多工位小动力头系统的稳定性研究及智能化检测

论文摘要

圆珠笔的书写功能主要是由圆珠笔笔头完成的，圆珠笔的书写质量取决于笔头的加工质量。然而，由于传统笔头加工设备的落后，严重制约了中国圆珠笔产业的发展。近年来，随着国外先进设备的引进，给我国传统的圆珠笔生产设备及制造方式带来了很大的冲击，也迫使我们去研究这一既传统而又新颖的领域。经过几十年的发展，我国制笔工业已具有相当的规模，形成了多门类、多品种、较完善的生产体系，笔类产品出口创汇逐年增加，已成为一个名副其实的世界制笔生产和出口大国。但与国际先进水平相比，我国在笔类的品种、质量以及制笔技术和装备上都存在着较大的差距。本文概述了国内外制笔产业及制笔设备的现状及发展趋势，分析了国内外制笔技术及装备的差距，指出了我国制笔设备所存在的问题以及发展优势，提出了我国制笔业的发展方向。随着笔类产品书写要求及书写质量的提高，使笔头的结构也越来越复杂。为了提高制笔生产效率及零部件加工质量，国外首先研制出了多工位自动制笔机床，我国也引进了这类设备，并着手进行仿制。文中简述了多工位小动力头机床的发展以及在圆珠笔加工行业的应用，对比了几种多工位笔头加工机床的性能特点。在此基础上提出了本课题研究的多工位机床的技术指标为：切削加工精度等级为IT3～IT4；切削表面粗糙度Ra=0.2～0.4μm；工位间重复定位精度＜0.004；24个工位可同时上下加工，最多可达48个工作站，从坯件到成品，一次装夹，连续自动完成加工，以避免多次装夹而带来的累积误差；球座体与钢球的装配直接压出相贴面，以保证球面配合精度。根据上述技术指标，文中进行了24工位小动力头机床的结构参数设计。所设计的系统包括：动力系统、传递系统、控制系统、调速系统和指示系统五个部分。设备结构紧凑，控制精度高，体现了自动化、机电一体化及智能化的完美结合。在多工位制笔机械的小动力头旋转系统中，转子与其支承之间是依赖小间隙约束而构成完整系统的，机组失效也总是最先表现在这类小间隙约束的破坏与失效上，而机组振动则是导致小间隙约束破坏的直接原因。因此在这种动力系统中，如何保证转子系统在小间隙约束条件下仍具有优良的动力学特性这一课题是值得十分关注的。为了保证动力头从启动到关机的整个工作区域内都能稳定运转，应使得转子的工作速度避开系统的临界转速。文中建立了小动力头转子系统的计算模型，采用传递矩阵法计算了小动力头系统的前二阶临界转速，分别为2887.8和8255.7r／min，结果表明本文所设计的小动力头系统的工作速度（4000～4500r／min）是安全的。文中还对芯轴直径、轴承间距及支承弹性对各临界转速的影响进行了讨论，为系统工作速度的调整及结构参数的改进提供了参考。研究了小动力头系统轴承摩擦力矩对运转性能的影响，分析了球轴承摩擦力矩的产生机理及影响因素，采用实验和计算的方法得到了动力头球轴承的合理间隙及球轴承沟曲率半径，分析了各种润滑剂与球轴承启动力矩的关系，并提出了减小轴承启动力矩的措施，为小动力头系统的轴承设计提供了理论依据及实践参考。24工位笔头加工机械在笔头的生产加工过程中，由于受到各种因素的干扰是一个不稳定系统，其稳定性会发生一定变化，而且很难用线性方法表述。本文采用以胞映射法为代表的非线性方法、数值分析方法，较系统全面地分析了旋转的小动力头系统，为小动力头旋转系统的稳定性分析提供了一种全新方法，为小动力头的设计与制造提供了一个较好的理论依据。研究表明，无论是对非线性平衡转子-轴承系统，还是对于非线性不平衡转子-轴承系统，只要其轴心具有一定的轴心轨迹，那么它受扰运动的衰减将和系统周期运动的轨迹发生关系，受扰时系统处于不同的位置，就将具有不同衰减率。随着机械运转速度的提高和新材料、新结构的出现，特别是小动力头问题，线性理论在解决转子系统的动力学问题上的不足逐渐显露出来。在旋转机械中，转子系统存在着油膜力、密封力等严重的非线性激振源，导致转子系统存在许多非线性问题，而且在转子系统发生裂纹、基础松动、碰摩、油膜震荡等故障时，非线性问题更为突出。所以准确描述转子系统动力学行为的微分方程是非线性的，采用传统的转子动力学已不能满足现代小动力头设计问题的需要。在许多情况下，用线性化方法研究非线性问题，不仅会有量的误差，而且有时可能还会产生质的错误。由于在设计时忽略了非线性因素，许多小型转子系统在运行中发生了严重故障。所以，为了更好地研究小动力头转子系统复杂的动力学行为，必须采用非线性理论。非线性动力学分析方法不但可以避免由于参数线性化而将自由振动和强迫振动强行分割的求解局限性，而且能将受迫振动和各种自激振动因素统一于力学模型中。在24工位小动力头系统中，转子系统的故障常常是多个故障之间相互耦合，而单一故障的动力学问题较为少见，一般情况是二种或二种以上故障同时存在。小动力头旋转系统的故障主要包括转子静动件之间的碰摩、转子裂纹、油膜振荡、轴承座与基础之间的松动、不对中等，以及上述故障组合而成的耦合故障。耦合故障转子动力学行为较单一故障转子更加复杂，而且相互影响，如具有转轴裂纹的转子系统在一定情况下会产生转、静子碰摩，油膜震荡转子系统在某些干扰下也会产生碰摩，不平衡或不对中故障会导致转、静子碰摩或基础（支座）松动等等。转子系统出现耦合故障时，非线性问题会更加突出。由于非线性因素不可避免地存在，因此，采用非线性动力学分析方法，更能揭示耦合故障发生的机理，进而可以深入了解耦合故障转子系统的非线性动力学特性。系统动力头（旋转机械）的许多理论分析是建立在大量观测或实验数据基础上的，但在现实生产技术的研究中所涉及的对象往往十分复杂，有些问题还难以进行完整的理论分析和计算，例如研究旋转机械在动载荷下的受力情况，了解机械的固有频率、阻尼、振型等动态特性，确定结构的疲劳寿命等目前仍离不开测试的方法。特别是在闭环控制中，检测被控对象状态参数的环节是必不可少的，没有工艺流程数据的测试和采集，就无法实现自动化生产，而且测试水平的高低直接影响到控制水平的优劣。本课题在多工位动力头系统的在线检测及智能控制方面做了一些有效的尝试。建立了以虚拟仪器LabVIEW为平台的多工位机床动态性能检测系统，并应用于实践，获得了良好的效果。综上所述，本课题主要研究多工位笔头加工设备的动态稳定性及智能化控制方面的问题。主要内容为：1) 24工位小动力头机床的结构特征分析与参数设计；2)计算了小动力头回转轴系的临界转速，分析了其振动特性以及轴承间隙对润滑、摩擦特性的影响；3)采用非线性方法研究了小动力头转子-轴承系统的稳定性问题，包括其周期解及分岔问题；4)研究了小动力头转子-轴承系统当含有多种耦合故障时的非线性动力学行为，揭示了耦合故障发生的机理、力学特征以及解决对策；5)设计了以虚拟仪器为主体的多工位笔头加工设备的在线检测系统，重点对动力头的振动参数进行在线检测，并进行了实践；6)对系统进行了动态优化设计，建立了最优控制模型，并对24工位机床进行了控制实践。通过本课题的研究，提出了采用非线性方法研究小动力头旋转系统的动态特性和稳定性问题；搞清了小动力头系统在耦合故障下的动力学行为；解决了采用虚拟仪器对多工位制笔设备的振动、噪声、受力、功耗等动态性能的在线检测问题；尝试了多工位系统最优设计与最优控制、小间隙约束等参数设计问题。在研究方法、理论及控制方面采用了较为先进的技术：采用非线性理论研究小动力头转子系统的稳定性及耦合故障问题；采用虚拟仪器技术构建在线检测系统；采用现代控制方法进行优化设计等。通过理论研究及初步的实践应用，较真实地反映了实际情况，使理论较好地与实践相结合，从而在圆珠笔笔头加工领域起到了一个全新的带有示范意义的作用。

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摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 选题的背景及意义

1.2 课题的主要研究内容

1.3 课题的研究方法

1.4 课题的创新点

第二章国内外制笔机械现状及多工位小动力头机床

2.1 我国制笔业及制笔机械现状

2.1.1 我国制笔业的现状与发展

2.1.2 我国制笔装备的现状和发展

2.2 国内外圆珠笔加工设备的比较

2.2.1 圆珠笔设备行业的基础和比较优势

2.2.2 圆珠笔设备与国际先进水平之间的差距

2.3 多工位小动力头机床的发展

2.3.1 基本状态

2.3.2 多工位设备在圆珠笔加工行业的应用

2.3.3 Multistar-24型机床简介

2.4 多工位小动力头机床的结构参数设计

2.4.1 系统参数

2.4.2 系统设计

2.5 本章小结

第三章小动力头回转系统的振动及轴承摩擦力矩分析

3.1 小动力头系统的结构特征

3.2 小动力头系统的临界转速计算及振动分析

3.2.1 系统的振动机理

3.2.2 系统的临界转速计算及分析

3.3 小动力头系统轴承力矩对运转性能的影响

3.3.1 轴承力矩的产生

3.3.2 球轴承摩擦力矩的机理

3.3.3 摩擦力矩的影响因素

3.3.4 保持架结构与力矩稳定性之间的关系

3.3.5 润滑剂种类及用量与启动力矩的关系

3.3.6 环境参数对启动力矩的影响

3.3.7 减小轴承启动力矩的措施

3.4 本章小结

第四章小动力头系统小间隙约束轴系的稳定性研究

4.1 小动力头回转轴系的非线性表述

4.1.1 非线性表述

4.1.2 小动力头回转轴的非线性动力系统的主要研究内容

4.2 小动力头回转轴系的非线性稳定性分析

4.2.1 映射

4.2.2 非线性动力系统的稳定性分析

4.2.3 小动力头系统的非线性稳态周期解的稳定性分岔

4.2.4 小动力头回转系统的非线性伪周期及混沌解

4.3 小轴承系统的自激振动和全局性分析

4.3.1 系统分岔后的典型自激振动"极限环"在单个截面上的全局分析（ω=3.3）

4.3.2 系统分岔后典型自激振动"极限环"在不同截面上的全局分析（ω=3.3）

4.3.3 系统二次分岔（倍周期分岔）后自激振动的全局分析

4.4 本章小结

第五章小动力头回转轴系在有耦合故障情况下的动力学行为分析

5.1 概述

5.2 含碰摩与裂纹转子系统的非线性动力学行为

5.2.1 含碰摩与裂纹的转子-轴承系统的力学模型

5.2.2 含碰摩与裂纹转子运动微分方程的建立

5.2.3 含碰摩与裂纹转子-轴承系统的动力学行为分析

5.3 含松动与裂纹转子系统的非线性动力学行为

5.3.1 含松动和裂纹转子-轴承系统的力学模型

5.3.2 含松动和裂纹转子-轴承系统运动微分方程的建立

5.3.3 含松动和裂纹转子-轴承系统的动力学行为

5.3.4 含松动与裂纹转子-轴承系统的故障特征分析

5.4 本章小结

第六章小动力头系统振动特性虚拟检测系统的研制

6.1 虚拟检测系统概述

6.2 振动特性虚拟检测系统的总体设计

6.2.1 硬件系统方案

6.2.2 虚拟仪器的软件开发平台

6.3 虚拟检测分析系统的设计与实践

6.3.1 振动测试分析系统的程序设计

6.3.2 24工位机床正常工作状态的监测系统

6.4 本章小结

第七章多工位小动力头系统的最优化控制研究

7.1 最优化控制研究概况

7.2 最优化控制的求解方法

7.2.1 用变分法求解最优化控制问题

7.2.2 用极小值原理求解最优化控制问题

7.3 24工位小动力头系统的最优化控制实践

7.4 本章小结

第八章结论与展望

8.1 结论

8.2 展望

参考文献

在校期间发表的论文

致谢

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