高速电主轴系统智能化关键技术

高速电主轴是高档数控机床的重要组成部分，其工作性能影响着数控机床的加工性能，电主轴驱动系统的研究是数控机床研究中的重要部分。系统在运行过程中不可避免出现性能退化现象，通过研究高速电主轴驱动系统的退化过程可以对数控机床的退化研究奠定基础，加快数控机床在累积退化领域的研究进展。本书正是基于此开发的，通过介绍电主轴系统的组成、电主轴驱动系统与多域仿真建模技术、电主轴驱动系统故障建模技术、电主轴驱动系统性能退化评价研究、电主轴冷却系统特性分析、主轴冷却系统性能退化评价、高速电主轴系统的运行状态综合评价、电主轴系统的可靠工作时间预估与故障隐患预判等内容，以期为高速电主轴系统智能关键技术的研究奠定基础。 书中可供研究院（所）、高等院校、企业从事数控、自动化、电气传动技术及电主轴关键技术研究和开发人员阅读，也可供高等院校相关专业高年级本科生和研究生参考。

高速电主轴是一种具有高精度控制技术、高效率驱动技术、智能化控制技术、高可靠性设计技术、低噪声和低污染设计技术等先进技术特点的机床主轴。其中，高速电主轴的故障诊断和预测维护功能是其重要的技术特点之一。本书将围绕高速电主轴的故障诊断和预测维护功能展开研究和探讨，内容涵盖以下几个部分。
第一部分：电主轴的工作原理与仿真建模技术。主要介绍电主轴系统的组成、分类和技术参数，分析电主轴的工作原理和常见故障等内容。本部分还将介绍电主轴多域仿真建模技术的设计和实现。
第二部分：电主轴驱动系统的故障建模与退化评价研究。主要介绍将多领域仿真应用于电主轴驱动系统的三种典型故障中的方法，三种故障分别是驱动器的主电路故障、执行器定子绕组匝间短路故障和执行器转子断条故障。本部分还针对驱动控制系统隐含退化性能评价问题，提出了基于隐含退化量的控制系统性能评价方法。
第三部分：电主轴冷却系统的特性分析与退化评价研究。从冷却通道堵塞的角度分析了电主轴冷却系统的性能退化机理，确定了性能等级参数。从热源、发热量和传热机制的角度构建了冷却系统机理模型。建立了电主轴冷却系统偏最小二乘性能评价模型，利用偏最小二乘法的辅助分析功能对模型进行分析。
第四部分：电主轴运行状态综合评价与故障隐患预判研究。主要分析影响电主轴运行状态的主要指标，建立优化组合权重的运行状态评价模型，对电主轴的运行状态评价方法展开研究。本部分还将针对电主轴运行初期性能退化呈现隐含退化的特点，开展电主轴可靠工作时间预估与故障隐患预判研究。
本书基于笔者近些年发表的论文整理而成，并得到了辽宁省教育厅自然科学基金项目的资助，在此表示感谢！
由于笔者水平有限，书中难免有疏漏之处，恳请读者提出宝贵意见。

著者

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。

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。

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