目录
第2节 测试棒强度分析 ................................... 30
设计总结 ........................................... 32 致 谢 ............................................. 34 参考文献 ........................................... 35 附图1 电磁铁组件 ................................... 37 附图2 电主轴 ....................................... 38 附图3 电力测功机组件 ............................... 39 附图4 总体试验平台 ................................. 40
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第1章 绪论
第1章 绪论
现代制造业作为国民经济的支柱产业，其制造技术水平和设备制造能力的高低，是衡量一个国家科技技术水平和综合国力水平的重要标志。而现代制造技术结合了现代信息技术和微电子技术的理论与应用成果，发展了以数控机床为基础的自动化加工技术，从而促进了高速加工技术、精密和超精密加工技术的迅猛发展。近几十年来，高速加工技术得到了迅猛地发展，尤其在工业发达的国家，它已被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，随着高速数控机床和高速加工中心等高速加工机床相继投放国际市场，它的需求正与日剧增，国内外各研究机构纷纷投入力量来开发此项目技术。
高速电主轴作为现代高速加工技术的核心技术之一，在高性能机床上的广泛应用，不仅大幅度提高了加工效率，降低了生产成本，改善了产品质量，在为社会创造巨大物质财富的同时，更促进了新材料、新技术的应用与推广，并带动了相关产业的发展。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，提升我国技术制造业的整体水平，增强我国制造业在国际上的整体竞争能力；另一方面，高速电主轴技术可以大幅度降低生产准备时间，提高产品的加工效率和加工质量，降低社会成本，创造更多的社会财富。高速电主轴的性能高低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厉而苛刻的要求，使其不同于传统的主轴系统，其安全性、可靠性和动态性能也成为结构设计和机床运行中的首要考虑的问题。因此，无论在理论研究还是实际应用上，对高速电主轴相关技术的研究均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整机的MTBF水平具有重要意义。
第1节 可靠性的研究现状
1.1 国外可靠性研究现状
可靠性理论萌芽于40 年代的航空领域，提出于50 年代的美国国防部门，从60 年代开始全面发展，到70年代进入成熟阶段，进入80、90 年代可靠性技术逐步深入发展阶段[1]，国外专家、学者把可靠性和维修性要求与性能要求同等看待，强调保障性要求，并重视测试性及故障诊断技术的研究，同时发展了综合化的可靠性计算机程序。
在70年代，机床可靠性技术发源于前苏联，苏联某些高校机床界
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的权威人士，如50年代曾来中国讲学的机床专家A.C.普罗尼柯夫，根据机床产品在结构、功能、外载荷等方面的特殊性，对机床可靠性进行过专门的研究，建立了机床可靠性的一些基本理论，在机床领域进行可靠性研究开辟了新途径，发表了一系列针对机床具体产品的可靠性著作（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），并出版了论述数控机床可靠性与精度的专著。近年来，俄罗斯新一代的机床可靠性研究人员，其中以B.B.巴拉巴诺夫、B.C.瓦西里耶夫等为代表的新一代学者所进行的研究反映了俄罗斯数控机床可靠性研究的动向和现状[2]。他们重视对数控机床使用过程中的经济效益的研究，提出了技术使用系数的概念，并且建立了它的信息概率模型，在机床承载能力预测方面也做了大量的工作，在机床早期故障的排除方面，提出了进行工艺试运转和可靠性试验的方法。另外，俄罗斯学者还对机床故障情况进行了收集分类，并进行了保护和预防等方法的研究。这些研究虽然可以对数控机床的加工精度进行了控制和预报,但实际表明数控机床的故障表现多为功能性故障，所以这种研究对当前机床可靠性中急需解决的关键问题效果不怎么明显。美英等国家在数控加工中心领域，大多数进行现场故障数据的采集和对故障数据的数理统计分析以及指标的评定，还没见到对机床进行系统的可靠性研究的报导[1]。日本在民用产品（如汽车、家电等）中的可靠性研究举世瞩目，但在数控机床领域，也限于注重现场故障数据的采集和分析，从故障诊断分析入手，寻找故障原因，提出了可靠性改进措施，对提高机床产品的可靠性水平起了积极作用。
1.2 国内可靠性研究现状
原电子工业部五所最早开展可靠性工作，在60 年代初，该所就进行了可靠性评估的开拓性工作，促进了我国可靠性工程的发展。70 年代我国的可靠性工作开始于从引进国外标准资料，可靠性工程应用在电子、机械、电力、航天、仪表等部门，并取得不同程度的进展[3]。80 年代我国的各种可靠性机构、学术团体得到迅速发展，在可靠性数学和可靠性理论、机构可靠性分析方面上已取得了一些成绩，发表了一系列文章,从理论上和实践方面进行了相关的探索。其中有很多方面值得在数控机床的可靠性设计中借鉴。但是我们应该意识到，目前我国可靠性技术在工业和企业的应用还不广泛，与先进国家相比还存在较大的差距。另外，我国台湾学者王国松等应用模糊数学方法对柔性制造系统的故障模式、故障率及可靠度模型等进行了分析。我国对数控机床可靠性研究比较晚，是从二十世纪80 年代末期开始的。90 年代以来，我国把数控机床可靠性的基础研究工作列入到了“八五”和“九五”国家重点科技攻关计划中，制订了CNC 系统可靠性测定试验方案及一系列标准。
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积累并处理了部分国产加工中心的故障和维修数据，对国内外部分加工中心的使用状况，进行了可靠性初步考核,并取得成果, 但国产数控机床的整体可靠性水平与进口数控机床相比仍有较大差距。机床现代诊断技术是一门近20多年来发展起来的新兴学科，它是在机床的运行过程中针对机床的运行状态及时做出判断，并采取相应解决措施，以提高机床运行的可靠性，进一步提高了机床的利用率。在我国机床可靠性的研究中，吉林大学计算机数控装备可信性研究所进行了大量的研究工作[3]
。对数控车床载荷谱进行了初步研究，对数控车床进行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，得出无故障工作时间的AR模型。对机床的主传动系统进行了动力特性分析，并对传动件的可靠性设计进行了初步研究。
目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，使可靠性技术实现了“信息化”，发展现代化的可靠性技术；另一方面，可靠性技术与具体产品相结合的，根据不同产品的结构和功能特点研究故障分布和演变过程的规律，发展具有行业特色的实用化的可靠性技术[4]
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第2节 电主轴的国内外研究现状
目前国内对电主轴的研究主要对电主轴某一方面的性能进行过研
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究，对电主轴整体可靠性试验研究还比较缺乏。于印民通过搭建测试平台，深入研究了高速电主轴误差测量原理，并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及轴向热伸长数据采集系统。然后，采用红外温度传感器、电涡流位移传感器，对高速电主轴轴端温度、轴向热伸长、径向振动和进行了非接触实式测量。并对高速电主轴空载运行时测试曲线的分析，得出了测试电主轴的振动性能和稳定时间。最后，提出了一些高速电主轴的误差补偿措施，并通过“普传PI7000.7R5H32型变频器监控系统”来控制变频器以达到调节电主轴运行状态的目的，实现了闭环控制，对高速电主轴径向振动实时测量及轴向伸长与补偿进行研究，为电主轴研究提供了一个实时、动态的测试电主轴性能的测试系统。陈锋[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，并分析了实验结果，提取了该电主轴的模态参数（固有阻尼、振型和频率）,验证其是否符合高精度加工生产的要求以及所采用实验方法的正确性，同时阐明了电主轴产生振动的主要原因。并运用随机子空间法对电主轴进行模态参数的识别，排除了电主轴工作
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在共振区的可能性。胡爱玲利用ansys软件对电主轴的结构和动静态特性进行了深入的研究，再对其优化，对电主轴的工作性能提高有十分重
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要的意义。康辉民[8]、王永宾[9]分别研制了电主轴的综合性能测试与评价试验台，前者开展对电主轴的性能测试与分析，开发了相应的测试与评价软件系统，建立了电主轴的测试与评价的规范；后者在控制方法与数学模型之间的相互关系、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果以及它们对主轴动态性能的影响。并且在主轴整体动力学热模型的建立和温升的影响因素确定等方面取得了一定的理论和试验测试成果，为高速电主轴的的后续研究作出了一定的贡献。
因可靠性现场试验存在投入大，周期长的不足，国内对电主轴可靠性研究还比较少，正因为如此，更应发展可靠性试验台的研究。对样品系列进行可靠性试验，为产品可靠性水平提供重要依据，方便日后的市场投入。国内外对电主轴的可靠性有过一些研究，秦少军[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，并为提高电主轴系统的可靠性提出了一些建议。李彦，窦怀洛等[11]针对高速电主轴高可靠性的要求，在高速电主轴现有机构的基础上，采用动态设计方法，得出电主轴和滚动轴承的动态特性，进而再研究轴向跨距、预紧力、转轴各台阶外径以及轴承对高速电主轴临界转速的影响因素，最终得到较合理的电主轴结构；同时，对高速电主轴的密封、冷却、润滑、材料等方面也进行了研究，以实现最优化设计，从而满足了高速电主轴的高可靠性要求。在国内外可靠性试验台并不多见，而建立专门的电主轴可靠性试验台实属首例。相较于其他试验手段，试验台更适于对机床功能部件可靠性进行系统的研究。
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