【正文】 最高轉(zhuǎn)速僅需 15s。 (4)配套控制系統(tǒng)水平高。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。但 是 其缺點(diǎn)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。 (3)新材料的研究。 （ 3） 圓錐浮環(huán)動靜壓軸承。隨著轉(zhuǎn)子系統(tǒng)向大型化高速化發(fā)展，轉(zhuǎn)子相對比較細(xì)長，系統(tǒng)的穩(wěn)定性變得突出。 本論文研究的目的和內(nèi)容 首先，電主軸在各個行業(yè)都具有相當(dāng)大的用途，它決定了一個國家的制造業(yè)的水平，誰在電主軸上領(lǐng)先，誰在整個制造業(yè)就擁有話語權(quán)。 設(shè)計要求如表 21 所示： 表 21 額定轉(zhuǎn)速 P（ r/min） 額定功率 n（ kw） 20200 4 引言： 電主軸運(yùn)動控制是電主軸單元控制系統(tǒng)的核心部件，電主軸運(yùn)動控制技術(shù)主要包含轉(zhuǎn)速開環(huán)的恒壓頻比控制技術(shù)、轉(zhuǎn)速閉環(huán)的恒壓頻比控制技術(shù)、矢量控制技術(shù)及直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)。 3 主要零部件的設(shè)計 11 3 主要零部件的設(shè)計 軸承的選擇 引言 主軸軸承技術(shù)是超高速主軸系統(tǒng)的一項關(guān)鍵技術(shù)，目前，國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床采用較多的軸承形式有：磁懸浮軸承 、動靜壓軸承和陶瓷球軸承，其中使用最多的就是混合陶瓷球軸承。 軸承重量 m (kg) 最高轉(zhuǎn)速 maxn (r/min) 79000 基本額定動載荷 （ KN） 基本額定靜載荷 （ KN） 軸承的潤滑方式： 根據(jù) nDm ? 610? ,電主軸可采用油脂潤滑， nDm ? 610? ，電主軸必須采用油氣或者油霧潤 ,SC61902C TA 的 nDm =?20200= 510? ， nDm ? 610? ；所以采用脂潤滑。 主軸的外伸端及跨距的計算： 主軸選用 45 鋼，材料的彈性模量 211 /10 mN ，主軸材料的許用應(yīng)力 ??? 為600MPa。所以 L 取 150mm,因此： a=40mm。額定功率為 4kw，額定轉(zhuǎn)矩 ? m。 軸承壽命的分析： 電主軸的設(shè)計壽命一般為 5000～ 10000h,這就要求軸承具有較長的壽命，而且在高轉(zhuǎn)速時溫度，徑向載荷與軸向載荷的分布會影響軸承的壽命。因此，在電主軸機(jī)床上影響加工誤差的主要是熱變形而不是彈性變形，研究表明熱變形引起的加工誤差已達(dá)到零件總加工誤差 的 60～ 80％ ，尤其是機(jī)床在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下更為嚴(yán)重 。因此，可假設(shè)定子的內(nèi)表面和轉(zhuǎn)子的外表面均等排列著銅線，因此導(dǎo)體的長度 L,計算長度如下： 轉(zhuǎn)子上導(dǎo)線的長度 1L 的計算如下： 1L = 轉(zhuǎn)LDS?1 =11165mm； 式中： 1S —— 轉(zhuǎn)子外徑的周長，單位為： mm； D —— 銅線的直徑，單位為： mm； 轉(zhuǎn)L —— 轉(zhuǎn)子軸向長度，單位為： mm； 定子上導(dǎo)線長度 2L 的長度計算如下： 2L = 定LDS ?2 =13530mm； 式中： 2S —— 定子內(nèi)徑的周長，單位為： mm； D —— 銅線的直徑，單位為： mm； 定L —— 轉(zhuǎn)子軸向長度，單位為： mm； 因此： L= 1L + 2L =24695mm。高速電主軸的冷卻系統(tǒng)分為外水套和內(nèi)水套兩種：大型電主軸功率大，電動機(jī)發(fā)熱量多，采用內(nèi)水套式冷卻系統(tǒng)強(qiáng)化電動機(jī)定子的冷卻；小型電主軸采用外水套式或定子和軸承均帶水套的方式冷卻，此外也可以經(jīng)過油冷卻裝置的冷卻油強(qiáng)制性地在主軸定子外及主軸軸承外循環(huán)，帶走熱量。通過對額定功率和額定轉(zhuǎn)速的分析及計算，分別進(jìn)行主軸電機(jī)驅(qū)動和控制形式的選擇 、 混 合陶瓷球 軸承的選擇 、 電主軸主軸的設(shè)計 、 轉(zhuǎn)子定子的設(shè)計 、 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計 、 潤滑系統(tǒng)的設(shè)計及電主軸軸殼尺寸使其達(dá)到相應(yīng)的設(shè)計要求。最后設(shè)計電主軸的箱體尺寸。雖然 3D 打印技術(shù)也在不斷地發(fā)展中，但其也存在不少的缺陷。在軸承選定之后，根據(jù)軸承所受的壓力對軸承的壽命進(jìn)行估算，以確定所選的軸承的壽命可以達(dá)到設(shè)計要求。因此應(yīng)該嚴(yán)格控制整機(jī)裝配精度。 根據(jù)資料可知： t=； cr =； ? = m??? ?810 可得： ?wP 陶瓷球軸承的發(fā)熱計算： 滑動軸承的摩擦損 耗和所用潤滑油的粘度及品質(zhì) 、 軸頸的圓周速度 、 工作表面的加工質(zhì)量以及軸頸直徑和長度之比等因素有關(guān)。 根據(jù)資料可知： C =； ? =； nP = 電損耗 ： 由于轉(zhuǎn)子和定子的繞組采用銅線，因此電損耗的計算公式如下： 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 eP = 2I ? SL (42) 式中： eP —— 電損耗功率，單位為： W； I —— 電流，單位為： A； R —— 導(dǎo)體的電阻，單位為： ? ； ? —— 導(dǎo)體的電阻率； L —— 導(dǎo)體的長度，單位為： m； S —— 導(dǎo)體的截面積，單位為： 2m 。 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 4 輔助系統(tǒng)的設(shè)計 25 4 輔助系統(tǒng)的設(shè)計 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計 引言： 電主軸雖比傳統(tǒng)主軸剛度、精度較高，受力后的彈性變形很小，但是電機(jī)的內(nèi)置結(jié)構(gòu)使得散熱較差，尤其是在高速數(shù)控機(jī)床中運(yùn)動副摩擦和電機(jī)熱表現(xiàn)的更為突出。 定子與轉(zhuǎn)子配合公差的校核 其實(shí)際的最大過盈量 為 ，配合面實(shí)際產(chǎn)生的最大正壓力為 ： ?maxP )/()1)(1(2 )1)(1( 2222 m a x22 mmNaCiCeCiCeE ??? ??? ? （ 323） 電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)孔配合面上具有最大的切向拉應(yīng)力 maxe?? 和最大的徑向壓應(yīng)力maxre? 其值為： 2m a xm a x /)( mmNPare ??????? （ 324） 222m a xm a x / )1()( mmNCi CePare ?? ????? （ 325） 由此可見，電主軸的危險點(diǎn)在電機(jī)轉(zhuǎn)子的內(nèi)側(cè)，根據(jù)第三強(qiáng)度理論： ??? m a xm a x3 reer ??? ? = 2/mmN （ 326） 電機(jī)轉(zhuǎn)子襯套材料的許用應(yīng)力 ][? 為 287 2/mmN ， σr3＜［ σ］ ，使用安全 。 動態(tài)過盈和靜態(tài)過盈計算 此次設(shè)計的電主軸電機(jī)轉(zhuǎn)子的基本尺寸為：轉(zhuǎn)子的外徑 2b=44mm,轉(zhuǎn)子內(nèi)孔直徑 2a=24mm；轉(zhuǎn)子的軸向長度為 77mm，轉(zhuǎn)子配合面的有效接觸長度 C＝77mm。 圖 33 主軸受力示意圖 根據(jù)材料力學(xué)外伸梁的撓度公式可知： ZY = )1(3 3 ?alEIPa （ 35） 3 主要零部件的設(shè)計 15 設(shè)：外伸端處的軸承為 B；右邊的軸承為 A；軸承 B 到交點(diǎn)處距離為 X， AY 為 A端軸承受力時徑向發(fā)生的位移。因此每個軸承的生產(chǎn)廠家，針對不同轉(zhuǎn)速和負(fù)載的電主軸選用不同的預(yù)緊力。同時，數(shù)控機(jī)床電主軸一般選用混合陶瓷球軸承，我國自行設(shè)計的陶瓷球軸承與國外存在一定的差距，因此選用 GMN 公司生產(chǎn)的 SC61902C TA 陶瓷球軸承。 1s —— 電動機(jī)在 100％ 運(yùn)轉(zhuǎn)時間內(nèi)，負(fù)載是連續(xù)不變的。 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 2 電機(jī)驅(qū)動形式、控制方式 7 電主軸的結(jié)構(gòu)圖 “高速電主軸”的概念是一套組件，包括：定子、轉(zhuǎn)子、軸承、高速變頻 裝置、潤滑裝置、冷卻裝置等 組成。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：軸承由 8 個淺腔組成，以淺腔為節(jié)流器，一般在傾側(cè)下工作。由于穩(wěn)定性好 , 加工制造方便 , 溫升低 , 功耗小而被廣泛應(yīng)用于一些高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械上。 （ 2）新型液體動靜壓混合軸 承。 (2)無傳感器磁懸浮軸承的研究。而開關(guān)磁陰調(diào)速式主軸的功率因數(shù)空載時可達(dá) ，滿載時可達(dá) 。對比現(xiàn)有的交流異步電動機(jī)，它有以下優(yōu)點(diǎn) :： 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 。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。 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。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。例如：高精密軸承技術(shù)等等?，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)。冷卻系統(tǒng)采用外置水冷。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 論 文 題 目 數(shù)控機(jī)床電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計 系 別 機(jī)械工程系 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 班 級 機(jī)械 002 班 學(xué) 號 10040103 學(xué)生姓名 冀璐 指導(dǎo)老師 王恪典 2020 年 6 月 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 摘要 I 摘 要 數(shù)控加工技術(shù)將高柔性，高精度，高速加工技術(shù)融為一體，可以解決機(jī)械產(chǎn)品制造中的諸多難題，如獲得特殊的加工精度和表面質(zhì)量。 （ 2） 軸承的 選擇與冷卻系統(tǒng)的設(shè)計，軸承的選用混合陶瓷球軸承，其具有高速，高剛度，大功率，長壽命的特點(diǎn)。 特別是 高速數(shù)控機(jī)床在我國實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的進(jìn)程中也占有重要的地位。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。所以我們對它的研究具有很多的實(shí)際意義，并且有許多技術(shù)有待解決 。m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)12020r/min，最大功率只有 11kw。 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。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(diǎn)： (l)功率大、轉(zhuǎn)速高 (2)采用高速、高剛度軸承。轉(zhuǎn)矩密度高，轉(zhuǎn)動慣量小，動態(tài)響應(yīng)特性 非常好 好。普通交流電機(jī)驅(qū)動的主軸空載時功率因數(shù)為 一 ，滿載時為 一 。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(shí)際應(yīng)用十分有限 ,還需有很大的突破。靜動壓混合軸承兼有靜壓及動壓相承的特點(diǎn)，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。 (4)上瓦開周向槽橢圓軸承， 上瓦開周向槽橢圓軸承上瓦開周向槽橢圓軸承是一種改型橢圓軸承。楊軍等研究了一種應(yīng)用于外圓磨床 HSDB l 動靜壓推力軸承。 。 圖 22 標(biāo)量控制電主軸轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系 圖中： 6s —— 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時間內(nèi)，負(fù)載是連續(xù)的，即在每 2min 的周期內(nèi)， 60％ 的時間承受負(fù)載，另外 40％ 的時間為空載。 軸承選擇： 圖 31 混合陶瓷球軸承的參考圖 軸承參數(shù)的確定 ： 根據(jù)最小截面直徑 d=10mm,且根據(jù)轉(zhuǎn)速 n=20200r/min。一般說來，預(yù)加載荷越大，提高剛度和旋轉(zhuǎn)精度的效果就越好；但是另一方面，預(yù)加載荷越大，溫升就越高，可能造成燒傷，從而降低使用壽命，甚至不能正常工作。 sY —— 假設(shè)主軸是剛體，支承為彈性體時，主軸在前端受到外載荷 P 作用后的位移。轉(zhuǎn)子是中頻電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分，它的功能是將定子的電磁場能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，是電主軸結(jié)構(gòu)里最為重要的環(huán)節(jié)，它決定電主軸是否可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。高速電主軸的最小過盈量 Δmin： Δmin= mind? + mins? = ?? mm （ 322） 3 主