【正文】 6 軟件介紹 ................................................................................................ 16 簡介 ............................................................................................ 16 動態(tài)仿真工具 Simulink .......................................................................... 16 建立直接轉矩控制仿真模型 .............................................................................. 17 重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 目錄 Ⅲ 仿真的主要對數(shù)設置 ......................................................................................... 21 本章小結 ........................................................................................................... 21 4 仿真及結果分析 .................................................. 22 仿真結果 ........................................................................................................... 22 改變轉速 ........................................................................................................... 24 改變負載 ........................................................................................................... 26 本章小結 ........................................................................................................... 27 總 結 ............................................................... 29 致 謝 ............................................................... 30 參考文獻 ............................................................. 31 重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 1 緒論 1 1 緒論 國內高速電主軸的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 國內外高速電主軸的現(xiàn)狀 我國電主軸研發(fā)生產(chǎn)起源于磨加工，特別是軸承的內表面磨加工，這是根據(jù)行業(yè)的生產(chǎn)需要而發(fā)展起來的的。早在 20 世紀 50 年代末，我國的軸承行業(yè)就開始生產(chǎn)電主軸，目前國內電主軸的生產(chǎn)主要以洛陽軸研科技公司最為著名，它生產(chǎn)的內孔磨削用電主軸已有 50 年的歷史。 近年來，除了洛陽軸研科技股份有限公司（洛陽軸研所改制而成）、安陽萊必泰機械有限公司、無錫開源機床集團有限公司這三家傳統(tǒng)的生產(chǎn)電主軸的企業(yè)以外，又涌現(xiàn)出一大批新興企業(yè)，將電主軸行業(yè)推向新高度。一時間，生產(chǎn)電主軸的企業(yè)多達 70 多家，且大多數(shù)為民營企業(yè)，北京機床研究所在 這個時候也開發(fā)出用日本 FANUC 電機組裝的 20xx0 轉 /分、 24000 轉 /分電主軸。與此同時，借助于德國 REXROTH 的電機，不少單位紛紛組裝出了轉速高于 10000 轉 /分的電主軸。北京第一機床廠和日本大隈通過中外企業(yè)合作的方式也研發(fā)出了轉速高于 10000 轉 /分的電主軸。在行業(yè)規(guī)模不斷壯大的情況下，漢川機床廠，濟寧博特精密絲杠制造有限公司、大連機床廠等數(shù)家企業(yè)也相繼進入了研發(fā)生產(chǎn)電主軸的行業(yè)。目前，隨著常規(guī)磨用電主軸、雕銑機床用電主軸在國內技術不斷成熟，產(chǎn)量來斷提高，國內相關產(chǎn)品幾乎占據(jù)了全部的市場需求。由 于一般的電主軸技術門檻相對較低，國內企業(yè)技術實力雄厚，在電主軸性價比方面占有絕對優(yōu)勢，因此國外產(chǎn)品一般很少用到。由于大功率電主軸技術難度大，能進行生產(chǎn)的企業(yè)不多，目前尚處于樣機階段。在電主軸的數(shù)控機床的需求增加的趨勢下，數(shù)控機床專用電主軸將替代磨用電主軸成占領電主軸市場。 與國內不同的是，國外電主軸起源于內圓磨床，早在上世紀 末 ，隨著機械主軸發(fā)展過慢，越來越不能滿足高性能數(shù)控機床、高速切削的發(fā)展和生產(chǎn)需要，電主軸技術憑借近年來取得的重大成就和良好的技術支持使其廣泛應用于加工中心、數(shù)控機床等高端數(shù)控機床中。為了 能滿足機床技術、高速切削技術的發(fā)展和實際應用的需要，數(shù)控機床用電主軸的性能必須不斷提高，這對高水平企業(yè)來說是發(fā)展的動力。目前國外著名的機床用電主軸制造商有：德國 GMN 和 Cytec、西門子、瑞士 IBAG和 Step— Tec、 Fishcher、 美國 Setco、意大利 Omlet和 Gamfior、日本大隈等，其中 GMN、 IBAG、 Omlet、 Setco、 Gammfier 等企業(yè)代表了世界電主軸行業(yè)的最高水平。 這些國外公司電主軸產(chǎn)品與國內的相比，有以下幾明顯個優(yōu)勢： ① 轉速高、重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 1 緒論 2 功率大。②軸承速度高、剛度高。不同軸承的運用場合不同，其中陶瓷軸承和液體動靜壓軸承主要應用在高速精密主軸上，空氣潤滑軸承和磁懸浮軸承主要用于特殊場合。 ③ 加工與裝配精度高，工藝高超。④相關控制系統(tǒng)性能好。這些控制系統(tǒng)包括轉子平衡系統(tǒng)、定轉子冷卻溫度精密控制系統(tǒng)、軸承油氣潤滑與精密控制系統(tǒng)、主軸變形溫度補償精密控制系統(tǒng)等。國外諸多企業(yè)在這個基礎上，研發(fā)出了多種高技術水平的高速機床。如世界著名的精密機床制造商之一的瑞士米克朗公司，它生產(chǎn)的機床配備所有的電主軸均使用恒溫冷卻水套來對主軸電機和軸承進行冷卻，并 通過高壓油霧對復合陶瓷軸承進行潤滑。這種轉矩最高可達60000r/min 的高速電主軸，采用矢量控制技術，在低轉速時可輸出大扭矩因此可以滿足不同的切削要求。 由于高速切削 [1]和實際應用的需要，數(shù)控機床電主軸在軸承及其潤滑技術、精密加工技術、精密動平衡技術、高速刀具 [2]及其接口技術等相關技術快速發(fā)展趨勢下，高速化成為主流。在這個技術潮流下，瑞士 IBAG 的鉆、銑用電主軸HF42 的轉速最高可達 140000r/min，英國 WestWind 公司的 PCB 鉆孔機電主軸D1733 更是達到了 250000r/min；瑞士 FISCHER 的 加工中心志用電主軸最高轉速達到 420xxr/min，意大利 CAMFIOR 達到了 75000r/min。軸承及潤滑技術的不斷發(fā)展，使電主軸的系統(tǒng)剛度越來越大，這大大提高了高速電主軸的性能，使其更好的推動數(shù)控機床向高速、高效率和高精度的方向發(fā)展。 大多數(shù)控機床在實際使用時需要同時滿足在低速時粗加工時的重切削、高速切削時精加工的要求，因此，要成為機床電主軸，就必須低速大轉矩、高速大功率的性能。目前，世界高端的加工中心用電主軸無論是在高速段還是低速段，達到了一定的高度，意大利 CAMFIOR、瑞士 Step— Tec、德國 GMN 等制造商的研發(fā)的產(chǎn)品，在低速段輸出轉矩能輕松達到 200Nm 以上，德國 CYTEC 生產(chǎn)的數(shù)控銑床和車床用電主軸，最大扭矩更是達到了 ；在高速段大功率方面， CYTEC 電主軸的最大輸出功率為 50kW；瑞士 Step— Tec 用于制造航空器和加工模具的電主軸的最大功率更是達到 65kW(S1)；此外，還有報道稱目前還處在研發(fā)階段的電主軸功率可達到 80kW。 國內外高速電主軸的差距 國內電主企業(yè)國外相比在產(chǎn)品研發(fā)的能力、投入和技術的創(chuàng)新能力上相對落后，唯一具有的是相對成本優(yōu)勢，這并不樂觀。國外數(shù)控機床主軸公司分工很細很明確，研發(fā)主要包括電主軸的總體設計、技術研發(fā)以及零部件裝配和測試工作，而像主軸軸承、驅動電機、主軸松拉刀機構、動力油缸或氣缸、主軸軸承潤滑油品等關鍵零部件統(tǒng)一從別的企業(yè)采購，這樣使自身的研究方向更細致，加快了研重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 1 緒論 3 發(fā)速度。細致的分工與不斷的投入，使電主軸這個產(chǎn)業(yè)具有組織性和互補性，機床主軸生產(chǎn)商與各附件生產(chǎn)商之間形成了良性合作的循環(huán)，并不提高和展本專業(yè)的關鍵技術，一環(huán)帶動 一環(huán)，從而帶動了國外電主軸行業(yè)的整體技術水平不斷提高。 然而，國內電主軸行業(yè)由于競爭意識太強，技術資源比較分散。大多數(shù)企業(yè)目光短淺，基本上是在模仿國內外的電主軸產(chǎn)品進行生產(chǎn)，這種短期效益帶來的后果是企業(yè)技術實力落后，嚴重缺乏創(chuàng)新能力，使行業(yè)畸形發(fā)展。雖然作為原來國家軸承行業(yè)的技術領先的洛陽軸研科技，自身具備一定的研發(fā)實力，但缺乏過硬的產(chǎn)品和關鍵技術。在電主軸軸承的潤滑方式、零部件材料、加工工藝路線、內裝式驅動電機、拉刀接口等方面，特別在如伺服驅動控制器、編碼器、動力缸、智能傳感器等電主軸的附件領域，國外產(chǎn)品 占主導地位。正是這幾個方面制約了國內高性能數(shù)控機床的發(fā)展。 國內外電主軸產(chǎn)品的差距無論是附件、性能、關鍵技術還是質量上都是比較明顯的，主要存在以下差距 : (1)在電主軸低速段最大輸出轉矩，國外電主軸在可以達到 200Nm 以上，德國的 CYTEC 更是達到 600Nm，而國內目前普遍在 100Nm以內。 (2)在最高輸出轉速上，國外用于加工中心的電主軸的轉速已經(jīng)達到 75000r／ min，而我國最高只到 20xx0r/min。對于其它電主軸，英國 WestWind 公司 D1733的轉速 已經(jīng)達到了 250000r/min，而國內電主軸的最高只能達到 150000r/min。 (3)電主軸常用潤滑方式上，在國外高速電主軸行業(yè)，油氣潤滑技術已經(jīng)普遍應用，而國內主要以油脂潤滑和油霧潤滑為主。 (4)在電主軸發(fā)展方向，國外在常規(guī)電主軸不斷完善的基礎上，開始向多功能、高性能的新型數(shù)控機床用電主軸轉移，而國內主要以常規(guī)產(chǎn)品為主。 (5)在電主軸的支承技術上，國外成功研究出了采用動、靜壓液 (氣 )浮軸承和磁浮軸承的電主軸，國內大多處于研發(fā)或小批量生產(chǎn)階段。 (6)在關鍵技術方面，國外電主軸驅動電機的交流伺服技術、閉環(huán)矢量控 制技術、 C 軸傳動技術、停機角向準確定位 (準停 )技術、快速啟動與停止技術、 HSK刀柄制造與應用技術、主軸智能監(jiān)控技術等是趨成熟，國內的相關技術還不夠成熟，距離實際應用還要相應的改善。 (7)在產(chǎn)品的種類和規(guī)模方面，國內高性能數(shù)控機床專用電主軸的研究處于起步階段，相應的技術投入比較少，還是以生產(chǎn)磨床專用電主軸為主，想達到專業(yè)化、規(guī)?；纳a(chǎn)還需要更多努力，與國外已經(jīng)形成一定規(guī)模電主軸行業(yè)相比，需要更多的投入來滿足國內市場，并與國外產(chǎn)品相競爭。 歐美公司在關鍵部件的研發(fā)上具有很強的前瞻性和創(chuàng)新能力，國際上涉及電重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 1 緒論 4 主 軸的比如編碼器系統(tǒng)、刀具接口、電機工作制等的國際標準和產(chǎn)品都是歐美相關企業(yè)制定和生產(chǎn)的，這是他們最具有優(yōu)勢的地方。 直接轉矩控制技術的發(fā)展和現(xiàn)狀 直接轉矩控制技術的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1895 年，德國的 提出直接轉矩控制 [3]的理論，就是在實現(xiàn)對磁鏈的控制的同時，也實現(xiàn)對直接轉矩的控制。直接轉矩控制這種新型技術一出現(xiàn)，就憑借新穎的控制思想，簡潔的系統(tǒng)結構及優(yōu)良的靜態(tài)性能受到業(yè)界廣泛的關注而快速的發(fā)展。 根據(jù) 所提出的直接轉矩控制理論系統(tǒng)，這是一個六邊形的控制系統(tǒng)。其磁鏈軌跡在六邊上分別有相應六個非零電壓矢量與其對應，組合起來正好可以按正六邊形 [4]的方式運動。根據(jù)這個特點，將六個工作狀態(tài)通過轉換可直接由六個非零電壓矢量來實現(xiàn)六邊形磁鏈軌跡以及磁環(huán)控制，從而實現(xiàn)直接轉矩控制。 1986 年，日本東芝的 Takahashi 教授在六邊形方案的基礎上，提出了對磁鏈軌跡圓形 [5]控制方案，實現(xiàn)了讓磁鏈軌跡基本沿著近似圓形的軌跡運動。這是一種磁鏈的實時控制，通過考慮