【正文】 大的作用，使用戶能在生產(chǎn)實踐中根據(jù)不同的生產(chǎn)情況更好地將該設備到達最佳狀態(tài)，從而給使用單位帶來直接的、可觀的、顯著的經(jīng)濟效益。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國內(nèi)外高速電主軸技術的研究現(xiàn)狀國外對高速電主軸技術研究較早，電主軸最早用于內(nèi)圓磨床。到上世紀80年代末，隨著高速加工和數(shù)控技術的發(fā)展與需要，促進了電主軸技術在加工中心和數(shù)控機床等高檔機床上的應用，已廣泛應用于工業(yè)制造中，成為現(xiàn)代數(shù)控機床的核心部件之一，并被越來越多的金屬切削加工機床制造商所采用。目前著名的電主軸專業(yè)制造商主要有瑞士的IBAG公司和STEPTEC公司，德國的GMN公司、SIEMENS公司和HOFER公司，美國的Ingersoll公司和Precise公司，意大利的GAMFIOR公司和OMLAT公司，及日本的Fanuc和NSK公司等。它們生產(chǎn)的電主軸都已系列化、產(chǎn)品化。目前國際上工業(yè)發(fā)達國家正在研制轉(zhuǎn)速高達250 000r/min的實用主軸。加工中心用主軸的轉(zhuǎn)速在10 000~20 000 r/min，其加工精度普遍已達到1μm的水平。高速加工的研究目標已轉(zhuǎn)移到難加工材料的切削加工上。國內(nèi)高速電主軸的研究起步也很早，從上世紀60年代初我國就研發(fā)出專用于內(nèi)圓磨床的電主軸；80年代末以后，開始由磨用電主軸轉(zhuǎn)向銑用電主軸過渡；90年代中后期，由于國內(nèi)市場的需要，又開發(fā)出鉆小孔用和小型數(shù)控銑床用電主軸等其他用途的電主軸。但這些主軸的功率、扭矩都比較小。為滿足高速電主軸技術的發(fā)展需求，“九五”、“十五”期間通過攻關，我國電主軸技術發(fā)展很快，電主軸的功率、~29kW和4~86Nm，可應用于數(shù)控機床和加工中心，并已開始裝備部分國產(chǎn)數(shù)控機床?，F(xiàn)在國內(nèi)以洛陽軸承研究所為主的研究機構(gòu)已經(jīng)自主研發(fā)出了電主軸和高速精密軸承，且已系列化；廣東工業(yè)大學高速加工和機床研究所開發(fā)的數(shù)控銑床用高速電主軸最高轉(zhuǎn)速達到18000 r/min，最大輸出轉(zhuǎn)矩為85 Nm，；廣州鉅聯(lián)高速電主軸有限公司，他們研究開發(fā)的大功率靜壓軸承電主軸曾在日內(nèi)瓦國際專利技術博覽會上獲得金獎；此外還有一些單位與國外機構(gòu)聯(lián)合對電主軸進行研發(fā)和生產(chǎn)。如：大連機床公司與德國阿亨(Aachen)大學共同研發(fā)的DHSCS00高速加工中心，采用德國GMN公司生產(chǎn)的電主軸；常州多棱數(shù)控機床股份有限公司、寧江機床(集團)股份有限公司、濟南第二機床集團有限公司等采用瑞士IBAG公司生產(chǎn)的電主軸。國產(chǎn)電主軸在國內(nèi)市場所占的份額不足總額的1/3，大扭矩、低速電主軸95%以上依賴進口。而國產(chǎn)高速、高精度數(shù)控機床和加工中心用電主軸，仍主要依賴進口。從總體上講，國產(chǎn)電主軸的研制、應用和發(fā)展受各種條件的制約，使其各項性能指標同國外先進產(chǎn)品相比較差距較大，處于相對落后狀態(tài)，因此對其性能進行深入、廣泛的研究具有重要的意義。 國內(nèi)外高速電主軸技術的差距與國外同類產(chǎn)品相比，國產(chǎn)電主軸無論在品種和質(zhì)量方面，還是在性能方面都有較大的差距，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）電主軸的低速大轉(zhuǎn)矩方面。國外電主軸低速段的輸出扭矩最大可達300Nm以上，我國則多在100Nm以內(nèi)。（2）高速方面。國外用于加工中心等數(shù)控機床的電主軸轉(zhuǎn)速已達75000r/min，國內(nèi)電主軸多在15000r/min以下；其它類型的電主軸，國外最高轉(zhuǎn)速為300000r/ min，我國最高轉(zhuǎn)速則為150000 r/ min。（3）電主軸的軸承潤滑方面。（4）電主軸的支撐方面。國外電主軸多采用轉(zhuǎn)速高、剛度大的陶瓷軸承和液體動靜壓軸承，特殊情況下采用氣體軸承和磁懸浮軸承；國內(nèi)則多采用鋼質(zhì)軸承，近年來也采用陶瓷球混合軸承，但數(shù)量不多，研究不夠，不能滿足電主軸轉(zhuǎn)速日益提高的要求。（5）其他與電主軸相關的配套技術方面。如主軸電動機矢量控制和交流伺服控制技術、精度定向（準停）技術、快速啟動和停止技術等，國內(nèi)仍然不夠成熟，不能滿足實際需要。我國在高速主軸單元技術各項性能指標方面與國外相比差距較大，從而嚴重阻礙我國高速高精度數(shù)控機床的發(fā)展，削弱了在國際市場上的競爭力。因而盡快成熟電主軸的各項技術是發(fā)展高速切削技術的當務之急。1. 電主軸回轉(zhuǎn)精度測試對電主軸回轉(zhuǎn)精度中的徑向跳動、端面跳動等概念進行了簡要敘述。提出各種參數(shù)的測試方法，并將測試數(shù)據(jù)進行了對比以供參考。2. 電主軸靜剛度性能測試對電主軸靜剛度的概念進行了簡要概述。提出了靜剛度中的徑向剛度和軸向剛度的測試方法，并對實驗中的測試數(shù)據(jù)進行具體分析以供參考。3. 電主軸噪聲的測試簡要概述了噪聲的概念和物理量度，討論了噪聲的測試方法，測試電主軸在各級轉(zhuǎn)速下的噪聲值，編制了噪聲測試報告表，并繪制了噪聲曲線。 研究條件重慶大學機械傳動國家重點實驗室為本課題提供了如下的研究條件： 硬件環(huán)境（2GDZ15）和6萬轉(zhuǎn)（2GDZ60）的高速電主軸轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速實驗裝置（包括電主軸、變頻器、工控機、電源系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等）、位移傳感器、DH3818靜態(tài)應變測試儀、LMS測試系統(tǒng)、AR824/SL4001A聲級計、檢驗棒、千分表。 軟件環(huán)境操作系統(tǒng)：WindowsXP程序控制軟件：LMS Test LAB 7A重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 2 電主軸回轉(zhuǎn)精度的測試2 電主軸回轉(zhuǎn)精度的測試機床主軸是工件或刀具的位置基準和運動基準，它的誤差直接影響著機床的整機性能和被加工工件的加工精度。對于主軸的要求集中到一點，就是在運轉(zhuǎn)的情況下它應保持軸線的位置穩(wěn)定不變，這就是主軸回轉(zhuǎn)精度。軸線相對其偏離的誤差運動范圍，就是主軸回轉(zhuǎn)精度值。在理想情況下，主軸回轉(zhuǎn)軸線的空間位置，相對于某一參考系統(tǒng)(如刀架)而言，是不隨應隨時間而變化的。在實際工作中，由于主軸部件的制造精度和剛度的影響，主軸回轉(zhuǎn)軸線的空間位置總是在變動的，即總是存在著回轉(zhuǎn)誤差。所以，對主軸回轉(zhuǎn)精度的測試與研究歷來被人們所重視。電主軸的回轉(zhuǎn)精度與電主軸前后軸承的配置方式、主要零件的制造精度（如套筒前后孔和主軸頸的同軸度等）、選用滾動軸承的尺寸大小和精度等級（電主軸一般選用最高或次高精度等級的軸承，相當于國際標準P2和P4級，等同于美國標準ABEC9和ABEC7級）、裝配的技藝水平和預加載荷的大小等密切相關。必須強調(diào)指出，電主軸的最終精度往往可以得到等于或高于單個軸承的精度，這是由于裝配工人在裝配時巧于選配，將單個軸承的誤差進行相互補償及恰當?shù)厥┘宇A加載荷的結(jié)果。為此，高速電主軸的生產(chǎn)對設計水平、制造工藝、工人技藝和裝配環(huán)境的潔凈度和恒溫控制等均有極為嚴格的要求，并不是任何一制造企業(yè)都能夠生產(chǎn)精度合格、運轉(zhuǎn)安全、壽命長的電主軸。電主軸回轉(zhuǎn)精度指標是電主軸的重要質(zhì)量指標之一，并隨著高速化、高精度化方向的不斷發(fā)展，回轉(zhuǎn)精度指標對被加工零件的幾何精度和表面粗糙度將有更大的影響。其回轉(zhuǎn)精度的評價可在靜態(tài)實驗臺上通過測試主軸單元的徑向跳動、端面跳動、周期性軸向竄動來實現(xiàn)，本文只重點討論徑向跳動和端面跳動。 接觸式測量法目前在國內(nèi)一些普通機床生產(chǎn)企業(yè)和生產(chǎn)現(xiàn)場中仍然用舊的測量方法——接觸式。即以精密芯棒插入主軸孔內(nèi), 然后在芯棒的外圓或端面上安裝千分表進行測量, 以獲得軸向竄動、徑向跳動和擺動3 項主軸回轉(zhuǎn)精度值()。這種方法雖然簡單, 但測得的徑向跳動中既包含有主軸回轉(zhuǎn)軸線的徑向運動, 又有錐孔相對于回轉(zhuǎn)軸線的偏心(即每轉(zhuǎn)偏擺一次的偏心量) , 二者無法加以區(qū)分。而這一偏心并不影響被加工工件的尺寸、圓度和表面粗糙度。再則由于裝千分表測量是在主軸手動慢速回轉(zhuǎn)下進行的, 它反映不出主軸在工作轉(zhuǎn)速下的回轉(zhuǎn)精度。它既不表示主軸作為一個質(zhì)點在空間的運動軌跡, 也不表示主軸在工作后加工出來的工件輪廓。圖 接觸式徑向跳動實測圖 The contact radial runout test picture 非接觸式測量法隨著電子產(chǎn)品的不斷升級, 計算機技術的應用與發(fā)展, 近年來提出了使用傳感器、計算機的等電子產(chǎn)品的非接觸式主軸回轉(zhuǎn)精度測量方法，有軌跡法和圓圖象法兩種。軌跡法著眼于客觀地描述軸心線的誤差運動軌跡, 而不理會誤差運動造成的具體效果。而圓圖象法可表示出被加工工件的軸心線誤差運動影響下的圓度輪廓。從機械制造專業(yè)出發(fā), 顯然圓圖象法優(yōu)于軌跡法。它不但形象地預測被加工零件的圓度和表面粗糙度, 而且可以直觀地計算出主軸回轉(zhuǎn)精度值。而且非接觸式測量法可精確測出主軸在正常工作轉(zhuǎn)速下的回轉(zhuǎn)精度，所以本文采用非接觸式進行測試研究。 電主軸回轉(zhuǎn)進度測試前的準備工作 測試前應使主軸潤滑充分，以保證在測試期間潤滑油膜不會變化。 使主軸達到正常運轉(zhuǎn)的溫度。 對計量器具的要求和檢驗方法應參照GB/。 實驗儀器目錄 The experimental equipment directory名稱規(guī)格數(shù)量測試內(nèi)容三角反射式位移流傳感器6600系列03mm%%1套LMS INSTRUMENTS1套被測電主軸型號：2GDZ15（）電主軸一臺。 電主軸主要性能參數(shù) The electronic spindle major performance parameters主軸型號轉(zhuǎn)速（r/min）最大輸出功率（KW）潤滑冷卻套筒外徑（mm）軸承2GDZ151500025油霧水532B7011C/P4（7角接觸球軸承，0正常寬度，11內(nèi)徑d=55mm，C公稱接觸角α=15176。，P4公差等級代號）2B7009C/P4 徑向跳動測試徑向跳動是指通過軸線上規(guī)定點并垂直于軸線的平面內(nèi)零件的圓的形狀誤差。 The radial runout測試過程中采用了激光反射式三角位移傳感器（）對其進行檢測。 激光反射式三角位移傳感器，對于二維的主軸回轉(zhuǎn)誤差運動，需要使用垂直布置的兩個微位移傳感器同時對主軸外圓輪廓采集數(shù)據(jù)。為了保證數(shù)據(jù)的一致性，兩傳感器應當位于主軸的同一個截面內(nèi)。 非接觸式原理圖 The schematic diagram of noncontact method LMS測試系統(tǒng) The LMS test system The noncontact radial runout test picture 測試數(shù)據(jù)，傳感器采樣時間間隔為200μs,采樣點數(shù)為6400個。為了減小誤差，在每個頻率下都測試3次，在數(shù)據(jù)處理時取3次測試數(shù)據(jù)的平均值?！? The Electronic spindle 150Hz radial runout of 15,000 The Electronic spindle 200Hz radial runout of 15,000 The Electronic spindle 250Hz radial runout of 15,000 The Electronic spindle 300Hz radial runout of 15,000 The Electronic spindle 350Hz radial runout of 15,000 The Electronic spindle 400Hz radial runout of 15,000 The Electronic spindle 450Hz radial runout of 15,000 Electronic spindle 500Hz radial runout of 15,000 (單位μm) The first test data to electronic spindle radial runout of 15,000(μm)測試點150Hz200 Hz250 Hz300 Hz350 Hz400 Hz450 Hz500 HzAB 非接觸式徑向跳動曲線 The radial runout curve of noncontact從以上的數(shù)據(jù)可以看出，隨著主軸的頻率不斷提高（即轉(zhuǎn)速不斷提高）其徑向跳動的誤差總的趨勢是不斷增加，但在中間頻率段（300Hz、3500Hz、400Hz）有所反復，這是由于主軸轉(zhuǎn)速增大時主軸動不平衡引起的誤差成分增大造成的，它們符合實際情況。從圖中可以看出，A點測試的數(shù)據(jù)都較B點測的試數(shù)據(jù)偏大，這是因為測試點不同，軸線的徑向偏擺不同引起的。雖然兩組數(shù)據(jù)有些偏差，但總體趨勢都反映了主軸回轉(zhuǎn)精度的特性。 誤差分析一般情況下，所測試的徑向跳動由下列誤差組成：（1）測試儀器本身的誤差。如傳感器的制造、安裝誤差等。（2）軸線的徑向偏擺誤差。如：主軸軸頸的不同軸度、錐度、不圓度等。（3）零部件的圓度誤差。如：前后軸承孔的不同軸度、錐度、不圓度等。（4）旋轉(zhuǎn)軸線運動的徑向誤差。如：軸承內(nèi)滾道變形、不圓度超差、粗糙度和滾動體尺寸誤差大等。（5）測試過程中主軸轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定造成大誤差。如：150Hz實驗時主軸轉(zhuǎn)速在447