精密主轴系统回转精度劣化机理研究

发布时间：2017-05-04 07:05

  本文关键词：精密主轴系统回转精度劣化机理研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：精密主轴系统是数控机床的核心部件,主轴系统性能劣化程度将直接影响加工工件的质量。主轴系统回转精度的变化受到轴承磨损、发热、振动、噪声等因素的影响。研究主轴系统回转精度劣化机理可以得到机床在服役期内其回转精度逐步劣化最终超过规定范围而不能完成规定功能的一般规律。本文以高速电主轴和数控机床主轴系统为研究对象进行主轴系统回转精度劣化机理的研究。确定主轴系统性能劣化特征量。分析影响主轴系统回转精度的因素,选取主轴系统平均径向误差和轴心轨迹作为衡量主轴系统性能劣化指标。平均径向误差显示了主轴系统径向振幅的平均值。轴心轨迹作为主轴系统整体的输出,是主轴系统磨损、热变形、振动、噪声等信息的融合,能够全面体现主轴系统的性能状态。从静力学、动力学和热分析角度对轴承劣化机理进行研究。轴承是主轴系统的关键零件,轴承劣化情况决定了主轴系统的性能状态。在静力学部分,推导了混合陶瓷球轴承曲率和、曲率差、接触应力、应变计算公式。对轴承滚珠与轴承内外滚道的接触应力、应变、次表面应力进行分析,发现轴承内滚道受力最大,变形最大。在动力学部分,计算了混合陶瓷球轴承在高速旋转时的离心力和陀螺转矩。在轴承基本尺寸无法改变的情况下,采用密度小的陶瓷材料制成的滚珠有利于降低离心力和陀螺转矩,进而减少摩擦生热,延缓轴承劣化。在热分析部分,当轴承承受最大额定静载荷与最大额定动载荷时,轴承内圈发热最多,滚珠次之,外圈发热最低。利用流形学习算法提取主轴系统轴心轨迹微弱特征,建立主轴系统劣化状态识别模型。利用轴心轨迹时频域特征建立高维特征空间,利用流形学习算法从高维特征空间提取轴心轨迹低维流形特征。通过转子试验台模拟主轴系统由正常状态到不平衡状态再到碰摩状态的劣化过程,建立主轴系统不同劣化状态的低维流形结构。流形学习算法中的LTSA算法和Laplacian算法能够有效地区分主轴系统正常、不平衡、碰摩状态下的轴心轨迹低维流形特征,对不同劣化状态进行了识别和分类。进行主轴系统回转精度劣化试验研究,建立主轴系统回转精度劣化模型。以CJK1630数控机床为基础,设计制造主轴加载装置。搭建主轴系统热变形测试试验台与动态误差测试试验台。实现主轴系统热变形和平均径向误差实时在线测量。对主轴系统进行热变形试验,平均径向误差随时间、温度劣化试验,空载、加载平均径向误差随速度变化试验。通过平均径向误差随时间劣化试验和模型拟合,确定机床主轴系统回转精度劣化规律为线性规律。
【关键词】：精密主轴系统 轴心轨迹 平均径向误差 劣化机理 劣化模型
【学位授予单位】：机械科学研究总院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG659
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 引言11-20
• 1.1 课题研究的意义与来源11-12
• 1.1.1 课题研究的意义11-12
• 1.1.2 课题来源12
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势12-17
• 1.2.1 机械设备性能劣化研究现状及发展趋势12-14
• 1.2.2 精密主轴系统性能劣化研究现状14-16
• 1.2.3 高速轴承性能劣化研究现状16-17
• 1.3 课题研究目的和研究内容17-20
• 1.3.1 课题研究目的17-18
• 1.3.2 课题研究内容18-20
• 第二章 精密主轴系统回转精度劣化分析20-32
• 2.1 主轴系统回转精度影响因素分析20-22
• 2.2 主轴系统回转精度形成机理22-25
• 2.3 主轴系统回转精度劣化特征量的选取25-27
• 2.3.1 基本概念25-26
• 2.3.2 回转精度劣化特征量的选取26-27
• 2.4 主轴系统回转精度劣化特征量的动态测量27-31
• 2.4.1 轴心轨迹的动态测量28-30
• 2.4.2 平均径向误差的动态测量30-31
• 2.5 本章小结31-32
• 第三章 精密主轴系统轴承劣化机理分析32-59
• 3.1 轴承疲劳破坏机理32-33
• 3.2 轴承劣化静力学分析33-48
• 3.2.1 混合陶瓷球轴承球与套圈的接触应力与变形33-37
• 3.2.2 轴承滚道次表面切应力分析37-40
• 3.2.3 铣削电主轴混合陶瓷球轴承静力学分析40-47
• 3.2.3.1 前轴承接触应力与应变42-43
• 3.2.3.2 后轴承接触应力与应变43-44
• 3.2.3.3 前轴承次表面切应力44-46
• 3.2.3.4 后轴承次表面切应力46-47
• 3.2.4 前后轴承静力学分析结果比较47-48
• 3.3 轴承劣化动力学分析48-50
• 3.3.1 高速轴承动力学理论介绍48-49
• 3.3.2 高速混合陶瓷球轴承动力学分析49-50
• 3.3.3 高速轴承离心力与陀螺转矩对轴承劣化的影响50
• 3.4 轴承劣化热分析50-57
• 3.4.1 轴承发热理论分析50-54
• 3.4.2 轴承热态特性有限元分析54-57
• 3.5 本章小结57-59
• 第四章 精密主轴系统劣化状态识别研究59-79
• 4.1 微弱信号提取方法59-67
• 4.1.1 流形学习算法60-64
• 4.1.1.1 等距映射算法60-61
• 4.1.1.2 局部线性嵌入算法61-62
• 4.1.1.3 局部切空间排列算法62-63
• 4.1.1.4 拉普拉斯特征映射63-64
• 4.1.2 流形学习参数选择64
• 4.1.3 轴心轨迹高维特征空间构建与低维流形特征提取64-67
• 4.2 基于流形学习主轴系统劣化状态识别67-77
• 4.2.1 转子试验台搭建68-71
• 4.2.2 基于轴心轨迹流形学习参数选择71-72
• 4.2.3 轴心轨迹高维特征空间构建72-73
• 4.2.4 轴心轨迹低维流形识别与分类73-77
• 4.3 本章小结77-79
• 第五章 精密主轴系统回转精度劣化模型与试验研究79-98
• 5.1 主轴系统回转精度劣化建模79-80
• 5.2 主轴系统回转精度劣化试验80-91
• 5.2.1 试验台搭建80-82
• 5.2.2 试验台测量系统82-86
• 5.2.3 回转精度劣化试验86-91
• 5.2.3.1 主轴热变形试验86-89
• 5.2.3.2 回转精度随时间劣化试验89-90
• 5.2.3.3 回转精度随温度劣化试验90
• 5.2.3.4 回转精度随转速变化试验90-91
• 5.3 主轴系统回转精度劣化模型91-96
• 5.3.1 回转精度随时间劣化模型91-94
• 5.3.1.1 建立劣化模型91-92
• 5.3.1.2 劣化模型的分布检验92-94
• 5.3.2 回转精度随温度劣化模型94
• 5.3.3 回转精度随转速变化模型94-96
• 5.4 本章小结96-98
• 第六章 总结与展望98-100
• 6.1 论文工作总结与结论98-99
• 6.2 主要创新点99
• 6.3 工作展望99-100
• 参考文献100-107
• 致谢107-108
• 附录108-113
• 在学期间发表的学术论文和参加科研情况113-114
• 作者简介114

【参考文献】

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1 刘啸;;高速数控机床电主轴热误差机理分析[J];中国包装工业;2013年18期

  本文关键词：精密主轴系统回转精度劣化机理研究，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：344597