高速電主軸非接觸式加載可靠性試驗系統(tǒng)設計開題報告.doc

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南京工程學院 畢業(yè)設計開題報告 課 題 名 稱： 高速電主軸非接觸式加載可靠性試驗系統(tǒng)設計 學 生 姓 名： 黨睿 學 號： 201110806 指 導 教 師： 李雪 副教授 所在院(系)部： 機 械 工 程 學 院 專 業(yè) 名 稱： 機 械 電 子 工 程 2015 年 03 月 18 日 說 明 1．根據(jù)南京工程學院《畢業(yè)設計(論文)工作管理規(guī)定》，學生必須撰寫《畢業(yè)設計（論文）開題報告》，由指導教師簽署意見、教研室審查，系教學主任批準后實施。 2．開題報告是畢業(yè)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。學生應當在畢業(yè)設計（論文）工作前期內(nèi)完成，開題報告不合格者不得參加答辯。 3．畢業(yè)設計開題報告各項內(nèi)容要實事求是，逐條認真填寫。其中的文字表達要明確、嚴謹，語言通順，外來語要同時用原文和中文表達。第一次出現(xiàn)縮寫詞，須注出全稱。 4．本報告中，由學生本人撰寫的對課題和研究工作的分析及描述，應不少于2000字，沒有經(jīng)過整理歸納，缺乏個人見解僅僅從網(wǎng)上下載材料拼湊而成的開題報告按不合格論。 5．開題報告檢查原則上在第2～4周完成，各系完成畢業(yè)設計開題檢查后，應寫一份開題情況總結(jié)報告。 畢業(yè)設計(論文)開題報告 學生姓名 黨睿 學 號 201110806 專 業(yè) 機械電子工程 指導教師 李雪 職 稱 副教授 所在院(系) 機械工程學院 課題來源 自擬課題 課題類型 工程技術研究 課題名稱 高速電主軸非接觸式加載可靠性試驗系統(tǒng)設計 畢業(yè)設計的 內(nèi)容和意義 畢業(yè)設計的 內(nèi)容和意義 一、課題背景： 20 世紀 20 年代末，高速切削技術以其高效、低耗的特性受到各國學者的青睞，政府也給予了相當?shù)年P注與支持，使其得到了快速發(fā)展。90 年代初，高速切削技術的日趨成熟推動了高速數(shù)控加工機床行業(yè)的蓬勃發(fā)展，并迅速在航天制造業(yè)，汽車制造業(yè)，輕工制造業(yè)取得了驕人的成績，尤其是高頻變頻技術的推廣與應用使得融合多種尖端技術的高速電主軸技術應運而生，成為了高速加工機床的核心技術，它能夠滿足高速切削時“高速度、高精度、高可靠性及小振動”的要求，在車削，銑削，磨削等諸多領域均有涉及，尤其是在高精密儀器關鍵功能部件的制造方面也有其不可替代的作用。高速電主軸性能的好壞與工作可靠性直接影響到高速加工機床整機的加工性能與工作可靠性。 二、課題內(nèi)容： 1.提出 電主軸作為一種高速加工設備，在高速切削時如果受到輕微的擾動就有可能對電主軸的工作性能產(chǎn)生巨大的影響，這種影響甚至有可能是破壞性的。 可靠性對于高速電主軸來說尤為重要，其穩(wěn)定性以壽命對整個母機是否能在規(guī)定時間規(guī)定條件下完成規(guī)定的任務有著重要影響，同時影響整個工時、加工精度和加工成本。隨著高新技術的引入及相關學科的發(fā)展，高速電主軸的轉(zhuǎn)速、軸承性能、冷卻散熱性能、控制系統(tǒng)性能等指標都有提高，然而可靠性問題卻一直是困擾數(shù)控裝備及系統(tǒng)發(fā)展的主要問題之一，特別是國產(chǎn)數(shù)控裝備可靠性問題更加突出。 2.解決辦法 必須著手進行數(shù)控設備可靠性的系統(tǒng)研究，對其關鍵部件電主軸的可靠性進行系統(tǒng)全面研究實驗，以完善數(shù)控設備面向并行工程和全壽命周期的可靠性設計和故障分析的實用技術。 為了準確反映高速電主軸的實際工況，對電主軸進行可靠性試驗，本文設計了一套能同時模擬實現(xiàn)主軸所受扭矩、徑向力和軸向力的加載系統(tǒng)——利用電力測功機實現(xiàn)扭矩加載、非接觸式激振器實現(xiàn)徑向加載、自行設計的電磁鐵實現(xiàn)軸向加載。該系統(tǒng)不但能完成對電主軸的動態(tài)加載，還可以檢測出電主軸在加載過程中的基本性能參數(shù)和故障指標參數(shù)，并收集故障數(shù)據(jù)，繪制故障數(shù)據(jù)曲線并做出可靠性分析，提高電主軸的可靠性 3.設計內(nèi)容 本文針對轉(zhuǎn)速18000r/min、功率為22Kw的電主軸進行加載實驗設計，為電主軸的可靠性研究提出了一種新方法。 主要內(nèi)容如下： 1．綜述了可靠性和電主軸可靠性的研究現(xiàn)狀。 2．電主軸結(jié)構(gòu)原理介紹和針對選用的電主軸進行受力計算。 3．電主軸加載設計——扭矩加載、軸向力和徑向力加載。 4．電主軸檢測控制系統(tǒng)設計和相應設備的選用。 5．其他輔助零件設計如電主軸的夾持支撐機構(gòu)，最后完成其整體結(jié)構(gòu)的設計。 3、 課題意義: 近年來，激烈的市場競爭以及龐大的市場需求對高檔數(shù)控機床提出了更高的要求，高速電主軸作為數(shù)控機床主要的核心部件，具有響應時間快、慣性較小、重量較輕、節(jié)省空間等優(yōu)點，同時，高速電主軸運轉(zhuǎn)更加穩(wěn)定，工作效率較傳統(tǒng)意義上的電機皮帶傳動系統(tǒng)大大提高，所以，電主軸性能的好壞也被認為是衡量數(shù)控機床是否穩(wěn)定可靠的一項重要指標之一。高速數(shù)控機床的工作性能，首先取決于高速主軸的性能。模擬電主軸的實際工作狀態(tài)，研制開發(fā)其可靠性試驗臺對于提高高速數(shù)控機床整機的 MTBF 水平具有重要意義。 高速電主軸作為現(xiàn)代高速加工技術的核心技術之一，其在高性能機床上的廣泛應用，不僅大幅度提高了加工效率，改善了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，在為社會創(chuàng)造巨大物質(zhì)財富的同時，更促進了新材料、新技術的推廣與應用，帶動了相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。研究高速電主軸技術，一方面可以打破先進國家對我國的技術壟斷，提升我國技術制造業(yè)的整體水平，增強我國制造業(yè)在國際上的整體競爭能力；另一方面，高速電主軸技術可以大幅度降低生產(chǎn)準備時間，提高產(chǎn)品的加工效率和加工質(zhì)量，節(jié)約社會成本，創(chuàng)造更多的社會財富。高速電主軸的性能在一定程度上決定了加工機床的整體發(fā)展水平，因此高速加工機床對高速電主軸的技術指標有著苛刻的要求，使其不用于傳統(tǒng)的主軸系統(tǒng)，其安全性和可靠性等動態(tài)性能也成為結(jié)構(gòu)設計和機床運行中的首要問題。因此，無論在理論研究還是實際應用上，對高速電主軸相關技術的研究均具有重要的學術意義和社會經(jīng)濟效益。 可靠性對于高速電主軸來說尤為重要，其穩(wěn)定性以壽命對整個母機是否能在規(guī)定時間規(guī)定條件下完成規(guī)定的任務有著重要影響，同時影響整個工時、加工精度和加工成本。隨著高新技術的引入及相關學科的發(fā)展，高速電主軸的轉(zhuǎn)速、軸承性能、冷卻散熱性能、控制系統(tǒng)性能等指標都有提高，然而可靠性問題卻一直是困擾數(shù)控裝備及系統(tǒng)發(fā)展的主要問題之一，特別是國產(chǎn)數(shù)控裝備可靠性問題更加突出。許多高速加工數(shù)控裝備，由于在運轉(zhuǎn)和使用過程中由于電主軸發(fā)生失效，導致加工系統(tǒng)數(shù)控裝備及整個數(shù)控系統(tǒng)不可靠，高性能不能維持，這樣就使任何先進性都失去了意義。數(shù)控裝備及系統(tǒng)的高水平化和復雜化突出了研究電主軸可靠性的必要性和緊迫感。顯然，可靠性技術已成為數(shù)控裝備及數(shù)控系統(tǒng)技術發(fā)展的“瓶頸”，是整個數(shù)控裝備行業(yè)乃至當今機械制造行業(yè)發(fā)展的重大共性和關鍵的技術?？煽啃约夹g一旦突破，國產(chǎn)數(shù)控裝備及系統(tǒng)的先進性就會充分利用，傳統(tǒng)的機械制造業(yè)就會用先進而可靠的數(shù)控裝備進行改造和武裝，從而促進機械制造產(chǎn)業(yè)的升級及民族裝備工業(yè)的振興。另外，數(shù)控裝備的可靠性直接影響經(jīng)濟效益和社會效益。 然而國內(nèi)外都沒有關于數(shù)控機床高速電主軸可靠性技術全面、系統(tǒng)研究的報道，一些發(fā)達國家的機床公司，也僅是對其他行業(yè)采用可靠性共性技術的局部抄用。因此，必須著手進行數(shù)控設備可靠性的系統(tǒng)研究，對其關鍵部件，諸如電主軸的可靠性進行系統(tǒng)全面研究實驗，以完善數(shù)控設備面向并行工程和全壽命周期的可靠性設計和故障分析的實用技術，以推動數(shù)控裝備工業(yè)的技術進步和發(fā)展。 而本課題就是通過試驗臺對某一型號或多種型號的電主軸進行實時加載仿真疲勞試驗是我們研究換刀系統(tǒng)可靠性的良好手段，而這是前所未有的創(chuàng)新型研究手段?？煽啃栽囼炁_的研設成功可以方便我們實時的采集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)，方便與計算機系統(tǒng)進行在線連接，進行數(shù)據(jù)整理和圖表對比。這種研究手段可協(xié)助我們對電主軸的可靠性系統(tǒng)全面細致的研究，為提高加工中心整體可靠性提供平臺。促進數(shù)控裝備業(yè)高速健康發(fā)展，為我國裝備業(yè)立于強國之林貢獻微薄力量。 4、 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀： 1. 國外可靠性研究現(xiàn)狀 可靠性理論萌芽于40 年代的航空領域，創(chuàng)建于50 年代的美國國防部門，在60 年代開始全面發(fā)展，70 年代進入成熟階段，進入80、90 年代可靠性技術步入深入發(fā)展階段，國外專家、學者把可靠性及維修性要求與性能要求同等看待，強調(diào)保障性的要求，并重視測試性及故障診斷技術的研究，同時發(fā)展綜合化的可靠性計算機程序。 機床可靠性技術在70年代發(fā)源于前蘇聯(lián)。蘇聯(lián)高校某些機床界的權(quán)威人士，如50年代曾來華講學的機床專家A. C. 普羅尼柯夫，根據(jù)機床產(chǎn)品在功能、結(jié)構(gòu)、外載荷等方面的特殊性，對機床可靠性進行了專門的研究，建立了機床可靠性技術的一些基本理論，開辟了在機床領域進行可靠性研究的途徑，發(fā)表了一系列針對機床具體產(chǎn)品的可靠性論著（如機床熱變形、導軌磨損等規(guī)律對機床精度故障和無故障工作時間的影響等），并出版了論述數(shù)控機床精度與可靠性的專著[近年來，俄羅斯新一代機床可靠性研究人員，其中以B. C. 瓦西里耶夫、B. B. 巴拉巴諾夫等為代表的新一代學者所進行的研究反映了俄羅斯數(shù)控機床可靠性研究的現(xiàn)狀和動向。他們重視對使用數(shù)控機床中的經(jīng)濟效益的研究，提出了技術使用系數(shù)的概念，并建立了它的信息概率模型，在機床承載能力的預測方面也做了大量的工作。在機床早期故障的排除方面，提出了進行工藝試運轉(zhuǎn)和可靠性試驗的方法。另外，俄羅斯學者還對機床故障情況進行了分類，并進行了預防和保護等方法的研究。這些研究雖然可以對數(shù)控機床的加工精度進行控制和預報,但統(tǒng)計表明數(shù)控機床的故障表現(xiàn)多為功能性故障，因此這種研究對當前機床可靠性中急需解決的關鍵問題效果不明顯英美等國家在數(shù)控加工中心領域，多半進行現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)的采集和對故障數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計分析以及指標的評定，還未見到對數(shù)控加工中心產(chǎn)品進行系統(tǒng)的可靠性研究的報導。日本在民用產(chǎn)品（如家電、汽車等）中的可靠性研究舉世矚目，在數(shù)控機床領域，也限于注重現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)的采集和分析，從故障診斷分析入手，尋找故障原因，提出可靠性改進措施，對提高機床產(chǎn)品的可靠性水平起了積極作用。 2.國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國開展可靠性工作最早的是原電子工業(yè)部五所，該所在60 年代初就進行了可靠性評估的開拓性工作，推動了我國可靠性工程的發(fā)展。70 年代我國的可靠性工作是從引進國外標準資料開始的，可靠性工程應用在電子、航天、電力、機械、儀表等部門，并取得不同程度的進展。80 年代我國的各種可靠性機構(gòu)、學術團體迅速發(fā)展，在可靠性數(shù)學和可靠性理論上已達到一以及機構(gòu)可靠性分析方面發(fā)表了一系列文章,從理論上和實踐方面進行了有益的探索。其中有很多方面可以在數(shù)控機床的可靠性設計中借鑒。然而我們還要意識到，目前我國可靠性技術在工業(yè)和企業(yè)的應用還不廣泛，與先進國家相比還存在較大的差距。另外，我國臺灣學者王國松等應用模糊數(shù)學方法對柔性制造系統(tǒng)的故障模式、故障率及可靠度模型等進行了分析。我國對數(shù)控機床可靠性研究是從二十世紀80 年代末期開始的。90 年代以來，我國把數(shù)控機床可靠性的基礎研究工作列入到“八五”和“九五”國家重點科技攻關計劃，制訂了CNC 系統(tǒng)等可靠性測定試驗方案及一系列標準。積累并處理了國產(chǎn)部分加工中心的故障和維修數(shù)據(jù)，對國內(nèi)外部分加工中心的使用現(xiàn)狀，進行了可靠性初步考核,并取得成果, 但國產(chǎn)數(shù)控機床的整體可靠性水平與進口產(chǎn)品相比仍有較大差距。機床現(xiàn)代診斷技術是一門近20 多年來發(fā)展起來的新學科，它是在機床的運行過程中對機床的運行狀態(tài)及時做出判斷，采取相應措施，以提高機床運行的可靠性，進一步提高機床的利用率。在我國機床可靠性的研究中，吉林大學計算機數(shù)控裝備可信性研究所進行了大量的研究工作。進行了數(shù)控車床載荷譜的初步研究，對數(shù)控車床進行初步故障分析和維修性分析，對無故障工作時間進行了時間序列分析，得出無故障工作時間的AR模型。對機床的主傳動系統(tǒng)進行了動力特性分析，并對傳動件進行了可靠性設計的初步研究。 當前可靠性技術的發(fā)展趨勢是：一方面與現(xiàn)代信息科學相結(jié)合，使可靠性技術實現(xiàn) “信息化”，發(fā)展現(xiàn)代化的可靠性共性技術；另一方面，可靠性技術與具體產(chǎn)品相結(jié)合，根據(jù)不同產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能特點研究故障分布和演變過程的規(guī)律，發(fā)展具有行業(yè)特色的實用化的可靠性技術。 參考文獻 [1] 大連組合及研究所.組合機床設計.北京：機械工業(yè)出版社，1975. 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Tu A Power Flow Model for High Speed Motorized Spindles—Heat Generation Characterization [12] 王愛玲.現(xiàn)代數(shù)控機床結(jié)構(gòu)與設計.兵器工業(yè)出版社.1999 年9 月. 1-170 [13] 王超、王金.機械可靠性工程.冶金工業(yè)出版社.1998 年6 月：17-246 [14] J 莫布雷著、石磊，谷寧昌譯.以可靠性為中心的維修.北京：機械工業(yè)出版社. 2006.12：1-6 [15] 賀國芳.可靠性數(shù)據(jù)的收集與分析.北京：國防工業(yè)出版社，1997:40 研究內(nèi)容 研究內(nèi)容: 本文針對轉(zhuǎn)速18000r/min、功率為22Kw的電主軸進行加載實驗設計。 1．綜述了可靠性和電主軸可靠性的研究現(xiàn)狀。 2．電主軸結(jié)構(gòu)原理介紹和針對選用的電主軸進行受力計算。 3. 電主軸加載設計——扭矩加載、軸向力和徑向力加載。 4．電主軸檢測控制系統(tǒng)設計和相應設備的選用。 5．其他輔助零件設計如電主軸的夾持支撐機構(gòu)，最后完成其整體結(jié)構(gòu)的設計。 通過電主軸進行可靠性試驗，反映高速電主軸的實際工況。本文設計了一套能同時模擬實現(xiàn)主軸所受扭矩、徑向力和軸向力的加載系統(tǒng)——利用電力測功機實現(xiàn)扭矩加載、非接觸式激振器實現(xiàn)徑向加載、自行設計的電磁鐵實現(xiàn)軸向加載。完成對電主軸的動態(tài)加載，檢測出電主軸在加載過程中的基本性能參數(shù)和故障指標參數(shù)，并收集故障數(shù)據(jù)，繪制故障數(shù)據(jù)曲線并做出可靠性分析，提高電主軸的可靠性。 研究計劃 研究計劃： 第1周熟悉課題的背景，進行國內(nèi)外現(xiàn)狀調(diào)查 第2周收集資料，初步方案及結(jié)構(gòu)形式確定 第3周完成開題報告，外文翻譯 第4周提出設計方案，設計方案論證 第5周繪制總裝配圖及設計計算 第6周繪制總裝配圖及設計計算 第7周繪制零件圖及設計計算 第8周繪制零件圖及設計計算 第9周繪制控制原理圖 第10周繪制控制原理圖 第11周控制軟件設計并調(diào)試，整理設計說明書 第12周撰寫畢業(yè)設計論文 第13周撰寫畢業(yè)設計論文 第14周撰寫畢業(yè)設計論文 第15周準備答辯 特色與創(chuàng)新 1、以計算機輔助，對可靠性試驗臺機械結(jié)構(gòu)進行了完整細致的設計，使其強度、剛度能滿足電主軸高速要求。 2、對轉(zhuǎn)速18000r/min、功率為22Kw的電主軸進行加載實驗設計。 3、電主軸各項性能檢測。 指導教師 意 見 指導教師簽名： 年 月 日 教研室意見 院部意見 主任簽名： 年 月 日 教學院長簽名： 年 月 日