南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計開題報告課 題 名 稱： 高速電主軸非接觸式加載可靠性試驗系統(tǒng)設(shè)計 學(xué) 生 姓 名： 黨睿 學(xué) 號： 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 2015 年 03 月 18 日說 明1根據(jù)南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)工作管理規(guī)定，學(xué)生必須撰寫畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告，由指導(dǎo)教師簽署意見、教研室審查，系教學(xué)主任批準(zhǔn)后實施。2開題報告是畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會對學(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（論文）工作前期內(nèi)完成，開題報告不合格者不得參加答辯。3畢業(yè)設(shè)計開題報告各項內(nèi)容要實事求是，逐條認(rèn)真填寫。其中的文字表達(dá)要明確、嚴(yán)謹(jǐn)，語言通順，外來語要同時用原文和中文表達(dá)。第一次出現(xiàn)縮寫詞，須注出全稱。4本報告中，由學(xué)生本人撰寫的對課題和研究工作的分析及描述，應(yīng)不少于2000字，沒有經(jīng)過整理歸納，缺乏個人見解僅僅從網(wǎng)上下載材料拼湊而成的開題報告按不合格論。5開題報告檢查原則上在第24周完成，各系完成畢業(yè)設(shè)計開題檢查后，應(yīng)寫一份開題情況總結(jié)報告。畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告學(xué)生姓名黨睿學(xué) 號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系統(tǒng)設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計的內(nèi)容和意義畢業(yè)設(shè)計的內(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，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“高速度、高精度、高可靠性及小振動”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：1.提出 電主軸作為一種高速加工設(shè)備，在高速切削時如果受到輕微的擾動就有可能對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。 可靠性對于高速電主軸來說尤為重要，其穩(wěn)定性以壽命對整個母機(jī)是否能在規(guī)定時間規(guī)定條件下完成規(guī)定的任務(wù)有著重要影響，同時影響整個工時、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，然而可靠性問題卻一直是困擾數(shù)控裝備及系統(tǒng)發(fā)展的主要問題之一，特別是國產(chǎn)數(shù)控裝備可靠性問題更加突出。 2.解決辦法 必須著手進(jìn)行數(shù)控設(shè)備可靠性的系統(tǒng)研究，對其關(guān)鍵部件電主軸的可靠性進(jìn)行系統(tǒng)全面研究實驗，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)計和故障分析的實用技術(shù)。 為了準(zhǔn)確反映高速電主軸的實際工況，對電主軸進(jìn)行可靠性試驗，本文設(shè)計了一套能同時模擬實現(xiàn)主軸所受扭矩、徑向力和軸向力的加載系統(tǒng)利用電力測功機(jī)實現(xiàn)扭矩加載、非接觸式激振器實現(xiàn)徑向加載、自行設(shè)計的電磁鐵實現(xiàn)軸向加載。該系統(tǒng)不但能完成對電主軸的動態(tài)加載，還可以檢測出電主軸在加載過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 3.設(shè)計內(nèi)容 本文針對轉(zhuǎn)速18000r/min、功率為22Kw的電主軸進(jìn)行加載實驗設(shè)計，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)原理介紹和針對選用的電主軸進(jìn)行受力計算。3電主軸加載設(shè)計扭矩加載、軸向力和徑向力加載。4電主軸檢測控制系統(tǒng)設(shè)計和相應(yīng)設(shè)備的選用。 5其他輔助零件設(shè)計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。3、 課題意義: 近年來，激烈的市場競爭以及龐大的市場需求對高檔數(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)時間快、慣性較小、重量較輕、節(jié)省空間等優(yōu)點，同時，高速電主軸運轉(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。模擬電主軸的實際工作狀態(tài)，研制開發(fā)其可靠性試驗臺對于提高高速數(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，在為社會創(chuàng)造巨大物質(zhì)財富的同時，更促進(jìn)了新材料、新技術(shù)的推廣與應(yīng)用，帶動了相關(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)國家對我國的技術(shù)壟斷，提升我國技術(shù)制造業(yè)的整體水平，增強(qiáng)我國制造業(yè)在國際上的整體競爭能力；另一方面，高速電主軸技術(shù)可以大幅度降低生產(chǎn)準(zhǔn)備時間，提高產(chǎn)品的加工效率和加工質(zhì)量，節(jié)約社會成本，創(chuàng)造更多的社會財富。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態(tài)性能也成為結(jié)構(gòu)設(shè)計和機(jī)床運行中的首要問題。因此，無論在理論研究還是實際應(yīng)用上，對高速電主軸相關(guān)技術(shù)的研究均具有重要的學(xué)術(shù)意義和社會經(jīng)濟(jì)效益。 可靠性對于高速電主軸來說尤為重要，其穩(wěn)定性以壽命對整個母機(jī)是否能在規(guī)定時間規(guī)定條件下完成規(guī)定的任務(wù)有著重要影響，同時影響整個工時、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，然而可靠性問題卻一直是困擾數(shù)控裝備及系統(tǒng)發(fā)展的主要問題之一，特別是國產(chǎn)數(shù)控裝備可靠性問題更加突出。許多高速加工數(shù)控裝備，由于在運轉(zhuǎn)和使用過程中由于電主軸發(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)?？煽啃约夹g(shù)一旦突破，國產(chǎn)數(shù)控裝備及系統(tǒng)的先進(jìn)性就會充分利用，傳統(tǒng)的機(jī)械制造業(yè)就會用先進(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)效益和社會效益。 然而國內(nèi)外都沒有關(guān)于數(shù)控機(jī)床高速電主軸可靠性技術(shù)全面、系統(tǒng)研究的報道，一些發(fā)達(dá)國家的機(jī)床公司，也僅是對其他行業(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)全面研究實驗，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)計和故障分析的實用技術(shù)，以推動數(shù)控裝備工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展。 而本課題就是通過試驗臺對某一型號或多種型號的電主軸進(jìn)行實時加載仿真疲勞試驗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?？煽啃栽囼炁_的研設(shè)成功可以方便我們實時的采集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)，方便與計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行在線連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和圖表對比。這種研究手段可協(xié)助我們對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。促進(jìn)數(shù)控裝備業(yè)高速健康發(fā)展，為我國裝備業(yè)立于強(qiáng)國之林貢獻(xiàn)微薄力量。4、 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：1. 國外可靠性研究現(xiàn)狀 可靠性理論萌芽于40 年代的航空領(lǐng)域，創(chuàng)建于50 年代的美國國防部門，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，并重視測試性及故障診斷技術(shù)的研究，同時發(fā)展綜合化的可靠性計算機(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)律對機(jī)床精度故障和無故障工作時間的影響等），并出版了論述數(shù)控機(jī)床精度與可靠性的專著近年來，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)狀和動向。他們重視對使用數(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)行工藝試運轉(zhuǎn)和可靠性試驗的方法。另外，俄羅斯學(xué)者還對機(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數(shù)控機(jī)床的加工精度進(jìn)行控制和預(yù)報,但統(tǒng)計表明數(shù)控機(jī)床的故障表現(xiàn)多為功能性故障，因此這種研究對當(dāng)前機(jī)床可靠性中急需解決的關(guān)鍵問題效果不明顯英美等國家在數(shù)控加工中心領(lǐng)域，多半進(jìn)行現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)的采集和對故障數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計分析以及指標(biāo)的評定，還未見到對數(shù)控加工中心產(chǎn)品進(jìn)行系統(tǒng)的可靠性研究的報導(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，對提高機(jī)床產(chǎn)品的可靠性水平起了積極作用。2.國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國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)行了可靠性評估的開拓性工作，推動了我國可靠性工程的發(fā)展。70 年代我國的可靠性工作是從引進(jìn)國外標(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)計中借鑒。然而我們還要意識到，目前我國可靠性技術(shù)在工業(yè)和企業(yè)的應(yīng)用還不廣泛，與先進(jìn)國家相比還存在較大的差距。另外，我國臺灣學(xué)者王國松等應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)方法對柔性制造系統(tǒng)的故障模式、故障率及可靠度模型等進(jìn)行了分析。我國對數(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，我國把數(shù)控機(jī)床可靠性的基礎(chǔ)研究工作列入到“八五”和“九五”國家重點科技攻關(guān)計劃，制訂了CNC 系統(tǒng)等可靠性測定試驗方案及一系列標(biāo)準(zhǔn)。積累并處理了國產(chǎn)部分加工中心的故障和維修數(shù)據(jù)，對國內(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 多年來發(fā)展起來的新學(xué)科，它是在機(jī)床的運行過程中對機(jī)床的運行狀態(tài)及時做出判斷，采取相應(yīng)措施，以提高機(jī)床運行的可靠性，進(jìn)一步提高機(jī)床的利用率。在我國機(jī)床可靠性的研究中，吉林大學(xué)計算機(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，對數(shù)控車床進(jìn)行初步故障分析和維修性分析，對無故障工作時間進(jìn)行了時間序列分析，得出無故障工作時間的AR模型。對機(jī)床的主傳動系統(tǒng)進(jìn)行了動力特性分析，并對傳動件進(jìn)行了可靠性設(shè)計的初步研究。 當(dāng)前可靠性技術(shù)的發(fā)展趨勢是：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)和功能特點研究故障分布和演變過程的規(guī)律，發(fā)展具有行業(yè)特色的實用化的可靠性技術(shù)。參考文獻(xiàn)1 大連組合及研究所.組合機(jī)床設(shè)計.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1975.2 李慶余，張 佳.機(jī)械制造裝備設(shè)計.北京：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，北京：化學(xué)出版社，2005.5 夏田，數(shù)控加工中心設(shè)計，北京，化學(xué)工業(yè)出版社，20066 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. Abele (2)a,*, Y. Altintas (1)b, C. Brecher (2)c Machine tool spindle units10 Bernd Bossmanns Jay F. Tu A Power Flow Model for High Speed Motorized SpindlesHeat Generation Characterization12 王愛玲.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)與設(shè)計.兵器工業(yè)出版社.1999 年9 月. 1-17013 王超、王金.機(jī)械可靠性工程.冶金工業(yè)出版社.1998 年6 月：17-24614 J 莫布雷著、石磊，谷寧昌譯.以可靠性為中心的維修.北京：機(jī)械工業(yè)出版社. 2006.12：1-615 賀國芳.可靠性數(shù)據(jù)的收集與分析.北京：國防工業(yè)出版社，1997:40研究內(nèi)容研究內(nèi)容:本文針對轉(zhuǎn)速18000r/min、功率為22Kw的電主軸進(jìn)行加載實驗設(shè)計。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)原理介紹和針對選用的電主軸進(jìn)行受力計算。3. 電主軸加載設(shè)計扭矩加載、軸向力和徑向力加載。 4電主軸檢測控制系統(tǒng)設(shè)計和相應(yīng)設(shè)備的選用。 5其他輔助零件設(shè)計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。通過電主軸進(jìn)行可靠性試驗，反映高速電主軸的實際工況。本文設(shè)計了一套能同時模擬實現(xiàn)主軸所受扭矩、徑向力和軸向力的加載系統(tǒng)利用電力測功機(jī)實現(xiàn)扭矩加載、非接觸式激振器實現(xiàn)徑向加載、自行設(shè)計的電磁鐵實現(xiàn)軸向加載。完成對電主軸的動態(tài)加載，檢測出電主軸在加載過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。研究計劃研究計劃：第1周熟悉課題的背景，進(jìn)行國內(nèi)外現(xiàn)狀調(diào)查第2周收集資料，初步方案及結(jié)構(gòu)形式確定第3周完成開題報告，外文翻譯第4周提出設(shè)計方案，設(shè)計方案論證第5周繪制總裝配圖及設(shè)計計算第6周繪制總裝配圖及設(shè)計計算第7周繪制零件圖及設(shè)計計算第8周繪制零件圖及設(shè)計計算第9周繪制控制原理圖第10周繪制控制原理圖第11周控制軟件設(shè)計并調(diào)試，整理設(shè)計說明書第12周撰寫畢業(yè)設(shè)計論文第13周撰寫畢業(yè)設(shè)計論文第14周撰寫畢業(yè)設(shè)計論文第15周準(zhǔn)備答辯特色與創(chuàng)新1、以計算機(jī)輔助，對可靠性試驗臺機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了完整細(xì)致的設(shè)計，使其強(qiáng)度、剛度能滿足電主軸高速要求。2、對轉(zhuǎn)速18000r/min、功率為22Kw的電主軸進(jìn)行加載實驗設(shè)計。3、電主軸各項性能檢測。指導(dǎo)教師意 見 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日教研室意見院部意見 主任簽名： 年 月 日教學(xué)院長簽名： 年 月 日