西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）
金的快速收回，且降低了管理成本，提高了资金的利用率。
在“十五”期间，我国的数控机床的电主轴技术发展很快，但国产电主轴从水平、种类、质量等方面，与国外先进国家相比还存在很大的差距，从而严重制约我国高速、高精度数控机床的发展。从而是我国成为工业强国的梦想成为一句空话，也就实现不了我们的“中国梦”。电主轴是高速切削机床最重要的部件也是实现高速和超高速加工的关键技术之一 ，因此要电主轴的研究是数控机床研究的重中之重，可以说电主轴的发展水平是衡量一个国家机械制造业的实力。所以我们对它的研究具有很多的实际意义，并且有许多技术有待解决。例如：高精密轴承技术等等。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国内研究现状
国产电主轴技术现状:电主轴在我国起步也很早，20世纪50年代末、60年代初就已经将电主轴应用于工业生产中，但多用于专用内圆磨床，如轴承行业、油泵和油嘴行业中的专用内孔磨床等。直到90年代中后期，由于国内市场需要，洛阳轴承研究所开始开发其他用途的电主轴，如印制电路板(PCB)行业钻小孔用高速电主轴、小型数控铣床用电主轴等。多年来，依次完成DZ、GDZ、系列数控磨床用电主轴XD系列数控铣床用电主轴、CD系列数控车床用电主轴、ZD系列PCB行业钻、铣削用电主轴、LD系列高档管材旋辗用电主轴和ED系列高速离心机用电主轴等的研究与开发。生产的PCB行业用钻、铣削电主轴,转速达到105000r/ min ,为国内PCB行业数控机床所普遍采用 ,并且已经替代部分进口产品。由于对数控机床的急切的需求，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可达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，我国主要以油脂润滑和油雾润滑为主。
“十五”期间，我国研制出拥有在自主知识产权的加工中心和数控铣床用内装式电主轴单元，转速80～24000r/min,功率2.5～29KW，转矩4～86N?m,其噪或达到同期国际水平。虽然在“十五”期间，我国的数控机床的电主轴技术发展很快，但国产电主轴从水平、种类、质量等方面，与国外先进国家相比还存在很大的差距。高转速高精度数控机床和加工中心所用的电主轴，主要还是从国外进口。而且我国在高速主轴单元技术各项性能指标方面与国外相比差距较大，从而严重阻碍我国高速高精度数控机床的发展，我国的中、高档数控机床即满足不了我国的市场需求，也无力在国际市场上进行竞争。
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1 绪论
1.2.2 国外研究现状
国外电主轴最早用于内圆磨床，上世纪80年代，随着数控机床和高速切削技术的发展和需要，逐渐将电主轴技术应用于加工中心、数控铣床等高档数控机床。
近几年美国、日本、德国、意大利、英国、加拿大和瑞士等工业强国争相投入巨资大力开发此项技术。目前电主轴已经成为现代数控机床最主要功能部件之一，世界上形成许多著名的机床电主轴功能部件专业制造商，它们生产的电主轴功能部件已经系列化。著名的有德国的GMN公司、Siemens公司、意大利的Gamfi公司及日本三菱公司和安川公司等，它们的技术水平代表了这个领域的世界先进水平。具有功率大、转速高，采用高速、高刚度轴承，精密加工与精密装配工艺水平高和配套控制系统水平高等特点。其中最具代表性有美国福特公司和Ingerso1l公司联合推出的HVM800卧式加工中心的大功率电主轴最高转速达15000r/min由静止升至最高转速仅需15s。瑞士IBAG公司在电主轴行业技术领先现在被公认为代表了行业的发展趋势。IBAG公司提供的电主轴已经系列化、标准化电主轴最大转速可达 140000r/min，直径范围33到300mm，功率范围125W-SOkW,扭矩范围0.02～300N·m。日本三井精机公司生产的HT3A卧式加工中心采用陶瓷轴承支承的电主轴,主轴转速达40000r/min，瑞士的IBAG公司在其电主轴部件上配备主轴轴向尺寸监测传感器，可与机床数控系统联结进行轴向尺寸补偿；永磁同步电动机的主轴已问世，其转子为永久磁铁，不发热，解决了电主轴结构的最大负效应——内装式电动机散热不良的问题。此外还有瑞士的Fisher公司、德国的GMN公司、Hofer公司、西门子、意大利的Faemat和Gamfior公司等，这些公司生产的电主轴有以下特点：(l)功率大、转速高(2)采用高速、高刚度轴承。国外高速精度主轴上采用高速、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。
1.3 国内外数控机床电主轴的未来的发展趋势
经过多年的技术提升，数控机床电主轴正朝着高转速，高精度，高效率及高可靠性方面发展，从目前的现状来看数控机床的发展趋势主要体现在如下的几个方面：
1.3.1电机的研发
主轴电机的未来发展趋势是永磁同步电机、开关磁阻电机和同步磁阴电机。其中永磁同步电机和开关磁阻电机是目前最主要的研发方向。
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西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）
永磁同步电机是一种新兴的主轴电机，其优点明显:转子温升低，在低限速度下，可以作恒转矩运行。转矩密度高，转动惯量小，动态响应特性非常好好。对比现有的交流异步电动机，它有以下优点:：工作过程中转子不发热；功率密度更高，有利于缩小电主轴的径向尺寸；转子的转速严格与电源频率同步也可采用矢量控制。但是一般情况下，永磁同步电机的同步转速不会超过3000r/min，这就要求永磁同步电机具有较高的弱磁调速功能。在弱磁控制的区间内，电压通常会非常接近电压极限值，一旦超出电压极限就会造成转矩输出结果变差。人们在弱磁控制方面也提出过不少方法，如改变转子结构，加上特殊铁ILK构成磁阻，以加大Ld与Lq的比值等。但是实际效果并不十分理想，并且主轴电机功率要求较高，而且永磁同步电机某些部件使用稀土材料制造因而成本较高。
另外一种数控机床电主轴也得到了关注，那就是开关磁阻电机机床主轴，其具有的优势如下：系统效率高，输出功率大。开关磁阴调速式主轴在宽广的调速范围内，整体效率比其它系统高出10%以上，在低转速下高效率更加明显。普通交流电机驱动的主轴空载时功率因数为0.2一0.4，满载时为0.86一0.8。而开关磁阴调速式主轴的功率因数空载时可达0.995，满载时可达0.98。因转子无绕组，热耗大部分在定子，易于冷却，开关磁阴调速电机及控制器系统的温升低于其它系统的温升。但是其缺点也是很明显，转矩脉动较大，电机和控制器的成本和复杂度高。
1.3.2轴承的研发
电主轴轴承未来的发展趋势是气浮轴承、静压轴承和磁悬浮轴承的研究。 在磁悬浮轴承领域内，有以下几个研究方向：(1)超导磁悬浮轴承的研究。这种轴承的体积很小,却有很大的承载能力。这方面的研究进展在很大程度上依赖于超导材料的进展。高温超导陶瓷材料由于其固有的属性及具体加工技术的原因,实际应用十分有限,还需有很大的突破。(2)无传感器磁悬浮轴承的研究。最近几年,结合磁悬浮轴承和无传感器检测两大研究领域的最新研究成果,诞生了一个全新的研究方向——无传感器的磁悬浮轴承，它不需要设计专门的位置传感器,而是通过测量电气回路内部信号来间接地获取转子的位置信息。(3)新材料的研究。新材料的研究成功无疑将使磁悬浮轴承突破离心力、磁饱和、磁滞等特性的限制。近年来得到迅速发展的稀土永磁材料也因为结构轻巧、能耗低而极具应用前途。可以预计,这些新材料的推广普及将会有效地减小磁轴承的体积和能耗,因而大大地提高了承载能力。
在静压轴承方面主要有以下几个研究方向：（1）油螺旋式液体静动压轴承。静动压混合轴承兼有静压及动压相承的特点，它在高速时以动压为主，在低速时以静压为主，不但改善了轴承的性能，也有效地降低供油系统的功率损耗。（2）新型液体动静压混合轴承。新型动静压轴承具有小腔结构提高了轴承刚性；外加
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1 绪论
小孔节流提高了支承的静压承载能力；不设置轴向回油槽，轴承流量小，且封油面上有显著的动压效应；同时，承载能力及油膜刚度的方向性小，油膜均化作用强，主轴运转精度也随之提高。（3）圆锥浮环动静压轴承。为了克服油润滑滑动轴承在高速、超高速时摩擦功耗急剧上升且容易失稳的弱点，提出滑动轴承－圆锥浮环动静压轴承，该轴承兼具动压、静压、圆锥、浮环轴承之优点，它是在圆锥动静压轴承的基础上，在轴颈和轴瓦之间嵌入一层或多层锥型动静压浮环。浮环将润滑油膜分为两层：内油膜处于轴和浮环之间，外油膜处于浮环和轴瓦之间。两层油膜均为锥形油膜，均通过轴瓦外表面供油。通过理论和试验均表明：和一般的动静压轴承相比，轴承摩擦功耗小，并且随着轴承数的升高，偏心率的加大，摩擦功耗降低的幅度也大。(4)上瓦开周向槽椭圆轴承， 上瓦开周向槽椭圆轴承上瓦开周向槽椭圆轴承是一种改型椭圆轴承。由于稳定性好, 加工制造方便, 温升低, 功耗小而被广泛应用于一些高速旋转机械上。（5）上瓦带挡板椭圆轴承。随着转子系统向大型化高速化发展，转子相对比较细长，系统的稳定性变得突出。可倾瓦轴承稳定性好，但其结构复杂，径向尺寸大， 成本高，上瓦带挡板椭圆轴承是在椭圆轴承的上瓦内安装一径向挡板。经研究表明由于挡板的存在使轴承稳定性明显地提高、阻力系数稍有增大并且流量增大从而使轴承温升降低, 但是造成轴承的承载能力略有降低。（6）HSDB- l 动静压推力轴承。随着机床向高速、重载、高精度方向发展，越来越多的磨床采用动静压推力轴承。杨军等研究了一种应用于外圆磨床HSDB- l动静压推力轴承。结构特点是：轴承由8个浅腔组成，以浅腔为节流器，一般在倾侧下工作。通过对轴承的理论分析可知：轴承有泵功率小、功率比大、流量小、工作可靠和温升低等特点。
1.4 本论文研究的目的和内容
首先，电主轴在各个行业都具有相当大的用途，它决定了一个国家的制造业的水平，谁在电主轴上领先，谁在整个制造业就拥有话语权。
其次，在设计的过程中可以全面了解数控机床电主轴的知识，并把在学校所学的知识都有一个很好的回顾。可以更加全面的理解大学所学的知识，对自己的能力也有一个相应的提升。
设计内容包括：1.根据相应的材料完成主轴，轴承，冷却系统，壳体设计。2.绘制出数控机床的总结构图及相应的部分零件图。3.撰写论文。
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2 电机驱动形式、控制方式