高速电主轴系统智能化关键技术

本书详细介绍了高速电主轴系统智能化技术中的故障诊断和预测维护方法，探讨通过实时监测电主轴的运行状态和数据分析，对电主轴的故障进行诊断和预测，提高设备的可靠性和可维护性。针对电主轴运行初期性能退化呈现隐含退化的特点，本书通过理论阐述和实践案例相结合的方式，开展电主轴可靠工作时间预估与故障隐患预判研究，为相关领域的研究者、工程师和企业提供指导和参考。

范丽婷，工学博士，2014年毕业于东北大学，毕业后一直在沈阳建筑大学工作，现为沈阳建筑大学机械工程学院副教授，主要从事机械系统关键部件的健康评估与退化趋势预测等研究。承担“高速电主轴驱动单元的性能退化与健康预测研究”和“面向建筑工程装备的智能制造专业实践规划与平台建设”等省部级项目多项。发表相关学术论文二十余篇。

绪论001 0.1 研究背景和研究意义001 0.2 国内外研究现状003 0.3 本书的主要内容008 第1章 电主轴的工作原理010 1.1 电主轴系统的组成010 1.1.1 电主轴的结构010 1.1.2 电主轴的分类012 1.1.3 电主轴的技术参数013 1.2 电主轴系统的工作原理015 1.2.1 驱动系统工作原理015 1.2.2 冷却系统工作原理020 1.2.3 润滑系统工作原理021 1.3 电主轴系统的常见故障024 1.3.1 电气部分故障025 1.3.2 机械部分故障026 第2章 电主轴驱动系统与多域仿真建模技术027 2.1 电主轴驱动系统执行器027 2.1.1 电压方程029 2.1.2 磁链方程030 2.1.3 转矩方程032 2.1.4 运动方程032 2.2 电主轴驱动系统控制器033 2.2.1 恒压频比控制033 2.2.2 矢量控制040 2.2.3 直接转矩控制043 2.3 多域仿真建模平台044 2.3.1 物理系统建模软件Simscape 044 2.3.2 控制系统仿真软件Simulink 045 2.3.3 有限元理论及应用软件Ansys-workbench 048 第3章 电主轴驱动系统故障建模技术050 3.1 变频器主电路故障建模与仿真分析050 3.1.1 变频器主电路的数学模型052 3.1.2 变频器与PWM 波生成器054 3.1.3 主电路故障仿真分析063 3.2 定子绕组匝间短路故障071 3.2.1 定子绕组匝间短路故障的机理分析072 3.2.2 矢量控制原理及其数学模型077 3.2.3 定子绕组匝间短路故障仿真分析081 3.3 转子断条故障090 3.3.1 电主轴驱动系统电磁-温度场基本理论090 3.3.2 电主轴驱动系统的多物理场耦合模型097 3.3.3 转子断条故障的仿真分析105 第4章 电主轴驱动系统性能退化评价研究 110 4.1 电主轴驱动系统退化机理分析 110 4.1.1 IGBT 对电主轴性能影响 111 4.1.2 IGBT 退化机理分析 111 4.2 基于隐含退化量的评价指标特征提取 113 4.2.1 控制系统的数学模型 113 4.2.2 模型参数的特征提取 117 4.2.3 评价指标的建立120 4.3 驱动系统的性能评价仿真分析与实验验证121 4.3.1 仿真模型的搭建121 4.3.2 模型参数的影响分析122 4.3.3 过流冲击实验126 4.3.4 剪断键合线退化实验130 第5章 电主轴冷却系统特性分析136 5.1 冷却系统结构及工作原理136 5.2 电主轴生热及换热过程机理137 5.2.1 电主轴损耗及生热分析137 5.2.2 电主轴系统的换热机制139 5.2.3 电主轴温度场有限元基本方程142 5.3 冷却系统性能退化原因145 第6章 电主轴冷却系统性能退化评价研究147 6.1 电主轴冷却系统性能退化实验147 6.1.1 温度测点的布置147 6.1.2 性能等级的划分148 6.1.3 实验数据的获取与处理148 6.2 基于偏最小二乘法的冷却系统性能评价151 6.2.1 偏最小二乘回归建模流程152 6.2.2 自变量多重相关性分析156 6.2.3 数据奇异点诊断156 6.2.4 评价模型分析158 6.3 基于Fisher 判别的冷却系统性能评价163 6.3.1 Fisher 判别性能评价方法163 6.3.2 评价方法的对比与分析166 第7章 高速电主轴系统的运行状态综合评价169 7.1 运行状态评价指标体系的建立170 7.1.1 评价指标权重的确定171 7.1.2 数据特征的提取与匹配176 7.2 基于多元数据统计分析的运行状态评价模型176 7.2.1 距离判别准则176 7.2.2 离线数据状态等级识别177 7.2.3 在线数据状态等级评价179 第8章 电主轴系统的可靠工作时间预估与故障隐患预判182 8.1 电主轴系统的可靠工作时间预估182 8.1.1 电主轴系统的可靠工作时间预估流程182 8.1.2 电主轴性能退化模型183 8.1.3 电主轴系统的可靠工作时间预估方法187 8.2 电主轴系统的故障隐患预判191 8.2.1 故障隐患预判技术与方法191 8.2.2 电主轴系统的故障隐患预判步骤193 参考文献199