高速立式加工中心电主轴的温升测试及分析

重庆大学本科学生毕业设计（论文）高速电主轴轴心轨迹测试与分析学生：学号：指导教师：助理指导教师：专业：机械电子工程重庆大学机械学院二O一二年六月Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityTest and analysis of orbit of shaft center for high-speed electric spindle systemUndergraduate: Guo JinlongSupervisor: Prof. He YeAssistant Supervisor : Lecturer Shan WentaoMajor: Mechanical and Electronic EngineeringCollege of Mechanical EngineeringChongqing UniversityJune 2012摘要由于高速电主轴系统复杂多变的运行环境以及未建模动态和外部干扰等众多难以描述的因素，使得高速电主轴系统的故障分析变得相当困难，本文提出一种改进的实验方法来研究运行高速电主轴的振动特性.首先，运用LMS数据采集分析仪和LMS信号分析软件构建该型号电主轴的振动信号测试处理系统，然后运用谐波小波超窄带高分辨率检波的优良特性及微弱信号提取功能，从复杂的实验环境中提取主轴振动信号并进行谐波小波分析，再利用谐波小波包的局部频域细化分析能力研究了主轴在八种不同转速下的振动频谱图，并成功提纯了转子轴心轨迹，为后续的故障诊断提供了验证依据。

最后以170MD15Y20型高速电主轴为研究对象，分析了主轴在负载相同、转速不同下的八种不同振动信号,将频率分量分成重复出现部分和规则出现两部分进行对比研究。

所得到的实验结果与理论分析相符，从而验证了所用方法的正确性。

关键词：高速电主轴,振动,谐波小波分析,故障诊断ABSTRACTDue to the high-speed electric spindle system, the complex and volatile operating environment, as well as unmodeled dynamics and external disturbances, and many other hard to describe the factors that makes high-speed electric spindle system failure analysis becomes very difficult, this paper presents an improved experimental method to study the run high-speed electric spindle vibration. first, the use of the LMS data acquisition analyzer and LMS signal analysis software to build the model of electric spindle vibration signal test processing system, and then use the fine features of the harmonic wavelet ultra-narrow-band high-resolution detector and a weak signal extraction function, spindle vibration signal extracted from the complex experimental environment and the harmonic wavelet analysis, harmonic wavelet packet analysis capabilities of the local frequency domain refinement of the vibration frequency spectrum of the spindle in eight different speed, and successfully purified the rotor axis orbit validation basis for the subsequent fault diagnosis. Finally, 170MD15Y20 high-speed electric spindle for the study, analysis of the spindle at the same load, eight different vibration signals in the different speeds, the frequency component is divided into two parts of a comparative study repeated part and the rules. The obtained experimental results consistent with the theoretical analysis, which verifies the correctness of the method used.Key words：High-speed electric spindle, Vibration, Analysis of the harmonic and small wave, Fault diagnosis摘要 (I)ABSTRACT (II)1 绪论 (1)1.1课题学术和使用意义 (1)1.2 国内外现状 (1)1.3 本章小结 (4)2 高速电主轴故障理论分析 (4)2.1高速电主轴故障原因分析 (4)2.1.1电主轴的谐振现象 (5)2.1.2电主轴的电磁振荡 (5)2.1.3电主轴的机械振动 (6)2.2高速电主轴故障信号特征分离和提取方法研究 (8)2.2.1信号盲分离方法 (8)2.2.2时频滤波方法 (9)2.2.3自适应滤波方法 (10)2.2.4自适应信号分解方法 (11)2.3本章小结 (12)3 高速电主轴轴心轨迹的测试 (13)3.1高速电主轴的频谱分析 (13)3.2 高速电主轴频谱分析的作用 (14)3.3 高速电主轴进行提取轴心轨迹的方法和步骤 (14)3.3.1 工作流程 (14)3.3.2 结合电主轴进行频谱分析 (15)3.4 高速电主轴谐波小波法提取轴心轨迹 (17)3.4.1 高速电主轴转子轴心轨迹的谐波小波提纯 (18)3.5高速电主轴故障测试 (19)3.5.1 测试系统 (19)3.5.2 测试方法` (20)3.6 本章小结 (24)4 高速电主轴轴心轨迹的分析 (25)4.1电主轴常见故障及其频谱特征 (25)4.1.1不对中 (25)4.1.2 不平衡 (26)4.1.3油膜涡动与油膜振荡 (27)4.2谐波小波试验分析 (29)4.3 本章小结 (31)参考文献 (33)致谢 (36)1绪论1.1课题学术和使用意义高速加工技术作为当代四大先进制造技术之一，是继数控技术之后使制造技术产生革命性飞跃的高新技术。

立式数控机床主轴热态精度检测利用电容式位移传感器和电阻式温度传感器对立式数控机床主轴进行高精度测量，试验获取主轴端径向和轴向热位移，以及主轴系统热敏感位置的温升。

对于机械式主轴，主轴前后轴承和减速器因高速滚动摩擦发热，使得主轴的发热量很大，造成的热变形会严重影响机床的加工精度。

对于结构稳定、技术成熟的数控机床，提高数控机床的热态精度最有效的措施是改进机床的主轴润滑方式或者对主轴轴承进行强制冷却。

1 引言数控机床的精度通常分为几何精度、位置精度和工作精度。

几何精度和位置精度可概括为机床的静态精度，静态精度只能在一定的程度上反映机床的加工精度。

除此之外，机床的精度还主要有动态精度，是指机床在外载荷、温升及振动等工作状态作用下的精度。

而其中对动态精度影响最为严重的是机床生热造成的热态精度。

温升是评定机床主轴的一项重要性能指标，综合反映了主轴的设计、制造水平和材料质量。

主轴系统的温升，通常是指在无外加载荷和无外部热源影响的条件下的典型区域温度与环境温度的差值。

通常用主轴前轴承的外圈作为测量系统温升的典型区域。

系统的温升越高，零配件的热变形越大，引起精度丧失的可能性越大，系统的热态特性就越差。

2 试验条件使用 API 主轴误差测试分析仪，测量范围 0. 1-0. 8mm，测量频率10s/s，分辨率0. 1μm，可测量的最大主轴转速为 60000r/min。

在 5 个自由度(X轴、Y 轴和 Z 轴漂移、X 轴和 Y 轴倾斜)上测量和分析主轴误差的短期和长期变化，并配备 20 个带磁性底座的热传感器以及计算机辅助软件，可以描述主轴的温度及变形状况。

温度测量除使用主轴动态误差分析仪自带的温度传感器外，还辅以红外热像仪进行温度场测试。

利用红外热成像原理可测量 -40— +120℃范围内的温度变化，近焦距 <0. 3m，精度±2Co或读数的±2%，采样频率 1Hz。

机床主轴在运转过程中主轴轴承、电机等由于摩擦而生热，尤其是高速主轴，其温升更快、更高。

超高速主轴单元温升特性分析
超高速主轴单元温升特性分析
对超高速主轴单元的内部热源进行了分析与计算,建立了超高速主轴单元温度场的有限元分析模型,利用ANSYS软件对其进行了温度场分析,并在此基础上研究了对轴承外圈进行强制冷却时前后轴承的温升情况,结果表明对轴承外圈进行强制冷却能够很好的降低轴承的温升.
作者：王猷严宏志 WANG You YAN Hong-zhi 作者单位：中南大学机电工程学院,湖南,410083 刊名：航空精密制造技术 ISTIC英文刊名：AVIATION PRECISION MANUFACTURING TECHNOLOGY 年，卷(期)：2007 43(6) 分类号：V233.4 关键词：超高速主轴单元温度场轴承温升。

机床温升测试实验报告一、实验目的本实验旨在通过对机床温升测试，了解机床加工过程中的温度变化情况，为机床的优化设计和使用提供参考。

二、实验原理机床在加工过程中会产生热量，导致其温度升高。

温升会影响机床的精度、稳定性和寿命等方面。

因此，对机床的温升进行测试是非常必要的。

机床温升测试通常使用热电偶或红外线测温仪进行。

热电偶是一种测量温度的传感器，其原理是利用材料导电时随温度变化而产生电势差来测量物体表面或内部的温度。

红外线测温仪则是通过检测物体表面所发出的红外线辐射来计算出物体表面的温度。

三、实验步骤1. 将热电偶或红外线测温仪固定在需要测试的机床部位。

2. 开始加工，并记录下加工时间。

3. 每隔一段时间（如10分钟）记录下当前机床部位的温度，并计算出相应时间段内机床部位的平均温度。

4. 根据实验数据绘制出机床温度变化曲线。

四、实验结果分析根据实验数据，我们可以得到机床在加工过程中的温度变化曲线。

通过分析这条曲线，我们可以得到以下结论：1. 机床温度在加工初期会迅速升高，在加工后期则会趋于稳定。

2. 不同部位的温升情况可能存在差异，需要针对性地进行测试和优化。

3. 加工时间越长，机床的温度升高越明显。

五、实验注意事项1. 在进行热电偶测试时，需要注意热电偶与被测试部位之间的接触质量和接触面积，以确保测量精度。

2. 在进行红外线测温时，需要注意测量距离和角度对测量结果的影响。

3. 实验过程中应注意安全，避免因操作不当导致人身伤害或设备损坏。

六、结论通过本次机床温升测试实验，我们了解了机床加工过程中的温度变化情况，并得出了一些有价值的结论。

这些结论对于机床设计和使用具有重要意义。

同时，在实验中我们也需要注意操作规范和安全，以确保实验的顺利进行。

高速电主轴热态特性分析及温度预测研究高速电主轴热态特性分析及温度预测研究摘要：电主轴作为高速加工中最重要的工具之一，其热态特性对加工质量和工具寿命有着重要影响。

本研究旨在分析高速电主轴的热态特性，并通过建立数学模型来预测其温度变化，从而提供优化加工参数和冷却系统设计的理论依据。

实验结果表明，在不同工况下，高速电主轴的温度分布存在明显差异，且会随着电主轴的运转时间和负载的变化而发生改变。

1. 引言高速电主轴在现代生产中起着至关重要的作用，广泛应用于数控机床、电子制造和精密加工等领域。

电主轴的热态特性对加工质量和工具寿命有着重要影响。

因此，深入研究电主轴的热态特性，对于优化加工参数和提高加工质量具有重要意义。

2. 高速电主轴的热态特性分析2.1 实验装置为了分析高速电主轴的热态特性，我们搭建了实验装置。

该装置由电主轴、电机、冷却系统和温度传感器等组成。

实验时，我们对不同工况下的电主轴进行测试。

2.2 温度变化规律通过实验数据的分析，我们发现高速电主轴的温度存在以下规律：(1) 温度分布不均匀：电主轴的温度分布在不同部位存在明显差异。

通常来说，电主轴的轴承处温度较高，而电机部分温度较低。

(2) 运转时间对温度有影响：随着电主轴的运转时间的增加，其温度呈现出明显的升高趋势。

这是由于摩擦产生的热量在电主轴内积累导致的。

(3) 负载对温度有影响：增加电主轴的负载会导致其温度上升。

这是因为负载的增加会带来更大的摩擦力，从而产生更多的热量。

3. 高速电主轴温度预测模型建立为了准确预测高速电主轴的温度变化，我们建立了数学模型。

该模型基于热传导理论和质量守恒定律，并结合实验数据进行参数拟合。

通过该模型，我们可以预测不同运转时间和负载下电主轴的温度。

4. 实验验证和讨论我们对建立的温度预测模型进行了实验验证。

实验结果表明，该模型能够准确预测电主轴的温度变化。

同时，我们还对模型中的参数进行了敏感性分析，结果表明模型对于不同参数的变化具有一定的稳定性。