动静压高速主轴系统性能测试和信号分析

论文摘要

国内外机床发展速度很快,机床发展趋势为:高速度。高精度。复合化。环保等四大特点,开发和研制高速高精度的主轴系统就显得很重要,在经济和社会发展中,有大量的课题需要进行测试,机械工程测试与信号分析是一项与现代化大生产密切相关的技术,近些年来在国民生产与经济重要部门中受到广泛的重视,现代工业技术对各种机械提出了高速度,高精度下的低振动,低噪声和高的抗振能力的要求,研究机床系统的振动特性,分析产生振动的原因,寻找降低噪声的途径等直接进行各种性能测量试验,是一个重要的必不可少的手段。信号分析及数据处理的基本理论和方法,是工程实际测试中应用的基本理论和方法。机械工程测试中将待测的物理量（信号）通过传感器,中间变换器,传输到信号处理机进行模拟信号分析和数字信号分析,其中通过模/数转换器和数/模转换器,可以根据需要对信号进行互相转换。在数字信号采样时,应遵循采样定理,对信号进行截断和防止“泄漏”,需要正确选择窗函数,数字信号分析已成为现代科学技术所不可少的有力工具,专用硬件的数字信号处理机,在运算速度,分辩能力,功能等方面,数字信号分析技术都优于模拟分析技术。快速傅立叶变换（FFT）是数字信号分析的基本理论和方法。为较全面系统深入地了解和分析第一代动静压高速主轴系统结构的动态性能,对其进行了较全面的动态性能试验（包括系统空运转绝对振动试验,系统空运转相对振动试验,系统空运转回转精度试验,系统主轴轴线运动误差试验,系统噪声试验,系统空载功率试验,系统零部件脉冲激振试验,其它辅助试验）通过试验找出了第一代主轴系统存在的,影响性能和精度的主要振动源,噪声源;主轴或电机转子在制造过程中的偏心质量,电机与主轴联结的双键,键槽偏心质量或双键在运动过程中引起的冲击,主轴前端二组三个螺孔的偏心质量等,这对改进结构,优化设计,解决制造中的相关工艺问题,提供了依据。对试验仪器进行标定,使测试数据准确可靠。通过第一代动静压高速主轴系统空运转绝对振动试验,对振动频谱的分析找出了产生振动的根源,通过系统空运转回转精度试验查找到了影响主轴回转误差的主要环节和因素,主轴因尾部悬臂太长,刚性较弱,转子在交变电磁力的作用下,容易振动,使主轴回转精度下降,双键传递动力,因结构存在缺陷,高速下会产生明显的双键冲击现象,根据以上试验,对主轴进行了创新性结构设计,设计了第二代主轴,将主轴尾部设计成自锁性很高,耐冲击力很高的1:100锥度配合连接,通过一个过渡零件,一端用锥柄与主轴实现压紧自锁配合连接,另一端与德国KTR公司生产的ROTEX-GS型精密联轴器连接,彻底抛弃了传统常见的结构设计方法,主轴前端与夹头的连接采用创新性锥面和端面同时定位的方式,使锥柄在很大压紧自锁的作用下,发挥精确定位,传递动力的作用,经振动频谱分析和主轴回转精度试验。振动影响小的特点。通过这两项实验,还为我们改进各零部件的结构设计,加工精度及装配要求提供了可靠的科学依据。通过对第二代主轴系统的全面性能试验,各项性能都比第一代主轴系统有了显著的提高。改进后的第二代动静压高速主轴系统总体设计是比较成功的,体现出了高精度,低噪声的基本特征,适用于高精度的外园加工等。

论文目录

摘要

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第一章前言

1.1 研究的目的和意义

1.2 选题意义和依据

1.3 文献综述

1.3.1 国内外技术发展概况

1.3.2 测试与信号分析的基础

1.3.3 机械测试与信号分析的研究状况

1.3.4 机械测试与信号分析在工厂中的作用

1.4 论文工作

1.4.1 论文的研究内容

1.4.2 预期成果

第二章信号分析及数据处理的基本理论和方法

2.1 信号概念及分类

2.1.1 信号转换与传感器

2.1.2 信号传输及干扰噪声

2.1.3 信号的分类

2.2 信号分析中的一般问题

2.2.1 模拟信号处理系统

2.2.2 数字信号处理系统

2.2.3 采样混叠与加窗

2.3 信号的时域分析

2.3.1 信号的幅值域分析

2.3.2 信号的概率分析

2.3.3 信号的时差域分析

2.4 信号的频域分析

2.4.1 周期信号的幅值谱、相位谱、功率谱

2.4.2 非周期信号的幅值谱密度、能量谱密度

2.4.3 随机信号的功率谱密度

2.5 模拟信号分析

2.5.1 调制与解调

2.5.2 滤波

2.5.3 模拟信号相关分析与谱分析

2.6 数字信号分析

2.6.1 数字信号分析的基本步骤

2.6.2 离散傅里叶变换

2.6.3 快速傅立叶变换（FFT）简介

2.7 小结

第三章第一代动静压高速主轴系统样机的性能测试分析

3.1 主轴系统（箱）概述

3.1.1 主轴系统（箱）结构说明

3.1.2 主轴系统（箱）规格及主要技术参数

3.2 试验仪器定标

3.2.1 绝对振动测试仪器定标

3.2.2 相对振动测试仪器定标

3.2.3 噪音测试仪器定标

3.3 性能试验

3.3.1 系统空运转绝对振动试验

3.3.2 系统空运转相对振动试验

3.3.3 系统空运转回转精度试验

3.3.4 系统噪声试验

3.3.5 系统主轴轴线运动误差试验

3.3.6 系统空载功率试验

3.3.7 系统零部件脉冲激振试验

3.3.8 辅助试验

3.4 第一代主轴系统测试小结

第四章第二代动静压高速主轴系统样机的性能测试分析

4.1 性能试验

4.1.1 系统空运转绝对振动试验

4.1.2 系统噪声试验

4.1.3 系统空运转回转精度试验

4.1.4 系统空运转相对振动试验

4.1.5 系统主轴轴线运动误差试验

4.1.6 系统空载功率试验

4.1.7 辅助试验

4.1.8 位置精度试验

4.2 第二代主轴系统测试小结

第五章结果分析与结论

5.1 时域分析、频域分析的分析手段和方法

5.1.1 动态信号分析仪（快速傅氏变换分析仪）的应用

5.1.2 采样频率的选择

5.1.3 触发方式的选择

5.1.4 正确选择窗函数,减少泄漏

5.2 第一代和第二代动静压高速主轴系统性能测试结果比较

5.3 结论

致谢

参考文献

附录A 攻读学位期间发表的论文

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