高速电主轴回转精度及静刚度测试研究毕业设计(论文)(编辑修改稿)

高速电主轴回转精度及静刚度测试研究毕业设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

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 1/3，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。 国内外高速电主轴技术的差距 重庆大学本科学生毕业设计 （论文） 1 绪 论 4 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300Nm以上，我国则多 在 100Nm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 r/min，国内电主轴 多在 15 000 r/min以下；其它类型的电主轴，国外最高转速为 300 000 r/ min， 我国 最高转速 则 为 150 000 r/ min。 （ 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。 本文的主要内容和研究条件 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。 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： ○ 1 硬件环境 万转（ 2GDZ15）和 6 万转（ 2GDZ60）的 高速电 主轴转矩转速实验装置 （包 重庆大学本科学生毕业设计 （论文） 1 绪 论 5 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 、 AR824/SL4001A 声级计、检验棒、千分表。 ○ 2 软件环境 操作系统： WindowsXP 程序控制软件： LMS Test LAB 7A 重庆大学本科学生毕业设计 （论文） 2 电主轴回转精度的测试 1 2 电主轴回转精度的测试 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。 电主轴回转精度测试 方法 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 )。 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。 它既重庆大学本科学生毕业设计 （论文） 2 电主轴回转精度的测试 2 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 接触式 径向跳动实测图 The contact radial runout test picture 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。 电主轴回转进度测试前的准备工作 ○ 1 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。 ○ 2 使主轴达到正常运转的温度。 ○ 3 对计量器具的要求和检验方法应参照 GB/ 的有关规定。 重庆大学本科学生毕业设计 （论文） 2 电主轴回转精度的测试 3 ○ 4 实验仪器如表 表 实验仪器目录 The experimental equipment directory 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 % 非线性度 % 1 套 万转电主轴径向 /端面跳动 LMS INSTRUMENTS 1 套 万转电主轴径向 /端面跳动 ○ 5 被测电主轴型号： 2GDZ15（ 万转）电主轴一台。 其中电主轴主要性能参数如表。 表 电主轴 主要性能参数 The electronic spindle major performance parameters 主轴 型号 转速 （ r/min） 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 2B7011C/P4（ 7角接触球轴承，0正常宽度 ， 11内径 d=55mm， C公称接触角 α=15176。 ， P4公差 等 级代号 ） 2B7009C/P4 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 所示。 图 径向跳动 The radial runout 重庆大学本科学生毕业设计 （论文） 2 电主轴回转精度的测试 4 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 ） 对其进行检测。 LMS 测试系统 如图 所示 图 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 ， 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 所示。 重庆大学本科学生毕业设计 （论文） 2 电主轴回转精度的测试 5 图 非接触式 原理图 The schematic diagram of noncontact method 图 LMS 测试系统 The LMS test system 重庆大学本科学生毕业设计 （论文） 2 电主轴回转精度的测试 6 图 非接触式 径向跳动 实测图 The noncontact radial runout test picture 测试数据 测 试的频率采用了 万转电主轴测试软件中提供的各级频率进行， 传感器采样时间间隔 为 200μ s,采样点数为 6400 个。 为了减小误差，在每个频率下都 测试3 次，在数据处理时取 3 次测试数据的平均值。 部分测试 数据 图如 ～ 所示，测试全部数据如表 所示，测试曲线如图 所示。 重庆大学本科学生毕业设计 （论文） 2 电主轴回转精度的测试 7 图 万转电主轴 150Hz 下 的径向跳动 The Electronic spindle 150Hz radial runout of 15,000 图 万转电主轴 200Hz 下的径向跳动 The Electronic spindle 200Hz radial runout of 15,000 图 万转电主轴 250Hz 下的径向跳动 重庆大学本科学生毕业设计 （论文） 2 电主轴回转精度的测试 8 The Electronic spindle 250Hz radial runout of 15,000 图 万转电主轴 300Hz 下的径向跳动 The Electronic spindle 300Hz radial runout of 15,000 图 万转电主轴 350Hz 下的径向跳动 The Electronic spindle 350Hz radial runout of 15,000 重庆大学本科学生毕业设计 （论文） 2 电主轴回转精度的测试 9 图 万转电主轴 400Hz。