多工位小動(dòng)力頭系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究及智能化檢測(cè).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(guó)圓珠筆產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。近年來，隨著國(guó)外先進(jìn)設(shè)備的引進(jìn)，給我國(guó)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(guó)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(gè)名副其實(shí)的世界制筆生產(chǎn)和出口大國(guó)

2、。但與國(guó)際先進(jìn)水平相比，我國(guó)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(guó)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(shì)，分析了國(guó)內(nèi)外制筆技術(shù)及裝備的差距，指出了我國(guó)制筆設(shè)備所存在的問題以及發(fā)展優(yōu)勢(shì)，提出了我國(guó)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(guó)外首先研制出了多工位自動(dòng)制筆機(jī)床，我國(guó)也引進(jìn)了這類設(shè)備，并著手進(jìn)行仿制。文中簡(jiǎn)述了

3、多工位小動(dòng)力頭機(jī)床的發(fā)展以及在圓珠筆加工行業(yè)的應(yīng)用，對(duì)比了幾種多工位筆頭加工機(jī)床的性能特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上提出了本課題研究的多工位機(jī)床的技術(shù)指標(biāo)為：切削加工精度等級(jí)為IT3～I(xiàn)T4；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(gè)工位可同時(shí)上下加工，最多可達(dá)48個(gè)工作站，從坯件到成品，一次裝夾，連續(xù)自動(dòng)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(jìn)行了24工位小動(dòng)力頭機(jī)床的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)包括：動(dòng)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(gè)部分。設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，控制精度高，體現(xiàn)了自動(dòng)化、機(jī)電一體化及智能化的完美結(jié)合。 在多工位制筆機(jī)械的小動(dòng)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(jī)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(jī)組振動(dòng)則是導(dǎo)致小間隙約束破壞的直接原因。因此在這種動(dòng)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(dòng)力學(xué)特性這一課題是值得十分關(guān)注的。 為了保證動(dòng)力頭從啟動(dòng)到關(guān)機(jī)的整個(gè)工作區(qū)域內(nèi)都能穩(wěn)定運(yùn)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(dòng)力頭轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的計(jì)算模型，采用傳遞矩陣法計(jì)算了小動(dòng)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(jì)的小動(dòng)力頭系統(tǒng)的工作速度(4000～4500r/min)是安全的。文中還對(duì)芯軸直徑、軸承間距及支承彈性對(duì)各臨界轉(zhuǎn)速的影響進(jìn)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(jìn)提供了參考。 研究了小動(dòng)力頭系統(tǒng)軸承摩擦力矩對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)性能的影響，分析了球軸承摩擦力矩的產(chǎn)生機(jī)理及影響因素，采用實(shí)驗(yàn)和計(jì)算的方法得到了動(dòng)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(rùn)滑劑與球軸承啟動(dòng)力矩的關(guān)系，并提出了減小軸承啟動(dòng)力矩的措施，為小動(dòng)力頭系統(tǒng)的軸承設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)及實(shí)踐參考。 24工位筆頭加工機(jī)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(gè)不穩(wěn)定系統(tǒng)，其穩(wěn)

7、定性會(huì)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(dòng)力頭系統(tǒng)，為小動(dòng)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(dòng)力頭的設(shè)計(jì)與制造提供了一個(gè)較好的理論依據(jù)。研究表明，無論是對(duì)非線性平衡轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)，還是對(duì)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(yùn)動(dòng)的衰減將和系統(tǒng)周期運(yùn)動(dòng)的軌跡發(fā)生關(guān)系，受擾時(shí)系統(tǒng)處于不同的位置，就將具有不同衰減率。

8、 隨著機(jī)械運(yùn)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(dòng)力頭問題，線性理論在解決轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問題上的不足逐漸顯露出來。在旋轉(zhuǎn)機(jī)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(dòng)、碰摩、油膜震蕩等故障時(shí)，非線性問題更為突出。所以準(zhǔn)確描述轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)力學(xué)已不能滿足現(xiàn)代小動(dòng)力頭設(shè)計(jì)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(huì)有量的誤差，而且有時(shí)可能還會(huì)產(chǎn)生質(zhì)的錯(cuò)誤。由于在設(shè)計(jì)時(shí)忽略了非線性因素，許多小型轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在運(yùn)行中發(fā)生了嚴(yán)重故障。所以，為了更好地研究小動(dòng)力頭轉(zhuǎn)子系統(tǒng)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)行為，必須采用非線性理論。非線性動(dòng)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(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)強(qiáng)行分割的求解局限性，而且能將受迫振動(dòng)和各種自激振動(dòng)因素統(tǒng)一于力學(xué)模型中。 在24工位小動(dòng)力頭系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的故障常常是多個(gè)故障之間相互耦合，而單一故障

10、的動(dòng)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(shí)存在。小動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的故障主要包括轉(zhuǎn)子靜動(dòng)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(dòng)、不對(duì)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(dòng)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(huì)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(huì)產(chǎn)生碰摩，不平衡或不對(duì)中故障會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)、靜子碰摩或基礎(chǔ)(支座)松動(dòng)等等。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)出現(xiàn)耦合故障時(shí)，

11、非線性問題會(huì)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(dòng)力學(xué)分析方法，更能揭示耦合故障發(fā)生的機(jī)理，進(jìn)而可以深入了解耦合故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)特性。 系統(tǒng)動(dòng)力頭(旋轉(zhuǎn)機(jī)械)的許多理論分析是建立在大量觀測(cè)或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的，但在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)技術(shù)的研究中所涉及的對(duì)象往往十分復(fù)雜，有些問題還難以進(jìn)行完整的理論分析和計(jì)算，例如研究旋轉(zhuǎn)機(jī)械在動(dòng)載荷下的受力情況，了解機(jī)械的固有頻率、阻尼、振型等動(dòng)態(tài)特性，確定結(jié)構(gòu)的疲勞壽命等目前

12、仍離不開測(cè)試的方法。特別是在閉環(huán)控制中，檢測(cè)被控對(duì)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(cè)試和采集，就無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，而且測(cè)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(dòng)力頭系統(tǒng)的在線檢測(cè)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(tái)的多工位機(jī)床動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)系統(tǒng)，并應(yīng)用于實(shí)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(dòng)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(dòng)力頭機(jī)床的結(jié)構(gòu)特征分析與參數(shù)設(shè)計(jì)； 2)計(jì)算了小動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)軸系的臨界轉(zhuǎn)速，分析了其振動(dòng)特性以及軸承間隙對(duì)潤(rùn)滑、摩擦特性的影響； 3)采用非線性方法研究了小動(dòng)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(dòng)力頭轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)當(dāng)含有多種耦合故障時(shí)的非線性動(dòng)力學(xué)行為，揭示了耦合故障發(fā)生的機(jī)理、力學(xué)特征以及解決對(duì)策； 5)設(shè)計(jì)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(cè)系統(tǒng)，重點(diǎn)對(duì)動(dòng)力頭的振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行在線檢測(cè)，并進(jìn)行了實(shí)踐； 6)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立了最優(yōu)控制模型，并對(duì)24工位機(jī)床進(jìn)行了控制實(shí)踐。 通過本課題的研究，提出了采用非線性方法研究小動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性問題；搞清了小動(dòng)力頭系統(tǒng)在耦合故障下的動(dòng)力學(xué)行為；解決了采用虛擬儀器對(duì)多工位制筆設(shè)備的振動(dòng)、噪聲、受力、功耗等動(dòng)態(tài)性能的在線檢測(cè)問題；嘗試了多工位系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計(jì)與最優(yōu)控制、小間隙約束等參數(shù)設(shè)計(jì)問題