高速电主轴回转精度及静刚度测试研究毕业论文设计40论文41.docx
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高速电主轴回转精度及静刚度测试研究毕业论文设计40论文41
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重庆大学本科学生毕业设计（论文）
高速电主轴回转精度及静刚度测试研究
学生：
郑令
学号：
20052308
指导教师：
陈小安
助理指导教师：
合烨
专业：
机械设计制造及其自动化
重庆大学机械工程学院
二OO九年六月
GraduationDesign（Thesis）ofChongqingUniversity
HighSpeedElectronicSpindleTurningPrecisionandStaticStiffnessTestingResearch
Undergraduate:
ZhengLing
Supervisor:
Prof.ChenXiaoan
AssistantSupervisor:
HeYe
Major:
MechanicalDesignandTheory
CollegeofMechanicalEngineering
ChongqingUniversity
June2009
摘要
近几十年来，在新技术革命的推动下，特别是伴随着数控技术的不断发展，超高速切削技术的应用越来越广泛，它正在成为国际机械制造业最热门的研究课题之一。
高速主轴系统也已成为最适宜于这些高性能工况的数控机床核心功能部件之一。
目前，在国内对高速电主轴系统的技术性能指标的测试与评价尚无统一的标准，均以行业或企业标准来执行。
本论文在正是在此环境下讨论了高速电主轴的测试方法及评价技术。
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）的资助下，主要进行了高速电主轴回转精度、静刚度、噪声等方面的测试方法及测试实验研究，并取得了以下研究进展：
（1）研究了高速电主轴回转精度的测试方法。
对径向跳动和端面跳动的测试中采用了接触式和非接触式的方法分别进行，并绘制了两种方式在不同测量截面下的径向跳动曲线，对比发现用非接触式测试的精度比接触式要好；同时对周期性轴向窜动的测试方法采用了短检验棒法和两指示器法分别进行，通过对比其数据的差异，发现短检验棒法的测试误差低于两指示器法。
（2）研究了高速电主轴静刚度的测试的方法。
用静态应变测试仪并分别测试了径向刚度和轴向刚度。
通过对数据的对比发现径向刚度要比轴向刚度大2.2～2.7倍左右，同时提出了提高静刚度的措施。
（3）对高速电主轴的噪声进行了的测试。
测试过程中用半球法对高速电主轴在不同转速下的噪声分别进行了测试，绘制了在不同转速下的噪声变化曲线，证明了噪声随着主轴转速提高而逐渐上升的结论。
关键词：
高速电主轴，回转精度，静刚度，噪声
ABSTRACT
Intheserecentdecades,withthedevelopmentofnumericalcontroltechnology,thesupertheinternationalmechanicalmanufacture.Nowadaysdifferentcompanies.Inthispaperisunderdiscussioninthisenvironmentoftechniques.
ThisprojectissupportedbyNationalNaturalScienceFunds（ItemNumber50675233）andChongqingImportantScientificandTechnologicalBrainstormProject（ItemNumberCSTC，2006AA3010）.Theresearchofmeasuringandtestingthespindleturningprecision,staticstiffnessandnoise.Throughthediagramswedrewusingthecontactandnon-contacttestingmethod,it’sclearthatthedisjuncttestingmethodisbetterthantheosculantone.Accordingtothedifferencebetweenthedatathatwegotintheexperimentsusingmeansofshortcheckoutrodandtwainindicators,wealsofindtheoneismoreprecisethantheone.
Getthemethodoftestingthenetrigidityofthetestequipment,researchshowstheradialrigidityis2.2~2.7timeslargerthantheaxialrigidity.Atthesametimewegetthewaytoimprovethenetrigidity.
Getthemethodoftestingthenoiseofthespeedofthespindleusingspeedofthespindle.
KeyWords：
Highspeedelectronicspindle，Turningprecision，staticstiffness，Noise
中文摘要.Ⅰ
英文摘要Ⅱ
1绪论1
1.1课题的背景、来源和意义1
1.1.1课题的背景2
1.1.2课题的来源2
1.1.3课题的意义2
1.2国内外研究现状2
1.2.1国内外高速电主轴技术的研究现状3
1.2.2国内外高速电主轴的差距3
1.3本文的主要内容和研究条件4
1.3.1本文的主要内容4
1.3.2研究条件4
2电主轴回转精度的测试6
2.1电主轴回转精度概述6
2.2电主轴回转精度测试方法6
2.2.1接触式测量法6
2.2.2非接触式测量法7
2.3电主轴回转精度测试前的准备工作7
2.4径向跳动测试8
2.4.1测试方法9
2.4.2测试数据11
2.4.3误差分析16
2.5端面跳动的测试16
2.5.1概述16
2.5.2端面跳动测试研究17
2.5.3测试数据18
2.6本章小结20
3电主轴静刚度的测试21
3.1静刚度概述21
3.2静刚度对机床性能的影响22
3.3静刚度的测试方法研究23
3.4静刚度的测试仪器介绍25
3.5静刚度的测试数据26
3.6提高主轴轴承系统刚性的措施27
3.7本章小结28
4电主轴噪声测试29
4.1概述29
4.2电机噪声的物理量度29
4.3电主轴噪声测试的实验仪器31
4.4电主轴噪声的测试研究32
4.5电主轴噪声的测试报告35
4.5.11.5万转电主轴噪声测试报告35
4.5.26万转电主轴噪声测试报告38
4.6本章小结41
5结论42
致谢43
参考文献44
1绪论
1.1课题的背景、来源和意义
1.1.1课题的背景
制造业是国民经济的支柱产业，它创造的财富占人类社会财富的60%~80%，制造技术水平和设备制造能力的高低，是一个国家科技水平和综合国力的重要标志。
当前，全球经济正处于一个根本性的变革时期，人类社会正在由工业经济时代步入知识经济时代。
在以高科技产业为主要支柱，智力资源为主要依托的知识经济条件下，制造业正在发生着质的飞跃。
[1]世界上越来越多的国家和人们认识到没有先进的制造业，无论哪一个产业都将失去存在和发展的条件。
在制造业发展中最辉煌的成就就是数控技术的发明和推广应用。
伴随着信息技术的发展，一方面是发展了以数控机床为基础的加工自动化技术；另一方面，在加工工艺和加工方法上也发展了许多新工艺、新技术，比较典型的有高速加工技术、精密和超精密加工技术、高能束加工技术（激光、水射流、离子和电子等）以及虚拟制造技术等等。
上述先进制造技术的发展，大幅度地提高了劳动生产率，改善了产品质量，降低了生产成本，为社会创造了巨大的物质财富。
[2]
随着数控技术的不断发展，以加快空行程动作的速度和提高零件生产过程的连续性等为目的的缩短辅助工时的技术手段已达到极限。
要想进一步提高机床的生产效率，只有从包括提高主轴转速和进给速度等为手段的缩短切削时间的高速切削技术入手，该技术已逐步成为各企业、研究机构的研究热点。
高速切削是指在比常规切削速度高出很多的速度下进行的切削加工，因此有时也称为超高速切削（Ultra-HighSpeedMachining）。
高速切削的理论是20世纪20年代末由德国的切削物理学家萨洛蒙（CarlSalomon）博士提出的。
并于1931年提出了高速切削假设。
他指出：
在常规的切削速度范围内，切削温度随着切削速度的增大而提高。
对于每一种工件材料，存在一个速度范围，在这个速度范围内，由于切削温度太高，任何刀具都无法承受，切削加工不可能进行。
但是，当切削速度再增大，超过这个速度范围后，切削温度反而降低。
同时，切削力也会大幅度下降。
高速加工的核心技术主要有高速机床技术、高速刀具技术、高速加工测试技术等。
其中高速机床技术是实现高速加工的基本条件，高速机床的设计制造技术很大程度上反映着高速加工的技术水平。
各工业发达国家都把机床的高速化作为重要的发展目标，高速加工机床的发展水平已成为衡量一个国家制造技术水平的重要标志之一。
高速加工机床的研究与开发主要集中在高速主轴系统、高速进给系统、高速刀具系统和高性能控制系统等几个方面。
[3]
高速电主轴做为高速切削的关键技术之一，其性能的好坏直接影响到生产效率和加工质量，作用是不言而喻的。
目前，我国对电主轴的研究虽然取得了不小的进步，但我们仍然可以看到一些关键技术还有待解决，因而每年我国还需从国外大量进口各类电主轴。
如何使国内用户能够更好地使用此类产品，对其参数和性能有更深入的了解就显得格外的重要。
本课题正是基于此目的来开展的。
1.1.2课题的来源
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）的资助下，我们提出了本文的“高速电主轴回转精度及静刚度测试研究”这一课题作为硕士学位论文题目。
1.1.3课题意义
以高速度切削、高进给速度、高加工精度、为主要特征的高速加工是当代四大先进制造技术之一，是制造技术产生第二次革命性飞跃的一项高新技术。
当今世各国都竞相发展自己的高速加工技术，并成功应用，产生了巨大的经济效益。
要发展和应用高速加工技术，首先必须有性能优良的高速数控机床，而数控机床的好坏则首先决于高速主轴。
近几十年，高速加工技术发展十分迅猛，已广泛应用于工业生产的各个部门。
高速机床是实现高速高速切削加工的前提和条件。
高速数控机床是装备制造业的技术基础和发展方向之一，是装备制造业的战略性产业，其技术水平的高低和拥有量的多少也是衡量一个国家制造业水平高低的标志。
而主轴单元是决定机床高速化和高精度的关键部分，始终是机床技术发展的基础。
电主轴是现代高数数控机床主轴的主要形式，其性能的好坏在很大程度上决定了整台高速机床的加工精度和生产效率。
因此，不失时机地开展高速电主轴动态性能的研究工作，不仅会促进我国高速加工业的发展，而且有着广阔的前景和经济价值，具有极其重要的科学意义和工业价值。
通过对电主轴的各种测试实验，能够掌握该主轴的各种性能参数，这些参数在对用户的使用过程中将起到极大的作用，使用户能在生产实践中根据不同的生产情况更好地将该设备到达最佳状态，从而给使用单位带来直接的、可观的、显著的经济效益。
1.2国内外研究现状
1.2.1国内外高速电主轴技术的研究现状
国外对高速电主轴技术研究较早，电主轴最早用于内圆磨床。
到上世纪80年代末，随着高速加工和数控技术的发展与需要，促进了电主轴技术在加工中心和数控机床等高档机床上的应用，已广泛应用于工业制造中，成为现代数控机床的核心部件之一，并被越来越多的金属切削加工机床制造商所采用。
目前著名的电主轴专业制造商主要有瑞士的IBAG公司和STEP-TEC公司，德国的GMN公司、SIEMENS公司和HOFER公司，美国的Ingersoll公司和Precise公司，意大利的GAMFIOR公司和OMLAT公司，及日本的Fanuc和NSK公司等。
它们生产的电主轴都已系列化、产品化。
目前国际上工业发达国家正在研制转速高达250000rmin的实用主轴。
加工中心用主轴的转速在10000~20000rmin，其加工精度普遍已达到1 μm的水平。
高速加工的研究目标已转移到难加工材料的切削加工上。
国内高速电主轴的研究起步也很早，从上世纪60年代初我国就研发出专用于内圆磨床的电主轴；80年代末以后，开始由磨用电主轴转向铣用电主轴过渡；90年代中后期，由于国内市场的需要，又开发出钻小孔用和小型数控铣床用电主轴等其他用途的电主轴。
但这些主轴的功率、扭矩都比较小。
为满足高速电主轴技术的发展需求，“九五”、“十五”期间通过攻关，我国电主轴技术发展很快，电主轴的功率、扭矩分别可达2.5~29 kW和4~86 N·m，可应用于数控机床和加工中心，并已开始装备部分国产数控机床。
现在国内以洛阳轴承研究所为主的研究机构已经自主研发出了电主轴和高速精密轴承，且已系列化；广东工业大学高速加工和机床研究所开发的数控铣床用高速电主轴最高转速达到18 000rmin，最大输出转矩为85N·m，额定功率为13.5kW；广州钜联高速电主轴有限公司，他们研究开发的大功率静压轴承电主轴曾在日内瓦国际专利技术博览会上获得金奖；此外还有一些单位与国外机构联合对电主轴进行研发和生产。
如：
大连机床公司与德国阿亨（Aachen）大学共同研发的DHSCS00高速加工中心，采用德国GMN公司生产的电主轴；常州多棱数控机床股份有限公司、宁江机床（集团）股份有限公司、济南第二机床集团有限公司等采用瑞士IBAG公司生产的电主轴。
国产电主轴在国内市场所占的份额不足总额的13，大扭矩、低速电主轴95%以上依赖进口。
而国产高速、高精度数控机床和加工中心用电主轴，仍主要依赖进口。
从总体上讲，国产电主轴的研制、应用和发展受各种条件的制约，使其各项性能指标同国外先进产品相比较差距较大，处于相对落后状态，因此对其性能进行深入、广泛的研究具有重要的意义。
1.2.2国内外高速电主轴技术的差距
与国外同类产品相比，国产电主轴无论在品种和质量方面，还是在性能方面都有较大的差距，主要表现在以下几个方面：
（1）电主轴的低速大转矩方面。
国外电主轴低速段的输出扭矩最大可达300N·m以上，我国则多在100N·m以内。
（2）高速方面。
国外用于加工中心等数控机床的电主轴转速已达75 000 rmin，国内电主轴多在15 000 rmin以下；其它类型的电主轴，国外最高转速为300 000 rmin，我国最高转速则为150 000rmin。
（3）电主轴的轴承润滑方面。
（4）电主轴的支撑方面。
国外电主轴多采用转速高、刚度大的陶瓷轴承和液体动静压轴承，特殊情况下采用气体轴承和磁悬浮轴承；国内则多采用钢质轴承，近年来也采用陶瓷球混合轴承，但数量不多，研究不够，不能满足电主轴转速日益提高的要求。
（5）其他与电主轴相关的配套技术方面。
如主轴电动机矢量控制和交流伺服控制技术、精度定向（准停）技术、快速启动和停止技术等，国内仍然不够成熟，不能满足实际需要。
我国在高速主轴单元技术各项性能指标方面与国外相比差距较大，从而严重阻碍我国高速高精度数控机床的发展，削弱了在国际市场上的竞争力。
因而尽快成熟电主轴的各项技术是发展高速切削技术的当务之急。
1.3本文的主要内容和研究条件
1.3.1本文的主要内容
1.电主轴回转精度测试
对电主轴回转精度中的径向跳动、端面跳动等概念进行了简要叙述。
提出各种参数的测试方法，并将测试数据进行了对比以供参考。
2.电主轴静刚度性能测试
对电主轴静刚度的概念进行了简要概述。
提出了静刚度中的径向刚度和轴向刚度的测试方法，并对实验中的测试数据进行具体分析以供参考。
3.电主轴噪声的测试
简要概述了噪声的概念和物理量度，讨论了噪声的测试方法，测试电主轴在各级转速下的噪声值，编制了噪声测试报告表，并绘制了噪声曲线。
1.3.2研究条件
重庆大学机械传动国家重点实验室为本课题提供了如下的研究条件：
硬件环境
1.5万转（2GDZ15）和6万转（2GDZ60）的高速电主轴转矩转速实验装置（包
括电主轴、变频器、工控机、电源系统、润滑系统、冷却系统等）、位移传感器、DH3818静态应变测试仪、LMS测试系统、AR824SL4001A声级计、检验棒、千分表。
软件环境
操作系统：
WindowsXP
程序控制软件：
LMSTestLAB7A
2电主轴回转精度的测试
2.1电主轴回转精度概述
机床主轴是工件或刀具的位置基准和运动基准，它的误差直接影响着机床的整机性能和被加工工件的加工精度。
对于主轴的要求集中到一点，就是在运转的情况下它应保持轴线的位置稳定不变，这就是主轴回转精度。
轴线相对其偏离的误差运动范围，就是主轴回转精度值。
在理想情况下，主轴回转轴线的空间位置，相对于某一参考系统（如刀架）而言，是不随应随时间而变化的。
在实际工作中，由于主轴部件的制造精度和刚度的影响，主轴回转轴线的空间位置总是在变动的，即总是存在着回转误差。
所以，对主轴回转精度的测试与研究历来被人们所重视。
电主轴的回转精度与电主轴前后轴承的配置方式、主要零件的制造精度（如套筒前后孔和主轴颈的同轴度等）、选用滚动轴承的尺寸大小和精度等级（电主轴一般选用最高或次高精度等级的轴承，相当于国际标准P2和P4级，等同于美国标准ABEC9和ABEC7级）、装配的技艺水平和预加载荷的大小等密切相关。
必须强调指出，电主轴的最终精度往往可以得到等于或高于单个轴承的精度，这是由于装配工人在装配时巧于选配，将单个轴承的误差进行相互补偿及恰当地施加预加载荷的结果。
为此，高速电主轴的生产对设计水平、制造工艺、工人技艺和装配环境的洁净度和恒温控制等均有极为严格的要求，并不是任何一制造企业都能够生产精度合格、运转安全、寿命长的电主轴。
电主轴回转精度指标是电主轴的重要质量指标之一，并随着高速化、高精度化方向的不断发展，回转精度指标对被加工零件的几何精度和表面粗糙度将有更大的影响。
其回转精度的评价可在静态实验台上通过测试主轴单元的径向跳动、端面跳动、周期性轴向窜动来实现，本文只重点讨论径向跳动和端面跳动。
2.2电主轴回转精度测试方法
2.2.1接触式测量法
目前在国内一些普通机床生产企业和生产现场中仍然用旧的测量方法——接触式。
即以精密芯棒插入主轴孔内,然后在芯棒的外圆或端面上安装千分表进行测量,以获得轴向窜动、径向跳动和摆动3项主轴回转精度值（见图2.1）。
这种方法虽然简单,但测得的径向跳动中既包含有主轴回转轴线的径向运动,又有锥孔相对于回转轴线的偏心（即每转偏摆一次的偏心量）,二者无法加以区分。
而这一偏心并不影响被加工工件的尺寸、圆度和表面粗糙度。
再则由于装千分表测量是在主轴手动慢速回转下进行的,它反映不出主轴在工作转速下的回转精度。
它既不表示主轴作为一个质点在空间的运动轨迹,也不表示主轴在工作后加工出来的工件轮廓。
图2.1接触式径向跳动实测图
Fig2.1Thecontactradialrunouttestpicture
2.2.2非接触式测量法
随着电子产品的不断升级,计算机技术的应用与发展,近年来提出了使用传感器、计算机的等电子产品的非接触式主轴回转精度测量方法，有轨迹法和圆图象法两种。
轨迹法着眼于客观地描述轴心线的误差运动轨迹,而不理会误差运动造成的具体效果。
而圆图象法可表示出被加工工件的轴心线误差运动影响下的圆度轮廓。
从机械制造专业出发,显然圆图象法优于轨迹法。
它不但形象地预测被加工零件的圆度和表面粗糙度,而且可以直观地计算出主轴回转精度值。
而且非接触式测量法可精确测出主轴在正常工作转速下的回转精度，所以本文采用非接触式进行测试研究。
2.3电主轴回转进度测试前的准备工作
测试前应使主轴润滑充分，以保证在测试期间润滑油膜不会变化。
使主轴达到正常运转的温度。
对计量器具的要求和检验方法应参照GBT17421.1-1998的有关规定。
实验仪器如表2.1
表2.1实验仪器目录
Table2.1Theexperimentalequipmentdirectory
名称
规格
数量
测试内容
三角反射式位移流传感器
6600系列03mm
灵敏度偏差0.19%
非线性度1.02%
1套
1.5万转电主轴径向端面跳动
LMSINSTRUMENTS
1套
1.5万转电主轴径向端面跳动
被测电主轴型号：
2GDZ15（1.5万转）电主轴一台。
其中电主轴主要性能参数如表2.2。
表2.2电主轴主要性能参数
Table2.2Theelectronicspindlemajorperformanceparameters
主轴
型号
转速
（rmin）
最大输
出功率
（KW）
润滑
冷却
套筒
外径（mm）
轴承
2GDZ15
15000
25
油雾
水
53
1、2-B7011CP4（7-角接触球轴承，0-正常宽度，11-内径d=55mm，C-公称接触角α=15°，P4-公差等
级代号）
2、2-B7009CP4
2.4径向跳动测试
径向跳动是指通过轴线上规定点并垂直于轴线的平面内零件的圆的形状误差。
如图2.2所示。
图2.2径向跳动
Fig2.2Theradialrunout
2.4.1测试方法
测试过程中采用了激光反射式三角位移传感器（实物见图2.3）对其进行检测。
LMS测试系统如图2.5所示
图2.3激光反射式三角位移传感器
激光反射式三角位移传感器的测试原理如图2.4，对于二维的主轴回转误差运动，需要使用垂直布置的两个微位移传感器同时对主轴外圆轮廓采集数据。
为了保证数据的一致性，两传感器应当位于主轴的同一个截面内，实际安装位置如图2.6所示。
图2.4非接触式原理图
Fig2.4Theschematicdiagramofnon-contactmethod
图2.5LMS测试系统
Fig2.5TheLMStestsystem
图2.6非接触式径向跳动实测图
Fig2.6Thenon-contactradialrunouttestpicture
2.4.2测试数据
测试的频率采用了1.5万转电主轴测试软
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