高速电主轴非接触式加载可靠性试验--本科毕业设计论文.doc

摘要

第1节 毕业设计开题报告

课 题 名 称： 高速电主轴非接触式加载可靠性试验系统设计 

学 生 姓 名： 党睿 学 号： 201110806
指 导 教 师： 李雪 副教授

所在院(系)部： 机 械 工 程 学 院
专 业 名 称： 机 械 电 子 工 程

说 明
1．根据南京工程学院《毕业设计(论文)工作管理规定》，学生必须撰写《毕业设计（论文）开题报告》，由指导教师签署意见、教研室审查，系教学主任批准后实施。
2．开题报告是毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。学生应当在毕业设计（论文）工作前期内完成，开题报告不合格者不得参加答辩。
3．毕业设计开题报告各项内容要实事求是，逐条认真填写。其中的文字表达要明确、严谨，语言通顺，外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现缩写词，须注出全称。
4．本报告中，由学生本人撰写的对课题和研究工作的分析及描述，应不少于2000字，没有经过整理归纳，缺乏个人见解仅仅从网上下载材料拼凑而成的开题报告按不合格论。
5．开题报告检查原则上在第2～4周完成，各系完成毕业设计开题检查后，应写一份开题情况总结报告。
毕业设计(论文)开题报告
学生姓名
党睿
学 号
201110806
专 业
机械电子工程
指导教师
李雪
职 称
副教授
所在院(系)
机械工程学院
课题来源
自拟课题
课题类型
工程技术研究
课题名称
高速电主轴非接触式加载可靠性试验系统设计  

毕业设计的
内容和意义

毕业设计的
内容和意义
一、课题背景：

20 世纪 20 年代末，高速切削技术以其高效、低耗的特性受到各国学者的青睐，政府也给予了相当的关注与支持，使其得到了快速发展。90 年代初，高速切削技术的日趋成熟推动了高速数控加工机床行业的蓬勃发展，并迅速在航天制造业，汽车制造业，轻工制造业取得了骄人的成绩，尤其是高频变频技术的推广与应用使得融合多种尖端技术的高速电主轴技术应运而生，成为了高速加工机床的核心技术，它能够满足高速切削时“高速度、高精度、高可靠性及小振动”的要求，在车削，铣削，磨削等诸多领域均有涉及，尤其是在高精密仪器关键功能 部件的制造方面也有其不可替代的作用。高速电主轴性能的好坏与工作可靠性直接影响到高速加工机床整机的加工性能与工作可靠性。

二、课题内容：

1.提出
电主轴作为一种高速加工设备，在高速切削时如果受到轻微的扰动就有可能对电主轴的工作性能产生巨大的影响，这种影响甚至有可能是破坏性的。
可靠性对于高速电主轴来说尤为重要，其稳定性以寿命对整个母机是否能在规定时间规定条件下完成规定的任务有着重要影响，同时影响整个工时、加工精度和加工成本。随着高新技术的引入及相关学科的发展，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提高，然而可靠性问题却一直是困扰数控装备及系统发展的主要问题之一，特别是国产数控装备可靠性问题更加突出。

2.解决办法
必须着手进行数控设备可靠性的系统研究，对其关键部件电主轴的可靠性进行系统全面研究实验，以完善数控设备面向并行工程和全寿命周期的可靠性设计和故障分析的实用技术。
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试验，本文设计了一套能同时模拟实现主轴所受扭矩、径向力和轴向力的加载系统——利用电力测功机实现扭矩加载、非接触式激振器实现径向加载、自行设计的电磁铁实现轴向加载。该系统不但能完成对电主轴的动态加载，还可以检测出电主轴在加载过程中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做出可靠性分析，提高电主轴的可靠性
3.设计内容
本文针对转速18000r/min、功率为22Kw的电主轴进行加载实验设计，为电主轴的可靠性研究提出了一种新方法。
主要内容如下：
1．综述了可靠性和电主轴可靠性的研究现状。
2．电主轴结构原理介绍和针对选用的电主轴进行受力计算。
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设计和相应设备的选用。
5．其他辅助零件设计如电主轴的夹持支撑机构，最后完成其整体结构的设计。

三、 课题意义:

近年来，激烈的市场竞争以及庞大的市场需求对高档数控机床提出了更高的要求，高速电主轴作为数控机床主要的核心部件，具有响应时间快、惯性较小、重量较轻、节省空间等优点，同时，高速电主轴运转更加稳定，工作效率较传统意义上的电机皮带传动系统大大提高，所以，电主轴性能的好坏也被认为是衡量数控机床是否稳定可靠的一项重要指标之一。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，研制开发其可靠性试验台对于提高高速数控机床整机的 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，其在高性能机床上的广泛应用，不仅大幅度提高了加工效率，改善了产品质量，降低了生产成本，在为社会创造巨大物质财富的同时，更促进了新材料、新技术的推广与应用，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，节约社会成本，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加工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苛刻的要求，使其不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结构设计和机床运行中的首要问题。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。
可靠性对于高速电主轴来说尤为重要，其稳定性以寿命对整个母机是否能在规定时间规定条件下完成规定的任务有着重要影响，同时影响整个工时、加工精度和加工成本。随着高新技术的引入及相关学科的发展，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提高，然而可靠性问题却一直是困扰数控装备及系统发展的主要问题之一，特别是国产数控装备可靠性问题更加突出。许多高速加工数控装备，由于在运转和使用过程中由于电主轴发生失效，导致加工系统数控装备及整个数控系统不可靠，高性能不能维持，这样就使任何先进性都失去了意义。数控装备及系统的高水平化和复杂化突出了研究电主轴可靠性的必要性和紧迫感。显然，可靠性技术已成为数控装备及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的技术。可靠性技术一旦突破，国产数控装备及系统的先进性就会充分利用，传统的机械制造业就会用先进而可靠的数控装备进行改造和武装，从而促进机械制造产业的升级及民族装备工业的振兴。另外，数控装备的可靠性直接影响经济效益和社会效益。
然而国内外都没有关于数控机床高速电主轴可靠性技术全面、系统研究的报道，一些发达国家的机床公司，也仅是对其他行业采用可靠性共性技术的局部抄用。因此，必须着手进行数控设备可靠性的系统研究，对其关键部件，诸如电主轴的可靠性进行系统全面研究实验，以完善数控设备面向并行工程和全寿命周期的可靠性设计和故障分析的实用技术，以推动数控装备工业的技术进步和发展。
而本课题就是通过试验台对某一型号或多种型号的电主轴进行实时加载仿真疲劳试验是我们研究换刀系统可靠性的良好手段，而这是前所未有的创新型研究手段。可靠性试验台的研设成功可以方便我们实时的采集数据和处理数据，方便与计算机系统进行在线连接，进行数据整理和图表对比。这种研究手段可协助我们对电主轴的可靠性系统全面细致的研究，为提高加工中心整体可靠性提供平台。促进数控装备业高速健康发展，为我国装备业立于强国之林贡献微薄力量。

四、 国内外研究现状：

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，创建于50 年代的美国国防部门，在60 年代开始全面发展，70 年代进入成熟阶段，进入80、90 年代可靠性技术步入深入发展阶段，国外专家、学者把可靠性及维修性要求与性能要求同等看待，强调保障性的要求，并重视测试性及故障诊断技术的研究，同时发展综合化的可靠性计算机程序。
机床可靠性技术在70年代发源于前苏联。苏联高校某些机床界的权威人士，如50年代曾来华讲学的机床专家A. C. 普罗尼柯夫，根据机床产品在功能、结构、外载荷等方面的特殊性，对机床可靠性进行了专门的研究，建立了机床可靠性技术的一些基本理论，开辟了在机床领域进行可靠性研究的途径，发表了一系列针对机床具体产品的可靠性论著（如机床热变形、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等），并出版了论述数控机床精度与可靠性的专著[近年来，俄罗斯新一代机床可靠性研究人员，其中以B. C. 瓦西里耶夫、B. B. 巴拉巴诺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现状和动向。他们重视对使用数控机床中的经济效益的研究，提出了技术使用系数的概念，并建立了它的信息概率模型，在机床承载能力的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分类，并进行了预防和保护等方法的研究。这些研究虽然可以对数控机床的加工精度进行控制和预报,但统计表明数控机床的故障表现多为功能性故障，因此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明显英美等国家在数控加工中心领域，多半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，还未见到对数控加工中心产品进行系统的可靠性研究的报导。日本在民用产品（如家电、汽车等）中的可靠性研究举世瞩目，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。
2.国内研究现状

我国开展可靠性工作最早的是原电子工业部五所，该所在60 年代初就进行了可靠性评估的开拓性工作，推动了我国可靠性工程的发展。70 年代我国的可靠性工作是从引进国外标准资料开始的，可靠性工程应用在电子、航天、电力、机械、仪表等部门，并取得不同程度的进展。80 年代我国的各种可靠性机构、学术团体迅速发展，在可靠性数学和可靠性理论上已达到一以及机构可靠性分析方面发表了一系列文章,从理论上和实践方面进行了有益的探索。其中有很多方面可以在数控机床的可靠性设计中借鉴。然而我们还要意识到，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“八五”和“九五”国家重点科技攻关计划，制订了CNC 系统等可靠性测定试验方案及一系列标准。积累并处理了国产部分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现状，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产品相比仍有较大差距。机床现代诊断技术是一门近20 多年来发展起来的新学科，它是在机床的运行过程中对机床的运行状态及时做出判断，采取相应措施，以提高机床运行的可靠性，进一步提高机床的利用率。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。进行了数控车床载荷谱的初步研究，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，并对传动件进行了可靠性设计的初步研究。
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，使可靠性技术实现 “信息化”，发展现代化的可靠性共性技术；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。

参考文献
[1] 大连组合及研究所.组合机床设计.北京：机械工业出版社，1975.
[2] 李庆余，张 佳.机械制造装备设计.北京：机械工业出版社，2007.
[3] 王志明， 数控技术 上海：上海大学出版社， 2009.
[4] 陈婵娟，数控车床设计，北京：化学出版社，2005.
[5] 夏田，数控加工中心设计，北京，化学工业出版社，2006
[6] Jia Yazhou etc. Fatigue load and reliability design of machine
[7] 秦少军，《基于多影响因子的电主轴可靠性分析》
[8] 李彦，窦怀洛等《浅析提高电主轴可靠性的途径》
[9] E. Abele (2)a,*, Y. Altintas (1)b, C. Brecher (2)c
Machine tool spindle units
[10] Bernd Bossmanns Jay F. Tu A Power Flow Model for High Speed Motorized Spindles—Heat Generation Characterization
[12] 王爱玲.现代数控机床结构与设计.兵器工业出版社.1999 年9 月. 1-170
[13] 王超、王金.机械可靠性工程.冶金工业出版社.1998 年6 月：17-246
[14] J 莫布雷著、石磊，谷宁昌译.以可靠性为中心的维修.北京：机械工业出版社. 2006.12：1-6
[15] 贺国芳.可靠性数据的收集与分析.北京：国防工业出版社，1997:40

研究内容

研究内容:
本文针对转速18000r/min、功率为22Kw的电主轴进行加载实验设计。
1．综述了可靠性和电主轴可靠性的研究现状。
2．电主轴结构原理介绍和针对选用的电主轴进行受力计算。
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设计和相应设备的选用。
5．其他辅助零件设计如电主轴的夹持支撑机构，最后完成其整体结构的设计。

通过电主轴进行可靠性试验，反映高速电主轴的实际工况。本文设计了一套能同时模拟实现主轴所受扭矩、径向力和轴向力的加载系统——利用电力测功机实现扭矩加载、非接触式激振器实现径向加载、自行设计的电磁铁实现轴向加载。完成对电主轴的动态加载，检测出电主轴在加载过程中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做出可靠性分析，提高电主轴的可靠性。

研究计划

研究计划：
第1周熟悉课题的背景，进行国内外现状调查
第2周收集资料，初步方案及结构形式确定
第3周完成开题报告，外文翻译
第4周提出设计方案，设计方案论证
第5周绘制总装配图及设计计算
第6周绘制总装配图及设计计算
第7周绘制零件图及设计计算
第8周绘制零件图及设计计算
第9周绘制控制原理图
第10周绘制控制原理图
第11周控制软件设计并调试，整理设计说明书
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周准备答辩

特色与创新

1、以计算机辅助，对可靠性试验台机械结构进行了完整细致的设计，使其强度、刚度能满足电主轴高速要求。
2、对转速18000r/min、功率为22Kw的电主轴进行加载实验设计。
3、电主轴各项性能检测。

指导教师
意 见

指导教师签名：
年 月 日
教研室意见
院部意见

主任签名：
年 月 日

教学院长签名：
年 月 日

摘 要

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试验，本文设计了一套能同时模拟实现主轴所受扭矩、径向力和轴向力的加载系统——利用电力测功机实现扭矩加载、非接触式激振器实现径向加载、自行设计的电磁铁实现轴向加载。该系统不但能完成对电主轴的动态加载，还可以检测出电主轴在加载过程中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做出可靠性分析，提高电主轴的可靠性。本文针对转速18000r/min、功率为22Kw的电主轴进行加载实验设计，为电主轴的可靠性研究提出了一种新方法。
本设计对以上问题进行了分析，主要内容如下：
1． 综述了可靠性和电主轴可靠性的研究现状。
2． 电主轴结构原理介绍和针对选用的电主轴进行受力计算。
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设计和相应设备的选用。
5． 其他辅助零件设计如电主轴的夹持支撑机构，最后完成其整体结构的设计。

关键词：高速电主轴 可靠性 非接触式加载 设计
Abstract
Abstract
In order to reflect the actual working conditions of high-speed motorized spindle accurately, and text the reliability of the spindle, the paper design a set of simulated system simultaneously suffered the spindle torque, radial force and axial force loading, which use electric dynamometer to achieve the torque loading, contactless shaker to achieve radial loading, the solenoid designed to achieve axial loading. The system not only completes the dynamic loading of the spindle, but also detects the basic performance parameters and fault indicators parameter of the spindle in the loading process. And it collects failure data, draws the curves of fault data and makes reliability analysis, improving the reliability of the spindle. This paper designs the loading text of the spindle whose maximum speed is 18000rpm and electric power is 22Kw, which proposing a new method for the reliability of spindle.
This design has carried on the analysis to the above questions, the primary coverage is as following:
1. Reviewed the reliability and the reliability of spindle.
2. The introduction of spindle's structure and principle and calculating the stress of the used spindle.
3. The design for spindle loading：the torque loading ,the radial and axial loading.
4. The design of motorized spindle test and control system and the choosing of corresponding equipment.
5. Other auxiliary parts design such as electric spindle supporting institution, and finishing its whole structure design.

Key words: High-speed motorized spindle; Reliability;
Contactless loading;Design
目录

目 录

第1章 绪论 1
第1节 可靠性的研究现状 1
1.1 国外可靠性研究现状 1
1.2 国内可靠性研究现状 2
第2节 电主轴的国内外研究现状 3
第2章 电主轴 5
第1节 电主轴结构及关键技术 5
1.1 电主轴机构 5
第2节 电主轴的关键技术 6
第3节 电主轴基本信息 7
第4节 电主轴受力计算 8
第3章 加载机构设计 10
第1节 扭矩加载设计 10
1.1 测功机的选型 11
1.2 DLG22型悬浮式交流电力测功机 12
第2节 轴向力加载设计 15
第3节 径向力加载设计 17
第4章 检测控制系统设计 22
第1节 转速转矩检测 23
第2节 温度检测 23
第3节 轴向位移和径向跳动检测 24
3.1 电涡流传感器工作原理及特性 24
3.2 检测方案 25
第4节 机壳振动速度与噪声检测 27
第5节 总体检测控制框图 28
第5章 其他结构设计 29
第1节 电主轴支撑机构 29
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

2
本科毕业设计说明书
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2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。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]。
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究，对电主轴整体可靠性试验研究还比较缺乏。于印民[5]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，排除了电主轴工作在共振区的可能性。胡爱玲[7]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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吉林大学本科毕业设计说明书
第2章 电主轴
第1节 电主轴结构
由机床内装式电动机直接驱动机床主轴，基本上取消了带轮传动和齿轮传动，把机床主传动链的长度缩短为零，实现了“零传动”方式。这种把主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，称之为“主轴单元”，俗称为“电主轴”。电主轴是一种智能型功能部件，由于转速高、功率大，就需要有一系列控制主轴温升与振动等机床运行参数的功能，以确保其高速运转的可靠性与安全。

图2-1 电主轴基本结构
电主轴的基本结构如图2-1所示，它由定子、转子、轴承、润滑装置和冷却装置等构成。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以及电机高速驱动等技术的综合运用。其主要特点如下：
(1)机械结构相对简单，运动惯量小，动态响应性好，能实现很高的速度和加速度以及定角度的快速准停。
(2)电主轴系统没有高精密齿轮等关键传动零件，消除了齿轮传动误差。
(3)减少了主轴的振动和噪声，提高了主轴的回转精度。
(4)用交流变频调速和矢量控制，输出功率大，调速范围宽，功率-扭矩特性好。
电动机会产生大量的热，轴承在高速运转下也会产生大量的热，这两个热源构成了主轴主要的内部热源，如果不加以控制，由此引起的热变形会降低机床的加工精度和轴承的使用寿命，从而需要设计专门用于冷却电动机的油冷或水冷系统。主轴的变速是通过变频器来实现的。高速轴承要有专门的润滑装置，润滑方式有油脂润滑、油气润滑、油雾润滑，高速电主轴一般采用后两种润滑方式。为了保证高速回转部件的安全，还要有报警装置及停止用的传感器及其相应控制系统等一系列支持电主轴运转的外围设备和技术。因此，“电主轴”的概念不应简单地理解为只是一根主轴，而是一个在机床数控系统监控下完整的的子系统，如图2-2所示。

图2-2 电主轴系统
第2节 电主轴的关键技术
电主轴单元是一套组件，它是一项涉及电主轴本身及其附件的系统工程技术。电主轴单元所融合的关键技术主要包括以下几方面:
（1）高速电机技术。电主轴是电动机与主轴融合的产物，主轴的旋转部分即为电机的转子，理论上就可以把电主轴看作一台高速电动机，其关键技术是高速度下的动平衡、主轴内励磁的稳定性以及驱动技术。
（2）轴承技术。由于普通钢制轴承质量大，限制了它的极限转速，电主轴通常采用陶瓷球轴承，陶瓷球轴承分为全陶瓷轴承和混合陶瓷轴承两种，陶瓷材料具有优良的物理、化学和机械性能。有时也采用静压轴承，或电磁悬浮轴承，内外圈不接触，理论上命无限长。
（3）润滑技术。电主轴的润滑主要是轴承的润滑，主要有油雾润滑、油气润滑及油脂润滑，一般采用的是油气润滑和油雾润滑，也可以采用脂润滑，但其相应的最高速度有了限制。油气润滑，通常是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。这里，油量控制显得十分重要，油量过少，起不到润滑作用；油量过多，又会在轴承高速旋转时因油的阻力而发热。
（4）内置脉冲编码器技术。为了实现自动换刀以及刚性攻螺纹，电主轴内需安装一个脉冲编码器，以实现相位的准确控制以及与进给的配合。
（5）矢量变频技术。要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必须用高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电动机，变频器的输出频率甚至需要达到几千赫兹。
（6）高速刀具的装卡技术。广为熟悉的BT、ISO刀具不适合于高速加工。在高速加工此背景下出现了的HSK、SKI等高速刀柄被广泛运用到了高速电主轴中。
（7）自