【正文】 尺寸也得以縮減，將機床主軸與主軸電機融為一體的新技術(shù)。它綜合應(yīng)用了電子計算機，自動控制，伺服驅(qū)動，精密測量和新型機械結(jié)構(gòu)等多方面的技術(shù)成果，它同時還是高速電機和精密主軸的有機結(jié)合體，是今后數(shù)控機床的發(fā)展方向。它包括：主軸動力系統(tǒng)、主軸、伺服系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、軸承和機架等幾個部分。它不僅能使主軸直接產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,具有低損耗,長壽命的特點,而且還具有高精度,高轉(zhuǎn)速,低振動,低噪音等優(yōu)良的機械特性而且數(shù)控機床電主軸的經(jīng)濟效益也是不容忽視的，它可使加工時間大幅縮短，加工節(jié)拍只有原來的四分之一，可以實現(xiàn)投資資金的快速收回，且降低了管理成本，提高了資金的利用率。從而是我國成為工業(yè)強國的夢想成為一句空話，也就實現(xiàn)不了我們的“中國夢”。所以我們對它的研究具有很多的實際意義，并且有許多技術(shù)有待解決。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國內(nèi)研究現(xiàn)狀國產(chǎn)電主軸技術(shù)現(xiàn)狀:電主軸在我國起步也很早，20世紀50年代末、60年代初就已經(jīng)將電主軸應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，但多用于專用內(nèi)圓磨床，如軸承行業(yè)、油泵和油嘴行業(yè)中的專用內(nèi)孔磨床等。多年來，依次完成DZ、GDZ、系列數(shù)控磨床用電主軸XD系列數(shù)控銑床用電主軸、CD系列數(shù)控車床用電主軸、ZD系列PCB行業(yè)鉆、銑削用電主軸、LD系列高檔管材旋輾用電主軸和ED系列高速離心機用電主軸等的研究與開發(fā)。由于對數(shù)控機床的急切的需求，同濟大學、北京機床研究所和上海機床廠在高速電主軸方面也取得了很大的成就。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12000r/min，最大功率只有 11kw。 “十五”期間，我國研制出擁有在自主知識產(chǎn)權(quán)的加工中心和數(shù)控銑床用內(nèi)裝式電主軸單元，轉(zhuǎn)速80～24000r/min,～29KW，轉(zhuǎn)矩4～86Nm,其噪或達到同期國際水平。高轉(zhuǎn)速高精度數(shù)控機床和加工中心所用的電主軸，主要還是從國外進口。31 國外研究現(xiàn)狀國外電主軸最早用于內(nèi)圓磨床，上世紀80年代，隨著數(shù)控機床和高速切削技術(shù)的發(fā)展和需要，逐漸將電主軸技術(shù)應(yīng)用于加工中心、數(shù)控銑床等高檔數(shù)控機床。目前電主軸已經(jīng)成為現(xiàn)代數(shù)控機床最主要功能部件之一，世界上形成許多著名的機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。具有功率大、轉(zhuǎn)速高，采用高速、高剛度軸承，精密加工與精密裝配工藝水平高和配套控制系統(tǒng)水平高等特點。瑞士IBAG公司在電主軸行業(yè)技術(shù)領(lǐng)先現(xiàn)在被公認為代表了行業(yè)的發(fā)展趨勢。SOkW,～300N日本三井精機公司生產(chǎn)的HT3A臥式加工中心采用陶瓷軸承支承的電主軸,主軸轉(zhuǎn)速達40000r/min，瑞士的IBAG公司在其電主軸部件上配備主軸軸向尺寸監(jiān)測傳感器，可與機床數(shù)控系統(tǒng)聯(lián)結(jié)進行軸向尺寸補償；永磁同步電動機的主軸已問世，其轉(zhuǎn)子為永久磁鐵，不發(fā)熱，解決了電主軸結(jié)構(gòu)的最大負效應(yīng)——內(nèi)裝式電動機散熱不良的問題。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。(4)配套控制系統(tǒng)水平高。 國內(nèi)外數(shù)控機床電主軸的未來的發(fā)展趨勢 經(jīng)過多年的技術(shù)提升，數(shù)控機床電主軸正朝著高轉(zhuǎn)速，高精度，高效率及高可靠性方面發(fā)展，從目前的現(xiàn)狀來看數(shù)控機床的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在如下的幾個方面：主軸電機的未來發(fā)展趨勢是永磁同步電機、開關(guān)磁阻電機和同步磁陰電機。永磁同步電機是一種新興的主軸電機，其優(yōu)點明顯:轉(zhuǎn)子溫升低，在低限速度下，可以作恒轉(zhuǎn)矩運行。對比現(xiàn)有的交流異步電動機，它有以下優(yōu)點:：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)速嚴格與電源頻率同步也可采用矢量控制。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。但是實際效果并不十分理想，并且主軸電機功率要求較高，而且永磁同步電機某些部件使用稀土材料制造因而成本較高。開關(guān)磁陰調(diào)速式主軸在寬廣的調(diào)速范圍內(nèi)，整體效率比其它系統(tǒng)高出10%以上，在低轉(zhuǎn)速下高效率更加明顯。因轉(zhuǎn)子無繞組，熱耗大部分在定子，易于冷卻，開關(guān)磁陰調(diào)速電機及控制器系統(tǒng)的溫升低于其它系統(tǒng)的溫升。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。這種軸承的體積很小,卻有很大的承載能力。高溫超導陶瓷材料由于其固有的屬性及具體加工技術(shù)的原因,實際應(yīng)用十分有限,還需有很大的突破。最近幾年,結(jié)合磁懸浮軸承和無傳感器檢測兩大研究領(lǐng)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(shè)計專門的位置傳感器,而是通過測量電氣回路內(nèi)部信號來間接地獲取轉(zhuǎn)子的位置信息。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?？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。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。新型動靜壓軸承具有小腔結(jié)構(gòu)提高了軸承剛性；外加小孔節(jié)流提高了支承的靜壓承載能力；不設(shè)置軸向回油槽，軸承流量小，且封油面上有顯著的動壓效應(yīng)；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(zhuǎn)精度也隨之提高。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(chǔ)上，在軸頸和軸瓦之間嵌入一層或多層錐型動靜壓浮環(huán)。兩層油膜均為錐形油膜，均通過軸瓦外表面供油。(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。（5）上瓦帶擋板橢圓軸承?？蓛A瓦軸承穩(wěn)定性好，但其結(jié)構(gòu)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(nèi)安裝一徑向擋板。（6）HSDB l 動靜壓推力軸承。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。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。其次，在設(shè)計的過程中可以全面了解數(shù)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。設(shè)計內(nèi)容包括：，軸承，冷卻系統(tǒng)，殼體設(shè)計。電主軸的結(jié)構(gòu)圖如圖21所示：1—定子；2—轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)示意圖 電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計要求 設(shè)計要求。而電主軸的驅(qū)動電源稱為驅(qū)動器，驅(qū)動器的功能是控制電主軸的運行能力,使其獲得較寬的調(diào)速范圍。標量驅(qū)動控制轉(zhuǎn)矩、功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖22和23所示。 圖22標量控制電主軸轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系 圖中：——電機運轉(zhuǎn)時間內(nèi)，負載是連續(xù)的，即在每2min的周期內(nèi)， 60％的時間承受負載，另外40％的時間為空載。圖23標量控制電主軸功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系 矢量控制驅(qū)動器的驅(qū)動和控制 矢量控制驅(qū)動特性表現(xiàn)為：在低速端為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動，在中高速端為恒功率驅(qū)動，其轉(zhuǎn)矩和功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖24和25所示：圖24矢量控制電主軸轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖25矢量控制電主軸功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系 有的矢量控制驅(qū)動器在高速端或最高速端的功率和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系 圖27矢量控制電主軸功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系 電主軸控制形式和驅(qū)動形式的選擇電主軸是用在機床上的，負載應(yīng)該是斷續(xù)的，應(yīng)該按來選擇功率和轉(zhuǎn)速比較經(jīng)濟，電主軸的轉(zhuǎn)矩計算公式為： （21）根據(jù)轉(zhuǎn)速n，轉(zhuǎn)矩T，功率P，可選擇矢量控制驅(qū)動器的驅(qū)動和控制。 主軸最小截面的估算： 根據(jù)轉(zhuǎn)速和功率，選擇主軸的材料為：45鋼 調(diào)質(zhì)處理。最小截面直徑：。 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=20000r/min。SC61902C TA的參數(shù)如表31所示：表31 SC61902C TA參數(shù)型號SC61902C TA精度P4組配方式正排列內(nèi)徑 d (mm)15外徑 D (mm)28寬度 B（mm）7滾動體直徑(mm)滾動體數(shù)目 Z13接觸角α(度)15186。 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。 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。一般說來，預加載荷越大，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。根據(jù)資料可知,SC61902C TA的預緊力為： (31)在已知軸向預緊力的前提下，可知角接觸球軸承徑向剛度可近似地按：= (32)可知=，因此：SC61902C TA的徑向剛度：=（N/mm） (33) 電主軸主軸的設(shè)計 引言 轉(zhuǎn)軸是高速電主軸的主要回轉(zhuǎn)體，其設(shè)計直接影響電主軸的工作壽命，精度及各項參數(shù)。 主軸最佳跨的計算：滿足主軸前端最小靜撓度條件時的L是最佳跨距，當時；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。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?！僭O(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。根據(jù)公式：=0 （36） 0 （37）根據(jù)幾何公式： X= （38） （39）所以： =+ （310）根據(jù)：最小撓度的要求，對對上式進行求導： （311）根據(jù)主軸的材料可知：將E=210GPa，I=，K=,P=100N代入上式可得： （312）