探究在线高速机床主轴内置式双面在线动平衡装置及关键技术

论文导读：轴动力学建模及其仿真设计37-4312下一页
摘要：高速加工技术作为一种先进、实用的制造技术，正成为制造业的主流，并以其独特的优点得到了世界各国的普遍关注，具有强大的生命力和广阔的运用前景。由于高速主轴的转速很高，即使微小的动不平衡量，也会产生很大的离心力，引发振动，进而对机床的可靠性、利用寿命、加工精度等方面产生不利影响。由此，动平衡是高速、高精密数控机床生产、制造历程中必须解决的一个基本不足，其优劣程度直接决定机床的工作性能和利用寿命，对高速机床产品的质量产生巨大影响。机床主轴在线动平衡技术具有避开频繁开关机试重，提升平衡效率和精度，同时可根据机床加工工况的转变而对不平衡量实施自动平衡等优点。由此在线动平衡具有其它平衡策略不可替代的优势。是高速、高精密数控机床和加工中心首选的平衡方式。本论文以主轴系统动力学等相关论述知识为基础，以实现高速机床主轴系统高精度在线动平衡为目的，围绕机床主轴系统动力学建模及仿真，不平衡振动信号的提取，内置式在线动平衡装置及其制约系统的开发，实验效果及误差浅析，双面在线动平衡在柔性主轴上的拓展运用等关键不足开展探讨。论文主要内容包括以下几个方面：（1）机床主轴动力学建模及其仿真。以转子动力学论述为基础，建立高速机床主轴系统动力学数学模型，运用Labview语言设计系统仿真程序。通过系统仿真对机床主轴动力学特性进行初步浅析，给出双平面影响系数以及不平衡校正量沿主轴轴向分布规律等曲线。讨论了最佳校正面的选取、不平衡量大小选取等相关不足。提出一种基于系统影响系数相位差的最佳校正面的选取策略。（2）机床主轴不平衡振动信号的提取。测量主轴径向振动信号并准确地提取不平衡振动信号是实施不平衡振动制约的前提。为提升主轴不平衡振动信号提取的精度，本课题提出首先分离出主轴测点处的形状误差，然后采取经验模态分解与最小二乘拟合相结合的基频信号提取策略。论文采取论述探讨与仿真浅析相结合的策略，分别以数理统计法在主轴形状误差分离中的运用，最小二乘法对主轴基频振动信号的拟合及其效果浅析，经验模态分解及其自适应滤波原理等方面开展探讨。为提升经验模态分解的滤波效果，课题提出采取相关函数对信号中异常事件进行处理的策略。文中浅析表明，策略的综合运用能够有效地提升不平衡振动信号的提取精度。（3）双面在线动平衡装置及其制约系统设计。针对高速机床主轴的结构特点，提出一种气动盘式在线动平衡装置的结构理念，并针对装置的功能实现、整体结构、硬件制约系统、关键部件的设计或选取等方面开展探讨。根据系统的功能要求，采取Labview与Matlab语言混合编程技术，针对信号采集、信号浅析与处理、平衡试重、自动监控系统、制约信号输出等方面展开设计探讨。（4）实验数据及平衡误差浅析。为检验所设计的双面在线动平衡系统的实用性，课题针对平衡盘定位精度、影响系数测算及动平衡效果等方面开展实验探讨。并以测量误差、平衡盘位置调整误差、平衡盘固有不平衡量误差、平衡盘与主轴的配合间隙、平衡盘质量分布误差、传感器安装误差等方面浅析各种误差对系统平衡精度的影响，并提出一定的改善措施。（5）当工作转速接近或者高于转子系统第一阶临界转速时，应当按照柔性转子来对待。考虑到课题所设计双面在线动平衡系统的通用性，课题在对柔性转子动平衡策略进行浅析的基础上，提出一种用于在线动平衡的自适应增益调度制约法。并在论述浅析的基础上通过仿真及实验对该策略的平衡效果进行验证。论文整体以实际运用出发，开展高速机床主轴双面在线动平衡关键技术的探讨，论文在不平衡振动信号的提取、动平衡装置及其制约系统的开发等方面取得了一定的阶段性成果。然而，由于系统的复杂性，系统在某些方面的探讨还需要进一步改善或改善。关键词：机床主轴论文双面论文在线动平衡论文影响系数论文经验模态分解论文自适应增益论文
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Abstract7-17
第1章 绪论17-35

1.1 课题探讨作用及来源17-19

1.1 课题探讨的作用17-18

1.2 本课题的来源18-19

1.2 课题探讨近况及走势浅析19-30

1.2.1 高速主轴系统动力学探讨近况19-21

1.2.2 动平衡策略探讨近况21-24

1.2.3 在线动平衡装置探讨近况及性能浅析24-30

1.3 基于 LABVIEW 与 MATLAB 语言混合编程介绍30-32

1.4 课题探讨目的及主要内容32-35

1.4.1 课题探讨目的32

1.4.2 课题探讨主要内容32-35

第2章 机床主轴动力学建模及仿真浅析35-57

2.1 转子不平衡量的表示及其标准35-37

2.2 刚性主轴动力学建模及其仿真设计37-43论文导读：

2.1 刚性主轴动力学建模38-40

2.2 刚性主轴系统动力学模型仿真设计40-43

2.3 基于仿真的刚性主轴不平衡振动响应及动平衡浅析43-56

2.3.1 刚性主轴不平衡振动响应浅析43-45

2.3.2 刚性主轴双面动平衡浅析45-49

2.3.3 基于仿真的动平衡设计不足讨论49-56

2.4 本章小结56-57

第3章 不平衡振动信号提取57-77

3.1 主轴形状误差的提取57-63

3.

1.1 主轴形状误差提取算法57-60

3.

1.2 数据仿真与算法运用60-63

3.2 最小二乘法拟合基频振动信号63-66

3.3 基于经验模态分解（EMD）的基频振动信号提取66-72

3.1 EMD 策略原理66-67

3.2 端点效应与处理67-68

3.3 经验模态分解中异常事件及其处理68-70

3.4 基于 EMD 的转子基频振动信号提取70-72

3.4 EMD 与最小二乘法相结合的基频振动信号提取72-75

3.5 本章小结75-77

第4章 刚性主轴双面在线动平衡系统设计77-99

4.1 主轴双面在线动平衡系统整体布局77

4.2 双面在线动平衡装置的设计77-84

4.

2.1 一种液压驱动式动平衡系统的设计及其浅析77-80

4.

2.2 气动在线动平衡装置的设计80-84

4.3 制约系统硬件部分的设计84-89
4.

3.1 系统气动制约回路84-85

4.

3.2 信号采集与输出制约系统85-89

4.4 制约系统软件部分的设计89-97

4.1 制约系统流程图89-91

4.2 主控界面设计91-92

4.3 试重界面设计92-93

4.4 串口输出制约93-95

4.5 平衡盘及测点振动相位的测算95-97

4.5 本章小结97-99

第5章 试验数据及平衡误差浅析99-121

5.1 实验数据及平衡效果浅析99-108

5.

1.1 实验装置99-100

5.

1.2 监测点处主轴形状误差测量100-101

5.

1.3 初始振动信号测量及其浅析101-103

5.

1.4 影响系数的测算103-107

5.

1.5 系统动平衡107-108

5.2 系统平衡误差浅析108-119
5.

2.1 测量误差109-111

5.

2.2 平衡盘位置调整误差111-113

5.

2.3 平衡盘固有不平衡量误差113-115

5.

2.4 平衡盘与主轴配合间隙对动平衡的影响115-116

5.

2.5 平衡盘质量分布误差对动平衡的影响116-119

5.

2.6 传感器安装误差对动平衡的影响119

5.3 本章小结119-121
第6章 柔性主轴双面在线动平衡浅析121-139

6.1 柔性转子动力学模型及动平衡概述121-123

6.

1.1 柔性转子动力学模型121

6.

1.2 柔性转子动平衡概述121-123

6.2 柔性转子动平衡的影响系数法原理123-124

6.3 基于自适应增益调度制约的自动平衡124-137

6.

3.1 增益调度制约原理124-126

6.

3.2 增益调度制约的稳定性126

6.

3.3 自适应增益原理126-128

6.

3.4 在线动平衡自适应增益调度制约流程128-129

6.

3.5 基于双面动平衡的自适应增益调度制约仿真浅析129-132

6.

3.6 实验浅析132-137

6.4 本章小结137-139
结论139-143
参考文献143-149
攻读博士学位期间所发表的学术论文149-151
致谢151