【文章內容簡介】 主軸， 其具有的優(yōu)勢如下： 系統(tǒng)效率高，輸出功率大。開關磁陰調速式主軸在寬廣的調速范圍內，整體效率比其它系統(tǒng)高出 10%以上 ， 在低轉速下高效率更加明顯。普通交流電機驅動的主軸空載時功率因數為 一 ，滿載時為 一 。而開關磁陰調速式主軸的功率因數空載時可達 ，滿載時可達 。因轉子無繞組，熱耗大部分在定子，易于冷卻，開關磁陰調速電機及控制器系統(tǒng)的溫升低于其它系統(tǒng)的溫升。但 是 其缺點也是很明顯，轉矩脈動較大，電機和控制器的成本和復雜度高。 軸承的研發(fā) 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。 在磁懸浮軸承領域內，有以下幾個研究方向： (1)超導磁懸浮軸承的研究。這種軸承的體積很小 ,卻有很大的承載能力。這方面的研究進展在很大程度上依賴于超導材料的進展。高溫超導陶瓷材料由于其固有的屬性及具體加工技術的原因 ,實際應用十分有限 ,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 ,結合磁懸浮軸承和無傳感器檢測兩大研究領域的最新研究成果 ,誕生了一個全新的研究方向 —— 無傳感器的磁懸浮軸承，它不需要設計專門的位置傳感器 ,而是通過測量電氣回路內部信號來間接地 獲取轉子的位置信息。 (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構輕巧、能耗低而極具應用前途?？梢灶A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構提高了軸承剛性；外加 1 緒論 5 小孔節(jié)流提高了支承的靜壓承載能力；不設置軸向回油槽，軸承流量小，且封油面上有顯著的動壓效應；同時，承載能力及油膜剛度的方向性小，油膜均化作用強，主軸運轉精度也隨之提高。 （ 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，均通過軸瓦外表面供油。通過理論和試驗均表明：和一般的動靜壓軸承相比，軸承摩擦功耗小，并且隨著軸承數的升高，偏心率的加大，摩擦功耗降低的幅度也大。 (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。由于穩(wěn)定性好 , 加工制造方便 , 溫升低 , 功耗小而被廣泛應用于一些高速旋轉機械上。 （ 5） 上瓦帶擋板橢圓軸承。隨著轉子系統(tǒng)向大型化高速化發(fā)展，轉子相對比較細長，系統(tǒng)的穩(wěn)定性變得突出。可傾瓦軸承穩(wěn)定性好，但其結構復雜，徑向尺寸 大， 成本高，上瓦帶擋板橢圓軸承是在橢圓軸承的上瓦內安裝一徑向擋板。經研究表明由于擋板的存在使軸承穩(wěn)定性明顯地提高、阻力系數稍有增大并且流量增大從而使軸承溫升降低 , 但是造成軸承的承載能力略有降低。 （ 6） HSDB l 動靜壓推力軸承。隨著機床向高速、重載、高精度方向發(fā)展，越來越多的磨床采用動靜壓推力軸承。楊軍等研究了一種應用于外圓磨床 HSDB l 動靜壓推力軸承。結構特點是：軸承由 8 個淺腔組成，以淺腔為節(jié)流器，一般在傾側下工作。通過對軸承的理論分析可知：軸承有泵功率小、功率比大、流量小、工作可靠和溫升低等 特點。 本論文研究的目的和內容 首先，電主軸在各個行業(yè)都具有相當大的用途，它決定了一個國家的制造業(yè)的水平，誰在電主軸上領先，誰在整個制造業(yè)就擁有話語權。 其次，在設計的過程中可以全面了解數控機床電主軸的知識，并把在學校所學的知識都有一個很好的回顧?？梢愿尤娴睦斫獯髮W所學的知識，對自己的能力也有一個相應的提升。 設計內容包括： ，軸承，冷卻系統(tǒng)，殼體設計。 2.繪制出數控機床的總結構圖及相應的部分零件圖。 。 西安交通大學城市學院本科生畢業(yè)設計（論文） 6 2 電機驅動形式、控制方式 7 電主軸的結構圖 “高速電主軸”的概念是一套組件，包括：定子、轉子、軸承、高速變頻 裝置、潤滑裝置、冷卻裝置等 組成。電主軸的結構圖如圖 21 所示： 1— 定子； 2— 轉子； 3— 彈簧； 4— 主軸； 5— 軸承端蓋； 6— 定位螺母； 7— 螺栓 M8； 8— 套杯； 9— 油封； 10— 混合陶瓷球軸承； 11— 軸承端蓋； 12— 螺栓 M10 圖 21 電主軸結構示意圖 電主軸結構設計要求 設計要求 。 設計要求如表 21 所示： 表 21 額定轉速 P（ r/min） 額定功率 n（ kw） 20200 4 引言： 電主軸運動控制是電主軸單元控制系統(tǒng)的核心部件，電主軸運動控制技術主要包含轉速開環(huán)的恒壓頻比控制技術、轉速閉環(huán)的恒壓頻比控制技術、矢量控制技術及直接轉矩控制技術。而電主軸的驅動電源稱為驅動器，驅動器的功能是控制電主軸的運行能力 ,使其獲得較寬的調速范圍。 電機的控制形式： 普通變頻驅動和控制 普通變頻器為標量驅動控制，其驅動控制特性為恒轉矩驅動，即輸出功率和西安交通大學城市學院本科生畢業(yè)設計（論文） 8 轉速成正比關系。標量驅動控制轉矩 、 功率 與轉速的關系如圖 22 和 23 所示。這類驅動器在低速時輸出功率不夠穩(wěn)定，不能滿足電主軸低速大扭矩的要求，也不具備主軸的定向停止和 C 軸功能，但價格便宜，一般用在高速端工作的電主軸。 圖 22 標量控制電主軸轉速與轉矩的關系 圖中： 6s —— 電機運轉時間內，負載是連續(xù)的，即在每 2min 的周期內， 60％ 的時間承受負載，另外 40％ 的時間為空載。 1s —— 電動機在 100％ 運轉時間內，負載是連續(xù)不變的。 圖 23 標量控制電主軸功率與轉速的關系 矢量控制驅動器的驅動和控制 矢量控制驅動特性表現為：在低速端為恒轉矩驅動，在中高速端為恒功率驅動，其轉矩和功率與轉速的關系如圖 24 和 25 所示： 9 圖 24 矢量控制電主軸轉矩與轉速的關系 圖 25 矢量控制電主軸功率與轉速的關系 有的矢量控制驅動器在高速端或最高速端的功率和轉矩均略有下降的特性，如圖 26 和 27 所示： 圖 26 矢量控制電主軸轉矩與轉速的關系 西安交通大學城市學院本科生畢業(yè)設計（論文） 10 圖 27 矢量控制電主軸功率與轉速的關系 電主軸控制形式和驅動形式的選擇 電主軸是用在機床上的，負載應該是斷續(xù)的，應該按 6s 來選擇功率和轉速比較經濟，電主軸的轉矩計算公式為： ?? nPT 9550 m? （ 21） 根據轉速 n，轉矩 T，功率 P，可選擇 矢量控制驅動器的驅動和控制。 3 主要零部件的設計 11 3 主要零部件的設計 軸承的選擇 引言 主軸軸承技術是超高速主軸系統(tǒng)的一項關鍵技術，目前，國內外數控機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。 主軸最小截面的估算： 根據轉速和功率，選擇主軸的材料為： 45 鋼 調質處理。 45 鋼的參數為： A=106～ 98,[τ]=30～ 40MPa；所以取 :A=100。最小截面直徑：??? npAd 3m in 。因此： d=10mm。 軸承選擇： 圖 31 混合陶瓷球軸承的參考圖 軸承參數的確定 ： 根據最小截面直徑 d=10mm,且根據轉速 n=20200r/min。同時，數控機床電主軸一般選用混合陶瓷球軸承，我國自行設計的陶瓷球軸承與國外存在一定的差距，因此選用 GMN 公司生產的 SC61902C TA 陶瓷球軸承。 SC61902C TA 的參數如表 31 所示： 西安交通大學城市學院本科生畢業(yè)設計（論文） 12 表 31 SC61902C TA 參數 型號 SC61902C TA 精度 P4 組配方式 正排列 內徑 d (mm) 15 外徑 D (mm) 28 寬度 B（ mm） 7 滾動體直徑 ?D (mm) 滾動體數目 Z 13 接觸角 α(度 ) 15186。 軸承重量 m (kg) 最高轉速 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 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。 軸承的排列方式： 電主軸常用的軸承的配置型式如圖 32 所示： 圖 32 電主軸的軸承配置型式 如圖 32 所示，高速電主軸軸承的主要配置形勢有四種。為了提高軸承的支撐剛度，同時為了滿足外伸端的軸端振動量要求，因 此選用 c）所示的配置形式。 3 主要零部件的設計 13 軸承預載荷的確定： 角接觸球軸承一般必須在軸向有預加載荷條件下才能正常工作。預加載荷不僅可消除軸承的軸向游隙，還可以提高軸承剛度、主軸的旋轉精度，抑制振動和鋼球自轉時的打滑現象等。一般說來，預加載荷越大，提高剛度和旋轉精度的效果就越好；但是另一方面，預加載荷越大，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。因此每個軸承的生產廠家，針對不同轉速和負載的電主軸選用不同的預緊力。 根據資料可知 ,SC61902C TA 的預緊力為： NF ?????預 (31) 在已知軸向預緊力 預F 的前提下，可知角接觸球軸承徑向剛度 rK 可近似地按：rK =? )/()(s inc os)( 310312312 mmNFDza??? (32) 可知 aoF = 預F ，因此： SC61902C TA 的徑向剛度： rK =? )(15s in 15c os)6 ( 31312312 ????（ N/mm） (33) 電主軸主軸的設計 引言 轉軸是高速電主軸的主要回轉體，其設計直接影響電主軸的工作壽命，精度及各項參數。 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 ，主軸材料的許用應力 ??? 為600MPa。 主軸最佳跨 0L 的計算：滿足主軸前端最小靜撓度條件時的 L 是最佳跨距0L ，當 0 ?? LL 時；主軸組件的剛度損失不超過 5%～ 7%，在工程學上認為是合理的剛度損失。因此在此范圍內的跨距被稱為合理跨距，在結構設計時，應首先滿足合理跨距。 如圖 33 所示，主軸前端在一定的外載荷 P 的作用下，主軸本身及其支軸承發(fā)生變形。其造成的結果就是，主軸外伸端的截面在徑向方向發(fā)生位移，且其 總位移由兩部分組成： 西安交通大學城市學院本科生畢業(yè)設計（論文） 14 Y= SZ YY? (34) zY —— 假設軸承為剛性支承，主軸為彈性體時，主軸在前端受到外載 荷 P 作用后的位移。 sY —— 假設主軸是剛體，支承為彈性體時，主軸在前端受到外載荷 P 作用后的位移。 圖 33 主軸受力示意圖 根據材料力學外伸梁的撓度公式可知： ZY = )1(3 3 ?alEIPa （ 35） 3 主要零部件的設計 15 設：外伸端處的軸承為 B；右邊的軸承為 A；軸承 B 到交點處距離為 X， AY 為 A端軸承受力時徑向發(fā)生的位移。 根據公式： ? )(AM =0 lPaFA? （ 36） ?? )(BM 0 l alPFB )( ?? （ 37） 根據幾何公式： Xl XFFBA ?? X= alal2? （ 38） X aXlYYAS ??? KlPaal alalYS ???? )22(