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1. 前言
1.1课题研究的意义
电主轴是近几年在数控机床领域出现的把机床主轴与主轴电机融为一体的新技术。电主轴就是将空心的电动机转子直接装在主轴上，定子通过冷却套固定在主轴箱体孔内，形成一完整主轴单元，通电后转子直接带动主轴运转。高速电主轴制造技术成为了决定高端的数控机床发展的关键技术。对决定电主轴发展的关键技术要进行重点攻关，特别是在电主轴应用中的关键部件诸如复合陶瓷轴承、内置式无外壳电机、性能优良的伺服控制器、高精度位置编码器、气密封装置等进行自主研发，改变这些关键部件主要靠进口的局面。高速电主轴也是高端的数控机床的核心，大力发展高速电主轴将对我国得装备制造行业会起到强大的推动作用。
参考TH5632C数控机床使用说明、STEP-TEC、洛阳轴承研究所电主轴、安阳莱必特机械有限公司等电主轴生产厂家产品技术指标，确定主要技术指标如下：
功率-转速-扭矩特性：4KW（100%工作制）、基本转速30000RPM； 主轴最高转速： 30000RPM（油气润滑）； 动平 衡 精度： G1（整体）；
几 何 精 度： 主轴鼻端径跳小于或等于3um； 温 升： 主轴前轴承外周处温升低于25℃； 噪 声： 小于75dB。
本课题的目的在于以高速、大功率的TH5632C数控机床高速电主轴为研究目标，从提高主轴性能入手，通过对电主轴结构设计中一些关键性的技术问题的解决：例如较低转速下选择轴承为陶瓷混合球轴承，其润滑方式为脂润滑；主轴电机的选择应该根据实际需要额定转速和功率选择相应的电机，尽量提高利用率，降低成本；拉刀机构的选择要根据具体设计主轴的外径和计算的当量内径，选择合适的以降低成本。利用商业CAD/CAM（Pro/e）软件完成电主轴数字化设计，并在此基础上根据一定条件进行仿真分析。 1.2前景分析
该设计的市场前景看好。电主轴技术现在被广泛应用于高速，高精度机械加工当中。对数控机床电主轴进行合理设计，并不断完善设计，改近电主轴的技术，提高电主轴的质量，不断设计出更加高转速，高精度的电主轴，可以被广泛的应用于各类机床的机械加工当中，带动机械生产的快速化发展。同时，由于电主轴转速高，易产生大量的热量，普通轴承难以在如此恶劣的工作环境下正常工作，须采用特殊材料轴承。因此，电主轴的高速发展也必将带动轴承及电主轴相关技术的高速发展。因此我们的作品具有非常广阔的应用前景。 1.3 国内外研究概况
1.3.1 国外技术研究概况
国外高速电主轴技术的研究现状国外高速电主轴技术由于研究较早,技术水平也处于领先地位,电主轴已越来越多地应用到工业制造业中。著名的有瑞士的Fisher公司、Ibag公司、德国的GMN公司、Hofer公司、Siemens公司、意大利Faemat公司、Gamfior公司及美国Ingersoll公司、日本Okuma公司和Fanuc公司等,它们的技术水平代表了这个领域的世界先进水平。这些公司生产的电主轴较之国内生产的有以下几个特点 :①功率大、转速高。②采用高速、高刚度轴承。国外高速精密主轴上采用高速、高刚度轴承,主要有陶瓷轴承和液体动静压轴承,特殊场合采用空气润滑轴承和磁悬浮轴承。③精密加工与精密装配工艺水平高。④配套控制系统水平高。这些控制系统包括转子自动平衡系统、轴承油气润滑与精密控制系统、定转子冷却温度精密控制系统、主轴变形温度补偿精密控制系统等。并在此基础之上,这些外国厂家如美国、日本、德国、意大利和瑞士等工业发达国
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家已生产了多种商品化高速机床。如瑞士米克朗公司,就是世界上著名的精密机床制造商。它生产的机床配备最高达60000r/min的高速电主轴,可以满足不同的切削要求,所有的电主轴均装有恒温冷却水套对主轴电机和轴承进行冷却,并通过高压油雾对复合陶瓷轴承进行润滑。所有的电主轴均采用矢量控制技术,可以在低转速时输出大扭矩。国产电主轴产品和国外的相比较,主要存在以下差距:(1)国外电主轴低速段的输出扭矩最大可达300Nm,而我国目前仅在100Nm以内。(2)在高转速方面,国外用于加工中心的电主轴转速已达75000r/min,我国则多在15000r/min以内。(3)电主轴的轴承润滑,国外普遍采用油气润滑,而我国仍用油脂润滑。(4)其他配套技术也有较大差距,如主轴电机矢量控制、交流伺服控制技术、精确定向技术、快速启动、停止等。(5)在产品的品种、规格、数量和制造规模等方面,国产电主轴仍然处于小量研发试制阶段,没有形成系列化、专业化,远不能满足国内数控机床和加工中心发展的需求。所以目前国产的高转速、高精度数控机床和加工中心所用的电主轴,仍然主要从国外进口。
1.3.2国内技术研究概况
国内对电主轴技术的研究始于20世纪60年代，主要用于零件内表面磨削，这种电主轴的功率低，刚度小，并且它采用无内圈式向心推力球轴承，限制高速电主轴的产业化。到80年代，随着国内高速主轴轴承的开发成功，研制出一系列高刚度、高速电主轴，广泛应用于各种内圆磨床和各个机械制造领域。在90年代以后由磨用电主轴转向铣用电主轴，它不仅能加工各种形体复杂的模具，而且开发了用于木工机械用的风冷式高速铣用电主轴，推动了高速电主轴在切削中的应用。在国内以洛阳轴承研究所(洛阳轴研科技股份有限公司)为代表，早在1958年就研制出了磨用电主轴之后又研发了大功率、高转速系列电主轴，磁悬浮和气静压电主轴等，并将电主轴在90年代应用于大型数控铣床，加工中心和数控车床，是我国电主轴技术的引领者。广州工业大学高速加工和机床研究所也开发研制了多种电主轴，并应用于数控铣床由于近些年数控加工技术的飞速发展，在军工、基础装备制造，航空航天等领域对高速电主轴的迫切需要，国内的电主轴研究也得到了很大的发展。同济大学、北京机床研究所和上海机床厂在高速电主轴方面也取得了很大的成就。目前国内生产的磨削用电主轴的转速在15000r/min以内；加工中心用电主轴的转速最高30000r/ min，转矩达200N·m的加工中心用电主轴转速只有4000r/min；车削用电主轴最高转速可达12000r/min，最大功率只有11kw。在电主轴的润滑方面，国外普遍采用先进的油气润滑技术，而我国主要以油脂润滑和油雾润滑为主。
1.3.3数控机床电主轴的国内外的发展趋势 （1）向高速度、高刚度方向发展
随着主轴轴承及其润滑技术、精密加工技术、精密动平衡技术、高速刀具及其接口技术等相关技术的发展，数控机床用电主轴高速化已成为目前发展的普遍趋势。电主轴的功率和转速是受电主轴体积及轴承限制的，DmN值是反映电主轴刚度和转速的一个重要的综合特征参数，DmN值越大，其电主轴性能越。因此，在保证电主轴高转速的前提下，加大主轴直径，提高其刚性，也是电主轴技术发展的方向之一。
（2）向高速大功率、低速大转矩方向发展
现代数控机床需要同时能够满足低速粗加工时的重切削、高速切削时精加工的要求，因此机床电主轴应该具备低速大转矩、高速大功率的性能。高速电主轴的大功率化已是国际机床产业发展的一个方向。近年大功率半导体器件有了飞跃性发展，已经完全可以满足现有的电主轴应用场合所要求的功率等级，这为高速电主轴的大功率化奠定了基础。德国GMN公司的电主轴低速粗加工时的重切削力可达1250N·m,高速切削时精加工最大输出功率可到150kW。
（3）电机形式与控制方式多样化方向发展
主轴电机方面：目前国内外主轴电机常见的是感应电动机，但由于其结构和特性的限制，运行状态改变时导致电机很难在最佳效率点运行，功率因数低、效率低。虽然采用变频调速、矢量控制、功率因数补偿等技术改善了电机系统的效率，但由于感应电机的工作原理决定其运行效率的提高是有限的，特别是在位置和速度要求非常高的高精度高速电主轴系统中应用有时很难满足系统要求。因此选用转动惯量小，转矩密度高，控制精度高的永磁电机代替感应电动机也将是电主轴发展的一
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个重要方向。在主轴电机控制方面：采用矢量控制已经被大多数高速电主轴生产厂家所采用，针对感应电动机采用自适应控制、直接转矩控制、定子优化控制等措施不断提高感应电动机在电主轴的应用性能。对于永磁同步电动机在低速粗加工时的重切削多采用恒转矩控制方式,高速切削时精加工采用恒功率控制，在扩大永磁电机在弱磁区域的同时提高稳定性也将成为高速电主轴研究热点问题。 1.4机床电主轴的工作原理
高速电主轴电机的绕组相位互差120°，通以三相交流电后，三相绕组各自形成一个正弦交变磁场，这三个对称的交变磁场互相迭加，合成一个强度不变，磁极朝一定方向恒速旋转的磁场，磁场转速就是电主轴的同步转速。异步电动机的同步转速n由输入电机定子绕组电流的频率f和电机定子的极对数P决定（n=60f/p）。电主轴就是利用变换输入电动机定子绕组的电流的频率和激磁电压来获得各种转速。在加速和制动过程中，通过改变频率进行加减速，以免电机温升过高。由于电机旋转磁场的方向取决于输入定子三相交流电的相序，故改变电主轴输入电流的相序，便可改变电主轴的旋转方向。
电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，它与直线电机技术、高速刀具技术一起，将会把高速加工推向一个新时代。 电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置。而电主轴本身就是直接将空心的电动机转子装在主轴上，定子通过冷却套固定在主轴箱体孔内，形成一个完整的主轴单元，通电后转子直接带动主轴运转。 1.5数控机床电主轴的特征
（1）高回转精度
加工中心的主轴是装夹工件的基准，并将运动传递给工件，因此主轴的回转精度直接影响加工精度。为保证电主轴在高速运转时的回转精度，其关键零件必须进行精加工和超精加工，选用尺寸和精度等级合适的轴承，采用合理的装配方案；
（2）高刚度
主轴刚度反映主轴单元抵抗外载荷的能力。尤其，进行车削粗加工时，切削量较大，主轴要承受很大的径向力。为了保证加工精度、避免振动，要求电主轴具备较高的刚度，特别是径向刚度；
（3）抗振性强
机床工作时，主轴部件不仅受静态力的作用，同时还受其他冲击力和交变干扰力的作用而产生振动。振动是主轴动态性能的重要指标，振动将会产生噪声，并直接影响工件的表面加工质量，振动严重时会产生崩刃和打刀现象。因此，电主轴的抗振性要强；
（4）电机特性优良
加工中心要求有较广的加工范围，这就要求电主轴既要有优良的低速加工性能，又要有好的高速加工性能。在起步及低速段采用恒转矩调速，保证低速时有较大的输出转矩，满足低速大进给的切削要求；而高速段采用恒功率调速，可满足小切削量的高转速要求。对一些低速要求高的电主轴，应采用高性能的矢量变频器控制；
（5）热特性稳定
由于电主轴是将高速电机置于机床主轴部件内部，高速运转时，电机转子、定子和轴承的的发热量很大，并引起热变形，直接影响机床的工作性能和加工精度，因此要求电主轴的热态性能稳定。 1.6电主轴的关键技术
1）高速电机技术
电主轴是主轴与电机融合在一起的产物，主轴的旋转部分是电机的转子，所以可以把电主轴看成一台高速电机，其关键技术是高转速下的动平衡。
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2）高速轴承技术
电主轴通常采用静压轴承、陶瓷球轴承及电磁悬浮轴承，根据用户需要，也有部分采用钢球轴承。目前，磁悬浮轴承支撑是最有发展前途的一种电主轴支承形式。
3）润滑、冷却技术
对于球轴承可以采用脂润滑，但缺点是转动时会产生阻力和增加温升。对于电主轴一般采用定时定量油气润滑，所谓定时，就是间隔一定的时间注一次油，所谓定量，就是通过定量阀，准确的控制每次润滑油量；油气润滑，指的是再压缩空气的携带下，润滑油被吹入轴承。油量的控制很重要，太少，不能起到润滑作用；太多，再轴承高速运转时会因阻力大而产生的热量多。为了尽快降低高速运转的电主轴温度，可以对电主轴的外壁进行循环冷却。
目前，电主轴上应用较多的油气润滑方式。油气润滑利用压缩空气通过专用管道定时、定量的将少量的润滑输送到需润滑区域。润滑油和压缩空气均匀混合既能润滑又能冷却主轴系统。处于分离状态的油气容易被回收，有效降低了对环境的污染。采用油气润滑，每个轴承设有独立的油气喷嘴，要选择好轴承喷射处的位置，否则很难保证润滑效果。油气润滑的效果受油气压力和压缩空气流量的影响，增大压缩空气流量可提高冷却效果，如果提高油气压力，可使润滑油更好的达到润滑区，还有助于提高轴承的转速。相关实验表明，高压油气润滑比常规压力润滑的轴承转速可提高20%。
4）传感技术
为了实现准确的进给、多轴联动、相位控制、自动换刀等动作，电主轴需要内置一脉冲编码器。 5）高速刀具和换刀技术
传统机床的ISO、BT刀具，经实践证明不能满足高速加工的要求。这种情况下出现了HSK、SKI、CAPTO等结构的高速刀具。为了满足加工中心要求，电主轴要配备能自动换刀的装置，包括拉杆、蝶形弹簧、拉刀汽缸。
6）主轴中心冷却技术
电主轴中电机高速旋转所产生的发热和轴承的摩擦发热，是不可避免的。机床工作时，在内、外热源的作用下，主轴系统的各个部分会产生不同程度的温升。升温后，主轴和机床其他部件的空间相对位置和尺寸都将与温升前不同，形成不同的温度场，进而产生不同程度的热膨胀，导致加工误差。因此通过对高速电主轴的冷却系统的设计改良，来控制电主轴的温升，减小电主轴的热膨胀，对于保证电主轴性能和提高其使用寿命，是至关重要的。
电动机和轴承是主要的发热源。具体的热源主要可分为三部分：
（1）主轴电动机内置于机床主轴的结构中，电机高速旋转所产生的发热，是其结构内部的主要的热源。
（2）电动机转子在主轴壳体内的高速搅动，使内腔中的空气也会发热，这些热源产生的热量，主要通过主轴壳体和主轴进行散热，所以电动机产生的热量有相当一部分会通过主轴传到轴承上去，因而影响轴承的寿命，并且会使主轴产生热伸长，影响加工精度。
（3）随着主轴转速的升高，主轴轴承的摩擦所产生的发热量也随之增大。
机床电主轴主要是通过在主轴壳体内加冷却油，并不断的循环，把热量带走，来进行冷却的。其基本的冷却路线是：首先从主轴冷却油温控制器流出冷却油，经过在靠近后端盖的冷却环套上入水口，使冷却油进入后端轴承的外围，对后端轴承进行冷却。接着通过液压把冷却油挤向电动机冷却环套，对主轴的定子、转子和前端轴承进行冷却，最后从壳体的出水口，流回主轴冷却油温控制器完成循环。
7）主轴轴向尺寸动态补偿技术
电主轴对位置精度要求极高，可以在电主轴上安装一检测元件来检测轴的轴向尺寸变化，转化成1/10um的单位尺寸变化量模拟信号，送到数控装置进行闭环的动态尺寸补偿。
8）高频变频技术
电主轴的内置高速电机的驱动可以采用高频变频装置，变频器的输出频率可以达到几千Hz，可满足主轴每分钟几万甚至十几万转的转速要求。
9）主轴驱动和数控系统接口技术
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可以采用高性能的主轴矢量驱动装置，可选择Fanuc、Siemens、Indramat等品牌的主轴驱动装置。电主轴系统既提供模拟接口，也提供数字接口，数控接口要能与任何系统匹配。
10）电主轴的制造工艺技术
对电主轴的制造工艺要求很严格，这种结构要求有一系列新的关键技术，如主轴支承形式及其润滑系统设计、高速主轴的动平衡设计、电动机的冷却系统设计、高速刀具单元的设计等，它们影响着高速旋转主轴的可靠性和稳定性，及高效精密加工的实现。
目前，高速电主轴大多采用内置异步式交流感应电动机。可由加工对象来确定电主轴的电机驱动形式。永磁同步电动机有很好的动态响应性，并且转矩密度高，转动惯量小，但永磁同步电动机有弱磁现象，而且很难提高主轴电机功率，制造永磁同步电机的主要材料稀土成本过高。
异步型电动机结构较简单，有较成熟的制造工艺，可以更大程度地减弱磁场对电机的影响，易于实现高速化。虽然其直接转矩或矢量控制方式的计算数据量大，但随着计算机技术和现代控制理论算法的不断发展，已经能够实现快速、精确地计算和控制。 1.7电主轴的运动控制
在数控机床中，电主轴通常采用变频调速方法。目前主要有普通变频驱动和控制、矢量控制驱动器的驱动和控制以及直接转矩控制三种控制方式。普通变频为标量驱动和控制，其驱动控制特性为恒转矩驱动，输出功率和转速成正比。普通变频控制的动态性能不够理想，在低速时控制性能不佳，输出功率不够稳定，也不具备C轴功能。但价格便宜、结构简单，一般用于磨床和普通的高速铣床等。矢量控制技术模仿直流电动机的控制，以转子磁场定向，用矢量变换的方法来实现驱动和控制，具有良好的动态性能。矢量控制驱动器在刚启动时具有很大的转矩值，加之电主轴本身结构简单，惯性很小，故启动加速度大，可以实现启动后瞬时达到允许极限速度。这种驱动器又有开环和闭环两种，后者可以实现位置和速度的反向，不仅具有更好的动态性能，还可以实现C轴功能；而前者动态性能稍差，也不具备C轴功能，但价格较为便宜。直接转矩控制是继矢量控制技术之后发展起来的又一种新型的高性能交流调速技术，其控制思想新颖，系统结构简洁明了，更适合于高速电主轴的驱动，更能满足高速电主轴高转速、宽调速范围、高速瞬间准停的动态特性和静态特性的要求，已成为交流传动领域的一个热点技术。 1.8本课题研究的内容
（1）对电主轴的轴和轴承进行了结构分析、结构计算和校核； （2）绘制装配图及其他零件图；
（3）利用三维Pro/E软件对电主轴进行了建模和仿真分析； （4）撰写设计计算说明书1份。