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1、沙洲职业工学院毕业设计（论文） 编号 沙洲工学院 2011 届毕业论文 题目：题目：某型号高速电主轴在线动平衡补偿装置设计某型号高速电主轴在线动平衡补偿装置设计 机械动力工程 系系 机械制造与自动化 专业专业 班班 级：级： 08 机制(2)班 学学 号：号： 08331236 姓姓 名：名： 余艳旗 指导教师：指导教师： 周凤石 . . 2011 年年 6 月月 成 绩 沙洲职业工学院毕业设计（论文） 第 1 页 沙洲职业工学院专科毕业设计（论文）任务书沙洲职业工学院专科毕业设计（论文）任务书 学院（系）：机械动力工程系 设计（论文）题目：某型号高速电主轴在线动平衡补偿装置设计 学生：余艳旗
2、学号：08331236设计（论文）类别：设计 专业：机械制造与自动化 班级：08 机制(2)班 设计（论文）性质：应用 指导教师：周凤石职称：副教授是否隶属科研项目：否 1. 设计（论文）的主要任务及目标 认真阅读图纸和技术文件，调研国内外高速加工动平衡补偿装置的补偿机理，设计新型智能 化、高效化的动平衡补偿装置，满足以下要求和特点： （1）具有高的工作稳定性和可靠性； （2）具有良好的动态特性和抗干扰能力； （3）便于控制响应速度快 （4）能耗小，经济效率高 。最终实现高速电主轴的在线动平衡补偿。 在设计方案的基础上，绘制其总装配图纸和零部件图纸。 撰写毕业设计说明书，翻译外文资料。 2.
3、设计（论文）的主要内容 (1).了解高速加工的有关概念； (2).分析高速加工过程中的动平衡控制技术； (3).对现有的高速加工电主轴在线补偿技术进行研究； (4).完成补偿方案的设计和验证。 原始数据：提供动平衡装置原理图，原始数据和技术要求均以图纸为依据。 文献检索，查阅动平衡补偿装置的相关资料，并翻译一篇外文资料。 沙洲职业工学院毕业设计（论文） 第 2 页 3、设计（论文）的基本要求 （1）按时独立完成毕业设计任务书规定的要求，充分发挥主动性、创造性和刻苦钻研精 神。 （2）严格遵守学校各项规定。 （3）认真完成毕业论文。 （4）毕业论文要求条理清晰、逻辑性强、内容翔实，具备一定的理论
4、深度，符合科技论 文写作规范。 4、主要参考文献 1 汪希萱,曾胜. 电磁式在线自动平衡系统及其动平衡方法研究热能动力工 程2003 2 李勇,陆永平采用磁力平衡方法的在线动平衡机技术研究(I)：基本原理和结 构微特电机1999，(1) 3 欧阳红兵,汪希萱.新型电磁式自动平衡头控制决策的研究制造技术与机 床1998 4 贺江波,伍良生,张云禧,李智慧. 基于单片机与 PMM871 3 的高速主轴电磁式在线动 平衡机构的驱动器设计. 5 杨庆坤,伍良生，门浩,刘振宇. 步进电机在高速主轴动平衡装置上的应用. 自造业 自动化. 2006, 28 (9): 65-67. 6 王俊元,蒋红琰,杜文华
5、. 复合式高速电主轴在线动平衡装置的开发. 中北大学 学报 (自然科学版). 2007, 28 (6): 491-495. 7 张仕海,伍良生,周大帅. 机床主轴双平面在线动平衡系统的设计. 工艺与装备. 2009, 10: 79-81. 8 王金民. 转子在线动平衡技术的发展和应用. 福建糖业. 1997, 18 (1): 34-36. 5、进度安排 设计（论文）各阶段任务时间安排 1 调研、系统分析及资料准备 4.01-4.15 2 周 2 程序设计 4.16-5.16 4 周 3 系统调试 5.17-5.25 1 周 4 撰写论文 5.26-6.20 4 周 5 准备及论文答辩 6.20
6、-6.24 0.5 周 注： 1、此表一式三份，学院、指导教师、学生各一份。 2、设计（论文）类别是指设计、论文，性质指应用型、理论研究型和其他。 沙洲职业工学院毕业设计（论文） 第 3 页 教研室主任签名：_ 系主任签名：_ 沙洲职业工学院毕业设计（论文） 第 1 页 目目 录录 第 1 章绪论5 1.1、课题研究的目的和意义5 1.2、动平衡技术6 1.2.1动平衡技术概述 6 1.2.2动平衡技术研究现状 6 1.2.3电主轴在线动平衡研究 7 1.3、高速电主轴技术7 1.3.1电主轴概念 7 1.3.2电主轴结构 8 1.3.3国内外发展现状 9 1.3.4电主轴发展趋势 10 第
7、2 章动平衡的理论研究基础12 2.1、转子的分类12 2.1.1临界转速 12 2.1.2转子分类 12 2.2、转子故障的分类13 2.3、转子动平衡的动力学基础14 2.3.1静不平衡与动不平衡 14 2.3.2刚性转子的平衡 16 2.3.3挠性转子的平衡 16 2.4、现有动平衡技术分析17 2.4.1直接在线动平衡装置 18 2.4.2间接在线动平衡装置 19 2.4.3混合型在线动平衡装置 20 第 3 章高速电主轴在线动平衡装置设计22 3.1、电主轴主要技术参数22 3.2、动平衡装置设计22 3.2.1总体模型设计 23 3.2.2动平衡装置结构设计 24 3.2.3a-a
8、 截面工作原理 26 3.2.4b-b/c-c 截面工作原理28 3.2.5传感器选用 29 结 语 .31 致 谢 .32 参考文献 .33 沙洲职业工学院毕业设计（论文） 第 2 页 摘摘 要要 高速电主轴在工作中容易产生振动，从而对回转系统或整个系统产生破坏，因此， 必须进行平衡措施以减少不平衡振动。本文针对XX型号高速电主轴，设计了转速在 12000RTM时，能够整轴进行在线动平衡补偿的装置。 本次毕业设计的研究内容主要包括以下： 一、分析动平衡的相关理论研究基础，为此次高速电主轴动平衡装置设计提供理 论依据和设计基础。 二、设计通用的在线动平衡补偿装置，包括驱动系统、密封机构、轴承部
9、分、主轴 部分、测量系统、管路系统，并绘制总装图及零件图。本装置实验方案的基本思路：首 先，基于间接在线动平衡头的设计思想，利用电磁场的耦合作用, 无接触地在加重平 面处形成一个具有相同幅值和相位的径向电磁力，使该电磁力与所需的离心力等效, 以实现在线实时精密补偿；考虑到此时空旋转电磁力能耗大、机械结构内应力大的缺 点，接着，基于混合型在线动平衡头的设计思想，应用电磁混合型动平衡头的工作原理， 在平衡头上利用旋转极坐标合成矢量力，实现转子系统质量再分布，使得转子质心落 在旋转中心上；同时，时空旋转电磁力消失，转子系统在极坐标合成力的作用下实现最 终动平衡。以上，实现一种对高速下电主轴的实时在线
10、又节能的动平衡补偿方式。 三、设计系统硬件电路，主要包括：调整环的驱动电路的设计和调整环的定位锁紧 电路的设计，完成相应的电路设计以实现对电主轴动平衡补偿过程中的控制。 该动平衡补偿装置结构紧凑、合理，拆卸灵活方便，易于加工制造，具有一定的通 用性，能够实现对高速电主轴的实时在线动平衡补偿，值得一提的是，从能耗角度考虑， 该装置具有一定的经济性，为电主轴的深入推广和应用奠定了基础。 关键词关键词: :高速电主轴；动平衡；旋转电磁力；振动检测；驱动电路； 沙洲职业工学院毕业设计（论文） 第 3 页 Abstract High-speed electric spindle is easy to p
11、roduce vibration in work,and destroy the rotary system or the entire system. Therefore, a measure of blance must be taken to reduce the unbalanced vibration. In this issue ,a compensation device was designed of the on-line dynamic balance of entire spindle at the speed of 12000rpm for a type of high
12、 speed electric spindle. The main research contents of this issue is as follows: 1. To analyse the theoretical basis of dynamic balance,and provide theoretical basis and design basis for the dynamic balance device design. 2. To design universal online dynamic balance compensation device, it includes
13、 drive systems、Seal body、Bearing part、spindle part、Measurement systems, piping systems, and the mapping of assembly drawings and parts drawing. The basic ideas of experimental program is as follows: firstly, based on the design idea of indirect online balancing head, use the coupling effect of elect
14、romagnetic, non-contactly form a same amplitude and phase radial electromagnetic force. So that the electromagnetic force is equivalent with the centrifugal force, and achieve the real-time online precise compensation. But considers the defect of high energy consumption of rotating electromagnetic f
15、orce and mechanical stress within the structure, so an idea of mixed on-line balance head is taken. It applys the principle of mixed electromagnetic balancing head, uses the rotating polar coordinates to synthesize the vector force on the balancing head. So it realizes the redistribution of the qual
16、ity of rotor systems and allows the mass center of the rotor on the rotation center, at the same time, the time and apace rotating electromagnetic force disappears, then the rotor system realizes the final dynamic balance at the work of polar synthetic force. Above is a real-time online and energy-s
17、aving type of dynamic balancing compensation for hign-speed spindle. 3. Hardware circuit design of the system. It mainly includes the design of balance disc drive circuit and position locking circuit, then implements the process control of spindle balancing compensation. The dynamic balance compensa
18、tion device has a compact and reasonable structure , 沙洲职业工学院毕业设计（论文） 第 4 页 its flexible to disassemble and easy to process and manufact,so it has certain universal and can realize the real-time online dynamic balance compensation of high-speed electric spindle. Remarkable, from the view of energy co
19、nsumption , the device has a certain economy, and establishes the basis for the spindle extension and application. Keywords: high-speed electric spindle;active balancing; rotating electromagnetic force; vibration detection; drive circuit 沙洲职业工学院毕业设计（论文） 第 5 页 第第 1 章章绪论绪论 1.1、 课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义 据统
20、计，旋转机械的振动问题中转子不平衡引起的振动约占 70%-80%，因此，可 认为转子不平衡是引起旋转机械振动的重要原因。动不平衡在支承上造成动载荷， 不仅会引起整个旋转机械的振动，产生噪音，增加能耗，还会加快轴承的磨损，造 成转子部件的高频疲劳破坏、支承机座、某些部件强迫振动损坏，降低旋转机械的 寿命。制造、安装工艺及环境条件等因素会引起转子系统不平衡振动。即使以上各 方面都很理想，在一定条件下正确安装的高精度的转子系统也会因运行过程中磨损 及负载冲击而产生较大的振动3。特别是高速旋转机械，如压缩机、汽轮发电机组、 锅炉引风机及大型电机等，研究证明振动量的大小和转速的平方成正比，故高速下， 在
21、新机跑合及长期运行过程中常出现振动过大，甚至不能工作，造成巨大的经济损 失及安全事故。国内外曾经由于这方面的原因而引起很大的事故，人员、财产损失 很大，例如 1987 年山西大同发电厂 200MV 机组转子断裂，1988 年秦岭电厂 5 号机 组主轴断裂，两次事故损失均在亿元以上，1972 年日本关西电力公司南海电站 3 号 600MV 汽轮发电机因振动而引起的轴断机毁事件等等4。因此，必须进行平衡措施 5以减少振动量。 在电主轴单元技术领域，加快研究电主轴单元的在线动平衡技术，提高电主轴 运转精度，是国内电主轴的主要研究方向之一3。因为在高速运行下，电主轴的振 动大小是影响机床系统振动的主要
22、诱因之一，同时也是衡量电主轴动态性能好坏最 直接的指标。因此，高速电主轴必须作动平衡，以便消除有害的动态不平衡力，这 是减少离心力对机床振动、加工质量、生产安全等方面影响的重要途径。国内到目 前为止，针对电主轴运转过程中出现的不平衡，用的是专门的电主轴平衡机进行测 试，直接的电主轴在线动平衡装置还很少有成功应用的实例。将平衡头作为附件安 装到主轴上的电主轴结构还尚未发现。 相关动平衡理论表明:基于电机工作原理的电磁式间接在线动平衡头7-10和基于 影响系数法动平衡控制的电磁式在线混合动平衡头11-20都是简单可靠并适用于高速 回转系统的结构，结合二者优点，开发一种节能的高速转子在线动平衡补偿装
23、置。 沙洲职业工学院毕业设计（论文） 第 6 页 整个在线补偿过程中首先采用时空旋转电磁力进行补偿，原因是响应时间短，为在 线补偿节省了时间，提高了效率；接着，在一定的响应时间内，利用运用影响系数 法策略实现转子系统质量再分配，达到平衡要求，同时撤消时空旋转电磁力，之后， 达到高速转子的最终在线动平衡，大大避免了时空旋转电磁力能耗大、机械结构内 应力大的缺点。开发研制出一套配有在线自动平衡装置的电主轴，研究出具有工程 应用前景的新驱动原理和总体结构，且能较好地满足精度和可靠性要求的动平衡装 置，在电主轴技术的发展上，将会有突破性的创新。 1.2、 动平衡技术动平衡技术 1.2.1动平衡技术概述
24、动平衡技术概述 动平衡技术的一个重要研究方向是自动平衡技术。自动平衡技术就是一种在转 子运行状态下就能进行不平衡矢量的识别与配重的动平衡方法。不停机自动平衡的 基本原理，就是在旋转轴系的某处附加一个执行机构，又叫平衡头。由控制系统对 平衡头进行在线控制，在平衡头上设法实现一个大小、相位皆连续可调的校正质量， 在转子系统运行过程中去模拟实现动平衡所需的配重，从而实现转子系统的动平衡。 1.2.2动平衡技术研究现状动平衡技术研究现状 在自动平衡技术研究领域，加拿大多伦多大学的J.Van de Vegte于 1978 年研 究了在转子上装有两个平衡块的可控的主动平衡头，它由电机驱动两个平衡块在不 同
25、平面的圆 周 上 运 动 从 而 调 节 其 相 对 位 置 来 达 到 平 衡 的 目的； 波 兰 凯 瑟 琳 技 术 大 学 的Z.Gosiewski对自动平衡理论和控制策略进行了深 入研究，他于 1985 年设计了一种直角坐标式的自动平衡装置；美国得克萨斯A&M大 学的Louis J.Everett提出了一种不要相位反馈的双盘转子自动平衡控制策略；韩国 高等科学技术学院的C.W.Lee等人利用一个无线电控制的极坐标式精密平衡头实现了 挠性转子的动平衡13、14；1996 年哈尔滨工业大学的陆永平、李勇等人研制出了 用于挠性转子支撑系统的自动平衡头15，这是国内文献上把自动平衡头作为转子
26、振动主动控制元件的首例报导。自动平衡技术取得了长足的进步,归纳起来，目前广 泛应用的动平衡头可分为以下三类： 沙洲职业工学院毕业设计（论文） 第 7 页 第一类称为直接在线动平衡头，是从质量方面着手，通过加重去重的方法，直 接将平衡圆盘的几何中心移到旋转中心，包括喷涂法、喷液法及激光去重法等。这 种平衡方法存在的很多实际问题，应用范围狭窄。 第二类称为间接在线动平衡头，即给圆盘长期提供与不平衡力方向相反、大小 相等的力，当圆盘旋转时，将其重心强行拉到旋转中心。目前，这种平衡头主要包 括电磁轴承型在线动平衡头及电磁圆盘型在线动平衡头。它有一个严重不足就转子 在运行过程中一直受平衡电磁力的作用，对
27、于长期运行的旋转机械来说，能耗大， 机械结构内应力大。 第三类称为混合型在线动平衡头，工作时，由检测系统测量转子系统的振动信号， 并通过控制系统，以某种方式改变平衡头内部质量分布(不加重也不去重)，使其几 何中心与旋转中心重合，质量的重新分布可通过机械方法或电磁方法进行。根据驱 动平衡质量块移动方式到控制方式的不同，混合在线动平衡头可分为电动机型、遥 控型及电磁型在线动平衡头。混合型在线动平衡装置在转子产生不平衡振动时，调 整平衡质量块的位置，对转子系统进行在线动平衡，转子系统平衡后，不再对平衡 头输入能量，即可切断电动机电源或撤消拖动平衡质量块移动的电磁力，节约了能 源，但是，平衡过程需要一
28、定的响应时间。 1.2.3电主轴在线动平衡研究电主轴在线动平衡研究 在电主轴在线动平衡装置研究方面，国内主要应用专门的电主轴平衡机进行不 平衡测试；最近有人又提出了将平衡头直接安装在主轴上，其可行性还需进一步验 证。国外瑞士 Fischer 公司，推出了配有在线自动动平衡装置的电主轴部件，加工 中心每换一次刀进行一次包括刀具在内的自动动平衡，可在 1 秒内消除 80%90% 的由动平衡引起的振动。研究将电主轴技术与动平衡技术融为一体的新装置，是目 前电主轴发展的重要方向，有很大的意义。 1.3、 高速电主轴技术高速电主轴技术 1.3.1电主轴概念电主轴概念 电主轴是将机床主轴与主轴电机融为一体
29、的高新技术产品。这类主轴的构成方 式有两种：一种是通过联轴器把电机与主轴直接连接在一起；另一种是把电机转子 沙洲职业工学院毕业设计（论文） 第 8 页 与机床主轴做成一体，即将无壳变频电机的空心转子用压配合的形式与机床主轴直 接过盈套装在一起成为一体，带有冷却套的电机定子装配在主轴单元的壳体中，成 为集成式内装电机主轴。这样，电机的转子就是机床的主轴，机床主轴单元的壳体 就是电机座，这种电机与机床主轴合二为一的传动结构形式，将机床主传动链的长 度缩短为零，实现了电机与机床主轴之间的“零传动”。它克服了传统传动方式的 主轴系统在高速下发生打滑、产生振动和噪声、增加转动惯量等弊病，具有结构紧 凑、
30、重量轻、惯性小、动态特性好等优点，并简化了机床外形设计，改善了机床的 动平衡，易于实现主轴定位和主轴转速的高速化，是高速主轴单元中的一种理想结 构，在高速切削机床上得到了广泛的应用。 1.3.2电主轴结构电主轴结构 (1)电主轴的工作原理： 高速电主轴电机的绕组相位互差120，通以三相交流电后，三相绕组各自形成 一个正弦交变磁场，这三个对称的交变磁场互相迭加，合成一个强度不变，磁极朝 一定方向恒速旋转的磁场，磁场转速就是电主轴的同步转速。异步电动机的同步转 速n由输入电机定子绕组电流的频率f和电机定子的极对数P决定。电主轴就是利用变 换输入电动机定子绕组的电流的频率和激磁电压来获得各种转速。在
31、加速和制动过 程中，通过改变频率进行加减速，以免电机温升过高。由于电机旋转磁场的方向取 决于输入定子三相交流电的相序，故改变电主轴输入电流的相序，便可改变电主轴 的旋转方向。 (2)电主轴的结构： 高速电主轴要获得好的动性能和使用寿命，必须对高速电主轴各个部分进行精 心设计和制造。高速电主轴基本结构原理简图如图1-1所示。 沙洲职业工学院毕业设计（论文） 第 9 页 图 1-1 高速电主轴基本结构原理简图 内装式电主轴单元由下列各部件及系统组成： 1)电动机 接受驱动控制器提供的中频电，并将其转换成电主轴的机械能。 2)支承 按数控机床对主轴系统的特殊要求设置的支承系统，它是决定电主轴 单元精
32、度、刚度的主要因素。 3)冷却系统 为将电主轴电动机及轴承高速运转时产生的热能带走而设置在电 主轴内腔的热交换器。 4)松拉刀系统 为电主轴单元实现气(液)动松拉刀而设置在转轴体内的机构。 其中拉刀器视电主轴转速、传递扭矩的不同可选用HSK、瓣爪、钢球拉刀等不同型式。 5)松刀气、液压缸 电主轴松刀时向松拉刀机构提供动力源的部件。 6)轴承自动卸载系统 电主轴处于松刀状态时，用以自动卸去轴承上承受的过 大冲击负荷的系统。 7)刀具冷却系统 在统一设计前提下，电主轴单元对刀具冷却通道采取统筹兼 顾的措施。常见的电主轴单元中刀具冷却形式可分两种：超高速电主轴刀具冷却选 用内冷式，高速电主轴刀具冷却
33、选用外冷式。 8)编码安装调整系统 加工中心、大型数控车用电主轴需具备准停、准位功能，因 此，必须在电主轴单元中安装能实现速度反馈和传递位置信号的磁性编码器。其中 钢质码盘应安装在转轴本体上，接收器应牢靠地安装在电主轴外壳上，同时应便于 调整。 1.3.3国内外发展现状国内外发展现状 国外高速电主轴技术由于研究较早,电主轴单元发展较快,技术水平也处于领先 地位,并且随着变频技术及数字技术的发展日趋完善,逐步形成了一系列标准产品,高 转速电主轴在机床行业和工业制造业中普遍采用。最近及今后一段时间,着重发展研 究高速大功率、低速大扭矩、调速范围宽、能实现快速制启动、准确定位、自动对 刀等数字化高标
34、准电主轴单元。 近几年美国、日本、德国、意大利、英国、加拿大和瑞士等工业强国投入巨资 大力开发电主轴技术。著名的有德国的GMN公司、Siemens公司、意大利的Gamfior公 司及日本三菱公司和安川公司等,它们的技术水平代表了这个领域的世界先进水平。 沙洲职业工学院毕业设计（论文） 第 10 页 具有功率大、转速高,采用高速、高刚度轴承,精密加工与精密装配工艺水平高和配 套控制系统水平高等特点。瑞士IBAG公司产品范围宽，几乎能生产任何转速、功率、 扭矩和尺寸的电主轴，其最大转速可达140 000 r/min，功率为0.12580 kW，扭矩 为0.02300 Nm，直径为33300 mm。
35、其中HF系列陶瓷轴承电主轴的最高转速达 24 000 r/min，最大输出功率为185 kW；AM系列磁浮轴承电主轴的最高转速达70 000 r/min，最大输出功率为99kW。德国CyTec Systems公司生产的Cyspeed系列电主 轴最高转速达40 000 r/min，最大输出功率为50 kW。美国Ingersoll公司生产的 HVM800型卧式加工中心的电主轴最高转速达15 000 r/min，由静止升至最高转速仅 需15s。美国Precise公司生产的用于钻铣金属、木材和塑料的中小功率电主轴，最 高转速达120 000 r/min，最大功率为12kW。瑞士STEP-TEC公司的H
36、VC系列电主轴， 德国GMN公司的HC系列高速电主轴，日本NSK公司的M系列电主轴都具有刚度。高、功 率大和调速范围宽的特性，完全适用于高速、高效加工。 目前，国际上工业发达国家正在研制转速高达250000r/min的实用主轴，加工中 心用主轴的转速在10 000 20 000 r/min，数控机床的加工精度普遍已达到1 m的水 平。高速加工的研究已转移到难加工材料的切削加工上。 我国大型数控铣、加工中心和数控车床实用型电主轴的开发始于 1998 年。迄 今为止，洛阳轴研科技公司已能开发生产 8 大类，20 个系列，200 多种电主轴产 品，功率从0.2kW100kW，加工中心用电主轴大型的可
37、达外径 318 毫米，扭矩 200Nm，小型号外径80 毫米，5 万 r/min。它开发的加工中心、高速铣床和车床用 电主轴，已与国产高速机床和国产并联机床配套投入使用。 与此同时，北京机床研究所也相继开发出用日本 FUNAC 电机组装的 20000r/min、24000r/min 电主轴。北京机电研究院、上海第二机床厂等单位，利用 德国 REXROTH 的电机组装成转速高于 10000r/min 的电主轴。北京第一机床厂和日 本大隈合作也开发出转速高于 10000r/min 的电主轴。近期又有汉川机床厂，济宁 博特精密丝杠制造有限公司等数家企业相继投入开发电主轴单元的行列。 虽然近年来国产电
38、主轴的开发取得了很大的进步，但与国外产品相比较，国产 的电主轴无论是性能、品种和质量都有较大差距，所以目前国产的高转速、高精度 数控机床和加工中心所用的电主轴，仍然主要从国外进口。 沙洲职业工学院毕业设计（论文） 第 11 页 1.3.4电主轴发展趋势电主轴发展趋势 国外电主轴技术发展趋势是研究高速大功率、低速大扭矩、高精度高刚度、调 速范围宽、能实现快速制启动、准确定位、自动对刀等数字化高标准电主轴单元。 国内电主轴的主要研究方向是8： 1）以减少发热、提高主轴功率密度为目标，解决永磁同步电动机容量低、弱磁 困难的技术难题，研制开发永磁同步型电主轴及其驱动系统。 2）以提高主轴寿命、减少维修
39、为目标，解决国内液体动静压轴承最高转速低的 问题，研制开发液体动静压轴承作为支承的高速精密大功率电主轴。 3）以优化电主轴动态和热态特性为目标，加强滚动摩擦接触界面的非线性刚度 变化规律、主轴多区段热扩散变形规律及主轴热变形与振动耦合效应等应用课题研 究，研制开发“轴承-主轴-电动机-基础”一体化的电主轴动态热态分析软件。 4）以提高制造高精度为目标，研制开发用于电主轴零部件精密加工和精密装配 的新工艺、新工装和专用机床。 5）进一步提高和完善现有的陶瓷球混合轴承的设计制造技术，完善陶瓷球轴承 的理论基础研究，确定实用设计标准。研究全陶瓷主轴单元及其关键技术，进一步 提高电主轴的动、静态精度（
40、如主轴径向圆跳动、回转精度、轴向窜动、加工中心 用电主轴圆周定向精度等）。 6）研究开发更方便、更精确的润滑方法，改善陶瓷球轴承高速下的润滑状态， 提高其使用寿命。加强油气润滑、喷油润滑、环下润滑等新型少油润滑技术研究， 为高速电主轴未来的发展开辟新的途径。 7）加强在高速电主轴设计的转子动力学特性研究。滚动轴承是非线性支承单元， 其支承刚度是转速、载荷的非线性函数，动刚度小于静刚度。仅仅以静态情况下的 模态试验结果作为设计或者判定电主轴轴系转子动力学特性的依据，显然是不合适 的。受轴承支承刚度变化的影响，按静态计算或试验所得的电主轴的临界转速明显 高于其运行时的实际临界转速。因此，必须考虑转
41、速对轴承支承特性的影响。 8）加快研究电主轴单元在线动平衡技术，提高电主轴运转精度。 9)加强计算机仿真技术在高速电主轴设计中的应用研究。开发集方案设计、工 艺分析和结构设计等子专家系统于一体的并行式多专家电主轴 CAD 设计系统。 沙洲职业工学院毕业设计（论文） 第 12 页 第第 2 章章动平衡的理论研究基础动平衡的理论研究基础 现代数控机床的高速化发展，要求主轴转速提高。但机床主轴组零件在制造过 程中，不可避免会因材质不均匀、形状不对称、加工装配误差而导致重心偏离旋转 中心，使机床产生振动和振动力，引起机床噪声、轴承发热等。随着转速升高，不 平衡引起的振动越加激烈。转子不平衡是旋转机械最
42、常见的故障，约有一半以上的 故障与转子不平衡有关，因此，对不平衡故障的研究与诊断也最有实际意义。 2.1、 转子的分类转子的分类 2.1.1临界转速临界转速 临界转速是指对应于转子振幅及传送力的局部最大值(local maximum)的速度区 域。良好的动力设计必须使临界转速避开转子系统的工作速度。同步旋转振幅、转 子平衡、轴承动力、结构物产生噪音(structureborne noise)、及共振颤动的临 阐点等，都受到机械系统的临界转速位置的直接影响，而在转子己经平衡，并赋予 适当的轴承阻尼时，机器的临界转速是在对系统毫无影响的情况下通过的，而且其 非临界运转(noncriticalope
43、ration)时的运行状况应该是平稳的。 2.1.2转子分类转子分类 大体上转子可以分为两大类：刚性转子及挠性转子。如果转子的工作转速远低 于其一阶临界转速，此时不平衡离心力相对较小而转子刚度大，挠曲变形可以忽略 (不平衡力引起的挠曲变形与转子偏心量相比很小)，这种转子称为刚性转子。反之， 不平衡力引起的挠曲变形不能忽略的转子称为挠性转子(或柔性转子)。工程上通常 把工作转速是否超过其第一阶临界转速作为挠性转子与刚性转子的分界。但是从平 衡的角度来讲，国际标准协会的五级分类和KFedern提出的转子柔性的办法更加细 致。 五级转子分类如下： 第一级：刚性转子。转子设想成刚性的，其不平衡可以在任
44、何两面(任意选定) 上校正，校正后，其不平衡可以在转速升至最大运转速率后仍无有意义的变化。 沙洲职业工学院毕业设计（论文） 第 13 页 第二级：准挠性转子。转子不能设想成刚性的，但却能在低速平衡机械中加以 适当地平衡。 第三级：挠性转子。转子无法在低速机械中加以平衡，而需要使用到某些合适 的高速平衡技术。 第四级：挠性固着转子。转子可以归类为一级、二级或三级的转子，但本身却 附加具有挠性的构件，如风扇叶片。 第五级：单速挠性转子。转子可以是第三级的转子，但因某种缘故只于一个使 用转速下加以平衡而已。刚性转子与挠性转子两者的动力学特性有很大不同，因而 它们的平衡方法差异很大。 2.2、 转子故
45、障的分类转子故障的分类 (1)转子不平衡。转子不平衡包括转子系统的质量偏心即转子部件出现缺损。其 主要振动特征为：振动的时域波形为正弦波；频谱图中谐波能量集中于基频；工作 转速一定时，相位稳定；转子的轴心轨迹为椭圆；转子的运动特征为同步正运动； 振动的强烈程度对于工作转速的变化很敏感。 (2)转子弯曲。转子弯曲包括转子弓形弯曲和临时性弯曲两种故障。转子弓形弯 曲是由于转子结构不合理、制造误差大、材质不均匀、转子长期存放不当等，发生 永久弯曲变形。转子临时性弯曲是指转子的转轴有较大预负荷、开机运行时暖机不 足、升速过快、加载太大、转轴热变形不均匀等原因造成的。旋转轴弯曲时，由于 弯曲所产生的力和
46、转子不平衡所产生的力相位不同，两者之间相互作用有所抵消， 转轴的振幅将在某个速度下减小。当弯曲的作用小于不平衡时；振幅的减小发生在 临界转速下；当弯曲的作用大于不平衡时，振幅的减小就发生在临界转速以上；转 子无论发生弓形弯曲还是临时性弯曲，它都要产生与质量偏心类似的旋转矢量激振 力，同时在轴向发生与角频率相等的振动。这两种故障的机理与转子质量偏心相同。 不同之处是，具有转子弓形弯曲故障的机器，开机时振动就较大；而转子临时性弯 曲的机器，是随着开机升速过程振幅增大到某一值后振幅有所减小。 (3)转子不对中。由于机器的安装误差、承载后的变形以及机器基础的沉降不均 等，造成机器工作状态时各转子轴线之
47、间产生轴线平行位移、轴线角度位移或综合 位移等对中变化误差，统称为转子不对中。其主要的振动特征为：特征频率为角频 率的2倍；由不对中故障产生的转子的激励力幅，随转速的升高而加大；激励力幅与 沙洲职业工学院毕业设计（论文） 第 14 页 不对中两成正比，随不对中量的增加，激励力幅呈线性加大。此外，引起转子故障 的原因还有：油膜涡动和油膜振荡、旋转失速、喘镇、转子支承系统的联接松动等。 2.3、 转子动平衡的动力学基础转子动平衡的动力学基础 2.3.1静不平衡与动不平衡静不平衡与动不平衡 由于设计和结构方面的因素，以及材质不均匀以及制造安装误差等原因，所有 实际转子的中心惯性主轴都或多或少地偏离其
48、旋转轴线，这样，当转子转动时，转 子各微元质量的离心惯性力所组成的力系不是一个平衡力系，这种情况称为转子不 平衡或失衡。一般转子几乎都是不平衡的，要使一个不平衡转子变为平衡转子，就 要重新调整转子的质量分布，即在某个局部加重或去重，使转子的中心惯性主轴和 旋转轴一致，转子成为平衡的转子。 转子不平衡的情况有以下四种： (1)主矢不为零主矩为零 这种不平衡相当于把一个不平衡质量m加在一个质量为M、半径为R的平衡转子的 中心平面上。如图2-1所示，这时转子新的重心位于原来重心平面内，距原来重心的 距离为e(e为偏心距，e=mr/M)，新的中心惯性主轴和转动轴线始终平行，当转子旋 转时，由偏心距引起
49、离心惯性力使轴承产生振动，要使这种转子平衡，只需在中心 平面内m的对称位置加一相等的质量，转子就平衡了。这种惯性力系简化为一通过质 心的合力的不平衡称为静不平衡。 图 2-1 00 0,0RM (2)主矢和主矩不为零但相互垂直 这时，主矢在合力偶的作用平面内，由于0，0但垂直于， 0 R 0 R 0 M 0 R 0 M 故可进一步向点简化，使=0，而=0。这样新的主矢便是惯性 O 0 M 0 R 0 R 0 R 沙洲职业工学院毕业设计（论文） 第 15 页 力系的合力，作用于点(不是质心)。这种不平衡相当于在平衡转子M的过点的 O O 平面上加上不平衡量m，这时中心惯性主轴和转动轴线相交，如图2-2所示。由于转 子的惯性力系最后的简化仍可以得到一个单独的合力，这种不平衡称为准不平衡， 0 R 平衡这种转子也只需在某一特定的平面上加上或去除一定的质量。 图 2-2 0000 0,0,RMRM (3)主矢为零主矩不为零 即=m=0, =0,故转动线通过质心。O,O,0，这