向发展，为了使电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好的优点，避免振动、污染和噪声，以使它在超高速切削机床上得到广泛应用，就必须对转速、振动和温升等电主轴信号进行采集和处理，达到良好的控制性能但由于数控机床工作环境的复杂性，零件切削参数的影响以及外界的强电磁干扰，电主轴运行状态信号常常被噪声信号所淹没，这就要求我们必须从噪声中把信号的特征点提取出来，以便数控系统进行控制国外瑞士GF阿奇夏米尔集团生产的MIKRON HSM系列高速铣削加工中心可配置聪明加工系统，其功能之一就是加工过程电主轴振动监控，以便用户观察铣削过程是否正常，系统可以将振动数据记录下来以便进一步分析，当振动超过给定值时，系统报警并自动停机，还可以根据振动数据计算电主轴的使用寿命国内相关研究比较滞后，和国外差距还很大，所以开展电主轴振动信号处理相关研究具有非常重要的意义。本文研究选用的电主轴是上海莱工精密轴承有限公司所推出的电主轴。图3-1 电主轴的外部尺寸图主轴型号：ADX85-24Z/1.5转速（r/min）：24000电机：KW V A H2 1.5 220 5.5 400 外形尺寸： D D1 轴端连接 L L1 L2 85 81 ER16-6 223 18 31润滑：油脂轴承型号：1*7005C/P4 1*7003C/P43.2传感器的选型国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。通俗的讲，床干起就是将被测信息转换成某种信号的器件。也就是将被测物理量转换成于之相对应的、容易检测、传输或处理的信号的装置，称之为传感器。传感器通常直接作用于被测量。传感器是对信号进行感受与传送的装置，它是测试装置的输入环节，因此传感器的性能直接影响着整个测试装置的工作可靠性。近来，随着测量、控制及信息技术的发展，传感器作为这个领域内的一个重要构成因素，被视为90年代的重要技术之一受到了普遍的重视。深入研究传感器的原理和应用，研制新型传感器，对于社会生产、科学技术和日常生活中的自动测量和自动控制的发展，以及在科学技术领域里实现现代化都有重要意义。3.2.1传感器的分类传感器的分类方法很多。目前还找不到尽善尽美的分类方法（使用者多与厂家通常习惯于按被测对象分类，而对于一些从事检测技术的专业学者、工程技术人员，则习惯于按传感器的变换原理及结构进行分类）。可以按被测量、传感器工作原理、信号变换特征、敏感元件与被测对象之间的能量关系、输出信号分类等等进行分类。按被测量分类，可分为传移传感器，力传感器，温度传感器等；按传感器工作原理可分为机械式、电气式、光电式、流体式等；按信号变换特征可概括分为物理型和结构型；根据敏感元件与被测对象之间的能量关系，可以分为能量转换型与能量控制型；按输出信号分类可分为模拟式和数字式等等。其中，物理型传感器是依靠敏感元件材料本身物理化学性质的变化来实现信号的变换的。水银温度计（热胀冷缩）、压电测力计（压电效应）。结构型敏感器则是依靠传感器结构参量的变化而实现信号转换的。能量转换型传感器，也称无源传感器，是直接由被测对象输出能量使其工作的。如热电偶温度计，弹性压力计等。能量控制型传感器，也称有源传感器，是从外部供给辅助能量使传感器工作的，并且由被测量来控制外部供给能量的变化。3.2.1传感器的选用原则1.灵敏度：一般讲，传感器的灵敏度越高越好，因为灵敏度高，意味着传感器所能感知的变化量越小，也就是说被测量稍微有一微小变化时，传感器就有较大的输出。当然也必须考虑到高灵敏度带来的影响，当灵敏度愈高时，与测量信号无关的外界噪声干扰也就愈容易混入，并且也会被放大系统放大。此时必须考虑既要检测微小量值，又要干扰小。为保证这一点，往往要求信噪比愈大愈好，即：式中：Vs-信号电压； Vn-噪声电压。要求传感器本身噪声小，且不易从外界引入干扰。信噪比是用信号功率与干扰（噪声）功率之比来表示或用信号电压与噪声电压之比来表示。对于被测量，可能是一个单项向量，也可能是二维或三维向量等多维向量。当被测量是一个单项向量时，那么就要求传感器单项灵敏度愈高愈好；如果被测量是二维或三维向量等多维向量，则还要求传感器交叉灵敏度愈小愈好。此外，与灵敏度紧密相关的是测量范围。当输入量增大时，除非有专门的非线性校正措施，否则其最大输入量不应使传感器进入非线性区域。对于要在较强噪声干扰下进行的某些测试工作，对传感器来讲，其输入量不仅包括被测量，也包括干扰量；两者的叠加不能进入非线性区。过高的灵敏度会影响其适用的测量范围。2.响应特性：传感器的响应特性必须在所测频率范围内满足不失真测量条件。此外，实际传感器的响应总有一定延迟，但总希望延迟时间愈短愈好。一般讲，利用光电效应、压电效应等物性型传感器，影响较快。可工作频率宽（物性型传感器是依靠敏感材料本身物理化学性质的变化来实现信号的变换的）。而结构型（依靠传感器结构参量的变化而实现信号转换）传感器如电感、电容、磁电式传感器等，由于受到结构中的机械系统惯性的限制，其固有频率低，可工作频率较低。在动态测量中，传感器的响应特性对测试结果有直接的影响，在选用时，应充分考虑到被测物理量的变化特点（如稳态、瞬变、随机等）。3.线性范围：任何传感器都有一定的线性范围，在线性范围内输出与输入成比例关系。线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精确度的基本条件。当超出线性区域是将产生非线性误差。然而任何传感器都不易保证其绝对性，因此在某些情况下，在许可极限内，也可以在其近似线性区域内使用。4.可靠性可靠性是指仪器、装置等产品在规定的条件下，在规定的时间内可完成规定功能的能力。只有产品的性能参数（特别是主要性能参数）均处于规定的误差范围内，方能视为可完成规定的功能。为了保证传感器应用中的可靠性，事前需选用设计、制造良好、使用条件适宜的传感器。使用过程中，应严格保持规定的使用条件，尽量减轻使用条件的不良影响。例如：对于即距变化型的电容式传感器，环境湿度或油剂浸入间隙时，会改变电容器介质，使介质常数发生变化。滑线电阻式传感器表面有尘埃时，将引入噪声等。5.精确度传感器的精确度表示传感器的输出与被测量真值一致的程度。传感器处于测试系统的输入端，因此，传感器能否真实地反映被测量值，对于整个测试系统具有直接影响。然而，传感器的精确度愈高，价格愈昂贵。因此，并非传感器的精度愈高愈好，必须从实际出发，考虑其经济性问题。首先应了解测试目的，判断是定性分析还是定量分析。如果是属于相对比较性的试验研究，只需获得相对比较值即可，那么应要求传感器的精度高，而无需要求绝对量值。如果是定量分析，则需要获得精确量值，因而要求传感器具有足够高的精确度。6.测量方式：工作方式不同对传感器要求亦不同。传感器在实际条件下的共走方式，也是选用传感器时应考虑的重要因素。7.其他：除了以上选用传感器时应充分考虑的一些因素外，还应尽可能坚固结构简单，体积小、重量轻、价格便宜、易于维修、易于更换等条件。本文选用的传感器是有北京沃德行科技发展有限公司所生产的WDH-B1转速转矩传感器。图3-2 WDH-B1转矩转速传感器实体图。图3-2 WDH-B1转矩转速传感器实体图技术特点是无须调零和换向即可测量正、反力矩；信号采用频率输出方式，信噪比高，抗干扰性好；响应快，可测启动力矩，更可测量过渡过程力矩；不受转速高低的限制，可精确测量实时力矩和功率；传感器的线性度、重复性好、可靠性高；传感器结构紧密、体积小、重量轻。转矩不准确度： 0.10.5% F.S重复性： 0.10.5% F.S线性： 0.10.5% F.S滞后： 0.10.5% F.S过载能力： 150%绝缘电阻： 200M工作温度范围： -20+60相对温度： 90%RH传感器供电电压： 12VDC传感器功耗： 4W负载电流： 15mA传感器输出信号：转矩输出信号（5K15KHZ，零点为10KHZ，反向为5KHZ，具体参考产品出厂检定报告幅值为5V）；转矩输出信号：频率信号输出，幅值为5V，每转脉冲数取决于传感器测速盘的齿数或编码器的齿数；传感器信号选择：传感器输出信号的幅值可提至24V，直接供给PLC采集处理，传感器输出的频率信号进行F/V、F/I转换为模拟信号：电压信号输出（5V、10V、05V、0-10V可选） 选配；电流信号输出（420mA） 选配注：传感器正反向转矩的确定：将传感器的输出轴一端固定，另外一端顺时针施加扭力，此向确定为正向，反之为反向。图3-3就是此转矩转速传感器的三维图。此型号转矩转速传感器广泛使用于各种在线测试与工业控制系统中：图3-3 转矩转速传感器三维图3.3磁粉制动器的选型磁粉制动器是一种以高导磁性的磁粉为工作媒介，以激磁电流为控制手段的性能优越的新型自动控制元件，其工作原理是接通直流电源后产生磁场，工作介质磁粉在磁力线作用下形成磁粉链，制动扭矩的目的，其特点是快速反应，线性度好，控制力矩恒定，运转平稳，结构简单，无噪音，维修方便，具有快速制动，张力控制，位置控制，速度控制，微机等功能，它广泛用于造纸.印刷.纺织.包装.塑料，通用机械中。磁粉制动器主要利用磁粉磁化时所产生的剪力来制动，其特点是磁粉链抗剪力与磁粉磁化程度成正比，即制动转矩的大小与绕组中的激磁电流的大小成正比。但电流大到使磁粉达到饱和时，转矩增长速度就会减慢，此外，磁粉的装满程度也影响转矩的特性。这种制动器体积小，质量轻，具有恒转矩性，制动平稳，激磁功率小且制动转矩与转动件的转速无关。但磁粉会引起零件磨损。用于机械设备的制动，张力控制和调节转矩等自动控制及各种机器的驱动系统中。磁粉制动器都有他的技术要求，而本次磁粉制动器的轴伸按GB 1569的规定，键按GB1095的规定，轴孔和键槽按GB3852的规定。其工作的条件与对环境的要求并不是特别高，只要周围的空气温度是-540；周围空气最大的相对湿度为90%（平均最低湿度为25时）；周围如果要有其他介质的话，则要求介质无爆炸要求，无腐蚀金属，无破坏绝缘的尘埃，无油雾；海拔的高度不超过2500mm即可。磁粉制动器也有如多不同的用途，在本文当中，其作用起的就是模拟负载的作用，当然，他还有其他的作用，比如说：缓冲起动，停止用：利用联结时的圆滑特性及定转矩特性达到缓冲起动和停止；还能用作连续滑动、张力控制；有时还会当作转矩限制器用。当在高速运转时，能作高速应答用；有时还会动力吸收用。和定位停止用。本文在选择负载时，参考了很多负载，各种不同的负载也拥有其各自的负载的优点，特点。而磁粉制动器也具有几大特点，例如，磁粉制动器可以轻松进行大范围的控制，不仅如此，磁粉制动器还可以达到连续滑块运转；相比其他负载，磁粉制动器还可以得到安定的扭力；有些负载在运转时，多噪音，而磁粉制动器在运转时无鸣叫音，动作面的滞滑现象会发生于摩擦方式，但是在此不会出现，而且也不会发出连结音，所以运转相当安静。这也是在实验室中选择其做为负载的很大一部分因素。磁粉制动器在高速运转时会产生热量，而它本身的热容量很大，由于由于使用了耐热性优越的磁粉及运用了理想的冷却方法，即使是过于严酷的连续滑动运转，也可以安心使用。并且，磁粉制动器可以达到平顺的连续及驱动状态。由于静摩擦系数和动摩擦系数几乎一样，所以完全连结时不会产生震荡，可以因应负载加减速度。当然，每一个负载都不是可以随意的使用，在使用磁粉制动器的同时，需要注意一些事项，比如，要注意湿气，磁粉受潮的话，性能会变得不稳定，所以要特别小心，不要让油或水分浸入内部。特别是安装于齿轮箱时，油分会透过轴部入内部，所以要用薄膜完全封住。不仅如此，还要注意磁粉制动器的的表面温度，连续运转所造成的表面最高温度为运转时90度以下，超过该数值时，耐久性会大为降低。请务必以上述界限温度为标准，使用时务必保持在所容许的滑动工作率之内。只有在你注意在使用磁粉制动器的过程中，按照其注意事项说提供的要求去避免会发生的事情，你就可放心的使用了。当然，哪怕是当关注了磁粉制动器的注意事项，也按照它所提供的避免发生磁粉制动器的不能的状况，还是有可能会发现磁粉制动器的卡死现象，发生卡死情况通常是因为由于在运输过程中或放置时间过长导致在两组单元之间填有的磁粉散落一边，且在开机前未做激磁造成卡死，有时也会由于产品制造精度低，转子的同心度不够，造成输出转矩不均或卡主，当然，在生产的过程中如果封入过量的磁粉也会造成卡死。当然，如果在使用了劣质的磁粉，那么造成磁粉制动器的卡死也就怪不得别人了。在发现了磁粉制动器有可能会卡死现象的发生，那么针对以上的几种情况，本文建议在正式运转前或装置移动后，必须作均匀运转才能正式操作。这样才能产生平滑的转矩，均匀运转方式如下：在无激磁状态下，驱动侧尽可能高速（1800rpm一下）回转约1分钟后，设定激磁电流在额定的1/4-1/5，一方面回转驱动侧，一方面5秒间开，10秒间关，间歇激磁