【文章內容簡介】 份有限公司、濟南第二機床集團有限公司等采用瑞士 IBAG公司生產的電主軸。國產電主軸在國內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 國產高速、高精度數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 。 國內外高速電主軸技術的差距 重慶大學本科學生畢業(yè)設計 （論文） 1 緒 論 4 與 國外 同類 產品相比 ， 國產電主軸無論 在 品種和質量 方面，還是在 性能 方面都有較大 的 差距 ，主要表現在以下幾個方面： （ 1）電主軸的低速大轉矩方面。 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 。 （ 2）高速方面。 國外用于加工中心 等數控機床 的電主軸轉速已達 75 000 r/min，國內電主軸 多在 15 000 r/min以下；其它類型的電主軸，國外最高轉速為 300 000 r/ min， 我國 最高轉速 則 為 150 000 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 則多采用鋼質 軸承 ，近年來也采用陶瓷球混合軸承，但數量不多，研究不夠，不能滿足電主軸轉速日益提高的要求。 （ 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。 本文的主要內容和研究條件 本文的主要內容 1. 電主軸回轉精度 測試 對電主軸回轉精度中的 徑向跳動 、端面 跳動 等概念進行 了 簡要敘述。提出 各種參數的測試方法，并將測試 數據進 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據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： ○ 1 硬件環(huán)境 萬轉（ 2GDZ15）和 6 萬轉（ 2GDZ60）的 高速電 主軸轉矩轉速實驗裝置 （包 重慶大學本科學生畢業(yè)設計 （論文） 1 緒 論 5 括電主軸、變頻器、工控機、電源系統、潤滑系統、冷卻系統等）、 位移 傳感器 、DH3818 靜態(tài)應變測試儀、 LMS 測試系統 、 AR824/SL4001A 聲級計、檢驗棒、千分表。 ○ 2 軟件環(huán)境 操作系統： 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 電主軸回轉精度的測試 1 2 電主軸回轉精度的測試 電主軸回轉精度概述 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，這就是主軸回轉精度。軸線相對其偏離的誤差運動范圍，就是主軸回轉精度值。在理想情況下，主軸回轉軸線的空間位置，相對于某一參考系統 (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，主軸回轉軸線的空間位置總是在變動的，即總是存在著回轉誤差。所以，對主軸回轉精度的測試與研究歷來被人們所重視。 電主軸的 回轉 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地施加預加載荷的結果。為此，高速電主軸的生產對設計水平、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)都能夠生產精度合格、運轉安全 、 壽命長的電主軸。 電主軸回轉精度 指標是電主軸的重要質量指標 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，本文只 重點 討論徑向跳動和端面跳 動 。 電主軸回轉精度測試 方法 接觸式測量法 目前在國內一些普通機床生產企業(yè)和生產現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 , 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 項主軸回轉精度 值 (見圖 )。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軸線的徑向運動 , 又有錐孔相對于回轉軸線的偏心 (即每轉偏擺一次的偏心量 ) , 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下進行的 , 它反映不出主軸在工作轉速下的回轉精度。它既重慶大學本科學生畢業(yè)設計 （論文） 2 電主軸回轉精度的測試 2 不表示主軸作為一個質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、計算機的等電子產品的非接觸式 主軸回轉精度測量方法 ， 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速下的回轉精度， 所以 本文采用非接觸式 進行測試研究 。 電主軸回轉進度測試前的準備工作 ○ 1 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。 ○ 2 使主軸達到正常運轉的溫度。 ○ 3 對計量器具的要求和檢驗方法應參照 GB/ 的有關規(guī)定。 重慶大學本科學生畢業(yè)設計 （論文） 2 電主軸回轉精度的測試 3 ○ 4 實驗儀器如表 表 實驗儀器目錄 The experimental equipment directory 名稱 規(guī)格 數量 測試內容 三角反射式位移 流傳感器 6600 系列 03mm 靈敏度偏差 % 非線性度 % 1 套 萬轉電主軸徑向 /端面跳動 LMS INSTRUMENTS 1 套 萬轉電主軸徑向 /端面跳動 ○ 5 被測電主軸型號： 2GDZ15（ 萬轉）電主軸一臺。其中電主軸主要性能參數如表 。 表 電主軸 主要性能參數 The electronic spindle major performance parameters 主軸 型號 轉速 （ r/min） 最大輸 出 功率 （ KW） 潤滑 冷卻 套筒 外徑（ mm） 軸承 2GDZ15 15000 25 油霧 水 53 2B7011C/P4（ 7角接觸球軸承，0正常寬度 ， 11內徑 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零件的圓的形狀誤差。如圖 所示。 圖 徑向跳動 The radial runout 重慶大學本科學生畢業(yè)設計 （論文） 2 電主軸回轉精度的測試 4 測試方法 測試過程中采用了激光反射式三角位移 傳感器 （ 實物見圖 ） 對其進行檢測。LMS 測試系統 如圖 所示 圖 激光反射式三角位移傳感器 激光反射式三角位移傳感器 的測試原理如圖 ， 對于二維的主軸回轉誤差運動，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據。 為了保證數據的一致性，兩傳感器應當位于主軸的同一個截面內， 實際安裝位置如圖 所示 。 重慶大學本科學生畢業(yè)設計 （論文） 2 電主軸回轉精度的測試 5 圖 非接觸式 原理圖 The schematic diagram of noncontact method 圖 LMS 測試系統 The LMS test system 重慶大學本科學生畢業(yè)設計 （論文） 2 電主軸回轉精度的測試 6 圖 非接觸式 徑向跳動 實測圖 The noncontact radial runout test picture 測試數據 測 試的頻率采用了 萬轉電主軸測試軟件中提供的各級頻率進行， 傳感器采樣時間間隔 為 200μ s,采樣點數為 6400 個 。 為了減小誤差，在每個頻率下都 測試3 次，在數據處理時取 3 次測試數據的平均值 。 部分測試 數據 圖如 ～ 所示，測試全部數據如表 所示，測試曲線如圖 所示。 重慶大學本科學生畢業(yè)設計 （論文） 2 電主軸回轉精度的測試 7 圖 萬轉電主軸 150Hz 下 的徑向跳動 The Electronic spindle 150Hz radial runout of 15,000 圖 萬轉電主軸 200Hz 下的徑向跳動 The Electronic spindle 200Hz radial runout of 15,000 圖 萬轉電主軸 250Hz 下的徑向跳動 重慶大學本科學生畢業(yè)設計 （論文） 2 電主軸回轉精度的測試 8 The Electronic spindle 250Hz radial runout of 15,000 圖 萬轉電主軸 300Hz 下的徑向跳動 The Electronic spindle 300Hz radial runout of 15,000 圖 萬轉電主軸 350Hz 下的徑向跳動 The Electronic spindle 350Hz radial runout of 15,000 重慶大學本科學生畢業(yè)設計 （論文） 2 電主軸回轉精度的測試 9 圖 萬轉電主軸 400Hz