【正文】 摘要第1節(jié) 畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告課 題 名 稱： 高速電主軸非接觸式加載可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 生 姓 名： 黨睿 學(xué) 號(hào)： 201110806 指 導(dǎo) 教 師： 李雪 副教授 所在院(系)部： 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 專 業(yè) 名 稱： 機(jī) 械 電 子 工 程 說(shuō) 明1．根據(jù)南京工程學(xué)院《畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)工作管理規(guī)定》，學(xué)生必須撰寫《畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告》，由指導(dǎo)教師簽署意見、教研室審查，系教學(xué)主任批準(zhǔn)后實(shí)施。2．開題報(bào)告是畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。學(xué)生應(yīng)當(dāng)在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期內(nèi)完成，開題報(bào)告不合格者不得參加答辯。3．畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告各項(xiàng)內(nèi)容要實(shí)事求是，逐條認(rèn)真填寫。其中的文字表達(dá)要明確、嚴(yán)謹(jǐn)，語(yǔ)言通順，外來(lái)語(yǔ)要同時(shí)用原文和中文表達(dá)。第一次出現(xiàn)縮寫詞，須注出全稱。4．本報(bào)告中，由學(xué)生本人撰寫的對(duì)課題和研究工作的分析及描述，應(yīng)不少于2000字，沒(méi)有經(jīng)過(guò)整理歸納，缺乏個(gè)人見解僅僅從網(wǎng)上下載材料拼湊而成的開題報(bào)告按不合格論。5．開題報(bào)告檢查原則上在第2～4周完成，各系完成畢業(yè)設(shè)計(jì)開題檢查后，應(yīng)寫一份開題情況總結(jié)報(bào)告。畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告學(xué)生姓名黨睿學(xué) 號(hào)201110806專 業(yè)機(jī)械電子工程指導(dǎo)教師李雪職 稱副教授所在院(系) 機(jī)械工程學(xué)院課題來(lái)源自擬課題課題類型工程技術(shù)研究課題名稱高速電主軸非接觸式加載可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容和意義畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容和意義一、課題背景：20 世紀(jì) 20 年代末，高速切削技術(shù)以其高效、低耗的特性受到各國(guó)學(xué)者的青睞，政府也給予了相當(dāng)?shù)年P(guān)注與支持，使其得到了快速發(fā)展。90 年代初，高速切削技術(shù)的日趨成熟推動(dòng)了高速數(shù)控加工機(jī)床行業(yè)的蓬勃發(fā)展，并迅速在航天制造業(yè)，汽車制造業(yè)，輕工制造業(yè)取得了驕人的成績(jī)，尤其是高頻變頻技術(shù)的推廣與應(yīng)用使得融合多種尖端技術(shù)的高速電主軸技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為了高速加工機(jī)床的核心技術(shù)，它能夠滿足高速切削時(shí)“高速度、高精度、高可靠性及小振動(dòng)”的要求，在車削，銑削，磨削等諸多領(lǐng)域均有涉及，尤其是在高精密儀器關(guān)鍵功能部件的制造方面也有其不可替代的作用。高速電主軸性能的好壞與工作可靠性直接影響到高速加工機(jī)床整機(jī)的加工性能與工作可靠性。二、課題內(nèi)容： 電主軸作為一種高速加工設(shè)備，在高速切削時(shí)如果受到輕微的擾動(dòng)就有可能對(duì)電主軸的工作性能產(chǎn)生巨大的影響，這種影響甚至有可能是破壞性的。 可靠性對(duì)于高速電主軸來(lái)說(shuō)尤為重要，其穩(wěn)定性以壽命對(duì)整個(gè)母機(jī)是否能在規(guī)定時(shí)間規(guī)定條件下完成規(guī)定的任務(wù)有著重要影響，同時(shí)影響整個(gè)工時(shí)、加工精度和加工成本。隨著高新技術(shù)的引入及相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，高速電主軸的轉(zhuǎn)速、軸承性能、冷卻散熱性能、控制系統(tǒng)性能等指標(biāo)都有提高，然而可靠性問(wèn)題卻一直是困擾數(shù)控裝備及系統(tǒng)發(fā)展的主要問(wèn)題之一，特別是國(guó)產(chǎn)數(shù)控裝備可靠性問(wèn)題更加突出。 必須著手進(jìn)行數(shù)控設(shè)備可靠性的系統(tǒng)研究，對(duì)其關(guān)鍵部件電主軸的可靠性進(jìn)行系統(tǒng)全面研究實(shí)驗(yàn)，以完善數(shù)控設(shè)備面向并行工程和全壽命周期的可靠性設(shè)計(jì)和故障分析的實(shí)用技術(shù)。 為了準(zhǔn)確反映高速電主軸的實(shí)際工況，對(duì)電主軸進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)了一套能同時(shí)模擬實(shí)現(xiàn)主軸所受扭矩、徑向力和軸向力的加載系統(tǒng)——利用電力測(cè)功機(jī)實(shí)現(xiàn)扭矩加載、非接觸式激振器實(shí)現(xiàn)徑向加載、自行設(shè)計(jì)的電磁鐵實(shí)現(xiàn)軸向加載。該系統(tǒng)不但能完成對(duì)電主軸的動(dòng)態(tài)加載，還可以檢測(cè)出電主軸在加載過(guò)程中的基本性能參數(shù)和故障指標(biāo)參數(shù)，并收集故障數(shù)據(jù)，繪制故障數(shù)據(jù)曲線并做出可靠性分析，提高電主軸的可靠性 本文針對(duì)轉(zhuǎn)速18000r/min、功率為22Kw的電主軸進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，為電主軸的可靠性研究提出了一種新方法。主要內(nèi)容如下：1．綜述了可靠性和電主軸可靠性的研究現(xiàn)狀。 2．電主軸結(jié)構(gòu)原理介紹和針對(duì)選用的電主軸進(jìn)行受力計(jì)算。3．電主軸加載設(shè)計(jì)——扭矩加載、軸向力和徑向力加載。4．電主軸檢測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和相應(yīng)設(shè)備的選用。 5．其他輔助零件設(shè)計(jì)如電主軸的夾持支撐機(jī)構(gòu)，最后完成其整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 課題意義: 近年來(lái)，激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)以及龐大的市場(chǎng)需求對(duì)高檔數(shù)控機(jī)床提出了更高的要求，高速電主軸作為數(shù)控機(jī)床主要的核心部件，具有響應(yīng)時(shí)間快、慣性較小、重量較輕、節(jié)省空間等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，高速電主軸運(yùn)轉(zhuǎn)更加穩(wěn)定，工作效率較傳統(tǒng)意義上的電機(jī)皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)大大提高，所以，電主軸性能的好壞也被認(rèn)為是衡量數(shù)控機(jī)床是否穩(wěn)定可靠的一項(xiàng)重要指標(biāo)之一。高速數(shù)控機(jī)床的工作性能，首先取決于高速主軸的性能。模擬電主軸的實(shí)際工作狀態(tài)，研制開發(fā)其可靠性試驗(yàn)臺(tái)對(duì)于提高高速數(shù)控機(jī)床整機(jī)的 MTBF 水平具有重要意義。 高速電主軸作為現(xiàn)代高速加工技術(shù)的核心技術(shù)之一，其在高性能機(jī)床上的廣泛應(yīng)用，不僅大幅度提高了加工效率，改善了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，在為社會(huì)創(chuàng)造巨大物質(zhì)財(cái)富的同時(shí)，更促進(jìn)了新材料、新技術(shù)的推廣與應(yīng)用，帶動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。研究高速電主軸技術(shù)，一方面可以打破先進(jìn)國(guó)家對(duì)我國(guó)的技術(shù)壟斷，提升我國(guó)技術(shù)制造業(yè)的整體水平，增強(qiáng)我國(guó)制造業(yè)在國(guó)際上的整體競(jìng)爭(zhēng)能力；另一方面，高速電主軸技術(shù)可以大幅度降低生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，提高產(chǎn)品的加工效率和加工質(zhì)量，節(jié)約社會(huì)成本，創(chuàng)造更多的社會(huì)財(cái)富。高速電主軸的性能在一定程度上決定了加工機(jī)床的整體發(fā)展水平，因此高速加工機(jī)床對(duì)高速電主軸的技術(shù)指標(biāo)有著苛刻的要求，使其不用于傳統(tǒng)的主軸系統(tǒng)，其安全性和可靠性等動(dòng)態(tài)性能也成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)床運(yùn)行中的首要問(wèn)題。因此，無(wú)論在理論研究還是實(shí)際應(yīng)用上，對(duì)高速電主軸相關(guān)技術(shù)的研究均具有重要的學(xué)術(shù)意義和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。 可靠性對(duì)于高速電主軸來(lái)說(shuō)尤為重要，其穩(wěn)定性以壽命對(duì)整個(gè)母機(jī)是否能在規(guī)定時(shí)間規(guī)定條件下完成規(guī)定的任務(wù)有著重要影響，同時(shí)影響整個(gè)工時(shí)、加工精度和加工成本。隨著高新技術(shù)的引入及相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，高速電主軸的轉(zhuǎn)速、軸承性能、冷卻散熱性能、控制系統(tǒng)性能等指標(biāo)都有提高，然而可靠性問(wèn)題卻一直是困擾數(shù)控裝備及系統(tǒng)發(fā)展的主要問(wèn)題之一，特別是國(guó)產(chǎn)數(shù)控裝備可靠性問(wèn)題更加突出。許多高速加工數(shù)控裝備，由于在運(yùn)轉(zhuǎn)和使用過(guò)程中由于電主軸發(fā)生失效，導(dǎo)致加工系統(tǒng)數(shù)控裝備及整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)不可靠，高性能不能維持，這樣就使任何先進(jìn)性都失去了意義。數(shù)控裝備及系統(tǒng)的高水平化和復(fù)雜化突出了研究電主軸可靠性的必要性和緊迫感。顯然，可靠性技術(shù)已成為數(shù)控裝備及數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的“瓶頸”，是整個(gè)數(shù)控裝備行業(yè)乃至當(dāng)今機(jī)械制造行業(yè)發(fā)展的重大共性和關(guān)鍵的技術(shù)。可靠性技術(shù)一旦突破，國(guó)產(chǎn)數(shù)控裝備及系統(tǒng)的先進(jìn)性就會(huì)充分利用，傳統(tǒng)的機(jī)械制造業(yè)就會(huì)用先進(jìn)而可靠的數(shù)控裝備進(jìn)行改造和武裝，從而促進(jìn)機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)的升級(jí)及民族裝備工業(yè)的振興。另外，數(shù)控裝備的可靠性直接影響經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 然而國(guó)內(nèi)外都沒(méi)有關(guān)于數(shù)控機(jī)床高速電主軸可靠性技術(shù)全面、系統(tǒng)研究的報(bào)道，一些發(fā)達(dá)國(guó)家的機(jī)床公司，也僅是對(duì)其他行業(yè)采用可靠性共性技術(shù)的局部抄用。因此，必須著手進(jìn)行數(shù)控設(shè)備可靠性的系統(tǒng)研究，對(duì)其關(guān)鍵部件，諸如電主軸的可靠性進(jìn)行系統(tǒng)全面研究實(shí)驗(yàn)，以完善數(shù)控設(shè)備面向并行工程和全壽命周期的可靠性設(shè)計(jì)和故障分析的實(shí)用技術(shù)，以推動(dòng)數(shù)控裝備工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展。 而本課題就是通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)某一型號(hào)或多種型號(hào)的電主軸進(jìn)行實(shí)時(shí)加載仿真疲勞試驗(yàn)是我們研究換刀系統(tǒng)可靠性的良好手段，而這是前所未有的創(chuàng)新型研究手段。可靠性試驗(yàn)臺(tái)的研設(shè)成功可以方便我們實(shí)時(shí)的采集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)，方便與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行在線連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和圖表對(duì)比。這種研究手段可協(xié)助我們對(duì)電主軸的可靠性系統(tǒng)全面細(xì)致的研究，為提高加工中心整體可靠性提供平臺(tái)。促進(jìn)數(shù)控裝備業(yè)高速健康發(fā)展，為我國(guó)裝備業(yè)立于強(qiáng)國(guó)之林貢獻(xiàn)微薄力量。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀：1. 國(guó)外可靠性研究現(xiàn)狀 可靠性理論萌芽于40 年代的航空領(lǐng)域，創(chuàng)建于50 年代的美國(guó)國(guó)防部門，在60 年代開始全面發(fā)展，70 年代進(jìn)入成熟階段，進(jìn)入80、90 年代可靠性技術(shù)步入深入發(fā)展階段，國(guó)外專家、學(xué)者把可靠性及維修性要求與性能要求同等看待，強(qiáng)調(diào)保障性的要求，并重視測(cè)試性及故障診斷技術(shù)的研究，同時(shí)發(fā)展綜合化的可靠性計(jì)算機(jī)程序。 機(jī)床可靠性技術(shù)在70年代發(fā)源于前蘇聯(lián)。蘇聯(lián)高校某些機(jī)床界的權(quán)威人士，如50年代曾來(lái)華講學(xué)的機(jī)床專家A. C. 普羅尼柯夫，根據(jù)機(jī)床產(chǎn)品在功能、結(jié)構(gòu)、外載荷等方面的特殊性，對(duì)機(jī)床可靠性進(jìn)行了專門的研究，建立了機(jī)床可靠性技術(shù)的一些基本理論，開辟了在機(jī)床領(lǐng)域進(jìn)行可靠性研究的途徑，發(fā)表了一系列針對(duì)機(jī)床具體產(chǎn)品的可靠性論著（如機(jī)床熱變形、導(dǎo)軌磨損等規(guī)律對(duì)機(jī)床精度故障和無(wú)故障工作時(shí)間的影響等），并出版了論述數(shù)控機(jī)床精度與可靠性的專著[近年來(lái)，俄羅斯新一代機(jī)床可靠性研究人員，其中以B. C. 瓦西里耶夫、B. B. 巴拉巴諾夫等為代表的新一代學(xué)者所進(jìn)行的研究反映了俄羅斯數(shù)控機(jī)床可靠性研究的現(xiàn)狀和動(dòng)向。他們重視對(duì)使用數(shù)控機(jī)床中的經(jīng)濟(jì)效益的研究，提出了技術(shù)使用系數(shù)的概念，并建立了它的信息概率模型，在機(jī)床承載能力的預(yù)測(cè)方面也做了大量的工作。在機(jī)床早期故障的排除方面，提出了進(jìn)行工藝試運(yùn)轉(zhuǎn)和可靠性試驗(yàn)的方法。另外，俄羅斯學(xué)者還對(duì)機(jī)床故障情況進(jìn)行了分類，并進(jìn)行了預(yù)防和保護(hù)等方法的研究。這些研究雖然可以對(duì)數(shù)控機(jī)床的加工精度進(jìn)行控制和預(yù)報(bào),但統(tǒng)計(jì)表明數(shù)控機(jī)床的故障表現(xiàn)多為功能性故障，因此這種研究對(duì)當(dāng)前機(jī)床可靠性中急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題效果不明顯英美等國(guó)家在數(shù)控加工中心領(lǐng)域，多半進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)故障數(shù)據(jù)的采集和對(duì)故障數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析以及指標(biāo)的評(píng)定，還未見到對(duì)數(shù)控加工中心產(chǎn)品進(jìn)行系統(tǒng)的可靠性研究的報(bào)導(dǎo)。日本在民用產(chǎn)品（如家電、汽車等）中的可靠性研究舉世矚目，在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域，也限于注重現(xiàn)場(chǎng)故障數(shù)據(jù)的采集和分析，從故障診斷分析入手，尋找故障原因，提出可靠性改進(jìn)措施，對(duì)提高機(jī)床產(chǎn)品的可靠性水平起了積極作用。 我國(guó)開展可靠性工作最早的是原電子工業(yè)部五所，該所在60 年代初就進(jìn)行了可靠性評(píng)估的開拓性工作，推動(dòng)了我國(guó)可靠性工程的發(fā)展。70 年代我國(guó)的可靠性工作是從引進(jìn)國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)資料開始的，可靠性工程應(yīng)用在電子、航天、電力、機(jī)械、儀表等部門，并取得不同程度的進(jìn)展。80 年代我國(guó)的各種可靠性機(jī)構(gòu)、學(xué)術(shù)團(tuán)體迅速發(fā)展，在可靠性數(shù)學(xué)和可靠性理論上已達(dá)到一以及機(jī)構(gòu)可靠性分析方面發(fā)表了一系列文章,從理論上和實(shí)踐方面進(jìn)行了有益的探索。其中有很多方面可以在數(shù)控機(jī)床的可靠性設(shè)計(jì)中借鑒。然而我們還要意識(shí)到，目前我國(guó)可靠性技術(shù)在工業(yè)和企業(yè)的應(yīng)用還不廣泛，與先進(jìn)國(guó)家相比還存在較大的差距。另外，我國(guó)臺(tái)灣學(xué)者王國(guó)松等應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)方法對(duì)柔性制造系統(tǒng)的故障模式、故障率及可靠度模型等進(jìn)行了分析。我國(guó)對(duì)數(shù)控機(jī)床可靠性研究是從二十世紀(jì)80 年代末期開始的。90 年代以來(lái)，我國(guó)把數(shù)控機(jī)床可靠性的基礎(chǔ)研究工作列入到“八五”和“九五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃，制訂了CNC 系統(tǒng)等可靠性測(cè)定試驗(yàn)方案及一系列標(biāo)準(zhǔn)。積累并處理了國(guó)產(chǎn)部分加工中心的故障和維修數(shù)據(jù)，對(duì)國(guó)內(nèi)外部分加工中心的使用現(xiàn)狀，進(jìn)行了可靠性初步考核,并取得成果, 但國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的整體可靠性水平與進(jìn)口產(chǎn)品相比仍有較大差距。機(jī)床現(xiàn)代診斷技術(shù)是一門近20 多年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新學(xué)科，它是在機(jī)床的運(yùn)行過(guò)程中對(duì)機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)及時(shí)做出判斷，采取相應(yīng)措施，以提高機(jī)床運(yùn)行的可靠性，進(jìn)一步提高機(jī)床的利用率。在我國(guó)機(jī)床可靠性的研究中，吉林大學(xué)計(jì)算機(jī)數(shù)控裝備可信性研究所進(jìn)行了大量的研究工作。進(jìn)行了數(shù)控車床載荷譜的初步研究，對(duì)數(shù)控車床進(jìn)行初步故障分析和維修性分析，對(duì)無(wú)故障工作時(shí)間進(jìn)行了時(shí)間序列分析，得出無(wú)故障工作時(shí)間的AR模型。對(duì)機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力特性分析，并對(duì)傳動(dòng)件進(jìn)行了可靠性設(shè)計(jì)的初步研究。 當(dāng)前可靠性技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是：一方面與現(xiàn)代信息科學(xué)相結(jié)合，使可靠性技術(shù)實(shí)現(xiàn) “信息化”，發(fā)展現(xiàn)代化的可靠性共性技術(shù)；另一方面，可靠性技術(shù)與具體產(chǎn)品相結(jié)合，根據(jù)不同產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)研究故障分布和演變過(guò)程的規(guī)律，發(fā)展具有行業(yè)特色的實(shí)用化的可靠性技術(shù)。參考文獻(xiàn)[1] ：機(jī)械工業(yè)出版社，1975.[2] 李慶余，張 ：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.[3] 王志明， 數(shù)控技術(shù) 上海：上海大學(xué)出版社， 2009.[4] 陳嬋娟，數(shù)控車床設(shè)計(jì)，北京：化學(xué)出版社，2005.[5] 夏田，數(shù)控加工中心設(shè)計(jì)，北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2006[6] Jia Yazhou etc. Fatigue load and reliability design of machine [7] 秦少軍，《基于多影響因子的電主軸可靠性分析》[8] 李彥，竇懷洛等《淺析提高電主軸可靠性的途徑》[9] E. 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