高速機床主軸內(nèi)置式雙面在線動平衡裝置及關鍵技術研究

發(fā)布時間：2021-02-03 17:49:08點擊率：

高速加工技術作為一種先進、實用的制造技術，正成為制造業(yè)的主流，并以其獨特的優(yōu)點得到了世界各國的普遍關注，具有強大的生命力和廣闊的應用前景。由于高速主軸的轉速很高，即使微小的動不平衡量，也會產(chǎn)生很大的離心力，引發(fā)振動，進而對機床的可靠性、使用壽命、加工精度等方面產(chǎn)生不利影響。因此，動平衡是高速、高精密數(shù)控機床生產(chǎn)、制造過程中必須解決的一個基本問題，其優(yōu)劣程度直接決定機床的工作性能和使用壽命，對高速機床產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生巨大影響。機床主軸在線動平衡技術具有避免頻繁開關機試重，提高平衡效率和精度，同時可根據(jù)機床加工工況的改變而對不平衡量實施自動平衡等優(yōu)點。因此在線動平衡具有其它平衡方法不可替代的優(yōu)勢。是高速、高精密數(shù)控機床和加工中心首選的平衡方式。本文以主軸系統(tǒng)動力學等相關理論知識為基礎，以實現(xiàn)高速機床主軸系統(tǒng)高精度在線動平衡為目的，圍繞機床主軸系統(tǒng)動力學建模及仿真，不平衡振動信號的提取，內(nèi)置式在線動平衡裝置及其控制系統(tǒng)的開發(fā)，實驗效果及誤差分析，雙面在線動平衡在柔性主軸上的拓展應用等關鍵問題開展研究。論文主要內(nèi)容包括以下幾個方面： (1)機床主軸動力學建模及其仿真。以轉子動力學理論為基礎，建立高速機床主軸系統(tǒng)動力學數(shù)學模型，運用Labview語言設計系統(tǒng)仿真程序。通過系統(tǒng)仿真對機床主軸動力學特性進行初步分析，給出雙平面影響系數(shù)以及不平衡校正量沿主軸軸向分布規(guī)律等曲線。討論了最佳校正面的選取、不平衡量大小選取等相關問題。提出一種基于系統(tǒng)影響系數(shù)相位差的最佳校正面的選取方法。 (2)機床主軸不平衡振動信號的提取。測量主軸徑向振動信號并準確地提取不平衡振動信號是實施不平衡振動控制的前提。為提高主軸不平衡振動信號提取的精度，本課題提出首先分離出主軸測點處的形狀誤差，然后采用經(jīng)驗模態(tài)分解與最小二乘擬合相結合的基頻信號提取方法。論文采用理論研究與仿真分析相結合的方法，分別從數(shù)理統(tǒng)計法在主軸形狀誤差分離中的應用，最小二乘法對主軸基頻振動信號的擬合及其效果分析，經(jīng)驗模態(tài)分解及其自適應濾波原理等方面開展研究。為提高經(jīng)驗模態(tài)分解的濾波效果，課題提出采用相關函數(shù)對信號中異常事件進行處理的方法。文中分析表明，方法的綜合應用能夠有效地提高不平衡振動信號的提取精度。 (3)雙面在線動平衡裝置及其控制系統(tǒng)設計。針對高速機床主軸的結構特點，提出一種氣動盤式在線動平衡裝置的結構理念，并針對裝置的功能實現(xiàn)、整體結構、硬件控制系統(tǒng)、關鍵部件的設計或選取等方面開展研究。根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，采用Labview與Matlab語言混合編程技術，針對信號采集、信號分析與處理、平衡試重、自動監(jiān)控系統(tǒng)、控制信號輸出等方面展開設計研究。 (4)實驗數(shù)據(jù)及平衡誤差分析。為檢驗所設計的雙面在線動平衡系統(tǒng)的實用性，課題針對平衡盤定位精度、影響系數(shù)測算及動平衡效果等方面開展實驗研究。并從測量誤差、平衡盤位置調(diào)整誤差、平衡盤固有不平衡量誤差、平衡盤與主軸的配合間隙、平衡盤質(zhì)量分布誤差、傳感器安裝誤差等方面分析各種誤差對系統(tǒng)平衡精度的影響，并提出一定的改進措施。 (5)當工作轉速接近或者高于轉子系統(tǒng)第一階臨界轉速時，應當按照柔性轉子來對待?？紤]到課題所設計雙面在線動平衡系統(tǒng)的通用性，課題在對柔性轉子動平衡方法進行分析的基礎上，提出一種用于在線動平衡的自適應增益調(diào)度控制法。并在理論分析的基礎上通過仿真及實驗對該方法的平衡效果進行驗證。論文整體從實際應用出發(fā)，開展高速機床主軸雙面在線動平衡關鍵技術的研究，論文在不平衡振動信號的提取、動平衡裝置及其控制系統(tǒng)的開發(fā)等方面取得了一定的階段性成果。然而，由于系統(tǒng)的復雜性，系統(tǒng)在某些方面的研究還需要進一步完善或改進。

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