数控机床电主轴单元技术

目录电主轴概述电主轴工作原理和结构轴承技术润滑、冷却和动平衡技术心得及总结 电主轴概述机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”(ElectricSpindle,Motor Spindle)。电机内置及直接驱动好处：1、带轮或者齿轮传动会在高速下加剧振动，产生噪音，影响加工效果。2、高速加工需要快速准停，直接驱动会较少转动惯量。3、电机内置可提高主轴刚度，提高了系统固有频率。 4、运行平稳，延长寿命。5、结构简单紧凑，便于专业化生产。 坏处：不利于散热，需要专业的冷却装置。定义 Company Logo 2 电主轴的优点转速高功率大结构紧凑 惯性小刚度大振动小噪声低响应快 电主轴概述电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低、响应快等优点， 而且转速高、功率大，简化机床设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中的一种理想结构。 电主轴轴承采用高速轴承技术，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍。 4、我国电主轴技术的现状及与国外的差距(1)在电主轴的低速大转矩方面 国外产品低速段的输出转矩可以达到300Nm以上，有的更是高达600多Nm(如德国的CYTEC)，而国内目前则多在100Nm 以内。(2)在高速方面 国外用于加工中心电主轴的转速已经达到75000rmin(意大利CAMFIOR)，而我国则多在20000rmin以下。(3)在电主轴的润滑方面 国外高速电主轴轴承已经普遍采用先进的油气润滑技术，而我国则仍然以油脂润滑和油雾润滑为主。(4)在电主轴的支承技术方面 国外已经有动、静压液(气)浮轴承电主轴(瑞士IBAG等)、磁浮轴承电主轴(瑞士IBAG)的成熟商品，在我国则仍然处于科学研究或小批量试制之中(5)在其它与电主轴相关配套技术方面 如电主轴内装电机闭环矢量控制技 术、交流伺服技术、停机角向准确定位(准停)技术、C轴传动技术、快速启动与停止技术、HSK刀柄制造与应用技术、主轴智能监控技术等，国内仍然不够成熟，或不能满足实际应用需要 电主轴原理与结构1、电主轴由无外壳电机、主轴、轴承、主轴单元壳体、驱动模块和冷却装置等组成。2、电机的转子采用压配方法与主轴做成一体，主轴则由前后轴承支承。电机的定子通过冷却套安装于主轴单元的壳体中。3、主轴的变速由主轴驱动模块控制，而主轴单元内的温升由冷却装置限制。4、在主轴的后端装有测速、测角位移传感器，前端的内锥孔和端面用于安装刀具。 电主轴原理与结构1. 1. 1轴壳轴壳是高速电主轴的主要部件. 轴壳的尺寸精度和位置精度直接影响主轴的综合精度. 通常将轴承座孔直接设计在轴壳上. 电主轴为加装电机定子,必须开放一端. 大型或特种电主轴,可将轴壳两端均设计成开放型. 1. 1. 2转轴转轴是高速电主轴的主要回转主体. 它的制造精度直接影响电主轴的最终精度. 必须对转轴进行严格动平衡测试. 部分安装在转轴上的零件也应随转轴一起进行动平衡测试.1. 1. 3轴承高速电主轴的核心支承部件是高速精密轴承. 因电主轴的最高转速取决于轴承的大小、布置和润滑方法,所以这种轴承必须具有高速性能好、动负荷承载能力高、润滑性能好、发热量小的优点 1. 1. 4定子与转子高速电主轴的定子由具有高导磁率的优质矽钢片迭压而成. 转子是中频电机的旋转部分,它的功能是将定子的电磁场能量转换成机械能. 转子由转子铁芯、鼠笼、转轴三部分组成. 电主轴原理与结构1. 2工作原理高速电主轴电机的绕组相位互差120,通以三相交流电后,三相绕组各自形成一个正弦交变磁场,这三个对称的交变磁场互相迭加,合成一个强度不变,磁极朝一定方向恒速旋转的磁场,磁场转速就是电主轴的同步转速. 异步电动机的同步转速n由输入电机定子绕组电流的频率f 和电机定子的极对数P决定。公式： n=60f / p转速：通过利用变换输入电动机定子绕组的电流的频率和激磁电压来获得各种转速。转向 ：改变电主轴输入电流的相序,便可改变电主轴的旋转方向. 电主轴原理与结构1、高速精密轴承技术2、电主轴的动态性能和热态分析3、高速电机的驱动技术和矢量变频技术4、精密加工和精密装配技术5、润滑和冷却技术6、装夹和自动换刀技术关键技术 电主轴原理与结构电主轴型号有代号，安装尺寸和转速代码等组成。含有套筒直径、最高转速和输出功率等参数。转速 n=60f / p 电主轴一般为异步电动机输出功率 用P表示。 一般随电源频率和电压而变化输出转矩 用M表示， 最大转矩表示电主轴的过载能力。额定转矩表示负载能力，最大转矩一般是额定转矩的2倍左右。 瞬间最大负载转矩不能找过电主轴的最大转矩，工作转矩稍小于电主轴的额定转矩。转矩和转速、功率的关系 恒转矩调速 一般用于磨削用电主轴或者小型铣削用电主轴，注重考核高速 时候的性能。恒功率调速 一般在起步或者低速阶段采用恒转矩调速。在高速时候采用恒功率调速。Dm n值刚度和精度基本参数n 8.9975 PM 电主轴原理与结构Dm n值反映了电主轴的功率和转速的重要特征参数。一般如果Dmn小于等于1可用油脂润滑。Dmn小于等于1 ，为高速或高速大功率电主轴，要求采用油气润滑或者油雾润滑。刚度和精度和电主轴的前后轴承的配置方式、主要零件的制造精度、选用滚动轴承的尺寸的大小和精度等级、装配的技艺水平和预加载荷有关。106106 轴承技术轴承技术是超高速主轴系统的一项关键技术。采用较多的轴承形式有1磁悬浮轴承、2动静压轴承3和陶瓷球轴承。磁悬浮轴承优点：机械磨损小能耗低、噪音小、寿命长、无需润滑、无油污染。 而且磁悬浮轴承还是可控轴承，刚度和阻尼可调。缺点：价格昂贵、控制系统复杂。发热问题不易解决。 轴承技术动静压轴承优点：综合了动压轴承和静压轴承的优点的新型多油鍥油膜轴承，既避免了静压轴承告诉下发热严重和供油系统庞大复杂的缺点，与克服了动压轴承启动和静止时可能发生的干摩擦的弱点，很很好的高速性能。且调速范围广。缺点：必须进行专门的设计及单独生产，标准化程度低，维护也苦难，目前应用较少。关键技术：1、动静压轴承层流、紊流流体惯性的计算算法的研究。2、动静压轴承油腔结构的研究。 3、轴承闻声及变形控制技术的研究4、润滑截止的研究。 轴承技术陶瓷球轴承1、陶瓷的密度比轴承钢的密度低。同等条件下，离心力降低可以延长高速轴承的寿命2、陶瓷材料在高温条件下。强度和硬度保持不变。因而在高温条件下可取代金属轴承材料。3、陶瓷轴承的热膨胀系数低。4、陶瓷材料的热润滑性好，有利于降低滚动体和套圈滚到的摩擦力。 制造困难，造价较高。 优点缺点 轴承技术轴承动力学分析滚动体所受的离心力和陀螺力矩 滚动体的离心力滚动轴承的破坏形式主要有：疲劳破坏、磨损、塑形压痕、烧伤和润滑失效等形式。刚轴承的破坏：主要是接触疲劳脱落。陶瓷球轴承的破坏主要是轴承钢套圈的接触疲劳脱落。混合陶瓷轴承的寿命估计也主要是针对钢圈的寿命计算。在钢球轴承的基础上，对钢球轴承的寿命进行修正而得来的。 滚动轴承的配置形式和预加载荷电主轴采用后轴承为陶瓷圆柱混合轴承，可用于高速主轴。既提高了刚度，又简化了结构。角接触球轴承一般必须在轴向有预加载荷才能正常工作。依靠内孔1:12的锥度来消除间隙和施加预紧针对不同转速和负载的电主轴来选择轴承最佳的预加载荷值是电主轴制造厂家的一个重要技巧。载荷的施加有刚性预加载荷和弹性预加载荷。以及可调整预加载荷 的装置 润滑、冷却和动平衡技术电主轴轴承油气润滑的特点 a)提高轴承承载能力：c)提高轴承对恶劣工作环境的适应能力：b)提高轴承的运转速度：d)提高轴承的使用寿命：e)极大地降低润滑剂的消耗：电主轴轴承的润滑可以采用脂润滑和油雾润滑，但效果不太理想。油气润滑技术就是利用压缩空气将微量的润滑油分别连续不断地、精确地供给每一套主轴轴承，微小油滴在滚动体和内外滚道间形成弹性动压油膜，而压缩空气则带走轴承运转所产生的部分热量 特点:功率大、转速高。采用高速、高刚度轴承。国外高速精密主轴上采用高速、高刚度轴承，主要有陶瓷轴承和液体动静压轴承，特殊场合采用空气润滑轴承和磁悬浮轴承。精密加工与精密装配工艺水平高。配套控制系统水平高。这些控制系统包括转子自动平衡系统、轴承油气润滑与精密控制系统、定转子冷却温度精密控制系统、主轴变形温度补偿精密控制系统等。并在此基础之上，这些外国厂家如美国、日本、德国、意大利和瑞士等工业发达国家已生产了多种商品化高速机床。 电主轴技术的发展趋势主要表现在以下几个方面：1）继续向高速度、高刚度方向发展2）向高速大功率、低速大转矩方向发展3）进一步向高精度、高可靠性和延长工作寿命方向发展 4）电主轴内装电机性能和形式多样化 5）快速启动、停止响应速度加快6）轴承及其预载荷施加方式、润滑方式多样化 7）刀具接口逐步趋于HSK、Capto刀柄技术 8）向多功能、智能化方向发展 总结及心得1，对电主轴有了基本的了解2，对关于角接触陶瓷球轴承轴承的运动学分析和动力学分析需 要加强，在进一步学习中。3，轴承的摩擦学分析及润滑冷却技术进一步学习。4，高速精密电主轴的动态性能分析。5，对驱动控制技术不是很理解。