电主轴步进应力加速退化试验优化设计方法研究

发布时间：2020-11-08 18:19

　　 随着高速切削技术的迅速发展,电主轴在数控机床上得到了越来越广泛的应用,是数控机床的关键功能部件。我国是世界上机床消费和生产第一大国,然而中高档数控机床的电主轴、刀库、刀架等关键功能部件主要依赖进口,其主要原因就是关键功能部件的可靠性水平低、故障频发。目前复杂机电系统的可靠性概率设计依然不成熟,可靠性试验是提高其可靠性水平的主要技术途径。电主轴属于高可靠性产品,短时间内无法通过传统的可靠性试验来获取充分的故障数据,其可靠性试验具有试验周期长、试验费用高的特点。国内研制企业为了节省费用通常不开展电主轴可靠性试验,或仅通过简单的性能试验来代替可靠性试验,为此很难得到可用的电主轴故障数据。为了降低电主轴可靠性试验费用,必须采用加速退化试验来快速地主动激发电主轴的故障,在短时间内获得可用于电主轴可靠性评估、故障分析的基础数据。如何在有限的条件下开展电主轴加速退化试验是开展电主轴加速退化试验所面临的一个亟待解决的问题。本文以国产电主轴为研究对象,在分析电主轴结构、工作原理和退化机理的基础上,提出了一套电主轴步进应力加速退化试验优化设计方法及其评价体系,最后通过模拟评价验证了所提方法的有效性。本文主要研究内容如下:1.从电主轴的基本结构和工作原理进出发,分析了电主轴的退化机理,以转速和径向力为加速应力,以径向跳动为退化特征量,建立了电主轴的加速退化模型。在此基础上搭建了电主轴加速退化试验系统。2.在不改变电主轴故障模式、故障机理的前提下,对电主轴步进应力加速退化试验方法进行了研究,提出了基于可靠性评估精度的优化准则,建立了电主轴步进应力加速退化试验优化设计模型,并运用极大似然估计方法进行参数估计。3.提出了基于遗传算法的加速退化试验优化设计方法,并结合电主轴步进应力优化设计模型,进行了电主轴的步进应力加速退化试验优化设计。综合考虑了试验的准确性和鲁棒性,提出了改进的优良试验方案,最后对优良试验方案进行了敏感性分析。4.以可靠度估计值的方差和标准离差为评价指标,提出了基于蒙特卡罗仿真的电主轴步进应力加速退化试验的模拟评价方法,并对不同的优化试验方案进行了评价,验证了本文提出的优化设计方法的有效性。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG659
【部分图文】：

定子铁芯属于磁路，是由硅钢片叠压而成的一个整体结构，定子硅钢片结构如图2.2 所示。其中硅钢片之间是绝缘的，用以减少涡流损耗，铁芯的内圆有定子槽，用以安放线圈。定子绕组是电主轴的电路部分，定子绕组的匝数、材料、磁极对数会影响电主轴的转速及性能。转子由转子铁芯、绕组组成，转子铁芯与定子铁芯相似，是由硅钢片叠压而成的一个整体结构，转子硅钢片结构如图 2.3 所示。转子与转轴相互固定，转轴对轴承和转子硅钢片进行定位，并起到输出转速和扭矩的作用。转轴的内部中空结构，集成了拉刀机构，起到拉紧和松开刀柄的作用。此外，转子和定子之间有一定的气隙，起到将电磁能转化为机械能的作用。图 2.2 定子硅钢片结构 图 2.3 转子硅钢片结构电主轴的后端部一般装有用于信号监测的传感器，可以实时监测电主轴的速度和温度，并将信号反馈到变频器或者驱动器，从而实现电主轴的闭环控制。电主轴的前端部设置有内锥孔，用于和刀柄配合，实现刀柄的定位。

因此轴承的性能就变得非常重要，会直接影响到加工机床的加工精度及可靠性为了达到电主轴高速稳定运行的要求，已经研发了很多不同材料和类型的轴承目前运用最广的是陶瓷球轴承，其滚动体使用的是3 4Si N 陶瓷，这种材料的耐磨性和耐高温性都很优良，且寿命较长，非常使用于转速高，载荷大的场合。电主轴与电动机中的结构、工作原理基本相同。定子主要由铁芯和绕组构成定子铁芯属于磁路，是由硅钢片叠压而成的一个整体结构，定子硅钢片结构如图2.2 所示。其中硅钢片之间是绝缘的，用以减少涡流损耗，铁芯的内圆有定子槽，用以安放线圈。定子绕组是电主轴的电路部分，定子绕组的匝数、材料、磁极对数会影响电主轴的转速及性能。转子由转子铁芯、绕组组成，转子铁芯与定子铁芯相似，是由硅钢片叠压而成的一个整体结构，转子硅钢片结构如图 2.3 所示转子与转轴相互固定，转轴对轴承和转子硅钢片进行定位，并起到输出转速和扭矩的作用。转轴的内部中空结构，集成了拉刀机构，起到拉紧和松开刀柄的作用。此外，转子和定子之间有一定的气隙，起到将电磁能转化为机械能的作用。

图 2.4 电主轴工作原理图转速公式为：60(1 )fn Sp= …………………轴定子电源输入频率，单位 Hz；对数；率。电与定子绕组接通后，会产生不断变化的旋转磁场，定生成电流，从而在磁场力的作用下产生转矩，最终转子转子带动转轴转动。输入的三向交流电的相序发生改会发生改变，因此若想改变电主轴的旋转方向，只需改变三相电中任意两根线的接线。mD n 表示轴承中径与
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 葛蒸蒸;赵文晖;李玉伟;;基于非参数统计的加速退化试验优化设计[J];现代防御技术;2015年06期

2 罗赓;穆希辉;牛跃听;杜峰坡;王永南;;基于粒子群算法的步降加速退化试验优化设计[J];电光与控制;2015年06期

3 马帅;伞红军;吴智恒;张华伟;雷群;;高速电主轴技术综述[J];机械制造;2014年05期

4 蒋喜;刘宏昭;刘丽兰;訾佼佼;;基于伪寿命分布的电主轴极小子样可靠性研究[J];振动与冲击;2013年19期

5 杨兆军;陈传海;陈菲;李国发;;数控机床可靠性技术的研究进展[J];机械工程学报;2013年20期

6 潘刚;梁玉英;吕萌;张国龙;;双应力步降加速退化试验优化设计Monte-Carlo仿真[J];电光与控制;2013年06期

7 潘刚;梁玉英;吕萌;张国龙;;基于Monte-Carlo仿真的双应力步降加速退化试验优化设计统计分析研究[J];计算技术与自动化;2012年04期

8 潘骏;王小云;陈文华;许仕伟;高亮;钱萍;;基于多元性能参数的加速退化试验方案优化设计研究[J];机械工程学报;2012年02期

9 李彦光;;高速切削关键技术发展现状综述[J];机械工程师;2011年04期

10 边霞;米良;;遗传算法理论及其应用研究进展[J];计算机应用研究;2010年07期

相关博士学位论文 前2条

1 张相贤;基于极值理论的金融资产配置研究[D];东华大学;2011年

2 康辉民;高速电主轴静动态性能分析与实验检测技术[D];重庆大学;2010年

相关硕士学位论文 前4条

1 朱岩;电主轴可靠性试验台模拟切削力加载方法与试验的研究[D];吉林大学;2014年

2 王凯;高速电主轴电液伺服加载的可靠性试验台研制[D];吉林大学;2013年

3 侯雨辰;高速电主轴扭矩加载试验台的研制[D];吉林大学;2012年

4 胡爱玲;高速电主轴动静态特性的有限元分析[D];广东工业大学;2004年

本文编号：2875156