多工位小動力頭系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究及智能化檢測.pdf

1、圓珠筆的書寫功能主要是由圓珠筆筆頭完成的，圓珠筆的書寫質(zhì)量取決于筆頭的加工質(zhì)量。然而，由于傳統(tǒng)筆頭加工設(shè)備的落后，嚴(yán)重制約了中國圓珠筆產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。近年來，隨著國外先進設(shè)備的引進，給我國傳統(tǒng)的圓珠筆生產(chǎn)設(shè)備及制造方式帶來了很大的沖擊，也迫使我們?nèi)パ芯窟@一既傳統(tǒng)而又新穎的領(lǐng)域。 經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國制筆工業(yè)已具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模，形成了多門類、多品種、較完善的生產(chǎn)體系，筆類產(chǎn)品出口創(chuàng)匯逐年增加，已成為一個名副其實的世界制筆生產(chǎn)和出口大國

2、。但與國際先進水平相比，我國在筆類的品種、質(zhì)量以及制筆技術(shù)和裝備上都存在著較大的差距。本文概述了國內(nèi)外制筆產(chǎn)業(yè)及制筆設(shè)備的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，分析了國內(nèi)外制筆技術(shù)及裝備的差距，指出了我國制筆設(shè)備所存在的問題以及發(fā)展優(yōu)勢，提出了我國制筆業(yè)的發(fā)展方向。 隨著筆類產(chǎn)品書寫要求及書寫質(zhì)量的提高，使筆頭的結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜。為了提高制筆生產(chǎn)效率及零部件加工質(zhì)量，國外首先研制出了多工位自動制筆機床，我國也引進了這類設(shè)備，并著手進行仿制。文中簡述了

3、多工位小動力頭機床的發(fā)展以及在圓珠筆加工行業(yè)的應(yīng)用，對比了幾種多工位筆頭加工機床的性能特點。在此基礎(chǔ)上提出了本課題研究的多工位機床的技術(shù)指標(biāo)為：切削加工精度等級為IT3～IT4；切削表面粗糙度Ra=0.2～0.4μm；工位間重復(fù)定位精度＜0.004；24個工位可同時上下加工，最多可達48個工作站，從坯件到成品，一次裝夾，連續(xù)自動完成加工，以避免多次裝夾而帶來的累積誤差；球座體與鋼球的裝配直接壓出相貼面，以保證球面配合精度。根據(jù)上述技術(shù)指

4、標(biāo)，文中進行了24工位小動力頭機床的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計。所設(shè)計的系統(tǒng)包括：動力系統(tǒng)、傳遞系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)和指示系統(tǒng)五個部分。設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，控制精度高，體現(xiàn)了自動化、機電一體化及智能化的完美結(jié)合。 在多工位制筆機械的小動力頭旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子與其支承之間是依賴小間隙約束而構(gòu)成完整系統(tǒng)的，機組失效也總是最先表現(xiàn)在這類小間隙約束的破壞與失效上，而機組振動則是導(dǎo)致小間隙約束破壞的直接原因。因此在這種動力系統(tǒng)中，如何保證轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在小間隙約

5、束條件下仍具有優(yōu)良的動力學(xué)特性這一課題是值得十分關(guān)注的。 為了保證動力頭從啟動到關(guān)機的整個工作區(qū)域內(nèi)都能穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，應(yīng)使得轉(zhuǎn)子的工作速度避開系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速。文中建立了小動力頭轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的計算模型，采用傳遞矩陣法計算了小動力頭系統(tǒng)的前二階臨界轉(zhuǎn)速，分別為2887.8和8255.7r/min，結(jié)果表明本文所設(shè)計的小動力頭系統(tǒng)的工作速度(4000～4500r/min)是安全的。文中還對芯軸直徑、軸承間距及支承彈性對各臨界轉(zhuǎn)速的影響進行了討

6、論，為系統(tǒng)工作速度的調(diào)整及結(jié)構(gòu)參數(shù)的改進提供了參考。 研究了小動力頭系統(tǒng)軸承摩擦力矩對運轉(zhuǎn)性能的影響，分析了球軸承摩擦力矩的產(chǎn)生機理及影響因素，采用實驗和計算的方法得到了動力頭球軸承的合理間隙及球軸承溝曲率半徑，分析了各種潤滑劑與球軸承啟動力矩的關(guān)系，并提出了減小軸承啟動力矩的措施，為小動力頭系統(tǒng)的軸承設(shè)計提供了理論依據(jù)及實踐參考。 24工位筆頭加工機械在筆頭的生產(chǎn)加工過程中，由于受到各種因素的干擾是一個不穩(wěn)定系統(tǒng)，其穩(wěn)

7、定性會發(fā)生一定變化，而且很難用線性方法表述。本文采用以胞映射法為代表的非線性方法、數(shù)值分析方法，較系統(tǒng)全面地分析了旋轉(zhuǎn)的小動力頭系統(tǒng)，為小動力頭旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析提供了一種全新方法，為小動力頭的設(shè)計與制造提供了一個較好的理論依據(jù)。研究表明，無論是對非線性平衡轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)，還是對于非線性不平衡轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)，只要其軸心具有一定的軸心軌跡，那么它受擾運動的衰減將和系統(tǒng)周期運動的軌跡發(fā)生關(guān)系，受擾時系統(tǒng)處于不同的位置，就將具有不同衰減率。

8、 隨著機械運轉(zhuǎn)速度的提高和新材料、新結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，特別是小動力頭問題，線性理論在解決轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)問題上的不足逐漸顯露出來。在旋轉(zhuǎn)機械中，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)存在著油膜力、密封力等嚴(yán)重的非線性激振源，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子系統(tǒng)存在許多非線性問題，而且在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)發(fā)生裂紋、基礎(chǔ)松動、碰摩、油膜震蕩等故障時，非線性問題更為突出。所以準(zhǔn)確描述轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)行為的微分方程是非線性的，采用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子動力學(xué)已不能滿足現(xiàn)代小動力頭設(shè)計問題的需要。在許多情況下，用線性化方

9、法研究非線性問題，不僅會有量的誤差，而且有時可能還會產(chǎn)生質(zhì)的錯誤。由于在設(shè)計時忽略了非線性因素，許多小型轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在運行中發(fā)生了嚴(yán)重故障。所以，為了更好地研究小動力頭轉(zhuǎn)子系統(tǒng)復(fù)雜的動力學(xué)行為，必須采用非線性理論。非線性動力學(xué)分析方法不但可以避免由于參數(shù)線性化而將自由振動和強迫振動強行分割的求解局限性，而且能將受迫振動和各種自激振動因素統(tǒng)一于力學(xué)模型中。 在24工位小動力頭系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的故障常常是多個故障之間相互耦合，而單一故障

10、的動力學(xué)問題較為少見，一般情況是二種或二種以上故障同時存在。小動力頭旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的故障主要包括轉(zhuǎn)子靜動件之間的碰摩、轉(zhuǎn)子裂紋、油膜振蕩、軸承座與基礎(chǔ)之間的松動、不對中等，以及上述故障組合而成的耦合故障。耦合故障轉(zhuǎn)子動力學(xué)行為較單一故障轉(zhuǎn)子更加復(fù)雜，而且相互影響，如具有轉(zhuǎn)軸裂紋的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在一定情況下會產(chǎn)生轉(zhuǎn)、靜子碰摩，油膜震蕩轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在某些干擾下也會產(chǎn)生碰摩，不平衡或不對中故障會導(dǎo)致轉(zhuǎn)、靜子碰摩或基礎(chǔ)(支座)松動等等。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)出現(xiàn)耦合故障時，

11、非線性問題會更加突出。由于非線性因素不可避免地存在，因此，采用非線性動力學(xué)分析方法，更能揭示耦合故障發(fā)生的機理，進而可以深入了解耦合故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性動力學(xué)特性。 系統(tǒng)動力頭(旋轉(zhuǎn)機械)的許多理論分析是建立在大量觀測或?qū)嶒灁?shù)據(jù)基礎(chǔ)上的，但在現(xiàn)實生產(chǎn)技術(shù)的研究中所涉及的對象往往十分復(fù)雜，有些問題還難以進行完整的理論分析和計算，例如研究旋轉(zhuǎn)機械在動載荷下的受力情況，了解機械的固有頻率、阻尼、振型等動態(tài)特性，確定結(jié)構(gòu)的疲勞壽命等目前

12、仍離不開測試的方法。特別是在閉環(huán)控制中，檢測被控對象狀態(tài)參數(shù)的環(huán)節(jié)是必不可少的，沒有工藝流程數(shù)據(jù)的測試和采集，就無法實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，而且測試水平的高低直接影響到控制水平的優(yōu)劣。本課題在多工位動力頭系統(tǒng)的在線檢測及智能控制方面做了一些有效的嘗試。建立了以虛擬儀器LabVIEW為平臺的多工位機床動態(tài)性能檢測系統(tǒng)，并應(yīng)用于實踐，獲得了良好的效果。 綜上所述，本課題主要研究多工位筆頭加工設(shè)備的動態(tài)穩(wěn)定性及智能化控制方面的問題。主要內(nèi)容為

13、： 1)24工位小動力頭機床的結(jié)構(gòu)特征分析與參數(shù)設(shè)計； 2)計算了小動力頭回轉(zhuǎn)軸系的臨界轉(zhuǎn)速，分析了其振動特性以及軸承間隙對潤滑、摩擦特性的影響； 3)采用非線性方法研究了小動力頭轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，包括其周期解及分岔問題； 4)研究了小動力頭轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)當(dāng)含有多種耦合故障時的非線性動力學(xué)行為，揭示了耦合故障發(fā)生的機理、力學(xué)特征以及解決對策； 5)設(shè)計了以虛擬儀器為主體的多工位筆頭加工設(shè)

14、備的在線檢測系統(tǒng)，重點對動力頭的振動參數(shù)進行在線檢測，并進行了實踐； 6)對系統(tǒng)進行了動態(tài)優(yōu)化設(shè)計，建立了最優(yōu)控制模型，并對24工位機床進行了控制實踐。 通過本課題的研究，提出了采用非線性方法研究小動力頭旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的動態(tài)特性和穩(wěn)定性問題；搞清了小動力頭系統(tǒng)在耦合故障下的動力學(xué)行為；解決了采用虛擬儀器對多工位制筆設(shè)備的振動、噪聲、受力、功耗等動態(tài)性能的在線檢測問題；嘗試了多工位系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計與最優(yōu)控制、小間隙約束等參數(shù)設(shè)計問題