【文章內(nèi)容簡介】 主軸的研究主要對電主軸某一方面的性能進(jìn)行過研究，對電主軸整體可靠性試驗(yàn)研究還比較缺乏。于印民[5]通過搭建測試平臺，深入研究了高速電主軸誤差測量原理，并完成了測試平臺的搭建。采用USB數(shù)據(jù)采集卡和PC機(jī)，開發(fā)了高速電主軸徑向振動(dòng)及軸向熱伸長數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。然后，采用紅外溫度傳感器、電渦流位移傳感器，對高速電主軸軸端溫度、軸向熱伸長、徑向振動(dòng)和進(jìn)行了非接觸實(shí)式測量。并對高速電主軸空載運(yùn)行時(shí)測試曲線的分析，得出了測試電主軸的振動(dòng)性能和穩(wěn)定時(shí)間。最后，提出了一些高速電主軸的誤差補(bǔ)償措施，并通過“”來控制變頻器以達(dá)到調(diào)節(jié)電主軸運(yùn)行狀態(tài)的目的，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制，對高速電主軸徑向振動(dòng)實(shí)時(shí)測量及軸向伸長與補(bǔ)償進(jìn)行研究，為電主軸研究提供了一個(gè)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的測試電主軸性能的測試系統(tǒng)。陳鋒[6] 基于模態(tài)分析理論，對最高轉(zhuǎn)速為60000 r/min的磨削型高速電主軸進(jìn)行了模態(tài)實(shí)驗(yàn)。介紹了實(shí)驗(yàn)方法，并分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提取了該電主軸的模態(tài)參數(shù)（固有阻尼、振型和頻率）,驗(yàn)證其是否符合高精度加工生產(chǎn)的要求以及所采用實(shí)驗(yàn)方法的正確性，同時(shí)闡明了電主軸產(chǎn)生振動(dòng)的主要原因。并運(yùn)用隨機(jī)子空間法對電主軸進(jìn)行模態(tài)參數(shù)的識別，排除了電主軸工作在共振區(qū)的可能性。胡愛玲[7]利用ansys軟件對電主軸的結(jié)構(gòu)和動(dòng)靜態(tài)特性進(jìn)行了深入的研究，再對其優(yōu)化，對電主軸的工作性能提高有十分重要的意義?？递x民[8]、王永賓[9]分別研制了電主軸的綜合性能測試與評價(jià)試驗(yàn)臺，前者開展對電主軸的性能測試與分析，開發(fā)了相應(yīng)的測試與評價(jià)軟件系統(tǒng)，建立了電主軸的測試與評價(jià)的規(guī)范；后者在控制方法與數(shù)學(xué)模型之間的相互關(guān)系、動(dòng)態(tài)測試方法、穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的建立、交叉耦合電壓的解耦效果以及它們對主軸動(dòng)態(tài)性能的影響。并且在主軸整體動(dòng)力學(xué)熱模型的建立和溫升的影響因素確定等方面取得了一定的理論和試驗(yàn)測試成果，為高速電主軸的的后續(xù)研究作出了一定的貢獻(xiàn)。因可靠性現(xiàn)場試驗(yàn)存在投入大，周期長的不足，國內(nèi)對電主軸可靠性研究還比較少，正因?yàn)槿绱?，更?yīng)發(fā)展可靠性試驗(yàn)臺的研究。對樣品系列進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，為產(chǎn)品可靠性水平提供重要依據(jù)，方便日后的市場投入。國內(nèi)外對電主軸的可靠性有過一些研究，秦少軍[10]在建立可靠性數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對電主軸的可靠性進(jìn)行了預(yù)測，并為提高電主軸系統(tǒng)的可靠性提出了一些建議。李彥，竇懷洛等[11]針對高速電主軸高可靠性的要求，在高速電主軸現(xiàn)有機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法，得出電主軸和滾動(dòng)軸承的動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)而再研究軸向跨距、預(yù)緊力、轉(zhuǎn)軸各臺階外徑以及軸承對高速電主軸臨界轉(zhuǎn)速的影響因素，最終得到較合理的電主軸結(jié)構(gòu)；同時(shí)，對高速電主軸的密封、冷卻、潤滑、材料等方面也進(jìn)行了研究，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而滿足了高速電主軸的高可靠性要求。在國內(nèi)外可靠性試驗(yàn)臺并不多見，而建立專門的電主軸可靠性試驗(yàn)臺實(shí)屬首例。相較于其他試驗(yàn)手段，試驗(yàn)臺更適于對機(jī)床功能部件可靠性進(jìn)行系統(tǒng)的研究。4吉林大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第2章 電主軸第1節(jié) 電主軸結(jié)構(gòu)由機(jī)床內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床主軸，基本上取消了帶輪傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)，把機(jī)床主傳動(dòng)鏈的長度縮短為零，實(shí)現(xiàn)了“零傳動(dòng)”方式。這種把主軸電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸“合二為一”的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，使主軸部件從機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中相對獨(dú)立出來，稱之為“主軸單元”，俗稱為“電主軸”。電主軸是一種智能型功能部件，由于轉(zhuǎn)速高、功率大，就需要有一系列控制主軸溫升與振動(dòng)等機(jī)床運(yùn)行參數(shù)的功能，以確保其高速運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性與安全。圖21 電主軸基本結(jié)構(gòu)電主軸的基本結(jié)構(gòu)如圖21所示，它由定子、轉(zhuǎn)子、軸承、潤滑裝置和冷卻裝置等構(gòu)成。電主軸是高速軸承技術(shù)、冷卻技術(shù)、潤滑技術(shù)、動(dòng)平衡技術(shù)、精密制造與裝配技術(shù)以及電機(jī)高速驅(qū)動(dòng)等技術(shù)的綜合運(yùn)用。其主要特點(diǎn)如下：(1)機(jī)械結(jié)構(gòu)相對簡單，運(yùn)動(dòng)慣量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性好，能實(shí)現(xiàn)很高的速度和加速度以及定角度的快速準(zhǔn)停。(2)電主軸系統(tǒng)沒有高精密齒輪等關(guān)鍵傳動(dòng)零件，消除了齒輪傳動(dòng)誤差。(3)減少了主軸的振動(dòng)和噪聲，提高了主軸的回轉(zhuǎn)精度。(4)用交流變頻調(diào)速和矢量控制，輸出功率大，調(diào)速范圍寬，功率扭矩特性好。電動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，軸承在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下也會(huì)產(chǎn)生大量的熱，這兩個(gè)熱源構(gòu)成了主軸主要的內(nèi)部熱源，如果不加以控制，由此引起的熱變形會(huì)降低機(jī)床的加工精度和軸承的使用壽命，從而需要設(shè)計(jì)專門用于冷卻電動(dòng)機(jī)的油冷或水冷系統(tǒng)。主軸的變速是通過變頻器來實(shí)現(xiàn)的。高速軸承要有專門的潤滑裝置，潤滑方式有油脂潤滑、油氣潤滑、油霧潤滑，高速電主軸一般采用后兩種潤滑方式。為了保證高速回轉(zhuǎn)部件的安全，還要有報(bào)警裝置及停止用的傳感器及其相應(yīng)控制系統(tǒng)等一系列支持電主軸運(yùn)轉(zhuǎn)的外圍設(shè)備和技術(shù)。因此，“電主軸”的概念不應(yīng)簡單地理解為只是一根主軸，而是一個(gè)在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)控下完整的的子系統(tǒng)，如圖22所示。圖22 電主軸系統(tǒng)第2節(jié) 電主軸的關(guān)鍵技術(shù)電主軸單元是一套組件，它是一項(xiàng)涉及電主軸本身及其附件的系統(tǒng)工程技術(shù)。電主軸單元所融合的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾方面:（1）高速電機(jī)技術(shù)。電主軸是電動(dòng)機(jī)與主軸融合的產(chǎn)物，主軸的旋轉(zhuǎn)部分即為電機(jī)的轉(zhuǎn)子，理論上就可以把電主軸看作一臺高速電動(dòng)機(jī)，其關(guān)鍵技術(shù)是高速度下的動(dòng)平衡、主軸內(nèi)勵(lì)磁的穩(wěn)定性以及驅(qū)動(dòng)技術(shù)。（2）軸承技術(shù)。由于普通鋼制軸承質(zhì)量大，限制了它的極限轉(zhuǎn)速，電主軸通常采用陶瓷球軸承，陶瓷球軸承分為全陶瓷軸承和混合陶瓷軸承兩種，陶瓷材料具有優(yōu)良的物理、化學(xué)和機(jī)械性能。有時(shí)也采用靜壓軸承，或電磁懸浮軸承，內(nèi)外圈不接觸，理論上命無限長。（3）潤滑技術(shù)。電主軸的潤滑主要是軸承的潤滑，主要有油霧潤滑、油氣潤滑及油脂潤滑，一般采用的是油氣潤滑和油霧潤滑，也可以采用脂潤滑，但其相應(yīng)的最高速度有了限制。油氣潤滑，通常是潤滑油在壓縮空氣的攜帶下，被吹入陶瓷軸承。這里，油量控制顯得十分重要，油量過少，起不到潤滑作用；油量過多，又會(huì)在軸承高速旋轉(zhuǎn)時(shí)因油的阻力而發(fā)熱。（4）內(nèi)置脈沖編碼器技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀以及剛性攻螺紋，電主軸內(nèi)需安裝一個(gè)脈沖編碼器，以實(shí)現(xiàn)相位的準(zhǔn)確控制以及與進(jìn)給的配合。（5）矢量變頻技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)電主軸每分鐘幾萬甚至十幾萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，必須用高頻變頻裝置來驅(qū)動(dòng)電主軸的內(nèi)置高速電動(dòng)機(jī)，變頻器的輸出頻率甚至需要達(dá)到幾千赫茲。（6）高速刀具的裝卡技術(shù)。廣為熟悉的BT、ISO刀具不適合于高速加工。在高速加工此背景下出現(xiàn)了的HSK、SKI等高速刀柄被廣泛運(yùn)用到了高速電主軸中。（7）自動(dòng)換刀技術(shù)。為了適用于加工中心，電主軸配備了能進(jìn)行自動(dòng)換刀的裝置，包括拉刀油缸、碟形彈簧等。（8）冷卻技術(shù)。內(nèi)置電機(jī)和主軸軸承是電主軸的兩個(gè)主要熱源，電主軸的冷卻系統(tǒng)主要依靠冷卻液的循環(huán)流動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。外水套和內(nèi)水套為電主軸冷卻系統(tǒng)的兩種冷卻方式。第3節(jié) 電主軸基本信息本試驗(yàn)選用的是洛陽軸研科技股份有限公司研發(fā)的170XDS30Q22型數(shù)控銑用電主軸，其基本信息如下：ne=23000r/min nm=30000r/min fe= fm=500HZ Ue=380V Um=380V Pe=22KW Pm=22KW Ie=39A Im= Me= Mm=7Nm : 靜態(tài)：電主軸錐孔↗≤電主軸+檢具遠(yuǎn)端↗≤電主軸軸向竄動(dòng)↗≤動(dòng)態(tài)：電主軸以態(tài)30000r/min運(yùn)行時(shí)其振動(dòng)V≤2mm/S電主軸以30000r/min運(yùn)行時(shí)其噪聲≤80db（A）電主軸運(yùn)行4小時(shí)后外殼溫升≤25℃ (1)外型安裝尺寸：216。170h6350 +216。12072+60(2)法蘭216。22025中心節(jié)園216。194177。(3)前軸承組：2VEX45/NS 7CE1 DDL 后軸承組：2VEX45/NS 7CE1 DDL(4)安裝HSKE40刀柄（用戶自備） 帶HSKE40拉爪 OTT松拉刀系統(tǒng)配帶雙向油缸 拉刀力560Kg 松刀力850 Kg 進(jìn)入油缸油壓3MPa(5)配omron拉刀 松拉刀接近開關(guān)(6)配MCW2501精密水冷機(jī)(7)配意大利西技聯(lián)4路油氣裝置(8)主軸前后軸承油氣潤滑油品為32汽輪機(jī)油 MPa 用油量：1滴/min(9)配用MCW25C01精密水冷機(jī)，冷卻主軸電機(jī)和前后軸承，進(jìn)入主軸冷卻腔體介質(zhì)溫度≤15℃冷卻水配方：2%無水碳酸鈉，1%亞硝酸鈉，97%水第4節(jié) 電主軸受力計(jì)算 此處省略NNNNNNNNNNNN字?？劭郏壕牌咭痪哦惆肆懔?另提供全套機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)下載！該論文已經(jīng)通過答辯電主軸在實(shí)際工況中所受力即切削力?！稒C(jī)械加工工藝手冊》里對切削力的定義如下：在切削加工時(shí)，刀具切入工件，使被加工材料產(chǎn)生彈性和塑性變形而形成切削所需要的力稱為切削力。切削力來自于切削過程中：①克服切削變性去材料塑性變形所需的抗力；②克服切削對前刀面的摩擦力和刀具后刀面對已加工表面和過渡表面的摩擦力所需的抗力。③克服切削變形區(qū)材料的彈性變形所需的抗力。由于切削力的大小和方向受到切削過程許多因素的影響，它們都是不固定的。為了便于分析測量，將切削力分解為三個(gè)相互垂直于坐標(biāo)軸方向的分力或力矩來表示，如圖1所示。查《機(jī)械加工工藝手冊》得銑削力和銑削功率的計(jì)算公式如下：扭矩(Nm): ………………………………………….①背吃刀力和進(jìn)給切削力按立銑、硬質(zhì)合金刀加工碳素結(jié)構(gòu)鋼、逆銑估算：背吃刀力: …………………………....②進(jìn)給切削力：……………………………③將電主軸的額定轉(zhuǎn)矩帶入①式，按HSKE40刀柄標(biāo)準(zhǔn)，取則：取:取為了模擬真實(shí)工況，需要添加的軸向力即，加載的徑向力為和的合力,即：。,，考慮切削過程中的動(dòng)態(tài)因素和其他的不穩(wěn)定因素，最大軸向力按400N，最大徑向力按1000N來設(shè)計(jì)。圖1 刀具受力分解圖33吉林大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第3章 加載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)測功機(jī)是動(dòng)力試驗(yàn)的重要設(shè)備，它在試驗(yàn)中能吸收被測設(shè)備的功率和轉(zhuǎn)矩，而且可以通過變頻器對測功機(jī)的控制來改變被測設(shè)備的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率，因此扭矩加載選用測功機(jī)。軸向力和徑向力加載有利用伺服電機(jī)作為動(dòng)力源，然后通過錐齒輪減速傳遞到安裝在電主軸測試棒上面的徑向滾動(dòng)軸承和平面滾動(dòng)軸承的機(jī)械接觸式加載；還有用兩組勵(lì)磁繞組在軸側(cè)面和軸端面實(shí)現(xiàn)非接觸式加載[8]。接觸式加載在速度不高時(shí)有較強(qiáng)的使用性，但是在高速主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，軸承受動(dòng)態(tài)力，將產(chǎn)生大量的熱和磨損，為了延長軸承的使用壽命就要添加冷卻系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)。而在高速情況下，冷卻系統(tǒng)一般用水冷，潤滑系統(tǒng)一般采用油氣或油霧潤滑，這兩個(gè)系統(tǒng)將很復(fù)雜而且需要較大的空間來安裝，而電主軸的測試棒不能太長，空間有限，加載較難實(shí)現(xiàn)，這就導(dǎo)致加載系統(tǒng)的可靠性不及電主軸的可靠性，導(dǎo)致可靠性試驗(yàn)失敗。而非接觸式磁力加載中，軸向力加載，將勵(lì)磁繞組放在主軸軸線上，由于主軸受的軸向力受力點(diǎn)是切削刀具圓周上，不是在軸線上，所以將勵(lì)磁繞組放在側(cè)面更能反映切削工況。其總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖31。.1電力測功機(jī) 2 彈性聯(lián)軸器 3 電磁鐵 4 導(dǎo)磁體 5 非接觸式電磁激振器 6 陶瓷測試棒 7電主軸圖31 可靠性試驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)示意圖非接觸式激振器5內(nèi)部結(jié)構(gòu)為兩組勵(lì)磁繞組，一個(gè)直流繞組和一個(gè)交流繞組。為了避免電磁鐵激振器5和電主軸7的勵(lì)磁互相干擾，中間的測試棒6采用陶瓷材料加工。導(dǎo)磁體4采用目前磁性最高的永磁材料——釹鐵硼（NdFeB），其磁能積在27~50MGoe之間。高速對聯(lián)軸器2的要求較高，采用的是彈性膜片聯(lián)軸器。第1節(jié) 扭矩加載設(shè)計(jì)測功機(jī)作為旋轉(zhuǎn)類動(dòng)力源輸出性能的常用測試設(shè)備，在電機(jī)等動(dòng)力源的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、輸出功率的測試和檢驗(yàn)中起著無可替代的作用，它能對被測動(dòng)力源施加可變負(fù)載轉(zhuǎn)矩并吸收其功率。測試時(shí)，通過高速聯(lián)軸器將測功機(jī)的軸與被加載的加載器的軸與被測電機(jī)的輸出軸通過聯(lián)軸器連接，且在加載器的軸上安裝光柵盤，以達(dá)到被測電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速測量的目的；通過控制加載電壓或電流的方式控制加載器向被測動(dòng)力源加載，加載力度的大小可以通過控制儀器調(diào)節(jié)，加載到什么程度，可由測功機(jī)智能顯示儀直接將力矩?cái)?shù)字顯示。再結(jié)合其他檢測輔助設(shè)備，可以測試各種類型電機(jī)的輸入電壓、電流、輸出轉(zhuǎn)矩和功率、轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)及效率等特性曲線，、磁粉測功機(jī)、電力測功機(jī)等，電力測功機(jī)包括直流測功機(jī)，交流測功機(jī)，渦流測功機(jī)。測功機(jī)的轉(zhuǎn)速一般在10000r/min左右，超過兩萬轉(zhuǎn)就頗為困難，在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)有強(qiáng)烈的振動(dòng)和刺耳的噪聲，軸承會(huì)急劇發(fā)熱，其可靠性很低[12]。此次選用的電主軸轉(zhuǎn)速能達(dá)到22000r/min,實(shí)驗(yàn)要求最高達(dá)18000r/min,功率輸出為22Kw。 測功機(jī)的選型水力測功機(jī)是利用物體在水中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦阻力吸收發(fā)動(dòng)機(jī)的功率的一種測功裝置。在汽車行業(yè)已逐漸被電渦流測功機(jī)所代替，但因其單位轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的扭矩吸收能力強(qiáng)，在大功率測功及耐久性試驗(yàn)等方面仍多采用。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉、高速吸收、功率大、容易操作、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。其缺點(diǎn)是控制不便、測量精度差、難于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操縱及自動(dòng)調(diào)節(jié)。它由測力機(jī)構(gòu)、供水系統(tǒng)和制動(dòng)器三部分組成?？煞譃槿~片式、水阻柱式、圓盤式三種。目前國內(nèi)水力測功機(jī)功率能到達(dá)20Kw的，最高轉(zhuǎn)速都在10000rpm以下。磁粉測功機(jī)內(nèi)部線圈通過電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場，該磁場將內(nèi)部磁粉按磁力線方向排成磁鏈，磁鏈產(chǎn)生的拉力將阻礙主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，這就是負(fù)載力矩。通過改變勵(lì)磁電流的大小即可改變負(fù)載力矩的大小。磁粉測功機(jī)由實(shí)心轉(zhuǎn)子、定子、磁粉介質(zhì)、勵(lì)磁線圈、支架、底板等組成。其特點(diǎn)有：①操作方便,力矩的大小只需通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流大小就可實(shí)現(xiàn)。②靜態(tài)轉(zhuǎn)矩力矩平滑，沒有齒槽波動(dòng)轉(zhuǎn)矩和剩磁轉(zhuǎn)矩。③測功機(jī)力矩的產(chǎn)生是由磁粉鏈的拉力形成，力矩變化不具有沖擊性。④轉(zhuǎn)子為空心鼓形轉(zhuǎn)子，慣性小，可承受的離心力較大大。⑤沒有摩擦結(jié)構(gòu)，使用壽命較長。磁粉測功機(jī)的功率達(dá)不到20Kw,使用水冷設(shè)備時(shí)功率可達(dá)15Kw，但最大轉(zhuǎn)速基本在1200rpm左右，因此磁粉測功機(jī)達(dá)不到要求。直流測功機(jī)一般由直流發(fā)電機(jī)和控制器組成，利用直流發(fā)電