数控毕业设计

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1、沙洲职业工学院毕业设计（论文）编号 沙洲工学院2011 届毕业论文题目：题目：某型号高速电主轴在线动平衡补偿装置设计某型号高速电主轴在线动平衡补偿装置设计 机械动力工程 系系机械制造与自动化 专业专业班班 级：级： 08 机制(2)班学学 号：号： 08331236 姓姓 名：名： 余艳旗 指导教师：指导教师： 周凤石 . .2011 年年 6 月月成绩沙洲职业工学院毕业设计（论文）第 1 页沙洲职业工学院专科毕业设计（论文）任务书沙洲职业工学院专科毕业设计（论文）任务书学院（系）：机械动力工程系设计（论文）题目：某型号高速电主轴在线动平衡补偿装置设计学生：余艳旗学号：08331236设计（论

2、文）类别：设计专业：机械制造与自动化 班级：08 机制(2)班 设计（论文）性质：应用指导教师：周凤石职称：副教授是否隶属科研项目：否1. 设计（论文）的主要任务及目标认真阅读图纸和技术文件，调研国内外高速加工动平衡补偿装置的补偿机理，设计新型智能化、高效化的动平衡补偿装置，满足以下要求和特点：（1）具有高的工作稳定性和可靠性；（2）具有良好的动态特性和抗干扰能力；（3）便于控制响应速度快（4）能耗小，经济效率高 。最终实现高速电主轴的在线动平衡补偿。在设计方案的基础上，绘制其总装配图纸和零部件图纸。撰写毕业设计说明书，翻译外文资料。2. 设计（论文）的主要内容(1).了解高速加工的有关概念；

3、(2).分析高速加工过程中的动平衡控制技术；(3).对现有的高速加工电主轴在线补偿技术进行研究；(4).完成补偿方案的设计和验证。原始数据：提供动平衡装置原理图，原始数据和技术要求均以图纸为依据。文献检索，查阅动平衡补偿装置的相关资料，并翻译一篇外文资料。沙洲职业工学院毕业设计（论文）第 2 页3、设计（论文）的基本要求（1）按时独立完成毕业设计任务书规定的要求，充分发挥主动性、创造性和刻苦钻研精神。（2）严格遵守学校各项规定。（3）认真完成毕业论文。（4）毕业论文要求条理清晰、逻辑性强、内容翔实，具备一定的理论深度，符合科技论文写作规范。4、主要参考文献1 汪希萱,曾胜. 电磁式在线自动平衡

4、系统及其动平衡方法研究热能动力工程20032 李勇,陆永平采用磁力平衡方法的在线动平衡机技术研究(I)：基本原理和结构微特电机1999，(1)3 欧阳红兵,汪希萱.新型电磁式自动平衡头控制决策的研究制造技术与机床19984 贺江波,伍良生,张云禧,李智慧. 基于单片机与 PMM871 3 的高速主轴电磁式在线动平衡机构的驱动器设计. 5 杨庆坤,伍良生，门浩,刘振宇. 步进电机在高速主轴动平衡装置上的应用. 自造业自动化. 2006, 28 (9): 65-67.6 王俊元,蒋红琰,杜文华. 复合式高速电主轴在线动平衡装置的开发. 中北大学 学报(自然科学版). 2007, 28 (6): 4

5、91-495.7 张仕海,伍良生,周大帅. 机床主轴双平面在线动平衡系统的设计. 工艺与装备. 2009, 10: 79-81.8 王金民. 转子在线动平衡技术的发展和应用. 福建糖业. 1997, 18 (1): 34-36.5、进度安排设计（论文）各阶段任务时间安排1调研、系统分析及资料准备4.01-4.15 2 周2程序设计4.16-5.16 4 周3系统调试5.17-5.25 1 周4撰写论文5.26-6.20 4 周5准备及论文答辩6.20-6.24 0.5 周注：1、此表一式三份，学院、指导教师、学生各一份。2、设计（论文）类别是指设计、论文，性质指应用型、理论研究型和其他。沙洲职

6、业工学院毕业设计（论文）第 3 页教研室主任签名：_ 系主任签名：_沙洲职业工学院毕业设计（论文）第 1 页目目 录录第 1 章绪论.51.1、课题研究的目的和意义.51.2、动平衡技术.61.2.1动平衡技术概述 .61.2.2动平衡技术研究现状 .61.2.3电主轴在线动平衡研究 .71.3、高速电主轴技术.71.3.1电主轴概念 .71.3.2电主轴结构 .81.3.3国内外发展现状 .91.3.4电主轴发展趋势 .10第 2 章动平衡的理论研究基础.122.1、转子的分类.122.1.1临界转速 .122.1.2转子分类 .122.2、转子故障的分类.132.3、转子动平衡的动力学基础

7、.142.3.1静不平衡与动不平衡 .142.3.2刚性转子的平衡 .162.3.3挠性转子的平衡 .162.4、现有动平衡技术分析.172.4.1直接在线动平衡装置 .182.4.2间接在线动平衡装置 .192.4.3混合型在线动平衡装置 .20第 3 章高速电主轴在线动平衡装置设计.223.1、电主轴主要技术参数.223.2、动平衡装置设计.223.2.1总体模型设计 .233.2.2动平衡装置结构设计 .243.2.3a-a 截面工作原理 .263.2.4b-b/c-c 截面工作原理.283.2.5传感器选用 .29结 语. .31致 谢 .32参考文献 .33沙洲职业工学院毕业设计（论

8、文）第 2 页摘摘 要要高速电主轴在工作中容易产生振动，从而对回转系统或整个系统产生破坏，因此，必须进行平衡措施以减少不平衡振动。本文针对XX型号高速电主轴，设计了转速在12000RTM时，能够整轴进行在线动平衡补偿的装置。本次毕业设计的研究内容主要包括以下：一、分析动平衡的相关理论研究基础，为此次高速电主轴动平衡装置设计提供理论依据和设计基础。二、设计通用的在线动平衡补偿装置，包括驱动系统、密封机构、轴承部分、主轴部分、测量系统、管路系统，并绘制总装图及零件图。本装置实验方案的基本思路：首先，基于间接在线动平衡头的设计思想，利用电磁场的耦合作用, 无接触地在加重平面处形成一个具有相同幅值和相

9、位的径向电磁力，使该电磁力与所需的离心力等效, 以实现在线实时精密补偿；考虑到此时空旋转电磁力能耗大、机械结构内应力大的缺点，接着，基于混合型在线动平衡头的设计思想，应用电磁混合型动平衡头的工作原理，在平衡头上利用旋转极坐标合成矢量力，实现转子系统质量再分布，使得转子质心落在旋转中心上；同时，时空旋转电磁力消失，转子系统在极坐标合成力的作用下实现最终动平衡。以上，实现一种对高速下电主轴的实时在线又节能的动平衡补偿方式。三、设计系统硬件电路，主要包括：调整环的驱动电路的设计和调整环的定位锁紧电路的设计，完成相应的电路设计以实现对电主轴动平衡补偿过程中的控制。该动平衡补偿装置结构紧凑、合理，拆卸灵

10、活方便，易于加工制造，具有一定的通用性，能够实现对高速电主轴的实时在线动平衡补偿，值得一提的是，从能耗角度考虑，该装置具有一定的经济性，为电主轴的深入推广和应用奠定了基础。关键词关键词: :高速电主轴；动平衡；旋转电磁力；振动检测；驱动电路；沙洲职业工学院毕业设计（论文）第 3 页AbstractHigh-speed electric spindle is easy to produce vibration in work,and destroy the rotary system or the entire system. Therefore, a measure of blance mus

11、t be taken to reduce the unbalanced vibration. In this issue ,a compensation device was designed of the on-line dynamic balance of entire spindle at the speed of 12000rpm for a type of high speed electric spindle.The main research contents of this issue is as follows:1. To analyse the theoretical ba

12、sis of dynamic balance,and provide theoretical basis and design basis for the dynamic balance device design.2. To design universal online dynamic balance compensation device, it includes drive systems、Seal body、Bearing part、spindle part、Measurement systems, piping systems, and the mapping of assembl

13、y drawings and parts drawing. The basic ideas of experimental program is as follows: firstly, based on the design idea of indirect online balancing head, use the coupling effect of electromagnetic, non-contactly form a same amplitude and phase radial electromagnetic force. So that the electromagneti

14、c force is equivalent with the centrifugal force, and achieve the real-time online precise compensation. But considers the defect of high energy consumption of rotating electromagnetic force and mechanical stress within the structure, so an idea of mixed on-line balance head is taken. It applys the

15、principle of mixed electromagnetic balancing head, uses the rotating polar coordinates to synthesize the vector force on the balancing head. So it realizes the redistribution of the quality of rotor systems and allows the mass center of the rotor on the rotation center, at the same time, the time an

16、d apace rotating electromagnetic force disappears, then the rotor system realizes the final dynamic balance at the work of polar synthetic force. Above is a real-time online and energy-saving type of dynamic balancing compensation for hign-speed spindle.3. Hardware circuit design of the system. It m

17、ainly includes the design of balance disc drive circuit and position locking circuit, then implements the process control of spindle balancing compensation.The dynamic balance compensation device has a compact and reasonable structure , 沙洲职业工学院毕业设计（论文）第 4 页its flexible to disassemble and easy to pro

18、cess and manufact,so it has certain universal and can realize the real-time online dynamic balance compensation of high-speed electric spindle. Remarkable, from the view of energy consumption , the device has a certain economy, and establishes the basis for the spindle extension and application. Key

19、words: high-speed electric spindle;active balancing; rotating electromagnetic force; vibration detection; drive circuit沙洲职业工学院毕业设计（论文）第 5 页第第 1 章章绪论绪论1.1、 课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义据统计，旋转机械的振动问题中转子不平衡引起的振动约占 70%-80%，因此，可认为转子不平衡是引起旋转机械振动的重要原因。动不平衡在支承上造成动载荷，不仅会引起整个旋转机械的振动，产生噪音，增加能耗，还会加快轴承的磨损，造成转子部件的高频疲劳破坏、支

20、承机座、某些部件强迫振动损坏，降低旋转机械的寿命。制造、安装工艺及环境条件等因素会引起转子系统不平衡振动。即使以上各方面都很理想，在一定条件下正确安装的高精度的转子系统也会因运行过程中磨损及负载冲击而产生较大的振动3。特别是高速旋转机械，如压缩机、汽轮发电机组、锅炉引风机及大型电机等，研究证明振动量的大小和转速的平方成正比，故高速下，在新机跑合及长期运行过程中常出现振动过大，甚至不能工作，造成巨大的经济损失及安全事故。国内外曾经由于这方面的原因而引起很大的事故，人员、财产损失很大，例如 1987 年山西大同发电厂 200MV 机组转子断裂，1988 年秦岭电厂 5 号机组主轴断裂，两次事故损失

21、均在亿元以上，1972 年日本关西电力公司南海电站 3 号600MV 汽轮发电机因振动而引起的轴断机毁事件等等4。因此，必须进行平衡措施5以减少振动量。在电主轴单元技术领域，加快研究电主轴单元的在线动平衡技术，提高电主轴运转精度，是国内电主轴的主要研究方向之一3。因为在高速运行下，电主轴的振动大小是影响机床系统振动的主要诱因之一，同时也是衡量电主轴动态性能好坏最直接的指标。因此，高速电主轴必须作动平衡，以便消除有害的动态不平衡力，这是减少离心力对机床振动、加工质量、生产安全等方面影响的重要途径。国内到目前为止，针对电主轴运转过程中出现的不平衡，用的是专门的电主轴平衡机进行测试，直接的电主轴在线

22、动平衡装置还很少有成功应用的实例。将平衡头作为附件安装到主轴上的电主轴结构还尚未发现。相关动平衡理论表明:基于电机工作原理的电磁式间接在线动平衡头7-10和基于影响系数法动平衡控制的电磁式在线混合动平衡头11-20都是简单可靠并适用于高速回转系统的结构，结合二者优点，开发一种节能的高速转子在线动平衡补偿装置。沙洲职业工学院毕业设计（论文）第 6 页整个在线补偿过程中首先采用时空旋转电磁力进行补偿，原因是响应时间短，为在线补偿节省了时间，提高了效率；接着，在一定的响应时间内，利用运用影响系数法策略实现转子系统质量再分配，达到平衡要求，同时撤消时空旋转电磁力，之后，达到高速转子的最终在线动平衡，大

23、大避免了时空旋转电磁力能耗大、机械结构内应力大的缺点。开发研制出一套配有在线自动平衡装置的电主轴，研究出具有工程应用前景的新驱动原理和总体结构，且能较好地满足精度和可靠性要求的动平衡装置，在电主轴技术的发展上，将会有突破性的创新。1.2、 动平衡技术动平衡技术1.2.1动平衡技术概述动平衡技术概述动平衡技术的一个重要研究方向是自动平衡技术。自动平衡技术就是一种在转子运行状态下就能进行不平衡矢量的识别与配重的动平衡方法。不停机自动平衡的基本原理，就是在旋转轴系的某处附加一个执行机构，又叫平衡头。由控制系统对平衡头进行在线控制，在平衡头上设法实现一个大小、相位皆连续可调的校正质量，在转子系统运行过

24、程中去模拟实现动平衡所需的配重，从而实现转子系统的动平衡。1.2.2动平衡技术研究现状动平衡技术研究现状在自动平衡技术研究领域，加拿大多伦多大学的J.Van de Vegte于 1978 年研究了在转子上装有两个平衡块的可控的主动平衡头，它由电机驱动两个平衡块在不同平面的圆 周 上 运 动 从 而 调 节 其 相 对 位 置 来 达 到 平 衡 的 目的； 波 兰 凯 瑟 琳 技 术 大 学 的Z.Gosiewski对自动平衡理论和控制策略进行了深入研究，他于 1985 年设计了一种直角坐标式的自动平衡装置；美国得克萨斯A&M大学的Louis J.Everett提出了一种不要相位反馈的双盘转子

25、自动平衡控制策略；韩国高等科学技术学院的C.W.Lee等人利用一个无线电控制的极坐标式精密平衡头实现了挠性转子的动平衡13、14；1996 年哈尔滨工业大学的陆永平、李勇等人研制出了用于挠性转子支撑系统的自动平衡头15，这是国内文献上把自动平衡头作为转子振动主动控制元件的首例报导。自动平衡技术取得了长足的进步,归纳起来，目前广泛应用的动平衡头可分为以下三类：沙洲职业工学院毕业设计（论文）第 7 页第一类称为直接在线动平衡头，是从质量方面着手，通过加重去重的方法，直接将平衡圆盘的几何中心移到旋转中心，包括喷涂法、喷液法及激光去重法等。这种平衡方法存在的很多实际问题，应用范围狭窄。第二类称为间接在

26、线动平衡头，即给圆盘长期提供与不平衡力方向相反、大小相等的力，当圆盘旋转时，将其重心强行拉到旋转中心。目前，这种平衡头主要包括电磁轴承型在线动平衡头及电磁圆盘型在线动平衡头。它有一个严重不足就转子在运行过程中一直受平衡电磁力的作用，对于长期运行的旋转机械来说，能耗大，机械结构内应力大。第三类称为混合型在线动平衡头，工作时，由检测系统测量转子系统的振动信号，并通过控制系统，以某种方式改变平衡头内部质量分布(不加重也不去重)，使其几何中心与旋转中心重合，质量的重新分布可通过机械方法或电磁方法进行。根据驱动平衡质量块移动方式到控制方式的不同，混合在线动平衡头可分为电动机型、遥控型及电磁型在线动平衡头

27、。混合型在线动平衡装置在转子产生不平衡振动时，调整平衡质量块的位置，对转子系统进行在线动平衡，转子系统平衡后，不再对平衡头输入能量，即可切断电动机电源或撤消拖动平衡质量块移动的电磁力，节约了能源，但是，平衡过程需要一定的响应时间。1.2.3电主轴在线动平衡研究电主轴在线动平衡研究在电主轴在线动平衡装置研究方面，国内主要应用专门的电主轴平衡机进行不平衡测试；最近有人又提出了将平衡头直接安装在主轴上，其可行性还需进一步验证。国外瑞士 Fischer 公司，推出了配有在线自动动平衡装置的电主轴部件，加工中心每换一次刀进行一次包括刀具在内的自动动平衡，可在 1 秒内消除 80%90%的由动平衡引起的振

28、动。研究将电主轴技术与动平衡技术融为一体的新装置，是目前电主轴发展的重要方向，有很大的意义。1.3、 高速电主轴技术高速电主轴技术1.3.1电主轴概念电主轴概念电主轴是将机床主轴与主轴电机融为一体的高新技术产品。这类主轴的构成方式有两种：一种是通过联轴器把电机与主轴直接连接在一起；另一种是把电机转子沙洲职业工学院毕业设计（论文）第 8 页与机床主轴做成一体，即将无壳变频电机的空心转子用压配合的形式与机床主轴直接过盈套装在一起成为一体，带有冷却套的电机定子装配在主轴单元的壳体中，成为集成式内装电机主轴。这样，电机的转子就是机床的主轴，机床主轴单元的壳体就是电机座，这种电机与机床主轴合二为一的传动

29、结构形式，将机床主传动链的长度缩短为零，实现了电机与机床主轴之间的“零传动”。它克服了传统传动方式的主轴系统在高速下发生打滑、产生振动和噪声、增加转动惯量等弊病，具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等优点，并简化了机床外形设计，改善了机床的动平衡，易于实现主轴定位和主轴转速的高速化，是高速主轴单元中的一种理想结构，在高速切削机床上得到了广泛的应用。1.3.2电主轴结构电主轴结构(1)电主轴的工作原理：高速电主轴电机的绕组相位互差120，通以三相交流电后，三相绕组各自形成一个正弦交变磁场，这三个对称的交变磁场互相迭加，合成一个强度不变，磁极朝一定方向恒速旋转的磁场，磁场转速就是电主轴的同步转

30、速。异步电动机的同步转速n由输入电机定子绕组电流的频率f和电机定子的极对数P决定。电主轴就是利用变换输入电动机定子绕组的电流的频率和激磁电压来获得各种转速。在加速和制动过程中，通过改变频率进行加减速，以免电机温升过高。由于电机旋转磁场的方向取决于输入定子三相交流电的相序，故改变电主轴输入电流的相序，便可改变电主轴的旋转方向。(2)电主轴的结构：高速电主轴要获得好的动性能和使用寿命，必须对高速电主轴各个部分进行精心设计和制造。高速电主轴基本结构原理简图如图1-1所示。沙洲职业工学院毕业设计（论文）第 9 页图 1-1 高速电主轴基本结构原理简图内装式电主轴单元由下列各部件及系统组成：1)电动机

31、接受驱动控制器提供的中频电，并将其转换成电主轴的机械能。2)支承 按数控机床对主轴系统的特殊要求设置的支承系统，它是决定电主轴单元精度、刚度的主要因素。3)冷却系统 为将电主轴电动机及轴承高速运转时产生的热能带走而设置在电主轴内腔的热交换器。4)松拉刀系统 为电主轴单元实现气(液)动松拉刀而设置在转轴体内的机构。其中拉刀器视电主轴转速、传递扭矩的不同可选用HSK、瓣爪、钢球拉刀等不同型式。5)松刀气、液压缸 电主轴松刀时向松拉刀机构提供动力源的部件。6)轴承自动卸载系统 电主轴处于松刀状态时，用以自动卸去轴承上承受的过大冲击负荷的系统。7)刀具冷却系统 在统一设计前提下，电主轴单元对刀具冷却通

32、道采取统筹兼顾的措施。常见的电主轴单元中刀具冷却形式可分两种：超高速电主轴刀具冷却选用内冷式，高速电主轴刀具冷却选用外冷式。8)编码安装调整系统 加工中心、大型数控车用电主轴需具备准停、准位功能，因此，必须在电主轴单元中安装能实现速度反馈和传递位置信号的磁性编码器。其中钢质码盘应安装在转轴本体上，接收器应牢靠地安装在电主轴外壳上，同时应便于调整。1.3.3国内外发展现状国内外发展现状国外高速电主轴技术由于研究较早,电主轴单元发展较快,技术水平也处于领先地位,并且随着变频技术及数字技术的发展日趋完善,逐步形成了一系列标准产品,高转速电主轴在机床行业和工业制造业中普遍采用。最近及今后一段时间,着重

33、发展研究高速大功率、低速大扭矩、调速范围宽、能实现快速制启动、准确定位、自动对刀等数字化高标准电主轴单元。近几年美国、日本、德国、意大利、英国、加拿大和瑞士等工业强国投入巨资大力开发电主轴技术。著名的有德国的GMN公司、Siemens公司、意大利的Gamfior公司及日本三菱公司和安川公司等,它们的技术水平代表了这个领域的世界先进水平。沙洲职业工学院毕业设计（论文）第 10 页具有功率大、转速高,采用高速、高刚度轴承,精密加工与精密装配工艺水平高和配套控制系统水平高等特点。瑞士IBAG公司产品范围宽，几乎能生产任何转速、功率、扭矩和尺寸的电主轴，其最大转速可达140 000 r/min，功率为

34、0.12580 kW，扭矩为0.02300 Nm，直径为33300 mm。其中HF系列陶瓷轴承电主轴的最高转速达24 000 r/min，最大输出功率为185 kW；AM系列磁浮轴承电主轴的最高转速达70 000 r/min，最大输出功率为99kW。德国CyTec Systems公司生产的Cyspeed系列电主轴最高转速达40 000 r/min，最大输出功率为50 kW。美国Ingersoll公司生产的HVM800型卧式加工中心的电主轴最高转速达15 000 r/min，由静止升至最高转速仅需15s。美国Precise公司生产的用于钻铣金属、木材和塑料的中小功率电主轴，最高转速达120 00

35、0 r/min，最大功率为12kW。瑞士STEP-TEC公司的HVC系列电主轴，德国GMN公司的HC系列高速电主轴，日本NSK公司的M系列电主轴都具有刚度。高、功率大和调速范围宽的特性，完全适用于高速、高效加工。目前，国际上工业发达国家正在研制转速高达250000r/min的实用主轴，加工中心用主轴的转速在10 000 20 000 r/min，数控机床的加工精度普遍已达到1 m的水平。高速加工的研究已转移到难加工材料的切削加工上。我国大型数控铣、加工中心和数控车床实用型电主轴的开发始于 1998 年。迄今为止，洛阳轴研科技公司已能开发生产 8 大类，20 个系列，200 多种电主轴产品，功率

36、从0.2kW100kW，加工中心用电主轴大型的可达外径 318 毫米，扭矩 200Nm，小型号外径80 毫米，5 万 r/min。它开发的加工中心、高速铣床和车床用电主轴，已与国产高速机床和国产并联机床配套投入使用。与此同时，北京机床研究所也相继开发出用日本 FUNAC 电机组装的20000r/min、24000r/min 电主轴。北京机电研究院、上海第二机床厂等单位，利用德国 REXROTH 的电机组装成转速高于 10000r/min 的电主轴。北京第一机床厂和日本大隈合作也开发出转速高于 10000r/min 的电主轴。近期又有汉川机床厂，济宁博特精密丝杠制造有限公司等数家企业相继投入开发

37、电主轴单元的行列。虽然近年来国产电主轴的开发取得了很大的进步，但与国外产品相比较，国产的电主轴无论是性能、品种和质量都有较大差距，所以目前国产的高转速、高精度数控机床和加工中心所用的电主轴，仍然主要从国外进口。沙洲职业工学院毕业设计（论文）第 11 页1.3.4电主轴发展趋势电主轴发展趋势国外电主轴技术发展趋势是研究高速大功率、低速大扭矩、高精度高刚度、调速范围宽、能实现快速制启动、准确定位、自动对刀等数字化高标准电主轴单元。国内电主轴的主要研究方向是8：1）以减少发热、提高主轴功率密度为目标，解决永磁同步电动机容量低、弱磁困难的技术难题，研制开发永磁同步型电主轴及其驱动系统。2）以提高主轴寿

38、命、减少维修为目标，解决国内液体动静压轴承最高转速低的问题，研制开发液体动静压轴承作为支承的高速精密大功率电主轴。3）以优化电主轴动态和热态特性为目标，加强滚动摩擦接触界面的非线性刚度变化规律、主轴多区段热扩散变形规律及主轴热变形与振动耦合效应等应用课题研究，研制开发“轴承-主轴-电动机-基础”一体化的电主轴动态热态分析软件。4）以提高制造高精度为目标，研制开发用于电主轴零部件精密加工和精密装配的新工艺、新工装和专用机床。5）进一步提高和完善现有的陶瓷球混合轴承的设计制造技术，完善陶瓷球轴承的理论基础研究，确定实用设计标准。研究全陶瓷主轴单元及其关键技术，进一步提高电主轴的动、静态精度（如主轴

39、径向圆跳动、回转精度、轴向窜动、加工中心用电主轴圆周定向精度等）。6）研究开发更方便、更精确的润滑方法，改善陶瓷球轴承高速下的润滑状态，提高其使用寿命。加强油气润滑、喷油润滑、环下润滑等新型少油润滑技术研究，为高速电主轴未来的发展开辟新的途径。7）加强在高速电主轴设计的转子动力学特性研究。滚动轴承是非线性支承单元，其支承刚度是转速、载荷的非线性函数，动刚度小于静刚度。仅仅以静态情况下的模态试验结果作为设计或者判定电主轴轴系转子动力学特性的依据，显然是不合适的。受轴承支承刚度变化的影响，按静态计算或试验所得的电主轴的临界转速明显高于其运行时的实际临界转速。因此，必须考虑转速对轴承支承特性的影响。

40、8）加快研究电主轴单元在线动平衡技术，提高电主轴运转精度。9)加强计算机仿真技术在高速电主轴设计中的应用研究。开发集方案设计、工艺分析和结构设计等子专家系统于一体的并行式多专家电主轴 CAD 设计系统。沙洲职业工学院毕业设计（论文）第 12 页第第 2 章章动平衡的理论研究基础动平衡的理论研究基础现代数控机床的高速化发展，要求主轴转速提高。但机床主轴组零件在制造过程中，不可避免会因材质不均匀、形状不对称、加工装配误差而导致重心偏离旋转中心，使机床产生振动和振动力，引起机床噪声、轴承发热等。随着转速升高，不平衡引起的振动越加激烈。转子不平衡是旋转机械最常见的故障，约有一半以上的故障与转子不平衡有

41、关，因此，对不平衡故障的研究与诊断也最有实际意义。2.1、 转子的分类转子的分类2.1.1临界转速临界转速临界转速是指对应于转子振幅及传送力的局部最大值(local maximum)的速度区域。良好的动力设计必须使临界转速避开转子系统的工作速度。同步旋转振幅、转子平衡、轴承动力、结构物产生噪音(structureborne noise)、及共振颤动的临阐点等，都受到机械系统的临界转速位置的直接影响，而在转子己经平衡，并赋予适当的轴承阻尼时，机器的临界转速是在对系统毫无影响的情况下通过的，而且其非临界运转(noncriticaloperation)时的运行状况应该是平稳的。2.1.2转子分类转子

42、分类大体上转子可以分为两大类：刚性转子及挠性转子。如果转子的工作转速远低于其一阶临界转速，此时不平衡离心力相对较小而转子刚度大，挠曲变形可以忽略(不平衡力引起的挠曲变形与转子偏心量相比很小)，这种转子称为刚性转子。反之，不平衡力引起的挠曲变形不能忽略的转子称为挠性转子(或柔性转子)。工程上通常把工作转速是否超过其第一阶临界转速作为挠性转子与刚性转子的分界。但是从平衡的角度来讲，国际标准协会的五级分类和KFedern提出的转子柔性的办法更加细致。五级转子分类如下：第一级：刚性转子。转子设想成刚性的，其不平衡可以在任何两面(任意选定)上校正，校正后，其不平衡可以在转速升至最大运转速率后仍无有意义的

43、变化。沙洲职业工学院毕业设计（论文）第 13 页第二级：准挠性转子。转子不能设想成刚性的，但却能在低速平衡机械中加以适当地平衡。第三级：挠性转子。转子无法在低速机械中加以平衡，而需要使用到某些合适的高速平衡技术。第四级：挠性固着转子。转子可以归类为一级、二级或三级的转子，但本身却附加具有挠性的构件，如风扇叶片。第五级：单速挠性转子。转子可以是第三级的转子，但因某种缘故只于一个使用转速下加以平衡而已。刚性转子与挠性转子两者的动力学特性有很大不同，因而它们的平衡方法差异很大。2.2、 转子故障的分类转子故障的分类(1)转子不平衡。转子不平衡包括转子系统的质量偏心即转子部件出现缺损。其主要振动特征为

44、：振动的时域波形为正弦波；频谱图中谐波能量集中于基频；工作转速一定时，相位稳定；转子的轴心轨迹为椭圆；转子的运动特征为同步正运动；振动的强烈程度对于工作转速的变化很敏感。(2)转子弯曲。转子弯曲包括转子弓形弯曲和临时性弯曲两种故障。转子弓形弯曲是由于转子结构不合理、制造误差大、材质不均匀、转子长期存放不当等，发生永久弯曲变形。转子临时性弯曲是指转子的转轴有较大预负荷、开机运行时暖机不足、升速过快、加载太大、转轴热变形不均匀等原因造成的。旋转轴弯曲时，由于弯曲所产生的力和转子不平衡所产生的力相位不同，两者之间相互作用有所抵消，转轴的振幅将在某个速度下减小。当弯曲的作用小于不平衡时；振幅的减小发生

45、在临界转速下；当弯曲的作用大于不平衡时，振幅的减小就发生在临界转速以上；转子无论发生弓形弯曲还是临时性弯曲，它都要产生与质量偏心类似的旋转矢量激振力，同时在轴向发生与角频率相等的振动。这两种故障的机理与转子质量偏心相同。不同之处是，具有转子弓形弯曲故障的机器，开机时振动就较大；而转子临时性弯曲的机器，是随着开机升速过程振幅增大到某一值后振幅有所减小。(3)转子不对中。由于机器的安装误差、承载后的变形以及机器基础的沉降不均等，造成机器工作状态时各转子轴线之间产生轴线平行位移、轴线角度位移或综合位移等对中变化误差，统称为转子不对中。其主要的振动特征为：特征频率为角频率的2倍；由不对中故障产生的转子

46、的激励力幅，随转速的升高而加大；激励力幅与沙洲职业工学院毕业设计（论文）第 14 页不对中两成正比，随不对中量的增加，激励力幅呈线性加大。此外，引起转子故障的原因还有：油膜涡动和油膜振荡、旋转失速、喘镇、转子支承系统的联接松动等。2.3、 转子动平衡的动力学基础转子动平衡的动力学基础2.3.1静不平衡与动不平衡静不平衡与动不平衡由于设计和结构方面的因素，以及材质不均匀以及制造安装误差等原因，所有实际转子的中心惯性主轴都或多或少地偏离其旋转轴线，这样，当转子转动时，转子各微元质量的离心惯性力所组成的力系不是一个平衡力系，这种情况称为转子不平衡或失衡。一般转子几乎都是不平衡的，要使一个不平衡转子变

47、为平衡转子，就要重新调整转子的质量分布，即在某个局部加重或去重，使转子的中心惯性主轴和旋转轴一致，转子成为平衡的转子。转子不平衡的情况有以下四种：(1)主矢不为零主矩为零这种不平衡相当于把一个不平衡质量m加在一个质量为M、半径为R的平衡转子的中心平面上。如图2-1所示，这时转子新的重心位于原来重心平面内，距原来重心的距离为e(e为偏心距，e=mr/M)，新的中心惯性主轴和转动轴线始终平行，当转子旋转时，由偏心距引起离心惯性力使轴承产生振动，要使这种转子平衡，只需在中心平面内m的对称位置加一相等的质量，转子就平衡了。这种惯性力系简化为一通过质心的合力的不平衡称为静不平衡。图 2-1 000,0R

48、M(2)主矢和主矩不为零但相互垂直这时，主矢在合力偶的作用平面内，由于0，0但垂直于，0R0R0M0R0M故可进一步向点简化，使=0，而=0。这样新的主矢便是惯性O0M0R0R0R沙洲职业工学院毕业设计（论文）第 15 页力系的合力，作用于点(不是质心)。这种不平衡相当于在平衡转子M的过点的OO平面上加上不平衡量m，这时中心惯性主轴和转动轴线相交，如图2-2所示。由于转子的惯性力系最后的简化仍可以得到一个单独的合力，这种不平衡称为准不平衡，0R平衡这种转子也只需在某一特定的平面上加上或去除一定的质量。图 2-2 00000,0,RMRM(3)主矢为零主矩不为零即=m=0, =0,故转动线通过质

49、心。O,O,0，这说明惯性0Rcr2crM yzJzxJ力系合成一个力偶，可以用两个等重量的不平衡量分别加至平衡转子的两个平面上表示，如图2-3所示。因不平衡量为力偶，故称为偶不平衡，中心惯性主轴通过质心而与转动轴线相交成角。要平衡这种转子不能单独用一个力来平衡，即不能在一个平面上加重或去重，而必须在两个平面上加重或去重，方能使转子得到平衡。图2-3 000,0RM(4)主矢和主矩不为零且不相互垂直0，0且、不垂直，这是最0R0M0R0M普遍的不平衡现象，如图2-4所示。这相当于静不平衡和偶不平衡的组合。称为动不沙洲职业工学院毕业设计（论文）第 16 页平衡。转子的中心惯性主轴和转动轴线既不平

50、行也不相交，这种不平衡不能在进一步简化，既不可能在某一个平面上，而必须在两个或多个平面上加重或去重才能使转子平衡。图2-4 00000,0,RMRM上述四种情况中，对前两种的校正平衡称为静平衡，而对后两种则称为动平衡。任何一个不平衡的转子经过动平衡校正后，不仅消除了偶不平衡，同时也消除了静不平衡。这时转子的中心惯性主轴和转动轴线也就完全一致了。2.3.2刚性转子的平衡刚性转子的平衡对于刚性转子，不平衡离心力引起的转子挠曲可以忽略，因此可以用刚体力学的办法处理其平衡问题。这时平衡转速一般选得低于第一临界转速，故又称低速平衡。刚性转子二面平衡原理口门如下：任一不平衡的刚性转子都可以在两个与转轴垂直

51、的平面上进行校正地得到平衡。一般刚性转子便是遵照此原理在一个或两个与转轴垂直的平面上加重或去重以实现平衡的。2.3.3挠性转子的平衡挠性转子的平衡与刚性转子不同，挠性转子平衡又称高速平衡，对于挠性转子必须考虑在不平衡离心力作用下转子产生的挠曲变形在不同转速下，离心力大小不一样，因之转子有不同的挠曲变形，轴承的振动和动反力亦不同。亦即：挠性转子的不平衡状态是随转速变化的。尽管在某一转速下，一个挠性转子已经按上面所述的刚性转子平衡方法实现平衡，那么一旦转速改变，它又失去平衡。实际的平衡过程是在一个或几个平衡转速下在有限的几个校正平面加校正质量，其中怎样选择校正平面和平衡转速、怎样确定校正质量的大小

52、和方位，这正是挠性转子平衡所要解决的问题。沙洲职业工学院毕业设计（论文）第 17 页2.4、 现有动平衡技术分析现有动平衡技术分析转子振动系统都可简化成如图2-5所示的振动模型，即由许多薄圆盘和不计重量的轴及支承组成，转子的振动可归结为圆盘的几何中心与旋转中心不重合而引起的。平衡的根本任务就是设法使圆盘的几何中心与旋转中心重合(多圆盘时的平衡1O2O是指检测处设法使圆盘的几何中心与旋转中心重合)。当圆盘绕其旋转轴以角1O2O速度旋转时，由于、不同心，产生不平衡量，使转子系统产生振动。1O2O2me从不平衡量形成的原因着手，主要有两种平衡思路：第一种是从几何观点出发，设法将平衡圆盘的质心移到；第

53、二种是用一强制力与不平衡量相消(大1O2OF2me小相等、方向相反)。实际上各种自动平衡装置都是根据这两种思路设计的。图2-5 转子振动系统简化模型归纳起来可分为三大类，第一类是从质量方面着手，通过加重去重方法直接将平衡圆盘的几何中心移到旋转中心，称之为直接在线动平衡装置，包括喷涂法、喷液法及激光去重法等。第二类是采用力的方法，即给圆盘长期提供与不平衡力方向相反、大小相等的力，当圆盘旋转时，将其重心强行拉到旋转中心，称为问接在线动平衡装置，如采用电磁轴承方法及电磁圆盘方法等。第三种是通过某种方式改变平衡头(盘)内部质量分布(不加重，也不去重)，使其几何中心与旋转中心重合，质量的重新分布可通过机

54、械方法或电磁方法进行，称这种平衡装置为混合型在线动平衡装置。在线动平衡装置的分类情况如图2-6所示。沙洲职业工学院毕业设计（论文）第 18 页图2-6 在线自动平衡装置分类图2.4.1直接在线动平衡装置直接在线动平衡装置(1)喷涂型在线动平衡装置图2-7 喷涂型在线动平衡装置示意图这是一种加重式在线自动平衡装置，装置原理图如图2-7所示。通过喷射枪将高粘度物质喷射到转子上，改变转子重心位置，实现转子动平衡。这种平衡方法存在的问题是，高粘度喷射物质以高速喷射并粘附在转子上，根据，在很短的mvFt时间内产生较大的冲击，使转子产生新的不平衡量； 喷射物质粘附在转子上，严重影响转子表面质量； 此外，喷

55、射速度限制了转子的旋转速度。这种平衡装置一般用在小型旋转机械或精密仪器制造生产线上。(2)喷液型在线动平衡装置这也是一种加重式在线动平衡装置。在转子端部装上喷液平衡头，平衡头的结沙洲职业工学院毕业设计（论文）第 19 页构如图2-8所示。根据所测到转子振动信号，由单片机或微机控制喷枪，将液体喷射到平衡头上相应的容腔中，以改变平衡头的重心位置，达到在线动平衡。该装置存在一些问题：由于容腔容量有限，平衡能力受到限制；容腔中液体挥发，影响平衡精度。图2-8 喷液型平衡头示意图(3)激光去重在线动平衡装置通过控制脉冲激光束的发射时间、脉冲宽度及能量大小，使转子材料在微秒量级时间内气化，改变转子的几何中

56、心，从而对转子系统进行动平衡。该装置存在一些问题：通过激光束使转子上的金属气化，留下许多伤痕，降低转子的疲劳极限，缩短了转子系统的使用寿命；平衡过程中产生飞边、毛刺和氧化物，严重影响表面质量；金属气化过程中，金属微粒以蒸气的形式散在空气中，污染环境，危害人体健康；由于激光束短时气化微量金属，平衡能力受到限制。所以，激光在线动平衡对于汽轮机组、大型压缩机等巨型转子系统的平衡是不适用的，一般只适用于小型机构的平衡，如牙钻、陀螺仪等。2.4.2间接在线动平衡装置间接在线动平衡装置这种装置是在平衡头(盘)上加上与不平衡离心力大小相等、方向相反的力，抵消不平衡量，达到转子系统的动平衡。主要包括电磁轴承型

57、在线动平衡及电磁圆盘型在线动平衡。这类装置的平衡原理基本一致，通过变频器在电磁轴承处或平衡圆盘处，长期为转子系统提供与转子旋转角速度相同频率的平衡电磁力，实现转子系统的在线动平衡。它有一个严重不足，就是转子在运行过程中一直受平衡电磁力的作用，对于长期运行的旋转机械来说，能耗大。沙洲职业工学院毕业设计（论文）第 20 页2.4.3混合型在线动平衡装置混合型在线动平衡装置混合型在线动平衡基本原理：由检测系统测量转子系统的振动信号，通过控制系统，改变装在转子轴上并与转子系统一起旋转的平衡头内部的质量分布，产生大小、方向可控的平衡力，以平衡转子系统的不平衡激振力。平衡头内部质量的分布一般是由两个平衡质

58、量块来调节的。根据平衡质量块在平衡头上移动的轨迹，调整的方式可分为三种，即直角坐标式、极坐标式及混合坐标式。直角坐标式(如图2.9a)平衡质量块相对平衡头只作径向移动，每个平衡质量块相对于平衡头只改变大小，不改变方向。极坐标式(如图2-9b)平衡质量块相对于平衡头只作周向移动，各个平衡质量块产生的平衡力只改变方向，不改变大小。混合坐标式(如图2.9c)平衡质量块既可做径向移动，又可做周向移动，平衡力既改变大小，也改变方向。（a）直角坐标式 （b）极坐标式 （c）混合坐标式图2-9 平衡质量块移动轨迹示意图混合型在线动平衡装置在转子产生不平衡振动时，调整平衡质量块的位置，对转子系统进行动平衡。转

59、子系统平衡后，不再对平衡头输入能量，即可切断电动机电源或撤消拖动平衡质量块移动的电磁力。根据驱动平衡质量块移动方式及控制方式的不同，混合在线动平衡装置可分为电动机型、遥控型及电磁型在线动平衡装置。电动机型混合在线动平衡装置是指平衡质量块是由电动机驱动，而电动机则是通过电刷与控制系统相联接的。遥控型混合在线动平衡装置是指平衡质量块是由电动机驱动，电动机则是由控制系统无线遥控的(如微波遥控、红外遥控及超声波遥控等)。电动机型及遥控型混合在线动平衡装置是由电动机驱动平衡质量块在平衡头上做相对运动，电动机及传动装置也以同样转速随转子系统旋转，故这类平衡装置一般不适合高速转子的在线动平衡。所谓电磁型混合

60、在线动平衡装置是通过电磁力拖动平衡质量块相对平衡头移动的动平衡装置。电磁型混合在线动平衡装置中平衡质量块不是由电动机驱动的，而沙洲职业工学院毕业设计（论文）第 21 页是由外加电磁力拨动，其平衡块的位置一般由影响系数法计算确定，影响系数法是最好的动平衡方法，它不仅表明有关不平衡响应系统的变化的回转速度功能，而且表明了系统的动态特性。从理论上讲可以解决高速转子系统的在线动平衡问题。它克服了间接型在线动平衡装置的先天不足，节约了能源。但是，由于运用影响系数计算平衡块位置，所以其平衡过程需要一定的响应时间。沙洲职业工学院毕业设计（论文）第 22 页第第 3 3 章章高速电主轴在线动平衡装置设计高速电

61、主轴在线动平衡装置设计3.1、 电主轴主要技术参数电主轴主要技术参数电主轴的基本参数和主要规格包括:套筒直径、最高转速、输出功率、计算转速、 计算转速转矩和刀具接口等。其中计算转速又称额定转速，是指恒转矩驱动与恒功率驱动的交汇点,参见图3-1和图3-2。它相当于图3.2中的A点，即小图 3-1 功率、转矩曲线 图 3-2 功率-转速特性于计算转速时为恒转矩驱动， 大于计算转速时为恒功率驱动。计算转速转矩为转速小于和等于计算转速的转矩。一般电主轴型号中含有套筒直径、最高转速和输出功率这3 个参数。电主轴还有以下一些重要的性能参数：精度和静刚度临界转速残余动不平衡值及验收振动速度值噪声和套筒温升值

62、拉紧刀具的拉力值和松开刀具所需液（气）压力的最小和最大值使用寿命值电主轴与刀具的接口3.2、 动平衡装置设计动平衡装置设计第二章动平衡相关理论基础表明，基于电机工作原理的电磁式间接在线动平衡头和基于影响系数法动平衡控制的电磁式在线混合动平衡头都是简单可靠并适用于沙洲职业工学院毕业设计（论文）第 23 页高速回转系统的结构。其中，对于间接在线动平衡，它的优点在于，实现动平衡过程时间极短，实现了在线实时补偿；缺点在于，转子在运行过程中一直受平衡电磁力的作用，对于长期运行的旋转机械来说，能耗大。对于电磁型混合在线动平衡头，它的优点在于，转子系统平衡后，撤消拖动平衡质量块移动的电磁力，不再对平衡头输入

63、能量，它克服了间接型在线动平衡装置的先天不足，节约了能源；缺点在于，由于影响系数法计算平衡块位置的过程需要一定的时间，对于对振动时间敏感的情况，比如精密仪器的加工等，该平衡头就不能满足加工要求。可以将两者结合使用，达到优势互补的效果。运用于高速电主轴，实现一种节能的在线实时动平衡补偿装置。3.2.1总体模型设计总体模型设计建立如图3-3所示的高速电主轴动平衡实验装置。该装置采用高速电主轴：悬臂平衡头系统，支撑采用陶瓷轴承。电主轴工作过程中预先设定了振动大小(高速主轴的最大质量重心偏移量)的极限，当测量的振动值高于设定的参考值时，程序执行动平衡，甚至在程序完成平衡之后，随着旋转速度的改变而产生的

64、新的振动量再次大于设定值时，系统仍继续监测主轴状态。沙洲职业工学院毕业设计（论文）第 24 页图3-3 高速电主轴动平衡试验装置按照图3-3所示实验装置模型，要求传感器实时监测不平衡量、主轴转速、不平衡量相位、平衡盘b、c上平衡块b、c的相位。当出现超标不平衡振动时，由非接触式电涡流传感器接收振动信号并进行滤波；由光电传感器1、2分别测量主轴转速和振动相位。这三路电信号经A/D转换后进入单片微机控制系统，数据处理后计算出精确的不平衡量大小及相位。得到的不平衡振动量和影响系数事先输入程序中，用来计算平衡块矢量，确定最佳相位角。其信号经环形分配器分配后控制驱动电路驱动平衡头工作。3.2.2动平衡装

65、置结构设计动平衡装置结构设计动平衡装置结构设计原理图见图3-4所示，控制过程原理图见图3-5所示。沙洲职业工学院毕业设计（论文）第 25 页图3-4 动平衡装置结构设计简图图3-5 控制过程原理图按照图3-4所示平衡头模型，结合图3-5控制过程原理图，首先，在aa工作部分处，通过控制电路驱动调节定子铁心a的励磁电流i、相位导通时间t、初始导通相r产生时空旋转电磁力F1，F1与不平衡力F大小相等、相位相差180。，实时的补偿不平衡力；接着，在平衡头的b-b、c-c工作部分处，电磁铁b、c导通，按照如下两步骤依次进行：第一步，控制程序调节电流逐渐增加电磁力，当增加至与弹性元件弹沙洲职业工学院毕业设

66、计（论文）第 26 页性力相等时，保持电流恒定，此时滑盘b、c处于受力平衡状态，可以自由转动；第二步，定子铁心b、c导通励磁电流i，由数据运算处理器驱动电路，通过所设的影响系数法移动原则控制平衡块的移动过程，使平衡盘b、c旋转到需要方向，合成与不平衡力F大小相等方向相反的力F2，并且由于运用了影响系数法控制策略，在平衡块转移动到所需位置时，平衡盘达到与主轴同步旋转的速度。注意，此时F2并未施加于电主轴。最后，数据运算处理器驱动电路发出新指令，电磁铁b、c及定子铁心a、b、c同时断开，平衡盘b、c被压板b、c牢牢压紧，在足够大的摩擦力作用下与电主轴同步旋转。此时时空旋转电磁力消失，平衡块合成力F2使转子系统质量再分布，使整个高速电主轴系统达到一定的动平衡精度。之后，保持该平衡状态，结束此次平衡工作。3.2.3a-a 截面工作原理截面工作原理以滑盘座上的圆柱表面(材质为铁磁材料)作为作用平面，定子铁心a沿圆周均匀开槽，控制绕组每相平均占相邻两槽，如图3-6所示。槽数z、相数m、槽距角a和相带角r的关系为： （3-1）2mr （3-2）z2m为了使定子便于拼接，即易于分成多块对称结构，如最简