重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目录
4.1.1不对中 ............................................................................................................................... 24 4.1.2 不平衡 .............................................................................................................................. 25 4.1.3油膜涡动与油膜振荡 ....................................................................................................... 27 4.2谐波小波试验分析 .................................................................................................................. 28 4.3 本章小结 ................................................................................................................................. 31
参考文献 ...................................................................................... 32 致谢 .............................................................................................. 35
IV
重庆大学本科学生毕业设计（论文）
1 绪论
1.1课题学术和使用意义
高速加工技术作为当代四大先进制造技术之一，是继数控技术之后使制造技术产生革命性飞跃的高新技术。以高速电主轴为代表的高性能主轴单元是高端数控机床中最重要的功能部件，应用高速电主轴能显著地提高生产率、降低生产成本和提高产品加工质量，是制造业发展的重要趋势，具有非常重要的工程实际价值。
研究高速电主轴的振动频谱图，探讨各振动原因, 以期提高高速电主轴的动态性能及进行高速电主轴的故障诊断分析，具有重要的学术和实用意义。本课题是在国家自然科学基金项目《高速电主轴机电耦合动力学分析及仿真与实验研究》（项目编号50675233）和重庆市重大科技攻关项目《装备制造业典型基础部件关键技术研究及产业化》（项目编号CSTC, 2006AA3010）的支持下的后续研究。
1.2 国内外现状
高速电主轴单元，它实现了机床的“零传动”，简化了结构，提高了机床的动态响应速度，是一种新型的机械结构形式。高速加工能显著地提高生产率、降低生产成本和提高产品加工质量，是制造业发展的重要趋势，也是一项非常有前景的先进制造技术。实现高速加工的首要条件是高质量的高速机床，而高速电主轴是高速机床的核心部件,其性能好坏在很大程度上决定了整台机床的加工精度和生产效率，因此，近年来各国都在大力研究发展高速电主轴技术。
国外国内的学者们利用拉格朗日分析力学、麦克斯韦电磁场理论、电机系统广义派克方程、电机拖动理论、转子动力学、现代控制理论、有限元分析、传热
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学等基本理论，对应用电主轴单元的不同设备的机电耦合现象、热机械动力学耦 合模型建立以及高速电主轴的动态特性进行了大量研究。
国外的许多学者对机床的主轴——轴承系统的动态性能进行了理论分析和实验研究。研究表明：主轴动态性能和很多因素有关，包括：刀架特征何形状及拉杆力
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，主轴几
，轴承刚度和阻尼特性。其中很多数因数和主轴速度无关，而
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轴承刚度取决于载荷变化和速度变化。W.R. Wang等利用雷诺梁对一个双轴承主
轴进行了有限元分析，忽略了高转速的影响，表明了内部轴承接触角对振动模式的重要性。 M.A. Alfares等
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研究了轴向预加载荷对主轴动力学的影响，高速主
轴中，在温升通过弹簧或液压元件向主轴多维方向变化过程中轴承轴向预加载荷基本保持一致。T.C. Lim等
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提出了一个轴承模型方程， B.R. Jorgensen等
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应用该方程进行了主轴有限元分析。与传统的主轴相比，高速电主轴有更复杂的动态的，非线性的、与速度相关的热特征。在轴承和电机转子等处的离心力和热膨胀可以改变内置的马达，轴承和装配接头的热特性。Jenq-Shyong Chen等
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等
研究了高速电主轴热生长的特征，发现使用回归分析和人工神经网络方法的传统静态模型，不能提供令人满意的模型精度和稳健性，许多非线性和时变热源，如冷却套，电机气隙，运动接头装配接口影响热位移，温度测量和热位移之间的关系是高度非线性，时变和非平稳。于是提出了一种新的热模型，它能把主轴热增长和热位移测量在主轴旋转的某些位置结合起来，结果表明，基于位移的热误差模型比基于温度的热误差模型具有更好的精度和稳健性。V. Gagnol等
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在转子动
力学预测的基础上建立了磨削高速主轴-轴承系统的动力学模型，并根据实验模态参数修正了该模型，并通过实验验证在实践中颤振边界预测。在Budak–Altintas的振颤稳定性方法中融入已有的的速度传递函数预测了动态稳定性叶图，这个新
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的稳定性叶图考虑了主轴速度对动态性能的影响，这样就可以观察到一些动力学的重大变化，还可以准确预测切削条件。M. Zatarain等
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介绍了在磨削过程中主等认为在高接触压力
轴转速连续变化的频域分析的一般理论。F.P. Wardle等
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下，在0 - 3KHz这个频谱区的主要原因是轴承激励的震动，它可以和大多数加工中的切削力振动谱同时出现。另一方面，与滚动元件和滚道波长相关的轴承振动起着重要作用， 特别是通过接触的相互作用 ，这可能导致过多的小振幅中等振荡
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。轴，笼和滚动元件旋转频率，以及滚动元件的通过频率是振动的主要来
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源。S. Vafaei等利用频谱分析对高速主轴进行振动监测，指出高速机床主轴
复杂的振动频谱，主要受轴承几何参数，不平衡装配和滚动体表面不规则性等因素影响。采取自相关分析方法利用其优良的频率分辨率和窗口能力对轴承导致的振动故障进行分析，补救措施，有必要分离和鉴定那些导致边带调制和平均傅立叶变换过程中产生的错误的特殊原因。提出的ARMA模型方法已经证明是解决量化问题的有效工具，作为一个频域分析工具具有明显的优势。 目前，国内的研究还不是很多，主要有：宋春明等
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通过对某高速电主轴进
行结构分析，建立了其参数化有限元模型，应用有限元分析软件ANSYS对主轴的支承跨距进行了优化计算，并针对优化后的结构进行模态分析，校核了其一阶自振频率。动平衡技术是高速电主轴的关键技术之一。目前，几乎所有的平衡措施都为停机作业的离线动平衡，花费较多人力、财力和时间，造成直接的经济损失。为了减少损失并且提高效率和加工精度，蒋红琰等平衡装置。肖曙红等
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[16]
建立了高速电主轴的在线动
分析了电主轴的各种热源及其发热量，并且建立了基于热
结构耦合的各种电主轴有限元分析模型，还计算出电主轴在复杂的热边界各种状况下的对流换热系数以及原理，最后他们还利用分析软件ANSYS对主轴的热变形
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及温度场其进行仿真分析并进行实验验证。孟杰等
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提出对高速电主轴系统进行
机电耦合分析的观点。他们提炼并归纳了高速电主轴系统中存在的多参数耦合现象、多物理过程，还给出高速电主轴系统全局耦合关系的框图，以及建立其物理模型。他们建立电动机一主轴子系统的电压方程和机械运动方程，这是基于机电系统分析动力学理论，运用变分原理法，采用拉格朗日方程，将两组方程联立得到了和子系统物理模型相关的数学模型，并且导出了子系统的动力学方程。
由于高速电主轴是复杂的机电系统，运行环境的复杂多变，无论是国际还是国内的研究，都没有根据高速电主轴的运行状态进行故障分析的适当方法。旋转机械的故障信息常在振动状况方面体现出来，因此，利用频谱分析技术进行高速电主轴的振动监测和故障诊断具有很大的研究价值。
1.3 本章小结
本章主要讲述了高速电主轴课题的学术以及使用意义，还有就是关于该课题我通过查阅资料所得到的一些重要的，国内外大量专家，学者的关于高速电主轴轴心轨迹的一些研究报告，以及他们的主要观点。
2 高速电主轴故障理论分析
2.1高速电主轴故障原因分析
机械振动是指物体在某一中心位置两侧所做的往复运动，简称振动。机床的振动大小对机械加工的精度、工件的表面质量、机床的有效使用寿命等有着不可
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