高速电主轴非接触式加载可靠性试验

1、高速电主轴非接触加载可靠性测试系统设计阐明1、根据工程学院毕业设计（论文）工作管理规定 ，学生须撰写毕业设计（论文）开题报告 ，由导师签字，教研室审核，经系教学主任批准后实施。2 、开题报告是毕业设计（论文）答辩委员会审查学生答辩资格的基础材料之一。学生应尽早完成毕业设计（论文）工作，开题报告不及格者不得参加答辩。3、毕业项目开题报告的内容必须真实，一一认真填写。书面表达要清楚严谨，语言要流利，借词要用原文和中文表达。第一次出现缩写时，必须注明全名。4、在本报告中，学生自己撰写的对课题和研究工作的分析和描述不少于2000字。开场报告未经整理总结，缺乏个人观点，仅从网上下载资料整理而成的，视为不

2、合格。5、开题报告审核原则上在第2-4周完成。各部门完成毕业设计开题审查后，应撰写开题总结报告。毕业设计（论文）开题报告学生 学生卡 专门机电工程导师 职称副教授学校（系）机械工程学院源主题自创话题主题类型工程技术研究主题名称高速电主轴非接触加载可靠性试验系统设计毕业设计内容和意义毕业设计内容和意义一、课题背景：1920年代末，高速切削技术因其高效率、低消耗而受到世界各国学者的青睐，政府也给予了相当的重视和支持，使其发展迅速。 1990年代初，高速切削技术的日益成熟，推动了高速数控加工机床行业的蓬勃发展，在航空航天制造、汽车制造、轻工制造等领域迅速取得了显著成绩，特别是采用高速-变频变频技术。

3、融合多种前沿技术的高速电主轴技术的推广应用应运而生，成为高速加工机床的核心技术。可满足高速切削时“高速、高精度、高可靠性、小振动”的要求。涉及车、铣、磨等多个领域，尤其是高精密仪器关键功能部件的制造。高速电主轴的性能和工作可靠性直接影响高速加工机床的加工性能和工作可靠性。2.主题内容：1.提议电主轴作为一种高速加工设备，在高速切削过程中如果受到轻微的干扰，可能会对电主轴的工作性能产生巨大的影响，这种影响甚至可能具有破坏性。可靠性对于高速电主轴尤为重要。其稳定性和寿命对整台母机能否在规定的时间内在规定的条件下完成规定的任务有重要影响，也影响到整个工作时间、加工精度和加工成本。随着高新技术的引进和

4、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所提高。然而，可靠性问题一直是困扰数控设备和系统发展的主要问题。一、尤其是国产数控设备的可靠性问题更为突出。2. 解决方案要启动数控设备可靠性的系统研究，对电主轴关键部件的可靠性进行系统全面的研究和试验，提高可靠性设计与失效的实用技术。数控设备并行工程及全生命周期分析。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测试，设计了一套能够同时模拟和实现主轴上的扭矩、径向力和轴向力的加载系统。 采用电动测功机实现扭矩加载，非接触激振器实现径向加载，自行设计的电磁铁实现轴向加载。该系统不仅可以完成电主轴的动态加载，还

5、可以在加载过程中检测电主轴的基本性能参数和故障指标参数，收集故障数据，绘制故障数据曲线并进行可靠性分析。改进电主轴。可靠性三、设计内容本文针对转速为18000r/min、功率为22Kw的电主轴设计了加载实验，提出了一种电主轴可靠性研究的新方法。主要内容如下：1、对可靠性和电主轴可靠性的研究现状进行了回顾。2、介绍了电主轴的结构原理，并对选定的电主轴进行了力计算。3. 电机主轴负载设计扭矩负载、轴向力和径向力负载。4、电主轴检测控制系统的设计及相应设备的选型。5、其他辅助部件的设计，如电主轴的夹持和支撑机构，最终完成整体结构设计。题目的意思：近年来，激烈的市场竞争对高端数控机床提出了更高的要求，

6、以满足巨大的市场需求。同时，高速电主轴运行更稳定，工作效率较传统电机皮带传动系统大幅提升。因此，电主轴的性能也被认为是衡量数控机床稳定性和可靠性的重要指标之一。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，研制电主轴可靠性试验台，对提高高速数控机床的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，广泛应用于高性能机床，不仅大大提高了加工效率，提高了产品质量，降低了生产成本，还创造了巨大的材料财富为社会。同时，促进新材料、新技术的推广应用，带动相关产业发展。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，提高我国科技制造业的整体

7、水平，增强我国制造业在世界上的整体竞争力；另一方面，高速电主轴技术可以大大缩短生产准备时间，提高产品加工效率和加工质量，节约社会成本，创造更多社会财富。高速电主轴的性能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严格的要求，使其不能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首要考虑因素。结构设计和机床操作中的问题。因此，无论是在理论研究还是实际应用中，高速电主轴相关技术的研究都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尤为重要。其稳定性和寿命对整台母机能否在规定的时间内在规定的条件下完成规定的任务有重要影响，也影响到整个工作时间、加工精

8、度和加工成本。随着高新技术的引进和相关学科的发展，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所提高。然而，可靠性问题一直是困扰数控设备和系统发展的主要问题。一、尤其是国产数控设备的可靠性问题更为突出。对于很多高速加工的数控设备来说，由于电主轴在运行和使用过程中出现故障，使加工系统的数控设备和整个数控系统不可靠，无法保持高性能，这使得任何先进性无意义的。数控设备和系统的高水平和复杂性凸显了研究电主轴可靠性的必要性和紧迫性。显然，可靠性技术已经成为数控装备和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技术。一旦可靠性技术取得突破，将充

9、分发挥国产数控设备和系统的先进性，改造传统机械制造业，用先进可靠的数控设备武装起来，从而推动机械制造业升级换代发展民族装备工业。振兴。此外，数控设备的可靠性直接影响经济效益和社会效益。但国外尚无对数控机床高速电主轴可靠性技术进行全面系统研究的报道。一些发达国家的机床企业只是部分复制了其他行业使用的可靠性通用技术。因此，有必要对数控设备的可靠性进行系统研究，对其电主轴等关键部件的可靠性进行系统、全面的研究和试验，以提高数控设备的实用性。并行工程和全生命周期可靠性设计和故障分析。技术推动数控装备行业的技术进步和发展。而本课题是通过试验台对某型或多型电主轴进行实时加载模拟疲劳试验，是我们研究换刀系统

10、可靠性的好方法，是前所未有的创新。研究方法。可靠性试验台的研制成功，可以方便我们实时采集和处理数据，方便与计算机系统联机进行数据整理和图表对比。该研究方法可以辅助我们对电主轴可靠性系统进行全面细致的研究，为提高加工中心的整体可靠性提供平台。推动数控装备产业快速健康发展，为我国装备产业在强国之林的建立做出一点小小的贡献。国外研究现状：一、国外可靠性研究现状可靠性理论于 1940 年代在航空领域萌芽，并于 1950 年代在美国国防部创立。 1960年代开始全面发展，1970年代进入成熟阶段，1980年代和1990年代进入深入发展阶段。国外专家学者对可靠性和可维护性要求与性能要求一视同仁，强调支持性

11、要求，重视可测试性和故障诊断技术的研究，同时开发综合可靠性计算机程序。机床可靠性技术起源于1970年代的前端环节。联大机床行业的一些权威人士，如1950年代来华讲学的机床专家AC Pronikov，根据机床产品的特殊性，对机床的可靠性进行了专题研究。在功能、结构、外载荷等方面建立了机床可靠性技术的一些基础理论，开辟了在机床领域进行可靠性研究的途径，出版了一系列针对特定机床的可靠性论文（如如机床热变形、导轨磨损等规律对机床精度故障和故障无故障工作时间的影响等），并出版了数控机床精度和可靠性专着近年来，以BC Vasiliev、BB Barabanov等为代表的俄罗斯新一代机床可靠性研究人员。学者

12、们反映了俄罗斯数控机床可靠性研究的现状和趋势。他们重视使用数控机床的经济效益研究，提出了技术利用系数的概念，建立了其信息概率模型，在机床承载能力的预测方面也做了大量工作。在消除机床早期故障方面，提出了工艺试运行和可靠性试验的方法。此外，俄罗斯学者还对机床故障进行了分类，对预防和保护等方法进行了研究。虽然这些研究可以控制和预测数控机床的加工精度，但统计表明数控机床的故障多为功能故障。因此，这类研究对当前机床可靠性中急需解决的关键问题收效甚微。英国、美国等国家在CNC加工中心领域，大多进行了现场故障数据采集和故障数据数理统计分析及指标评价，尚无系统可靠性研究报告关于CNC加工中心产品。日本在民用产

13、品（如家电、汽车等）方面的可靠性研究引起了全世界的关注。在数控机床领域，也仅限于注重现场故障数据的收集和分析，从故障诊断分析入手，找出故障原因，提出可靠性改进措施。 ，对提高机床产品的可靠性水平起到了积极的作用。二、中国研究现状我国最早的可靠性工作是原电子工业部第五研究所在1960年代初开展的可靠性评估方面的开创性工作，推动了我国可靠性工程的发展。 1970年代，我国的可靠性工作从引进国外标准材料开始。可靠性工程在电子、航空航天、电力、机械、仪器仪表等部门得到应用，并取得不同程度的进展。 1980年代，我国各可靠性机构和学术团体发展迅速，先后发表了可靠性数学和可靠性理论系列文章，发表了机构可靠

14、性分析系列文章，在理论和实践上都做出了有益的贡献。方面。探索。数控机床的可靠性设计有很多方面可以借鉴。但我们也应该认识到，我国的可靠性技术目前在工业和企业中应用并不广泛，与先进国家相比还有很大差距。此外，中国学者王国松等人应用模糊数学分析了柔性制造系统的失效模式、失效率和可靠性模型。我国对数控机床可靠性的研究始于1980年代后期。 90年代以来，我国将数控机床可靠性基础研究工作列入“八五”和“九五”国家重点科技攻关计划，并制定了可靠性试验方案以及数控系统的一系列标准。积累和处理了部分国产加工中心的故障和维修数据，对部分国外加工中心的现状进行了初步的可靠性评估，取得了成果，但国产数控机床的整体可

15、靠性水平仍与进口产品相比.较大的差距。机床现代诊断技术是近20年来发展起来的一门新学科。就是在机床运行过程中判断机床的运行状态和时间，并采取相应的措施，提高机床运行的可靠性，进一步提高机床的质量。机床的利用率。在我国机床可靠性研究中，高校计算机数控设备可靠性研究所开展了大量的研究工作。对数控车床的载荷谱进行了初步研究，对数控车床进行了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，建立了无故障工作时间的AR模型。获得。分析了机床主传动系统的动态特性，并对传动部件的可靠性设计进行了初步研究。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，实现可靠性技术“信息化”，发展现代可

16、靠性共性技术；另一方面，将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，研究故障分布和演化过程的规律，开发具有行业特色的实用可靠性技术。参考1 联合研究院。组合机床设计：机械工业，1975。2 贾庆宇.机械制造设备设计：机械工业，2007。3 王志明，数控技术：大学，2009。4 陈娟，数控车床设计，：化学，2005。5 夏田，数控加工中心设计，化工，20066 贾亚舟等. 机械疲劳载荷与可靠性设计7 邵军，基于多重影响因素的电主轴可靠性分析8 严，窦怀洛等 提高电主轴可靠性的方法分析9 E. Abele (2)a,*, Y. Altintas (1)b, C. Brecher (

17、2)c机床主轴单元10 Bernd Bossmanns Jay F. Tu 高速电动主轴的功率流模型发热特性12 王爱玲.现代数控机床的结构与设计。兵器工业。 1999 年 9 月。1-17013 王超，王瑾机械可靠性工程。冶金工业。 1998 年 6 月：17-24614 J莫布雷，石磊，顾宁昌译。以可靠性为中心的维护。：机械工业。 2006.12：1-615 何国芳.可靠性数据采集与分析：国防工业，1997：40研究内容研究内容：本文针对转速为18000r/min、功率为22Kw的电主轴设计加载实验。1、对可靠性和电主轴可靠性的研究现状进行了回顾。2、介绍了电主轴的结构原理，并对选定的电主

18、轴进行了力计算。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的设计及相应设备的选型。5、其他辅助部件的设计，如电主轴的夹持和支撑机构，最终完成整体结构设计。可靠性测试是通过电主轴进行的，以反映高速电主轴的实际工作情况。本文设计了一套能够同时模拟和实现主轴扭矩、径向力和轴向力的加载系统。铁实现轴向载荷。完成电主轴的动态加载，在加载过程中检测电主轴的基本性能参数和故障指标参数，收集故障数据，绘制故障数据曲线并进行可靠性分析，以提高电主轴的可靠性-主轴。研究计划研究计划：第一周，熟悉项目背景，对国外现状进行调查第二周收集资料，确定初步方案和结构。第三周，完成开场报告，外文

19、翻译第4周提出设计方案并论证设计方案第5周绘制总装图和设计计算第6周绘制总装图和设计计算第 7 周零件图和设计计算第 8 周绘图零件和设计计算第 9 周绘图控制示意图第 10 周绘图控制示意图第11周 控制软件设计与调试，整理设计手册第 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 准备防御特色与创新1、借助计算机，对可靠性试验台的机械结构进行了全面细致的设计，使其强度和刚度能够满足电主轴的高速要求。2、设计转速18000r/min、功率22Kw的电主轴负载实验。3、电主轴各项性能测试。导师观点导师签名：年月日教研室意见部门意见主任签字：年

20、月日教务长签字：年月日概括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测试，设计了一套能够同时模拟和实现主轴上的扭矩、径向力和轴向力的加载系统。 采用电动测功机实现扭矩加载，非接触激振器实现径向加载，自行设计的电磁铁实现轴向加载。该系统不仅可以完成电主轴的动态加载，还可以在加载过程中检测电主轴的基本性能参数和故障指标参数，收集故障数据，绘制故障数据曲线并进行可靠性分析。改进电主轴。可靠性。本文针对转速为18000r/min、功率为22Kw的电主轴设计了加载实验，提出了一种电主轴可靠性研究的新方法。本设计对以上问题进行分析，主要内容如下：综述了可靠性和电主轴可靠性的研究现状。介绍了电主轴

21、的结构原理，并对选定的电主轴进行了力计算。电机主轴负载设计 - 扭矩负载、轴向力和径向力负载。电主轴检测控制系统的设计及相应设备的选型。设计了其他辅助部件，如电主轴的夹紧和支撑机构，最终完成了整体结构设计。关键词:高速 电主轴 可靠性非 接触 加载设计摘 要为了准确反映高速电主轴的实际工况，说明主轴的可靠性，设计了一套同时承受主轴扭矩、径向力和轴向力载荷的仿真系统，该系统采用电动测功机进行测功。实现扭矩加载，非接触式振动台实现径向加载，螺线管设计实现轴向加载。系统不仅完成主轴的动态加载，还检测加载过程中主轴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进行可靠性分析，提高了主

22、轴的可靠性。本文设计了最高转速为18000rpm，电功率为22Kw的主轴的加载文本，提出了一种主轴可靠性的新方法。对上述问题进行了分析，主要覆盖范围如下：1.审查了主轴的可靠性和可靠性。2、主轴的结构和原理介绍，计算所用主轴的应力。3 、主轴载荷设计：扭矩载荷、径向载荷和轴向载荷。4 、电主轴测控系统的设计及相应设备的选型。5 、电主轴支撑机构等其他辅助部件设计，完成其整体结构设计。关键词：高速电主轴；可靠性；非接触式加载；设计目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc294770401 第1章引言 PAGEREF _Toc294770401 h 1 HYPERLI

23、NK l _Toc294770402 第一节 可靠性研究现状 PAGEREF _Toc294770402 h 1 HYPERLINK l _Toc294770403 1.1国外可靠性研究现状 PAGEREF _Toc294770403 h 1 HYPERLINK l _Toc294770404 1.2国家可靠性研究现状 PAGEREF _Toc294770404 h 2 HYPERLINK l _Toc294770405 第二节国外电主轴研究现状 PAGEREF _Toc294770405 h 3 HYPERLINK l _Toc294770406 第二章电主轴 PAGEREF _Toc294

24、770406 h 5 HYPERLINK l _Toc294770407 第一节 电主轴结构与关键技术 PAGEREF _Toc294770407 h 5 HYPERLINK l _Toc294770408 1.1电主轴机构 PAGEREF _Toc294770408 h 5 HYPERLINK l _Toc294770409 第二节电主轴关键 PAGEREF _Toc294770409 h 技术6 HYPERLINK l _Toc294770410 第三节电主轴基本 PAGEREF _Toc294770410 h 信息7 HYPERLINK l _Toc294770411 第四节电主轴受力计

25、算 PAGEREF _Toc294770411 h 8 HYPERLINK l _Toc294770412 第三章加载机构设计 PAGEREF _Toc294770412 h 10 HYPERLINK l _Toc294770413 第1节扭矩载荷设计 PAGEREF _Toc294770413 h 10 HYPERLINK l _Toc294770414 1.1测功机选型 PAGEREF _Toc294770414 h 11 HYPERLINK l _Toc294770415 1.2 DLG22悬挂式交流功率测功机 PAGEREF _Toc294770415 h 12 HYPERLINK l

26、 _Toc294770416 第2节轴向力加载设计 PAGEREF _Toc294770416 h 15 HYPERLINK l _Toc294770417 第3节径向力加载设计 PAGEREF _Toc294770417 h 17 HYPERLINK l _Toc294770418 第4章检测与控制系统设计 PAGEREF _Toc294770418 h 22 HYPERLINK l _Toc294770419 第1节速度转矩检测 PAGEREF _Toc294770419 h 23 HYPERLINK l _Toc294770420 第2节温度检测 PAGEREF _Toc29477042

27、0 h 23 HYPERLINK l _Toc294770421 第3节轴向位移和径向跳动检测 PAGEREF _Toc294770421 h 24 HYPERLINK l _Toc294770422 3.1涡流传感器的工作原理及特点 PAGEREF _Toc294770422 h 24 HYPERLINK l _Toc294770423 3.2检测方案 PAGEREF _Toc294770423 h 25 HYPERLINK l _Toc294770424 第4节外壳振动速度和噪声检测 PAGEREF _Toc294770424 h 27 HYPERLINK l _Toc294770425

28、第5节总体检测控制框图 PAGEREF _Toc294770425 h 28 HYPERLINK l _Toc294770426 第5章其他结构设计 PAGEREF _Toc294770426 h 29 HYPERLINK l _Toc294770427 第1节电主轴支撑机构 PAGEREF _Toc294770427 h 29 HYPERLINK l _Toc294770428 第二节试棒强度分析 PAGEREF _Toc294770428 h 30 HYPERLINK l _Toc294770429 设计总结 PAGEREF _Toc294770429 h 32 HYPERLINK l _

29、Toc294770430 至 PAGEREF _Toc294770430 h 34 HYPERLINK l _Toc294770431 参考文献 PAGEREF _Toc294770431 h 35 HYPERLINK l _Toc294770432 图1电磁铁组件 PAGEREF _Toc294770432 h 37 HYPERLINK l _Toc294770433 图2电主轴 PAGEREF _Toc294770433 h 38 HYPERLINK l _Toc294770434 图3电动测功机总成 PAGEREF _Toc294770434 h 39 HYPERLINK l _Toc2

30、94770435 图4整体测试平台 PAGEREF _Toc294770435 h 40第一章 简介现代制造业作为国民经济的支柱产业，其制造技术水平和装备制造能力是衡量一个国家科技水平和综合国力的重要标志。现代制造技术结合现代信息技术和微电子技术的理论和应用成果，发展以数控机床为基础的自动化加工技术，从而推动高速加工技术、精密和超精密加工技术的快速发展。近几十年来，高速加工技术发展迅速，特别是在工业发达国家，已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、高速加工中心等相继投放国际市场。其需求与日俱增，国外研究机构纷纷投资开发该项目技术。高速电主轴作为现代高

31、速加工技术的核心技术之一，广泛应用于高性能机床，不仅大大提高了加工效率，降低了生产成本，提高了产品质量，同时创造了巨大的材料为社会创造财富。 ，促进新材料、新技术的应用和推广，带动相关产业发展。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，提高我国科技制造业的整体水平，增强我国制造业在世界上的整体竞争力；另一方面，高速电主轴技术可以大大减少生产准备时间，提高产品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格而严格的要求，这使得它有别于传统的主轴系统。性能和动态性能也成为结

32、构设计和机床运行的首要考虑因素。因此，无论是在理论研究还是实际应用中，高速电主轴相关技术的研究都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的关键功能部件之一，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的MTBF水平具有重要意义。可靠性研究现状1.1 国外可靠性研究现状1940年代在航空领域萌芽， 1950年代由美国国防部提出。 1960年代开始全面发展，1970年代进入成熟阶段， 1980年代和1990年代进入可靠性技术逐步深入发展阶段1 。国外专家学者将可靠性和可维护性要求等同于性能要求，强调可保障性要求，重视可测试性和故障诊断技术的研究，

33、同时开发了综合可靠性计算机程序。1970年代，机床可靠性技术起源于前联盟，加入部分高校机床行业权威人士，如1950年代来华讲学的机床专家AC Pronikov ，根据机床产品的结构、功能和外载荷。由于机床可靠性的特殊性，他对机床可靠性进行了专题研究，建立了机床可靠性的一些基础理论，开辟了机床领域进行可靠性研究的新途径，并发表了一系列可靠性研究。针对特定的机床产品（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），出版了CNC可靠性和精度专着机械工具。近年来，俄罗斯新一代机床可靠性研究人员，包括BB Balabanov、 BC Vasiliev等，开展了反映俄罗斯数控机床可靠

34、性研究趋势和现状的研究2 。他们重视数控机床使用中的经济效益研究，提出了技术利用系数的概念，建立了其信息概率模型，在机床承载能力的预测方面也做了大量工作，以及在机床的早期故障排除中。一方面，提出了工艺试运行和可靠性试验的方法。此外，俄罗斯学者还对机床故障进行了收集和分类，并对防护和预防方法进行了研究。这些研究虽然可以控制和预测数控机床的加工精度，但实际上表明数控机床的故障多为功能故障。美、英等国的CNC加工中心领域，大多采集现场故障数据，对故障数据进行数理统计分析，评价指标，但尚无关于机床系统可靠性研究的报道1 。日本在民用产品（如汽车、家电等）方面的可靠性研究举世瞩目，但在数控机床领域，仅限

35、于现场故障数据的收集和分析，从故障诊断入手和分析，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到了积极的作用。1.2 最先进的可靠性研究原电子工业部第五研究所率先开展可靠性工作。 1960年代初，研究所在可靠性评估方面开展了开创性的工作，推动了我国可靠性工程的发展。 1970年代，我国的可靠性工作从引进国外标准材料开始，可靠性工程在电子、机械、电力、航天、仪器仪表等部门得到应用，并取得了不同程度的进展3 。 1980年代，我国各可靠性机构和学术团体迅速发展，在可靠性数学、可靠性理论、制度可靠性分析等方面取得了一定的成果。相关探索。数控机床的可靠性设计有很多方面值得参考。但我们

36、应该认识到，我国可靠性技术在工业和企业中的应用还不广泛，与先进国家相比还有很大差距。此外，中国学者王国松等人应用模糊数学分析了柔性制造系统的失效模式、失效率和可靠性模型。我国对数控机床可靠性的研究比较晚，始于1980年代后期。 90年代以来，我国将数控机床可靠性基础研究工作纳入“八五”和“九五”国家重点科技攻关计划，制定了数控系统可靠性测试计划等一系列标准。对国内部分加工中心的故障和维修数据进行了积累和处理，对国外部分加工中心的可靠性进行了初步评估并取得了成果，但国产数控机床的整体可靠性水平仍高于国内数控机床。进口数控机床。有一个很大的不同。机床现代诊断技术是近20年来发展起来的一门新兴学科。

37、就是在机床运行过程中判断机床的运行状态和时间，采取相应的解决方案，提高机床运行的可靠性。机床的利用率进一步提高。在我国机床可靠性研究中，高校计算机数控设备可靠性研究所开展了大量的研究工作3 。对数控车床的载荷谱进行了初步研究，对数控车床进行了初步的故障分析和维修性分析，并对无故障工作时间进行了时间序列分析，得到了无故障工作时间的AR模型。分析了机床主传动系统的动态特性，初步研究了传动部件的可靠性设计。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，实现可靠性技术的“信息化”，发展现代可靠性技术；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，研究故障分布规律和演化过

38、程，开发具有行业特色的实用可靠性技术4 。第二节 国外电主轴研究现状目前，我国对电主轴的研究主要是对电主轴某一方面的性能进行研究，对电主轴整体可靠性的研究还比较缺乏。于银民5通过搭建测试平台深入研究了高速电主轴的误差测量原理，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和轴向热伸长数据采集系统。然后，利用红外温度传感器和涡流位移传感器，对高速电主轴的轴端温度、轴向热伸长和径向振动进行了非接触式测量。并对高速电主轴空载运行试验曲线进行分析，得出被测电主轴的振动性能和稳定时间。最后针对高速电主轴提出了一些误差补偿措施，通过“普传PI7000.

39、7R5H32变频器监控系统”对变频器进行控制，以达到调整电主轴运行状态的目的，并关闭-实现了循环控制。径向振动的实时测量和轴向伸长与补偿的研究为电主轴的研究提供了一个实时动态的测试系统。冯6基于模态分析理论，对最高转速为60000 r/min的磨削型高速电主轴进行了模态实验。介绍了实验方法，并对实验结果进行了分析。提取电主轴的模态参数（固有阻尼、振型和频率），验证其是否满足高精度加工和生产的要求以及所用实验方法的正确性。同时，阐明了电主轴振动的主要原因。并且采用随机子空间方法识别电主轴的模态参数，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、动、静特性进行了深入研

40、究，并对其进行了优化，对提高电主轴的性能具有重要意义。康惠民8 、王永斌9分别研制了电主轴综合性能测试评价试验台。测试和评估规则；后者的控制方法与数学模型的相互关系、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应及其对主轴动态性能的影响。此外，在主轴整体动态热模型的建立和温升影响因素的确定等方面取得了一些理论和实验测试结果，为后续的高转速研究做出了一定的贡献。高速电主轴。由于投资大、可靠性现场试验周期长，国内对电主轴可靠性的研究相对较少。因此，应开展可靠性试验台的研究。对样品系列进行可靠性测试，为产品可靠性等级提供重要依据，方便未来的市场投资。国外对电主轴的可靠性进行了一些研究

41、。邵军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，并提出了提高电主轴系统可靠性的建议。 .严，窦怀洛等。 11针对高速电主轴的高可靠性要求，在高速电主轴现有机构的基础上，采用动态设计方法获得电主轴和滚动轴承的动态特性，然后研究了轴向跨度。 、预紧力、转轴各步外径、轴承对高速电主轴临界转速的影响因素，最终得到较为合理的电主轴结构；同时在密封、冷却、润滑、材料等方面进行了研究，实现了优化设计，满足高速电主轴的高可靠性要求。可靠性试验台在国外很少见，建立专用电主轴可靠性试验台尚属首例。与其他测试方法相比，该测试台更适合于对机床功能部件的可靠性进行系统研究。第二章电主轴电主轴结构机床主

42、轴由机床安装电机直接驱动，基本取消了皮带轮传动和齿轮传动，将机床主传动链的长度缩短为零，实现了“零传动”模式。这种“主轴电机与机床主轴一体化”的传动结构，使主轴部件相对独立于驱动系统和机床整体结构，称为“主轴单元”，俗称“电主轴”。 ”。电主轴是一种智能化的功能部件。由于其高速、大功率，需要一系列功能来控制主轴温升、振动等机床运行参数，以保证其高速运行的可靠性和安全性。图 2-1 电主轴基本结构电主轴的基本结构如图2-1所示，由定子、转子、轴承、润滑装置和冷却装置组成。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、高速电机驱动技术的综合应用。其主要特点如下：(1)机

43、械结构比较简单，运动惯量小，动态响应好。(2)电主轴系统无高精度齿轮等关键传动部件，杜绝了齿轮传动误差。(3)降低了主轴的振动和噪音，提高了主轴的旋转精度。(4)采用交流变频调速和矢量控制，输出功率大，调速幅度宽，功率转矩特性好。电机会产生大量热量，轴承在高速运转下也会产生大量热量。这两个热源构成了主轴的主要热源。如果不加以控制，由此产生的热变形会降低机床和轴承的加工精度。电机的使用寿命需要设计专门用于冷却电机的油冷或水冷系统。主轴的变速由变频器实现。高速轴承必须有特殊的润滑装置。润滑方式包括脂润滑、油气润滑和油雾润滑。高速电主轴一般采用后两种润滑方式。为了保证高速旋转部件的安全，还有一系列支

44、持电主轴运行的外围设备和技术，如报警装置、停止传感器及其相应的控制系统。因此，“电主轴”的概念不应简单理解为只是一个主轴，而是在机床数控系统监控下的一个完整的子系统，如图2-2所示。图 2-2 电主轴系统第二节 电主轴关键技术电主轴单元是一套组件，是涉及电主轴本身及其附件的系统工程技术。电主轴单元集成的关键技术主要包括以下几个方面：(1)高速电机技术。电主轴是电机与主轴融合的产物。主轴的旋转部分是电机的转子。理论上，电主轴可以看作是一个高速电机。关键技术是高速动平衡和主轴励磁的稳定性。与驱动技术。(2)轴承技术。由于普通钢轴承质量高，限制了其极限转速，电主轴通常采用瓷球轴承。瓷球轴承分为全瓷轴

45、承和混合瓷轴承两种。瓷质材料具有优良的物理、化学和机械性能。有时也使用静压轴承或电磁悬浮轴承，外圈不接触，理论上具有无限寿命。(3)润滑技术。电主轴的润滑主要是轴承的润滑，主要包括油雾润滑、油气润滑和脂润滑。一般采用油气润滑和油雾润滑，也可采用脂润滑，但相应的最高转速有限制。油气润滑，通常是润滑油在压缩空气的带动下吹入瓷轴承。在这里，油量的控制非常重要。油太少不会润滑；如果油太多，在轴承高速旋转时，由于油的阻力，会产生热量。(4)设置脉冲编码器技术。为实现刚性攻丝的自动换刀，需要在电主轴上安装脉冲编码器，实现相位的精确控制，与进给量相匹配。(5)矢量变频技术。要达到电主轴每分钟几万甚至几十万转

46、的转速，必须采用高频变频装置来驱动电主轴的高速电机，输出频率变频器甚至需要达到几千赫兹。(6)高速工具的安装技术。众所周知的 BT 和 ISO 刀具不适用于高速加工。在高速加工的背景下，HSK、SKI等高速刀柄已广泛应用于高速电主轴。(7)自动换刀技术。为了适用于加工中心，电主轴配备了可自动换刀的装置，包括拉刀缸、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。外水套和水套是电主轴冷却系统的两种冷却方式。第三节 电主轴基本信息本次测试选用安讯士科技有限公司研发的170XDS30Q22数控铣削电主轴。基本信息如下：一、基本参数ne=

47、23000r/min nm=30000r/minfe=383.33HZ fm=500HZUe=380V Um=380VPe=22KW Pm=22KW即=39A我=40.5AMe=9.15Nm 毫米=7Nm2、主要技术精度：静态：电主轴锥孔0.003mm电主轴+检具末端0.008mm电主轴轴向运动0.002mm动态：电主轴以30000r/min运转时，其振动V 2mm/S电主轴转速30000r/min时，噪音80db（A）电主轴运行4小时后，外壳温升25三、基本外观及安装尺寸及结构要素(1)外观及安装尺寸：170h6350 +12072+60(2) 法兰22025中段花园1940.15安装6-M

48、8六角(3) 前轴承组：2-VEX45/NS 7CE1 DDL 后轴承组：2-VEX45/NS 7CE1 DDL(4) 安装HSKE-40刀柄（用户自备）和HSKE40拉爪OTT松拉系统配备双向油缸拉刀力560Kg释放力850 Kg进油缸油压3MPa(5) 配备欧姆龙拉刀释放拉刀接近开关(6) 配备MCW-25-01精密冷水机(7) 配备意大利西部科技的4路油气装置(8)主轴前后轴承油气润滑油为32#透平油进口压力0.5-0.8MPa，出口压力0.2-0.25MPa油耗：1滴/分钟（9）配备MCW -25C-01精密水冷器，对主轴电机及前后轴承进行冷却，进入主轴冷却腔的介质温度15冷却水配方：

49、2%无水碳酸钠、1%亚硝酸钠、97%水第四节 电主轴受力计算这里省略了 NNNNNNNNNNNN 一词。如需完整的说明书和设计图纸等，请联系按钮：97192800提供全套机械毕业设计下载！论文已通过答辩电主轴在实际工作状态下的作用力就是切削力。 加工技术手册中对切削力的定义如下：切削过程中，刀具切入工件使被加工材料发生弹性和塑性变形所需的力称为切削力。切削力来源于切削过程：克服切削变性和材料塑性变形所需的阻力； 克服切削在前刀面上的摩擦力和刀具后刀面在加工面和过渡面上的摩擦力所需的阻力。 在切削变形区克服材料弹性变形所需的阻力。由于切削力的大小和方向在切削过程中受很多因素的影响，它们不是固定的

50、。为了便于分析测量，将切削力分解为三个垂直于坐标轴的分力或力矩，如图1所示。查阅加工工艺手册，得到铣削力和铣削功率的计算公式如下：扭矩(Nm)： .根据立铣、硬质合金刀具加工碳素结构钢和逆铣估算背向力和进给切削力：回刀力度： 。 进给切削力： 将电主轴的额定扭矩带入公式，根据HSKE-40刀柄标准，取但：摘 要：摘 要为了模拟真实的工况，需要加上的轴向力，即加载的径向力是总和的合力，即： 。因此，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不稳定因素，最大轴向力按400N设计，最大径向力按1000N设计。图1 刀具力分解图第三章加载机构设计测功机是功

51、率测试中的重要设备。它可以在测试过程中吸收被测设备的功率和扭矩，并通过变频器对测功机的控制来改变被测设备的速度、扭矩和功率。因此，选择测功机进行扭矩加载。轴向力和径向力以伺服电机为动力源以机械接触载荷加载，然后通过锥齿轮减速器传递给安装在电主轴试杆上的向心滚动轴承和平面滚动轴承；还有两组励磁绕组在轴侧和轴端面实现非接触加载8 。接触载荷在转速不高时具有很强的实用性，但在高速主轴高速运转时，轴承受到动态力，会产生大量的热量和磨损。为了延长轴承的使用寿命，需要增加冷却系统和润滑。系统。在高速情况下，冷却系统一般采用水冷，润滑系统一般采用油气或油雾润滑。这两个系统安装起来会很复杂，需要很大的空间，而

52、且电主轴的测试杆不宜过长，空间有限。 ，加载难以实现，导致加载系统的可靠性与电主轴的可靠性不一样，导致可靠性试验失败。在非接触磁力加载中，加载轴向力，励磁绕组放置在主轴的轴线上。由于主轴上的轴向力是在刀具的圆周上，而不是在轴线上，所以励磁绕组放在侧面。更能反映切削情况。其整体结构图如图3-1所示。 .1 电动测功机 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 瓷试棒 7 电主轴图3-1 可靠性测试平台结构图非接触式励磁机的五种结构是两组励磁绕组，一组直流绕组和一组交流绕组。为了避免电磁铁3的励磁、励磁机5和电主轴7相互干扰，中间试棒6采用陶瓷材料制成。充磁机4采用目前磁性

53、最高的永磁材料钕铁硼（NdFeB），其磁能积在2750MGoe之间。高速对联轴器2要求较高，采用弹性膜片联轴器。第 1 节 扭矩载荷设计测功机作为旋转动力源输出性能的常用测试设备，在电机等动力源的转速、扭矩、输出功率的测试和检验中发挥着不可替代的作用。可变负载转矩并吸收其功率。试验时，测功机的转轴和被测装载机的转轴通过高速联轴器与被测电机的输出轴连接，装载机转轴上安装光栅盘，以实现测试结果。测量电机同步转速的目的；通过控制加载电压或电流，控制加载器加载被测电源，加载力的大小可通过控制仪表调节。扭矩数字显示。结合其他测试辅助设备，可测试各类电机的输入电压、电流、输出转矩和功率、转速、功率因数和效

54、率，完成被测电机的动态性能测试。测功机按装载机工作方式可分为液压测功机、磁粉测功机、电动测功机等。电动测功机包括直流测功机、交流测功机、涡流测功机。测功机的转速一般在10000r/min左右，超过20000rpm是相当困难的。运行过程中会产生强烈的振动和刺耳的噪音，并且轴承会迅速升温，其可靠性很低12 。本次选用的电主轴转速可达22000r/min，实验要求可达18000r/min，输出功率为22Kw。1.1 测功机的选择液压测功机是利用水中物体运动产生的摩擦阻力来吸收发动机动力的测功装置。在汽车行业，它已逐渐被涡流测功机所取代，但由于其单位转动惯量的扭矩吸收能力强，仍被广泛用于大功率测功机和

55、耐久性试验。其优点是结构简单、成本低、吸收速度快、功率大、操作方便、运行稳定。缺点是控制不方便，测量精度差，难以实现远距离操控和自动调节。它由测力机构、供水系统和制动器三部分组成。可分为叶片式、水阻柱式和圆盘式三种。目前国内液压测功机功率可达20Kw，最高转速在10000rpm以下。磁粉测功机的线圈通过电流时会产生磁场，磁场会将磁粉沿磁力线方向排列成磁链，磁粉产生的拉力链条会阻碍主轴的转动，这就是负载扭矩。负载转矩的大小可以通过改变励磁电流的大小来改变。磁粉测功机由实心转子、定子、磁粉介质、励磁线圈、支架、底板等组成。其特点如下： 操作方便，只需调整励磁电流的大小即可实现转矩。 静转矩平滑，无

56、齿槽转矩和剩磁转矩。 测功机扭矩的产生是由磁粉链的拉力形成的，扭矩变化无影响。 转子为中空鼓形转子，惯性小，可承受较大的离心力。 无摩擦结构，使用寿命长。磁粉测功机功率达不到20Kw，使用水冷设备时功率可以达到15Kw，但最高转速基本在1200rpm左右，磁粉测功机不能满足要求。直流测功机一般由直流发电机和控制器组成。直流发电机作为负载，所产生的电能通过其负载反馈控制器（逆变器）反馈到输入端，并与扭矩传感器相匹配，即构成一个性能优良的负载系统。直流电动机的转矩为T=KTIa，即转矩与磁通量和电枢电流成正比。对于直流电机的励磁，只要励磁电流不变，转矩只与电枢电流成正比。直流测功机就是利用这一原理

57、稳定地调节扭矩。但直流测功机转速最高可达4000rpm，转速达不到实验要求。涡流测功机是利用涡流产生制动力矩来测量机械力矩的装置。它由测功机、电磁滑动离合器和测速发电机组成。磁极安装在测力臂上并受到约束，只能摆动一定角度。配合测力计，可直接从摆角读取电枢与磁极之间的电磁力矩；被测电源与电磁滑动离合器的输入轴连接，驱动衔铁转动。在省略风摩擦损失等测量误差的情况下，电磁转矩等于被测动力机的输出转矩。涡流测功机只能产生制动力矩，不能一直作为电机运行。一般用于测量动力源转速增大而扭矩减小的动力源，或扭矩变化但转速基本不变的动力源。其主要特点： 控制器采用单相交流电源，控制功率小； 输入调速范围广，可用

58、于变频调速等各类电机、动力机械的型式试验； 水冷、低振动、低噪音； 扭矩的测量可以使用电子秤、高精度扭矩和速度测量仪表或压力传感器等，适用于测量精度不同的场合； 价格低廉，使用维修方便，结构简单，运行稳定； 该装置还可以作为制动器使用，制动力矩大。交流功率测功机功率可达22Kw，转速可达18000rpm。最终选用诚邦测控技术研发的DLG22悬挂式交流功率测功机。1.2 DLG22悬挂式交流功率测功机如图 3-2 所示。交流功率测功机利用发电机的原理，吸收电主轴发出的能量并反馈给电网。从节能的角度来看，它具有很大的优势。选用的交流测功机由悬挂式交流电机、张力压力传感器测力装置、转速传感器、安装底

59、座和与动力机连接的法兰组成，ACS800系列交流变频调速系统，可四步运行象限和交流测功机。功率测功机测控仪表组成。其优点如下：(1)节能型液压涡流测功机的基本原理是将原动机产生的机械能转化为热能，通过水冷却后带走。原动机发出的能量无法回收，在转换过程中也消耗能量。电动测功机可以将原动机产生的机械能转化为电能回馈电网供其他设备使用。(2)双向加载拖曳特性液压测功机只能单向加载，当速度低于一定值时加载性能变差；不能作为反向拖动装置使用，需要进行发动机机械效率测试时需要额外拖动。移动设备。涡流测功机可以双向加载，但低速加载性能比水力测功机差，不能作为反向拖动装置。当需要进行发动机机械效率测试时，需要

60、额外的拖动装置。电动测功机可轻松实现双向加载，在转速达到0r/min时仍能提供足够的加载能力；其负载特性是从零速到额定转速的恒转矩，从额定转速到最大转速的恒功率。特性完全符合动力机械的负载特性；此外，电动测功机可作为动力机械反向拖动的原动机，可作为机械效率试验的动力和发动机的启动动力。(3)瞬态加载特性液压测功机的加载响应时间基本以秒为单位，电动测功机的主要加载响应时间为ms，主要取决于变频器的阶跃响应和系统的惯量；对于 ACS800 本身，控制信号的阶跃响应时间小于 5ms。(4) 抗阻力特性水力测功机和涡流测功机本身只消耗原动机的能量，不能提供驱动力，不能作为抗阻力设备使用。电动测功机可以