【正文】 會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品日趨精密復(fù)雜，且要求頻繁改型，特別是在宇航，造船，軍事等領(lǐng)域所需的機(jī)械零件，精度要求高，形狀復(fù)雜，批量小。加工這類產(chǎn)品需要經(jīng)常改裝和調(diào)整設(shè)備，普通機(jī)床已不能適應(yīng)這些要求，數(shù)控機(jī)床應(yīng)用而生，這種新型機(jī)床具有適應(yīng)性強(qiáng)，加工精度高，加工質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。 特別是高速數(shù)控機(jī)床在我國實現(xiàn)現(xiàn)代化的進(jìn)程中也占有重要的地位。它是裝備制造業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)和發(fā)展方向之一，是戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。同時，高速加工技術(shù)在提升零件表面質(zhì)量、精度和減少工件熱變形方面有較大優(yōu)勢，也是現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)之一。而且數(shù)控機(jī)床已成為發(fā)展高速加工技術(shù)的支柱性、決定性因素，而內(nèi)置電主軸電機(jī)的品質(zhì)將直接決定高速數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平。電主軸單元已在機(jī)械、電子、航空航天、國防、冶金、食品、化工、醫(yī)藥、和光學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)表現(xiàn)出旺盛的生命力。數(shù)控機(jī)床電主軸技術(shù)的產(chǎn)生實現(xiàn)了在極短的時間內(nèi)實現(xiàn)升降速，并在指定位置快速準(zhǔn)停，而且使機(jī)床的傳動鏈的長度縮短為零，實現(xiàn)了零傳動，且不會在高速狀態(tài)下打滑，產(chǎn)生振動和噪音。使得高速數(shù)控機(jī)床的傳動環(huán)節(jié)的機(jī)械結(jié)構(gòu)得到極大的簡化，數(shù)控機(jī)床的整體尺寸也得以縮減，將機(jī)床主軸與主軸電機(jī)融為一體的新技術(shù)。 論文研究的意義 數(shù)控機(jī)床的研究既是市場競爭的制高點，也一直是世界各國競相投入大量人力、物力研究的熱點。它綜合應(yīng)用了電子計算機(jī)，自動控制，伺服驅(qū)動，精密測量和新型機(jī)械結(jié)構(gòu)等多方面的技術(shù)成果，它同時還是高速電機(jī)和精密主軸的有機(jī)結(jié)合體，是今后數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向?，F(xiàn)代化高速主軸系統(tǒng)采用的是電主軸,即所謂的機(jī)電一體化主軸，電主軸及驅(qū)動系統(tǒng)是一套完整的,獨(dú)立的功能部件。它包括：主軸動力系統(tǒng)、主軸、伺服系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、軸承和機(jī)架等幾個部分。它要求動平衡高，剛性好，回轉(zhuǎn)精度高，有良好的熱穩(wěn)定性，能傳遞足夠的力矩和功率，能承受高的離心力，帶有準(zhǔn)確的測溫裝置和高效的冷卻裝置。它不僅能使主軸直接產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,具有低損耗,長壽命的特點,而且還具有高精度,高轉(zhuǎn)速,低振動,低噪音等優(yōu)良的機(jī)械特性而且數(shù)控機(jī)床電主軸的經(jīng)濟(jì)效益也是不容忽視的，它可使加工時間大幅縮短，加工節(jié)拍只有原來的四分之一，可以實現(xiàn)投資資金的快速收回，且降低了管理成本，提高了資金的利用率。在“十五”期間，我國的數(shù)控機(jī)床的電主軸技術(shù)發(fā)展很快，但國產(chǎn)電主軸從水平、種類、質(zhì)量等方面，與國外先進(jìn)國家相比還存在很大的差距，從而嚴(yán)重制約我國高速、高精度數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。從而是我國成為工業(yè)強(qiáng)國的夢想成為一句空話，也就實現(xiàn)不了我們的“中國夢”。電主軸是高速切削機(jī)床最重要的部件也是實現(xiàn)高速和超高速加工的關(guān)鍵技術(shù)之一 ，因此要電主軸的研究是數(shù)控機(jī)床研究的重中之重，可以說電主軸的發(fā)展水平是衡量一個國家機(jī)械制造業(yè)的實力。所以我們對它的研究具有很多的實際意義，并且有許多技術(shù)有待解決。例如：高精密軸承技術(shù)等等。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國內(nèi)研究現(xiàn)狀國產(chǎn)電主軸技術(shù)現(xiàn)狀:電主軸在我國起步也很早，20世紀(jì)50年代末、60年代初就已經(jīng)將電主軸應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，但多用于專用內(nèi)圓磨床，如軸承行業(yè)、油泵和油嘴行業(yè)中的專用內(nèi)孔磨床等。直到90年代中后期，由于國內(nèi)市場需要，洛陽軸承研究所開始開發(fā)其他用途的電主軸，如印制電路板(PCB)行業(yè)鉆小孔用高速電主軸、小型數(shù)控銑床用電主軸等。多年來，依次完成DZ、GDZ、系列數(shù)控磨床用電主軸XD系列數(shù)控銑床用電主軸、CD系列數(shù)控車床用電主軸、ZD系列PCB行業(yè)鉆、銑削用電主軸、LD系列高檔管材旋輾用電主軸和ED系列高速離心機(jī)用電主軸等的研究與開發(fā)。生產(chǎn)的PCB行業(yè)用鉆、銑削電主軸,轉(zhuǎn)速達(dá)到105000r/ min ,為國內(nèi)PCB行業(yè)數(shù)控機(jī)床所普遍采用 ,并且已經(jīng)替代部分進(jìn)口產(chǎn)品。由于對數(shù)控機(jī)床的急切的需求，同濟(jì)大學(xué)、北京機(jī)床研究所和上海機(jī)床廠在高速電主軸方面也取得了很大的成就。目前國內(nèi)生產(chǎn)的磨削用電主軸的轉(zhuǎn)速在15000r/min以內(nèi)；加工中心用電主軸的轉(zhuǎn)速最高可達(dá)30000r/min，轉(zhuǎn)矩達(dá)200Nm的加工中心用電主軸轉(zhuǎn)速只有4000r/min；車削用電主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)12000r/min，最大功率只有 11kw。在電主軸的潤滑方面，我國主要以油脂潤滑和油霧潤滑為主。 “十五”期間，我國研制出擁有在自主知識產(chǎn)權(quán)的加工中心和數(shù)控銑床用內(nèi)裝式電主軸單元，轉(zhuǎn)速80～24000r/min,～29KW，轉(zhuǎn)矩4～86Nm,其噪或達(dá)到同期國際水平。雖然在“十五”期間，我國的數(shù)控機(jī)床的電主軸技術(shù)發(fā)展很快，但國產(chǎn)電主軸從水平、種類、質(zhì)量等方面，與國外先進(jìn)國家相比還存在很大的差距。高轉(zhuǎn)速高精度數(shù)控機(jī)床和加工中心所用的電主軸，主要還是從國外進(jìn)口。而且我國在高速主軸單元技術(shù)各項性能指標(biāo)方面與國外相比差距較大，從而嚴(yán)重阻礙我國高速高精度數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，我國的中、高檔數(shù)控機(jī)床即滿足不了我國的市場需求，也無力在國際市場上進(jìn)行競爭。31 國外研究現(xiàn)狀國外電主軸最早用于內(nèi)圓磨床，上世紀(jì)80年代，隨著數(shù)控機(jī)床和高速切削技術(shù)的發(fā)展和需要，逐漸將電主軸技術(shù)應(yīng)用于加工中心、數(shù)控銑床等高檔數(shù)控機(jī)床。近幾年美國、日本、德國、意大利、英國、加拿大和瑞士等工業(yè)強(qiáng)國爭相投入巨資大力開發(fā)此項技術(shù)。目前電主軸已經(jīng)成為現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床最主要功能部件之一，世界上形成許多著名的機(jī)床電主軸功能部件專業(yè)制造商，它們生產(chǎn)的電主軸功能部件已經(jīng)系列化。著名的有德國的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，它們的技術(shù)水平代表了這個領(lǐng)域的世界先進(jìn)水平。具有功率大、轉(zhuǎn)速高，采用高速、高剛度軸承，精密加工與精密裝配工藝水平高和配套控制系統(tǒng)水平高等特點。其中最具代表性有美國福特公司和Ingerso1l公司聯(lián)合推出的HVM800臥式加工中心的大功率電主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)15000r/min由靜止升至最高轉(zhuǎn)速僅需15s。瑞士IBAG公司在電主軸行業(yè)技術(shù)領(lǐng)先現(xiàn)在被公認(rèn)為代表了行業(yè)的發(fā)展趨勢。IBAG公司提供的電主軸已經(jīng)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化電主軸最大轉(zhuǎn)速可達(dá) 140000r/min，直徑范圍33到300mm，功率范圍125W173。SOkW,～300Nm。日本三井精機(jī)公司生產(chǎn)的HT3A臥式加工中心采用陶瓷軸承支承的電主軸,主軸轉(zhuǎn)速達(dá)40000r/min，瑞士的IBAG公司在其電主軸部件上配備主軸軸向尺寸監(jiān)測傳感器，可與機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)聯(lián)結(jié)進(jìn)行軸向尺寸補(bǔ)償；永磁同步電動機(jī)的主軸已問世，其轉(zhuǎn)子為永久磁鐵，不發(fā)熱，解決了電主軸結(jié)構(gòu)的最大負(fù)效應(yīng)——內(nèi)裝式電動機(jī)散熱不良的問題。此外還有瑞士的Fisher公司、德國的GMN公司、Hofer公司、西門子、意大利的Faemat和Gamfior公司等，這些公司生產(chǎn)的電主軸有以下特點：(l)功率大、轉(zhuǎn)速高(2)采用高速、高剛度軸承。國外高速精度主軸上采用高速、高剛度軸承，主要有陶瓷軸承和液體動靜壓軸承，特殊場合采用空氣潤滑軸承和磁懸浮軸承。(3)精密加工與精密裝配工藝水平高。(4)配套控制系統(tǒng)水平高。這些控制系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子自動平衡系統(tǒng)、軸承油氣潤滑與精密控制系統(tǒng)、定轉(zhuǎn)子冷卻溫度精密控制系統(tǒng)、主軸變形溫度補(bǔ)償精密控制系統(tǒng)等。 國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床電主軸的未來的發(fā)展趨勢 經(jīng)過多年的技術(shù)提升，數(shù)控機(jī)床電主軸正朝著高轉(zhuǎn)速，高精度，高效率及高可靠性方面發(fā)展，從目前的現(xiàn)狀來看數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在如下的幾個方面：主軸電機(jī)的未來發(fā)展趨勢是永磁同步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)和同步磁陰電機(jī)。其中永磁同步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)是目前最主要的研發(fā)方向。永磁同步電機(jī)是一種新興的主軸電機(jī)，其優(yōu)點明顯:轉(zhuǎn)子溫升低，在低限速度下，可以作恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。轉(zhuǎn)矩密度高，轉(zhuǎn)動慣量小，動態(tài)響應(yīng)特性非常好好。對比現(xiàn)有的交流異步電動機(jī)，它有以下優(yōu)點:：工作過程中轉(zhuǎn)子不發(fā)熱；功率密度更高，有利于縮小電主軸的徑向尺寸；轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速嚴(yán)格與電源頻率同步也可采用矢量控制。但是一般情況下，永磁同步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速不會超過3000r/min，這就要求永磁同步電機(jī)具有較高的弱磁調(diào)速功能。在弱磁控制的區(qū)間內(nèi)，電壓通常會非常接近電壓極限值，一旦超出電壓極限就會造成轉(zhuǎn)矩輸出結(jié)果變差。人們在弱磁控制方面也提出過不少方法，如改變轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，加上特殊鐵ILK構(gòu)成磁阻，以加大Ld與Lq的比值等。但是實際效果并不十分理想，并且主軸電機(jī)功率要求較高，而且永磁同步電機(jī)某些部件使用稀土材料制造因而成本較高。另外一種數(shù)控機(jī)床電主軸也得到了關(guān)注，那就是開關(guān)磁阻電機(jī)機(jī)床主軸，其具有的優(yōu)勢如下：系統(tǒng)效率高，輸出功率大。開關(guān)磁陰調(diào)速式主軸在寬廣的調(diào)速范圍內(nèi)，整體效率比其它系統(tǒng)高出10%以上，在低轉(zhuǎn)速下高效率更加明顯。普通。因轉(zhuǎn)子無繞組，熱耗大部分在定子，易于冷卻，開關(guān)磁陰調(diào)速電機(jī)及控制器系統(tǒng)的溫升低于其它系統(tǒng)的溫升。但是其缺點也是很明顯，轉(zhuǎn)矩脈動較大，電機(jī)和控制器的成本和復(fù)雜度高。電主軸軸承未來的發(fā)展趨勢是氣浮軸承、靜壓軸承和磁懸浮軸承的研究。在磁懸浮軸承領(lǐng)域內(nèi)，有以下幾個研究方向：(1)超導(dǎo)磁懸浮軸承的研究。這種軸承的體積很小,卻有很大的承載能力。這方面的研究進(jìn)展在很大程度上依賴于超導(dǎo)材料的進(jìn)展。高溫超導(dǎo)陶瓷材料由于其固有的屬性及具體加工技術(shù)的原因,實際應(yīng)用十分有限,還需有很大的突破。(2)無傳感器磁懸浮軸承的研究。最近幾年,結(jié)合磁懸浮軸承和無傳感器檢測兩大研究領(lǐng)域的最新研究成果,誕生了一個全新的研究方向——無傳感器的磁懸浮軸承，它不需要設(shè)計專門的位置傳感器,而是通過測量電氣回路內(nèi)部信號來間接地獲取轉(zhuǎn)子的位置信息。(3)新材料的研究。新材料的研究成功無疑將使磁懸浮軸承突破離心力、磁飽和、磁滯等特性的限制。近年來得到迅速發(fā)展的稀土永磁材料也因為結(jié)構(gòu)輕巧、能耗低而極具應(yīng)用前途。可以預(yù)計,這些新材料的推廣普及將會有效地減小磁軸承的體積和能耗,因而大大地提高了承載能力。 在靜壓軸承方面主要有以下幾個研究方向：（1）油螺旋式液體靜動壓軸承。靜動壓混合軸承兼有靜壓及動壓相承的特點，它在高速時以動壓為主，在低速時以靜壓為主，不但改善了軸承的性能，也有效地降低供油系統(tǒng)的功率損耗。（2）新型液體動靜壓混合軸承。新型動靜壓軸承具有小腔結(jié)構(gòu)提高了軸承剛性；外加小孔節(jié)流提高了支承的靜壓承載能力；不設(shè)置軸向回油槽，軸承流量小，且封油面上有顯著的動壓效應(yīng)；同時，承載能力及油膜剛度的方向性小，油膜均化作用強(qiáng)，主軸運(yùn)轉(zhuǎn)精度也隨之提高。（3）圓錐浮環(huán)動靜壓軸承。為了克服油潤滑滑動軸承在高速、超高速時摩擦功耗急劇上升且容易失穩(wěn)的弱點，提出滑動軸承－圓錐浮環(huán)動靜壓軸承，該軸承兼具動壓、靜壓、圓錐、浮環(huán)軸承之優(yōu)點，它是在圓錐動靜壓軸承的基礎(chǔ)上，在軸頸和軸瓦之間嵌入一層或多層錐型動靜壓浮環(huán)。浮環(huán)將潤滑油膜分為兩層：內(nèi)油膜處于軸和浮環(huán)之間，外油膜處于浮環(huán)和軸瓦之間。兩層油膜均為錐形油膜，均通過軸