主轴变频部件

概述

主轴是直接体现机床性能的关键部件。目前，数控机床大量采用内装变频电

动机的主轴部件。它是一种机电一体化的功能部件，其电动机转子与主轴是一体

的，无需任何机械连接。改变供电的频率，就可以实现主轴调速。

这种模块化、系列化的功能部件称为电主轴。通常由具有设计和制造高速、

高精度、变频调速电主轴丰富经验的专业公司提供，产品质量和供货容易获得保

证。

变频电主轴制造商通常提供不同结构和用途的系列产品。变频电主轴按其轴

承结构可分为滚动轴承电主轴、静压轴承电主轴和磁浮轴承电主轴；按其变频范

围可分为高速（30~1500Hz）和低速（10~400Hz）；按照电动机数目可以分为单

电动机和双电动机。

在数控机床设计中，具有单电机和滚珠轴承结构的变频电主轴应用较为广

泛。例如，瑞士IBAG公司生产的滚动轴承变频电主轴，有小型、中型和大型三

个系列。此外，该公司还生产磁浮轴承和静压轴承的电主轴。图7.1所示为该公

司生产的各种型号的电主轴。

a.小型电主轴

b.中型电主轴

c.大型电主轴

d.磁浮轴承电主轴

e.静压轴承电主轴

f.空气轴承电主轴

g.Plug&Go电主轴

电主轴的结构布局

高速轴承技术

电主轴通常采用复合陶瓷轴承，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍；有时也

采用电磁悬浮轴承或静压轴承，内外圈不接触，理论上寿命无限长。

高速电机技术

电主轴是电机与主轴融合在一起的产物，电机的转子即为主轴的旋转部分，

理论上可以把电主轴看作一台高速电机，其关键技术是高速度下的动平衡。

润滑

电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑。油量控制很重要，油量太少，起不到润滑作用；油量太多，在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热。

冷却装置

为了尽快给高速运行的电主轴散热，通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂，冷却装置的作用是保持冷却剂的温度。

内置脉冲编码器

为了实现自动换刀以及刚性攻丝，电主轴内置一个脉冲编码器，以实现准确的相角控制以及与进给的配合。

自动换刀装置

为了应用于加工中心，电主轴配备了自动换刀装置，包括蝶形簧和拉刀油缸等。

高速刀具的装卡方式

广为熟悉的BT、ISO刀具，已被实践证明不适合于高速加工。因此，出现了HSK、SKI等高速刀具。

高频变频装置

要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必须用一个高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电机，变频器的输出频率必须达到上千或几千赫兹。

电主轴的轴承

具有滚动轴承的电主轴

具有滚动轴承的变频电主轴，价格较为低廉，是用维护方便，是数控机床设计首选的主轴部件。例如，IBAG公司生产的HF170.4 A20K型变频电主轴是一种典型的内装式感应电动机的电主轴，电动机的转子与主轴连成一体。前后轴承皆采用双排径向止推轴承，前轴承是内径Ф65mm和接触角25°的高精度滚珠轴承，利用弹簧进行预加载荷。标准配置时，轴承润滑采用高压油雾润滑系统，但在降低最高转速时，也可以选用油脂润滑。轴承的密封采用空气迷宫间隙密封。

该系列电主轴的结构如图7.2所示。从图中可见，电主轴的后端有两种配置，标准配置是液压夹紧缸，选件是附加冷却液通过主轴中心孔进行刀具冷却的装置。

图7.2 HF170.4 A20K型变频电主轴结构

该型号的变频电主轴最高转速为24000r/min，短期峰值功率可达95kW。100%负载时，额定功率为30kW，额定转矩为29.1Nm；40%负载时，功率为40kW，转矩为38.7Nm。采用循环水进行冷却，冷却功率根据变频电动机的型号和使用工况选定。

HF170系列电主轴的无故障工作寿命为2000h/年。系列电主轴的外径尺寸配合精度为Ф170h6，可以垂直或水平安装，也可以选用法兰盘安装。

标准配置的刀具于主轴的连接（刀柄锥度）采用DIN标准的HSK-E63，以适合高速加工的需要。当降低主轴转速时，也可以选用JIS标准的BT-40。在主轴内腔安装有自动紧固和松开刀具的机构，由后端的液压缸驱动。

该系列主轴前端的径向静态刚度为302N/μm，轴向静态刚度为260N/μm。

具有静压轴承的电主轴

具有静压轴承的电主轴结构紧凑，动、静态刚度较高。特别在采用自动液压刀具夹紧机构时，可以利用同一能源，是一种值得考虑的方案。它的主要缺点是价格较高，是用维护较为复杂。

该系列主轴的最高转速为40000~32000r/min，峰值功率可达162kW，满负载额定功率为40kW，可以垂直或水平安装。静压轴承具有较大的径向承载能力，该型号的电主轴的径向承载能力为3500N，主轴前端径向静态刚度为400N/μm，轴向静态刚度为800N/μm。特别是轴向静态刚度明显高于具有滚动轴承的电主轴。

刀具与主轴的连接（刀柄锥度）采用DIN标准的HSK-E63或HSK-E50两种规格。

具有磁浮轴承的电主轴

磁浮轴承的电主轴具有一系列的优点，例如：

1.具有较高的转速和较大的功率

2.转动时能够自动平衡，没有振动

3.磁浮轴承不用润滑，无需维修，寿命无限长

4.刚度较高，特别是主轴在高速运转时

5.具有过程监控和力测量传感器

该系列主轴最高转速可达40000r/min，峰值功率可达99kW，满负荷额定功率为40kW。磁浮轴承电主轴采用高压水冷，以保证电动机和磁浮轴承的工作稳定性。

该电主轴除了磁浮轴承外，前后还有一对辅助的滚珠轴承。它与壳体之间有一定的间隙，主要不是用于承受载荷，而是用作辅助支撑，以增加主轴的工作安全性。

刀具与主轴的连接采用DIN标准的HSK-E50。主轴前端径向静态刚度为1500N/μm，轴向静态刚度为700N/μm。上述数据表明，其径向静态刚度大大超过其它类型的电主轴。

具有双电动机的电主轴

为了缩小高频电主轴的尺寸，改善它的电功率-转速特性，可以将高速小转矩和低速大转矩的负载特性分别由两个电动机来承担。

电主轴的支持技术和装置

变频电主轴通常在高速运动或强力切削的条件下工作，特别是在启动和制动过程中会产生较大的热量，设计合理的冷却系统是保证电主轴能够输出最大功率、延长电主轴工作寿命以及正常工作的前提条件。通常，电主轴需要采用强制冷却，在其内部结构中安排冷却管路。

德国CyTec公司的CySpeed系列高速电主轴对冷却问题作了较为全面的考虑。该系列电主轴的功率范围为10~60kW，最高转速为8000~40000r/min。它可具有四种不同功能的冷却回路：

1.主轴冷却

2.电动机冷却

3.刀具冷却

4.刀具内孔冷却

主轴冷却回路是为了避免主轴前端伸长以及保护主轴轴承。它的目的是保持主轴温度恒定，使其与转速无关，因而可以保证主轴的精度不受电动机发热的影响。电动机冷却回路是为了加强电动机对外部的散热能力，使主轴部件的壳体保持为室温状态。

刀具冷却是选用件，可以任意选用外部冷却或者内孔冷却，或者内外同时冷却。采用通过刀具内孔冷却时，冷却液在80kPa的压力下通过旋转分配器中间的孔道，打开单向阀，从刀柄（包括刀具）的中间孔喷出。

刀具夹紧机构

刀具夹紧机构时电主轴的重要组成部分，没有夹持可靠和精度高的刀具夹紧机构，是无法进行高速切削加工的。刀具夹紧机构按照夹紧力源可以分为液压、气动和手动三种。当机床具有自动换刀机构时，必须采用液压或气动的自动夹紧机构。但是，在许多情况下，采用手动夹紧机构也是很实用的。

主轴系统的能源供应

主轴系统的能源供应包括电、气、液压油和冷却液。它是根据主轴的尺寸、功率和用途进行选择或定制的。

能源供应部件主要具有以下功能：

1.空气供应过滤调节器

2.高压润滑系统或油雾润滑系统

3.高效冷却系统

4.变频系统

5.电气控制系统和可编程控制器

6.高压喷射冷却系统（选件）

概述

进给运动的作用

进给运动是形成工件表面所必须的（也可以说是不可缺少的）运动。

进给运动的特点

进给运动的速度低，扭矩大，功率小，工作在恒扭矩区域。

传统进给系统和数控伺服进给系统

传统的进给系统和主运动系统多共用一个电机，执行件之间采用大量的齿轮传动，以实现内（外）传动链的各种传动比要求。所以它们的传动链很长，结构相当复杂。

数控伺服进给系统的每一个运动都由单独的伺服电机驱动，传动链大大缩短，传动件大大减少，这极有利于减少传动误差，提高传动精度。执行件之间的传动比关系由数控系统（计算机）来保证。也可以说数控伺服进给系统是把彼此相关（复合）的运动分解为简单（外联系）的运动，再由计算机将各个运动复合起来，以形成工件的各种表面，特别是空间曲面。数控伺服进给系统的精度要求高，响应要求快，故多采用低摩擦、无间隙传动。

对伺服进给系统的要求

数控机床的伺服进给系统由驱动电机及其控制单元、机械传动部件、执行件和控制反馈环节组成。伺服系统是数控机床的关键环节，一般都有下列要求：

1.高精度

2.高稳定性

3.高速响应

4.调速范围宽

5.低速大扭矩

滚珠丝杠副传动系统

滚珠丝杠螺母副的特点

滚珠丝杠螺母副是一种低摩擦、高精度、高效率的机构。滚珠丝杠螺母副其它特点如下：

1.运动极灵敏，低速时不会出现爬行；

2.可以完全消除间隙并可预紧，故有较高的轴向刚度，反向定位精度

高；

3.滚珠丝杠螺母副摩擦系数小，无自锁，能实现可逆传动；

4.滚珠丝杠螺母副的滚珠循环方式一般分外循环和内循环两种，如图

7.3所示。

图7.3 滚珠丝杠螺母副

（分别点击图片进入仿真页面）

预紧是指它在过盈的条件下工作，把弹性变形量控制在最小限度。滚珠丝杠

多采用双螺母调隙结构。用双螺母加预紧力消除轴向间隙时，必须注意：预紧力

不宜过大或过小，要特别减小丝杠安装部分和驱动部分的间隙。

双螺母调隙结构分为螺纹式、垫片式和齿差式等，如图7.4所示。

a.螺纹式

b.垫片式

c.齿差式

图7.4 双螺母调隙结构

滚珠丝杠的主要技术参数

滚珠丝杠的主要技术参数如图7.5所示。

1) 名义直径D0

滚珠丝杠的名义直径D0是滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时，包络滚珠球心的圆柱直径。它是滚珠丝杠螺母副的特征尺寸。名义直径与承载能力有直接关系，D0越大，承载能力和刚度越大。

2) 基本导程Ph

导程是丝杠相对于螺母旋转一圈时，螺母上基准点的轴向位移。导程的大小是根据机床的加工精度要求确定的。导程过小势必使滚珠直径变小，滚珠丝杠螺母副的承载能力亦随之减小。

3) 滚珠直径d0

一般取d0=0.6Ph

4) 滚珠的工作圈数j和工作滚珠总数N

工作圈数j一般取2.5~3.5圈，而工作滚珠总数N以不大于150个为宜。

5) 列数K

要求工作圈数较多的场合，可采用双列或多列式螺母的结构形式。

图7.5 滚珠丝杠的主要技术参数

滚珠丝杠副的标注和精度选择

滚珠丝杠螺母副按其使用范围及要求分为7个精度等级。1级精度最高，其余依次逐级递减。数控机床和精密机械可选用2、3级精度。

滚珠丝杠螺母副的设计计算

1) 额定动载荷和额定静载荷

额定动载荷是指一批相同参数的滚珠丝杠螺母副，在n>=10r/min的相同工作条件下运转1000000转后，90%的螺旋副(指螺纹滚道和滚动体)不发生疲劳点蚀损伤所能承受的最大轴向载荷，定义为额定动载荷Ca。

额定静载荷是指把滚珠丝杠副在静态或低转速(n<=10r/min)条件下，受接触应力最大的滚珠和滚道接触面间产生的塑性变形量之和达到滚珠直径0.0001倍时的最大轴向载荷，定义为额定静载荷Ca0。

2) 滚珠丝杠副疲劳强度计算

滚珠丝杠应根据其额定动载荷选用。滚珠丝杠的当量动载荷为：

Cm = Fm 3√L (N)

式中

Fm---轴向工作载荷(N)，当载荷按单调式规律变化，各种转速使用机会相同时Fm=(2Fmax+Fmin)/3；

Fmax,Fmin---丝杠最大，最小轴向载荷(N)；

L---工作寿命，以106转为1单位，L = 60nT/106；

n---丝杠转速(r/min)；

T---使用寿命(H)，对数控机床可取 T = 15000h。

滚珠丝杠的支承

滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，而径向载荷主要是卧式丝杠的自重。其两端支承的配置情况分为一端固定一端自由、两端固定和一端固定一端浮动，如图7.6所示。

图7.6 滚珠丝杠的支承配置

a)一端固定一端自由 b)两端固定 c)一端固定一端浮动

a)所示是一端固定一端自由的支承形式。其特点是结构简单，轴向刚度低，适用于短丝杠及垂直布置丝杠，一般用于数控机床的调整环节和升降台式数控铣床的垂直坐标轴。

b)所示是一端固定一端浮动的支承形式，丝杠轴向刚度与a)形式相同，丝杠受热后有膨胀伸长的余地，需保证螺母与两支承同轴。这种形式的配置结构较复杂，工艺较困难，适用于较长丝杠或卧式丝杠。

c)所示是两端固定的支承形式，丝杠的轴向刚度约为一端固定形式的4倍，可预拉伸，这样既可对滚珠丝杠施加预紧力，又可使丝杠受热变形得到补偿，保持恒定预紧力，但结构工艺都较复杂，适用于长丝杠。

滚珠丝杠所用轴承为接触角为60度的角接触球轴承和滚针-推力圆柱滚子组合轴承。

滚珠丝杠螺母副的选择步骤

1.计算最大的工作载荷；

2.计算最大动载荷，对于静态或低速运转的滚珠丝杠，还需考虑最大

静载荷是否充分地超过了滚珠丝杠的工作载荷；

3.验算刚度；

4.压杆稳定性核算。

直线电机进给驱动系统

步进电机

步进电机如图7.7所示。步进电机的优点：

1.转速可以在很宽的范围内调节；

2.可以控制电动机的正转或反转；

3.没有累积误差，结构简单，使用、维修方便，制造成本低。步进电机的缺点：效率较低，发热大，有时会“失步”。

步进电机的用途：适用于中、小型机床和速度精度要求不高的地方。

图7.7 步进电机

直流伺服电动机

直流伺服电动机如图7.8所示。直流伺服电动机可分为：

1.小惯量直流电动机；

2.永磁式直流电动机；

3.无刷直流电动机。

直流伺服电动机的优点：

1.转子直径较小、轴向尺寸大；

2.转动惯量小，因此响应时间快。

直流伺服电动机的缺点：额定扭矩较小，一般必须与齿轮降速装置相匹配。

直流伺服电动机的用途：用于高速轻载的小型数控机床中。

图7.8 直流伺服电动机

交流伺服电动机

交流伺服电动机如图7.9所示。交流伺服电动机的优点：

1.可靠性好、结构简单、体积小、重量轻、动态响应好；

2.效率高、调速范围广、响应频率高。

交流伺服电动机的缺点：带动惯性负载能力差，一般需用齿轮减速装置。

交流伺服电动机的用途：多用于中小型数控机床。图7.9 交流伺服电动机直线伺服电动机

直线伺服电动机按工作原理可分为直线直流伺服电动机、直线感应伺服电动机、直线同步伺服电动机、直线步进伺服电动机、直线压电伺服电动机和直线磁阻伺服电动机；按结构形式可分为平板式、U型和圆筒式。直线电机进给系统的组成如图7.10所示。

直线伺服电动机的优点：

1.采用直线伺服电动机驱动方式，省去减速器和滚动丝杠副等中间环节

2.简化机床结构，避免了因中间环节的弹性变形、磨损、间隙、发热等因素带来的传动误差

3.无接触地直接驱动，使其结构简单，维护简便，可靠性高，体积小，传动刚度高，响应快，

可得到瞬时高的加/减速度

直线伺服电动机的缺点：

1.存在严重的端部效应

2.推力波动大

3.控制难度大

4.安装困难，需要隔磁

5.成本高

图7.10 直线电机进给系统的组成

对自动换刀系统的要求

数控刀架是数控车床、车削中心等主机产品的关键功能部件，如图7.11所示。随着数控机床的发展，数控刀架向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动多方向发展，而且需求量日益增大，据估计国内中高档数控刀架年需求量约1000台左右。经济型数控机床用的刀架国内产品尚可满足需求，但用于中高档数控机床的刀架，其技术水平与生产能力距国内需求还有一定差距。该类刀架要求换位速度快，定位精度高，刀具布局干涉小，刀架刚性好，结构简单易维修，连接尺寸互换性好，可靠性强，目前主要依靠进口。

图7.11 数控车床的自动交换刀具系统

为完成对工件的多工序加工而设置的存储及更换刀具的装置称为自动换刀装置(Automatic Tool Changer，ATC)。自动换刀装置应当满足的基本要求为：

1.刀具换刀时间短且换刀可靠

2.刀具重复定位精度高

3.足够的刀具储存量

4.刀库占地面积小

刀库的形式

根据其组成结构可分为回转刀架式、转塔式和带刀库式。

回转刀架自动换刀装置

回转刀架自动换刀装置的刀架可设计为四方形、六角形或其他形式。回转刀架在结构上必须有良好的强度和刚性，以及合理的定位结构，以保证回转刀架在每一次转位之后具有尽可能高的重复定位精度。其工作循环是：刀架接收数控装置的指令——松开——转到指令要求的位置——夹紧——发出转位结束的信号。

自动转位刀架的结构如图7.12所示。当自动转位刀架转位时，微电机通过齿轮、蜗轮蜗杆带动丝杠转动，使丝杠螺母连同方刀架一起上升，使端面齿盘脱离啮合，当螺母上升到一定高度时，与丝杠一起旋转的拨块，便通过碰销拨动方刀架转位，方刀架转过一定角度后，粗定位销插入斜面槽，粗定位开关发信号，停转，控制系统将该位置的编码与所需刀具编码加以比较，如相同，则选定此位，控制系统控制电机反转，由于斜面销的棘轮作用，方刀架只能下降而不能转动，使端面齿盘啮合。当方刀架下降到底后，电机仍继续回转，使方刀架被压紧。当压紧力到达预定值时，压力开关发出停机信号，整个过程结束。

图7.12 简易数控车床电机驱动自动转位刀架

转塔式自动换刀装置

转塔式自动换刀装置利用转塔的转位来更换主轴头以实现自动换刀。主轴头通常有卧式和立式两种。图7.13所示是数控镗铣床的转塔刀架。

转塔式换刀装置的主要优点是省去了自动松夹、卸刀装刀、夹紧以及刀具搬运等一系列复杂的操作，减少了换刀时间，提高了换刀的可靠性。其缺点是主轴部件的刚性差且主轴的数目不可能太多。

图7.13 数控镗铣床的转塔刀架

带刀库式自动换刀装置

带刀库式自动换刀装置分为圆盘式刀库、链式刀库和箱型式刀库，如图7.14所示。箱型式刀库包括箱型和线型两种。

图7.14 各种不同形式的刀库

刀具的交换方式

刀具的交换方式通常分为两种：由刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换即无机械手交换刀具和机械手交换刀具

无机械手交换刀具方式结构简单，成本低，换刀的可靠性较高刀库因结构所限容量不多。这种换刀系统多为中、小型加工中心采用。

图7.15 无机械手换刀系统

带机械手交换刀具方式机械手是当主轴上的刀具完成一个工步后，把这一工步的刀具送回刀库，并把下一工步所需要的刀具从刀库中取出来装入主轴继续进行加工的功能部件，如图7.16所示。

图7.16 带机械手的交换刀具系统

（点击图片进入仿真页面）

浅析数控铣床的主轴结构设计

浅析数控铣床的主轴结构设计 摘要自从我国改革开放之后，我国的工业领域发展就十分迅速，工业化水平不断提高，促进了国民经济的迅速发展，尤其是近几年自动化技术在工业领域中的普遍应用，极大提高了工业生产的质量和效率，其中各种工业生产设备的应用，极大的便利了工业生产活动，数控铣床作为工业生产中的常见设备，在工业生产中的高速度，高精度以及高效率等优势，使其在工业领域中发挥的作用越来越大。在数控铣床结构中，主轴结构无疑是十分关键的，直接影响着数控铣床的应用，所以本文就针对数控铣床的主轴结构设计进行分析，促进数控铣床在工业领域中的应用。 关键词数控铣床；主轴；结构设计 在我国的工业生产领域中，数控铣床作为高速切削技术的主要应用设备，在我国应用十分广泛，有效提高了切削工作的效率和质量，提高了工业生产中的产品加工精度，在高速切削的过程中主轴是极为核心的部件，主轴的结构和质量会直接影响工业生产的质量和效率，所以在现代数控铣床的应用过程中，需要加强对主轴结构的设计，提高主轴的质量，从而促进数控铣床的广泛应用。 1 數控铣床主轴结构特点 主轴是数控铣床结构中最为关键和核心的部件，其主要作用是带动刀具高速旋转，从而实现高速切削，完成加工任务，而在切削工作中，主轴的作用也就具体表现为切削力的承受和为机床提供驱动力。由于主轴在数控铣床的工作中发挥着重要的作用，承受了巨大的压力，所以数控铣床的工作过程中，主轴想要实现高速旋转，保证加工的质量和效率就必须对自身的结构进行优化，保证自身的可靠性，也就是说，需要有良好的静动态特性。 数控铣床的主轴具有一定的结构特点，主要包括： （1）主轴的中心为空心，在其中会装弹簧等装置来固定和使用铣刀，方便铣刀的使用； （2）在主轴的前端会设置一个7：24比例的锥形空洞，在断面上会设置用于将主轴转矩数据传输给铣刀的主轴转矩检测装置； （3）在主轴的后部会设置用于铣刀放松的液压缸，在日常为铣刀进行保护； （4）主轴的运转主要依靠齿轮进行，用齿轮进行变速传动； 2 数控铣床主轴结构的设计优化 2.1 进行设计控制

(完整版)数控车床主轴设计

绪论 随着市场上产品更新换代的加快和对零件精度提出更高的要求，传统机床已不能满足要求。数控机床由于众多的优点已成为现代机床发展的主流方向。它的发展代表了一个国家设计、制造的水平，在国内外都受到高度重视。 现代数控机床是信息集成和系统自动化的基础设备，它集高效率、高精度、高柔性于一身，具有加工精度高、生产效率高、自动化程度高、对加工对象的适应强等优点。实现加工机床及生产过程的数控化，已经成为当今制造业的发展方向。可以说，机械制造竞争的实质就是数控技术的竞争。 本课题的目的和意义在于通过设计中运用所学的基础课、技术基础课和专业课的理论知识，生产实习和实验等实践知识，达到巩固、加深和扩大所学知识的目的。通过设计分析比较机床的某些典型机构，进行选择和改进，学习构造设计，进行设计、计算和编写技术文件，达到学习设计步骤和方法的目的。通过设计学习查阅有关设计手册、设计标准和资料，达到积累设计知识和提高设计能力的目的。通过设计获得设计工作的基本技能的训练，提高分析和解决工程技术问题的能力，并为进行一般机械的设计创造一定的条件。

一、设计题目及参数 1.1 题目 本设计的题目是数控车床的主轴组件的设计。它主要由主轴箱，主轴，电动机，主轴脉冲发生器等组成。我主要设计的是主轴部分。 主轴是加工中心的关键部位，其结构优劣对加工中心的性能有很大的影响，因此，在设计的过程中要多加注意。主轴前后的受力不同，故要选用不同的轴承。 1.2参数 床身回转空间400mm 尾架顶尖与主轴端面距离1000mm 主轴卡盘外径Φ200mm 最大加工直径Φ600mm 棒料作业能力50～63mm 主轴前轴承内和110～130mm 最大扭矩480N·m 二、主轴的要求及结构 2.1主轴的要求 2.1.1旋转精度 主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷，低转速的条件下，主轴前端工件或刀具部位的径向跳动和轴向跳动。 主轴组件的旋转精度主要取决于各主要件，如主轴、轴承、箱体孔的的制造，装配和调整精度。还决定于主轴转速，支撑的设计和性能，润滑剂及主轴组件的平衡。 通用（包括数控）机床的旋转精度已有标准规定可循。 2.1.2 静刚度 主轴组件的静刚度（简称刚度）反映组件抵抗静态外载荷变形的能力。影响主轴组件弯曲刚度的因素很多，如主轴的尺寸和形状，滚动轴承的型号，数量，配置形式和预紧，前后支撑的距离和主轴前端的悬伸量，传动件的布置方式，主轴组件的制造和装配质量等。 各类机床主轴组件的刚度目前尚无统一的标准。 2.1.3抗振性 主轴组件工作时产生震动会降低工件的表面质量和刀具耐用度，缩短主轴轴承寿命，还会产生噪声影响环境。 振动表现为强迫振动和自激振动两种形式。

数控机床用主轴伺服系统

数控机床用主轴伺服系统 数控机床的主轴系统和进给系统有很大的差别。根据机床主传动的工作特点，早期的机床主轴传动全部采用三相异步电动机加上多级变速箱的结构。随着技术的不断发展，机床结构有了很大的改进，从而对主轴系统提出了新的要求，而且因用途而异。在数控机床中，数控车床占42％，数控钻镗铣床占33％，数控磨床、冲床占23％，其他只占2％。为了满足量大面广的前两类数控机床的需要，对主轴传动提出了下述要求：主传动电动机应有2.2～250kW的功率范围；要有大的无级调速范围，如能在1：100～1000范围内进行恒转矩调速和1：10的恒功率调速；要求主传动有四象限的驱动能力；为了满足螺纹车削，要求主轴能与进给实行同步控制；在加工中心上为了自动换刀，要求主轴能进行高精度定向停位控制，甚至要求主轴具有角度分度控制功能等等。 主轴传动和进给传动一样，经历了从普通三相异步电动机传动到直流主轴传动，而随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，现在又进入了交流主轴伺服系统的时代，目前已很少见到在数控机床上有使用直流主轴伺服系统了。但是国内生产的交流主轴伺服系统的产品尚很少见，大多采用进口产品。 交流伺服电动机有永磁式同步电动机和笼型异步电动机两种结 构形式，而且绝大多数采用永磁式同步电动机的结构形式。而交流主轴电动机的情况则不同，交流主轴电动机均采用异步电动机的结构形式，这是因为，一方面受永磁体的限制，当电动机容量做得很大时，

电动机成本会很高，对数控机床来讲无法接受采用；另一方面，数控机床的主轴传动系统不必像进给伺服系统那样要求如此高的性能，采用成本低的异步电动机进行矢量闭环控制，完全可满足数控机床主轴的要求。但对交流主轴电动机性能要求又与普通异步电动机不同，要求交流主轴电动机的输出特性曲线（输出功率与转速关系）是在基本速度以下时为恒转矩区域，而在基本速度以上时为恒功率区域。 交流主轴控制单元与进给系统一样，也有模拟式和数字式两种，现在所见到的国外交流主轴控制单元大多都是数字式的。 它们的工作过程简述如下：由数控系统来的速度指令（如10V时相当于6000r/min或4500r/min）在比较器中与检测器的信号相与之后，经比例积分回路3将速度误差信号放大作为转矩指令电压输出，再经绝对值回路4使转矩指令电压永远为正。然后经函数发生器6（它的作用是当电动机低速时提高转矩指令电压），送到V／F变换器7，变成误差脉冲（如10V相当于200kHz）。该误差脉冲送到微处理器8并与四倍回路17送来的速度反馈脉冲进行运算。在此同时，交预先写在微处理器部件中的ROM中的信息读出，分别送出振幅和相位信号，送到DA强励磁9和DA振幅器10。DA强励磁回路用于控制增加定子电流的振幅，而DA振幅器用于产生与转矩指令相对应的电动机定子电流的振幅。它们的输出值经乘法器11之后形成定子电流的振幅，送给U相和V相的电流指令回路12。另一方面，从微处理器输出的U、V两相的相位（即sinθ和sin(θ-120°））也被送到U相和V相的电流指令回路12，它实际上也是一个乘法器，通过它形成

机械制造装备设计第三章习题答案(关慧贞)..

第三章典型部件设计 1.主轴部件应满足那些基本要求？ 答：主轴部件应满足的基本要求有旋转精度、刚度、抗振性、温升热变形和精度保持性等。主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转动条件下，在安装工件或刀具的主轴部位的径向和轴向跳动。旋转精度取决于主轴、轴承、箱体孔等的制造、装配和调整精度。主轴部件的刚度是指其在外加载荷作用下抵抗变形的能力，通常以主轴前端产生单位位移的弹性变形时，在位移方向上所施加的作用力来定义，主轴部件的刚度是综合刚度，它是主轴、轴承等刚度的综合反映。主轴部件的抗振性是指抵抗受迫振动和自激振动的能力。主轴部件的振动会直接影响工件的表面加工质量，刀具的使用寿命，产生噪声。主轴部件的精度保持性是指长期地保持其原始制造精度的能力，必须提高其耐磨性。 2.主轴轴向定位方式有那几种？各有什麽特点？适用场合 答：（1）前端配置两个方向的推力轴承都分布在前支撑处；特点：在前支撑处轴承较多，发热大，升温高；但主轴承受热后向后伸，不影响轴向精度；适用场合：用于轴向精度和刚度要求较高的高精度机床或数控机床。 （2）后端配置两个方向的推力轴承都布置在后支撑处；特点：发热小、温度低，主轴受热后向前伸长，影响轴向精度；适用范围：用于普通精度机床、立铣、多刀车床。 （3）两端配置两个方向的推力轴承分别布置在前后两个支撑处；特点：这类配置方案当主轴受热伸长后，影响轴承的轴向间隙，为避免松动，可用弹簧消除间隙和补偿热膨胀；适用范围：用于短主轴，如组合机床。 （4）中间配置两个方向的推力轴承配置在前支撑后侧；特点：此方案可减少主轴的悬伸量，使主轴热膨胀后向后伸长，但前支撑结构复杂，温升可能较高。3.试述主轴静压轴承的工作原理 答：主轴静压轴承一般都是使用液体静压轴承，液体静压轴承系统由一套专用供油系统、节流器和轴承三部分组成。静压轴承由供油系统供给一定压力油，输进轴和轴承间隙中，利用油的静压压力支撑载荷、轴颈始终浮在压力油中。所以，轴承油膜压强与主轴转速无关，承载能力不随转速而变化。静压轴承与动压轴承相比有如下优点：承载能力高；旋转精度高；油膜有均化误差的作用，可提高加工精度；抗振性好；运转平稳；既能在极低转速下工作，也能在极高转速下工作；摩擦小，轴承寿命长。

数控车床主轴系统

模块一对主轴驱动系统的认识 任务一掌握主轴驱动系统各种故障排查方法。 1.主轴驱动系统概述 主轴驱动系统也叫主传动系统，是在系统中完成主运动的动力装置部分。主轴驱动系统通过该传动机构转变成主轴上安装的刀具或工件的切削力矩和切削速度，配合进给运动，加工出理想的零件。它是零件加工的成型运动之一，它的精度对零件的加工精度有较大的影响。 引言 主轴驱动系统控制数控车床的旋转运动，为车床主轴提供驱动功率以及所需的切削力。目前在数控车床中，主轴驱动常使用交流电动机，直流电动机已被逐渐淘汰，由于受永磁体的限制，交流同步电动机功率做得很大时，电动机成本太高。因此目前在数控机床的主轴驱动中，均采用笼型异步电动机。为了获取良好的主轴特性，设计中采用矢量变频控制的交流主轴电动机，矢量部分分无速度传感器和有速度传感器的两种方式，后者具有更高的速度控制精度，在数控车床中无速度传感器的矢量变频器已经符合控制要求，因此，本设计中采用无速度的矢量变频器。 知识目标： 1、了解主轴驱动系统的控制原理。 2、了解各种故障的产生原因。 能力目标： 1、能够对主轴驱动系统启动故障进行排除和处理。 2、熟练掌握变频器的使用方法。 一、相关知识 1、数控机床对主轴驱动系统的要求 机床的主轴驱动和进给驱动有较大的差别。机床主轴的工作运动通常是旋转运动，不像进给驱动需要丝杠或其它直线运动装置作往复运动。数控机床通常通过主轴的回转与进给轴的进给实现刀具与工件的快速的相对切削运动。在20纪60-70年代，数控机床的主轴一般采用三相感应电动机配上多级齿轮变速箱实现有级变速的驱动方式。随着刀具技术、生产技术、加工工艺以及生产效率的不断发展，上述传统的主轴驱动已不能满足生产的需要。现代数控机床对主轴传动提出了更高的要求： 1）调速范围宽并实现无极调速 为保证加工时选用合适的切削用量，以获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。特别对于具有自动换刀功能的数控加工中心，为适应各种刀具、工序和各种材料的加工要求，对主轴的调速范围要求更高，要求主轴能在较宽的转速范围内根据数控系统的指令自动实现无级调速，并减少中间传动环节，简化主轴箱。

立式加工中心总体、主轴部件及立柱设计

加工中心总体、主轴部件及立柱设计 摘要 加工中心是一种具有刀库并能自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控机床。它是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的高科技产品，综合了数控铣床、数控镗床、数控钻床多功能的加工设备。 基于加工中心的迅速发展，本次毕业设计的任务是设计加工中心总体、主轴部件及立柱。加工中心的总体设计主要是通过设计各部件之间的尺寸联系来满足它们之间的位置关系要求。主轴部件是机床的重要部件之一。它是机床的执行件，其功用是支承并带动工件或刀具旋转进行切削，承受切削力和驱动力等载荷，从而完成表面成形运动。主轴部件由主轴及其支承和安装在主轴上的传动件、密封件等组成。加工中心立柱主要是对主轴箱起到支承作用，满足主轴Z向运动。根据对立柱的结构、性能及其经济性的要求，采用井字型的内腔结构。 加工中心的设计符合数控机床高速化、高精度化、智能化、系统化与高可靠性等发展趋势。目前，加工中心已成为现代机床发展的主流方向，广泛应用于机械制造中。 关键词：加工中心，主轴，轴承，立柱

DESIGN OF THE OVERALL , SPINDLE ASSEMBLY AND COLUMN OF MACHININING CENTER ABSTRACT Machining center (MC) is a kind of CNC machine with tool magazine. It can perform the multi-processing of workpiece by change cutting tool automatically. It is the high-tech product developed to adapt to the requirements for effort-saving and time-saving, and the multi-function equipment which integrated CNC milling machine with CNC boring and drilling machines. The tasks of graduation design are to design the overall of machine, the spindle assembly and column. The purpose of MC overall design is to establish the dimension relation between components. Spindle assembly is one of the important parts of the machine. It is the executive pieces, and its function is to support and carry the workpiece or rotary cutting tools, and bear the cutting force. The spindle assembly consists of the spindle and its support, the transmission members, seals and other components mounted on it. The function of MC column is to support the headstock to satisfy the movement of Z-axis. Based on the performance requirements of the structure and the economy, Column is of the cross-type structure inside. The design of MC is consistent with the development trend in high-speed, high precision, intelligent, and high reliability of CNC machine tools. Currently, MC stands for the main development direction of modern machine tool, which is widely used in machine manufacturing. KEYWORDS: machining center, spindle, bearing, column

主轴的形式及结构

关于主轴结构 何謂直結式主軸？ 直結式主軸即類似三軸馬達與滾珠螺桿之接合方式，主軸馬達置於主軸上方，馬達與主軸以高剛性無間隙連軸器相連，馬達端之轉動經由連軸器傳於主軸，此即直結式主軸 直結式主軸比起皮帶式，齒輪式與內藏式有什麼特色？ 內藏式主軸: 內藏式主軸即將馬達與主軸合而為一，將馬達轉子安裝於主軸軸心，定子在外，運轉原理和一般主軸馬達相同，其具有低振動特性，動態迴轉精度亦較好，但因主軸內必須置放馬達轉子造成軸承跨距較大，剛性較弱的情形發生 內藏式主軸因剛性之故並不適合重切削 直結式主軸： 直結式主軸即類似三軸馬達與滾珠螺桿之接合方式，主軸馬達置於主軸上方，馬達與主軸以高剛性無間隙連軸器相連，馬達端之轉動經由連軸器傳於主軸，此即直結式主軸 直結式主軸屬於剛性連結，對於馬達輸出之POWER較能完全表達於主軸特性，機械效率較高，於主軸運動時，連軸器扮演著不可或缺的角色，連軸器校正好或壞足以影響主軸運動精度，若連軸器校正不良對主軸產生下列影響，主軸溫昇急劇昇高、主軸震動過大、主軸偏擺過大、加工精度不良、甚至主軸燒毀 皮帶式主軸: 皮帶式主軸以皮帶傳遞主軸馬達之運動至主軸，其優點為，振動較齒輪式主軸小，易組裝，缺點為高速時噪音大，皮帶張力不易控制等 齒輪式主軸: 齒輪式主軸最大之優點為可傳遞高扭力，重切削能力優良，其缺點為轉速受限於齒輪設計不易提昇等 电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，它与直线电机技术、高速刀具技术一起，将会把高速加工推向一个新时代。电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置。 电主轴所融合的技术： 高速轴承技术：电主轴通常采用复合陶瓷轴承，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍；有时也采用电磁悬浮轴承或静压轴承，内外圈不接触，理论上寿命无限； 高速电机技术：电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，电动机的转子即为主轴的旋转部分，理论上可以把电主轴看作一台高速电动机。关键技术是高速度下的动平衡； 润滑：电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑；也可以采用脂润滑，但相应的速度要打折扣。所谓定时，就是每隔一定的时间间隔注一次油。所谓定量，就是通过一个叫定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的油量。而油气润滑，指的是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。油量控制很重要，太少，起不到润滑作用；太多，在轴承高速旋转时会因

数控机床主传动系统及主轴设计.

新疆工程学院机械工程系毕业设计（论文）任务书 学生姓名专业班级机电一体化09-11（1）班设计(论文)题目数控机床主传动系统及主轴设计 接受任务日期2012年2月29日完成任务日期2012年4月9日指导教师指导教师单位机械工程系 设 计(论文)内容目标 培养学生综合应用所学的基本理论，基础知识和基本技能进行科学研究能力的初步训练；培养和提高学生分析问题，解决问题能力。通过毕业设计，使学生对学过的基础理论和专业知识进行一次全面地系统地回顾和总结。通过对具体题目的分析和设计，使理论与实践结合，巩固和发展所学理论知识，掌握正确的思维方法和基本技能。 设计(论文)要求 1．论文格式要正确。 2．题目要求：设计题目尽可能选择与生产、实验室建设等任务相结合的实际题目，完成一个真实的小型课题或大课题中的一个完整的部分。 3．设计要求学生整个课题由学生独立完成。 4．学生在写论文期间至少要和指导老师见面5次以上并且和指导教师随时联系，以便掌握最新论文的书写情况。 论文指导记录 2012年3月1号早上9：30-12：00在教室和XX老师确定题目。2012年3月6日早上10：00-12:00在教室确定论文大纲与大纲审核。2012年3月13日早上10:00-12：00在教室确定论文格式。 2012年3月20日早上9：30-12:00在教室对论文一次修改。 2012年3月27日早上9：30-12:00在教室对论文二次修改。 2012年4月6日早上9：30-12：30在教室对论文三次修改。 2012年4月9日早上9:30-12：00在教室老师对论文进行总评。 参考资料[1]成大先.机械设计手册-轴承[M].化学工业出版社 2004.1 [2]濮良贵纪名刚.机械设计[M].高等教育出版社 2006.5 [3]李晓沛张琳娜赵凤霞. 简明公差标准应用手册[M].上海科学技术出版社 2005.5 [4]文怀兴夏田.数控机床设计实践指南[M].化学工业出版社 2008.1 [5][日]刚野修一(著). 杨晓辉白彦华(译) .机械公式应用手册[M].科学出版社 2004

机械机床毕业设计16CA6150数控车床主轴箱及传动系统系统的设计业设计

毕业设计（论文）任务书 指导老师 课题名称CA6150车床主轴箱设计学生姓名 专业班级数控班

目录 1、概述 2、主运动的方案选择与主运动的设计 3、确定齿轮齿数 4、选择电动机 5、皮带轮的设计计算 6、传动装置的运动和运动参数的计算 7、主轴调速系统的选择计算 8、主轴刚度的校核 一、概述 主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，它应具有一定的转速（速度）和一定的变速范围，以便采用不同材料的

刀具，加工不同的材料，不同尺寸，不同要求的工件，并能方便的实现运动的开停，变速，换向和制动等。 数控机床主传动系统主要包括电动机、传动系统和主轴部件，它与普通机床的主传动系统相比在结构上比较简单，这是因为变速功能全部或大部分由主轴电动机的无级调速来承担，剩去了复杂的齿轮变速机构，有些只有二级或三级齿轮变速系统用以扩大电动机无级调速的范围。 1.1数控机床主传动系统的特点 与普通机床比较，数控机床主传动系统具有下列特点。 4转速高、功率大。它能使数控机床进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。 5变速范围宽。数控机床的主传动系统有较宽的调速范围，一般Ra>100，以保证加工时能选用合理的切 削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面 质量。 6主轴变速迅速可靠，数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的 要求。由于直流和交流主轴电动机的调速系统日趋 完善，所以不仅能够方便地实现宽范围无级变速， 而且减少了中间传递环节，提高了变速控制的可靠 性。 7主轴组件的耐磨性高，使传动系统具有良好的精度保持性。凡有机械摩擦的部位，如轴承、锥孔等都 有足够的硬度，轴承处还有良好的润滑。 1.2 主传动系统的设计要求 ①主轴具有一定的转速和足够的转速范围、转速级数， 能够实现运动的开停、变速、换向和制动，以满足 机床的运动要求。 ②主电机具有足够的功率，全部机构和元件具有足够 的强度和刚度，以满足机床的动力要求。 ③主传动的有关结构，特别是主轴组件要有足够高的

铣削组合机床及其主轴组件设计

摘要 组合机床，是由大量的通用部件和少量专用部件组成的工序集中的高效率机床。其特点有：结构紧凑、工作质量可靠、设计和制造周期短、投资少、经济效果好、生产率高等。 本次设计的题目是铣削组合机床及主轴组件。首先针对所要加工的零件入手，对机床进行总体方案设计，进而确定机床的总体布局，随后，对主轴组件进行设计。在设计主轴组件时，以主轴为线索，在满足刚度、精度等要求下，完成其它（如轴承、轴向调节机构、锁紧机构等）所有零件的设计。 关键词：组合机床，主轴组件，刚度，主轴，轴承，轴向调节机构

ABSTRACT Modular Machine, by the large number of common parts and a small number of specialized components of the process focused efficient machine. Its features include : compact, reliable quality, design and manufacturing cycle shorter, less investment and economic effects, and higher productivity . The design is the subject of combined milling machine spindle components. First in response to the processing of parts, the paper machine for the overall program design, which will determine the overall layout of the machine. Subsequently, the spindle components of the design. Spindle components in the design, a spindle for clues to meet stiffness and precision requirements, the completion of the other (eg, bearings, Axial adjustment, locking, etc.) all parts of the design. Keywords:Modular Machine, spindle components, stiffness, spindle, bearings, axial adjustment

立式钻床主轴箱的结构设计

立式钻床主轴箱的结构设计 摘要 组合机床是一种专用机床，它是由系列化标准化的通用部件和按被加工零件的形状及加工工艺要求设计的专用部件组成。。组合机床随着生产力的发展，是由万能机床和专用机床发展而来的。 此次设计的任务是机床立式主轴箱的设计。这次设计的内容有主轴箱设计及其各部件的主要参数。主轴箱的设计是这次任务的重点，它是组合机床的重要部件之一。它是由通用部件，按照被加工零件的加工要求，根据专用要求设计的。合理的安排主轴箱内部每一根轴的的位置，选择合适的各级传动比，将动力和运动由电机或动力部件传给各工作主轴,使之得到要求的转速和转向从而实现对零件的加工。其次，合理安排各主轴和传动轴上齿轮所在的排数；确定主轴和传动轴的支撑方式和预紧方法也是非常重要的工作。 本文依据主轴箱的设计原则完成了对结构型式的选择及动力计算，传动系统的设计与计算，主要轴和轴承以及齿轮的校核，主轴箱总图设计。 关键词主轴箱；传动轴；齿轮；立式钻床

Structure design of vertical drilling machine spindle box Abstract Combined machine tool is a kind of s pecial machine tool. It’s composed of u niversal Parts which systematic and unitized and according to t he shape of the processed parts and special parts of the design of requirements of the machining process. Following with the development of productive forces, combined machine tool developed by u niversal machine tools and special machine tools. This design’s task is the design of vertical machine tool spindle box. This design’s content is the design of spindle box and the parts of this’s major parameter. The key point of this task is the design of spindle box, it is one of the major part of combined machine tool. It is design by universal Parts, and according to p rocessed parts’s processing requirements and p articular requirements. In order to i mplementation of parts processing, arrange the site of each shaft in the spindle box, choose appropriate All levels of drive ratio, let m otivation and sport to the work spindle through motor or power part. By means of it, it can acquire speed and steering. Next, reasonable arrangement the row number of main shaft and shaft’s gear; it is also a very important work that to ensure main shaft and shaft’s support way and pre-tightening methods. In this paper, according to the spindle box’s design princ iples, it complete structure form’s choose and dynamic calculation. The design and calculation of the transmission system. Main shaft and bearing, as well as the check of gear. The design of the spindle box general layout. Keywords The spindle box; Transmission shaft; Gear

抛光机主轴传动系统与主轴部件设计

抛光机主轴传动系统及主轴部件设计 目录 1引言1 1.1抛光机-机械概述3 1.2课题的来源及意义3 1.3本课题所涉及的问题在国内（外）的研究现状3 1.4设计方案的确定4 1.4.1总体方案设计要求4 1.4.2设计参数5 1.4.3总体方案的确定5 1.4.4机床传动方案简图5 2摆轴调节部件的设计6 2.1概述6 2.2磨削力的计算8 2.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型8 F8 2.3.1计算进给牵引力 m 2.3.2计算最大动载荷C9 2.3.4刚度验算11 3主轴的设计与校核14 3.1选择主轴的材料确定许用应力14 3.2轴的结构设计14 3.3按弯矩合成强度校核轴的强度18 3.4按疲劳强度安全系数校核轴的强度19 4减速器与步进电机的选择21 4.1减速器的选择21 5滚动轴承的选择和计算23 6键联接的选择和强度校核24 7润滑与密封及紧固件的选用25 7.1润滑与密封25 致谢26

附 录 常用量的名称﹑单位﹑符号及换算关系 W 3600(/180)π''=2)C 2m h C m h C 注：⑴ 暂时用于对废除单位的换算。 ⑵ 压力﹑压强的单位均为单位面积上的力，本书均使用压力。 ⑶“相对密度”定义为“在所规定的条件下，某物质的密度（单位为3 /kg m ）与参考物质的密度之比”。它是无量纲的量。在未指明参考物质时均指4C 的蒸馏水而言。

1引言 1.1抛光机-机械概述 抛光机操作的关键是要设法得到最大的抛光速率，以便尽快除去磨光时产生的损伤层。同时也要使抛光损伤层不会影响最终观察到的组织，即不会造成假组织。前者要求使用较粗的磨料，以保证有较大的抛光速率来去除磨光的损伤层，但抛光损伤层也较深；后者要求使用最细的材料，使抛光损伤层较浅，但抛光速率低。 1.2课题的来源及意义 主轴传动系统及主轴部件作为高速磨削机床中最关键的部件，其性能的好坏在很大程度上决定了整台磨削机床的加工精度和生产效率，因此各工业国家都十分关注主轴传动系统及主轴部件的设计，纷纷投入巨资，装备精良的加工和测试设备，建立恒温、洁净的装配环境，形成了不少专业生产基地。我国目前还尚未形成批量模块化，其主轴的各项性能指标和国外尚有较大的差距。为了加快我国高速加工技术的发展与应用，加速数控磨床产品的更新换代，今天研究和设计磨床的主轴传动系统及主轴部件则有着很强的现实意义。 1.3本课题所涉及的问题在国内（外）的研究现状 在现代工业生产中，零件的复杂程度和精度要求迅速提高，传统的普通机床已经越来越难以适应现代化生产的要求，而数控机床具有高精度、高效率、一机多用，可以完成复杂型面加工的特点，特别是计算机技术的迅猛发展广泛应用于数控系统中，数控装置的基本功能几乎全由软件来实现，硬件几乎能通用，从而使其更具加工柔性，功能更加强大。 抛光机亦称研磨机，其工作原理是电机带动抛光盘高速旋转，由于抛光盘上的海绵、羊毛和抛光剂共同作用，与待抛表面保持摩擦，进而达到去除漆面污染、氧化层、浅划痕的目的。我国目前仍以手工研磨抛光为主，该方法不需要特殊的设备，适应性比较强，主要依赖于操作者的经验技艺水平，不仅效率低，且工人劳动强度大，质量不稳定，周期长，工人作业环境差。特别是模具表面的精加

数控机床主轴驱动变频控制

论文关键词：矢量控制变频器数控车床 论文摘要：本人于2007年4月份进入广东省广州昊达机电有限公司进行毕业前的综合实践，从事有关变频器的工作。本文介绍了采用数控车床的主轴驱动中变频控制的系统结构与运行模式，并简述了无速度传感器的矢量变频器的基本应用。 前言 数控车床是机电一体化的典型产品，是集机床、计算机、电机及其拖动、自动控制、检测等技术为一身的自动化设备。其中主轴运动是数控车床的一个重要内容，以完成切削任务，其动力约占整台车床的动力的70%～80%。基本控制是主轴的正、反转和停止，可自动换档和无级调速。 在目前数控车床中，主轴控制装置通常是采用交流变频器来控制交流主轴电动机。为满足数控车床对主轴驱动的要求，必须有以下性能:(1)宽调速范围，且速度稳定性能要高;(2)在断续负载下，电机的转速波动要小;(3)加减速时间短;(4)过载能力强;(5)噪声低、震动小、寿命长。 本文介绍了采用数控车床的主轴驱动中变频控制的系统结构与运行模式，并阐述了无速度传感器的矢量变频器的基本应用。 第1章变频器矢量控制阐述70年代西门子工程师f.blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流) 和产生转矩的电流分量 (转矩电流) 分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。矢量控制算法已被广泛地应用在siemens，ab，ge，fuji 等国际化大公司变频器上。采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器。目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。 第2章数控车床主轴变频的系统结构与运行模式 2.1 主轴变频控制的基本原理由异步电机理论可知，主轴电机的转速公式为: n=(60f/p)×(1-s) 其中p—电动机的极对数，s—转差率，f—供电电源的频率，n—电动机的转速。从上式可看出，电机转速与频率近似成正比，改变频率即可以平滑地调节电机转速，而对于变频器而言，其频率的调节范围是很宽的，可在0～400hz(甚至更高频率)之间任意调节，因此主轴电机转速即可以在较宽的范围内调节。 当然，转速提高后，还应考虑到对其轴承及绕组的影响，防止电机过分磨损及过热，一般可以通过设定最高频率来进行限定。 图2-1 变频器在数控床上的应用 图2-1所示为变频器在数控车床的应用，其中变频器与数控装置的联系通常包括:(1)数控装置到变频器的正反转信号;(2)数控装置到变频器的速度或频率信号;(3)变频器到数控装置的

精密直联式主轴系统的结构设计

２０１８年５月 第４６卷第１０期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｍａｙ２０１８ Ｖｏｌ ４６Ｎｏ １０ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００１－３８８１ ２０１８ １０ ００５ 收稿日期：２０１７－０６－２２ 基金项目：国家科技重大专项资助项目（２０１６ＺＸ０４００４?００２） 作者简介：王自强（１９８３ ），男，学士，工程师，主要研究方向为大型精密机床设计与开发三Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｚｑ２００３４７０２＠ １６３ ｃｏｍ三 通信作者：李江艳，Ｅ－ｍａｉｌ：ｊａｎｅｏｌ＠ｓｉｎａ ｃｏｍ三 精密直联式主轴系统的结构设计 王自强，刘继佼，陈忠良，寸花英，李江艳 （沈机集团昆明机床股份有限公司，云南昆明６５０２０３） 摘要：对不同类型的主轴系统进行分析对比，确定直联式主轴为高精度数控卧式坐标镗床的主轴系统类型；从机床实际的加工工艺需求出发，计算得到不同加工方式下的最大切削力学参数，以此为基础完成主电机与主轴轴承的选型计算；根据主轴系统的功能与精度要求进行结构设计，从而完成精密直联式主轴的完整设计三样机的试制与应用验证表明，该直联式主轴的精度与性能水平达到设计要求三 关键词：直联式主轴；结构设计；坐标镗床 中图分类号：ＴＨ１３３ ３６一一文献标志码：Ｂ一一文章编号：１００１－３８８１（２０１８）１０－０２３－３ ＳｔｒｕｃｔｕｒｅＤｅｓｉｇｎｏｆＰｒｅｃｉｓｉｏｎＤｉｒｅｃｔ?ｃｏｎｎｅｃｔｅｄＳｐｉｎｄｌｅＳｙｓｔｅｍ ＷＡＮＧＺｉｑｉａｎｇ，ＬＩＵＪｉｊｉａｏ，ＣＨＥＮＺｈｏｎｇｌｉａｎｇ，ＣＵＮＨｕａｙｉｎｇ，ＬＩＪｉａｎｇｙａｎ （ＳｈｅｎｊｉＧｒｏｕｐＫｕｎｍｉｎｇＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌＣｏｍｐａｎｙＬｉｍｉｔｅｄ，ＫｕｎｍｉｎｇＹｕｎｎａｎ６５０２０３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｐｉｎｄｌｅｓｙｓｔｅｍｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄ；ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｄｉｒｅｃｔ?ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｓｐｉｎｄｌｅ ｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｔｏｂｅｕｓｅｄｉｎｈｉｇｈ?ｐｒｅｃｉｓｉｏｎＣＮＣｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｊｉｇｂｏｒｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｍａｃｈｉｎｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｍａｃｈｉｎｅｔｏｏｌｓ，ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｃｕｔｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｏｄｅｓ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｍａｉｎｍｏｔｏｒａｎｄｓｐｉｎｄｌｅｂｅａｒｉｎｇｓｗａｓｃｏｍｐｌｅｔｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄａｃｃｕｒａｃｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｄｅｓｉｇｎｅｄｓｐｉｎｄｌｅｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｃｏｍｐｌｅｔｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｉｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｄｉｒｅｃｔ?ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｓｐｉｎｄｌｅｓｙｓｔｅｍ ｃａｎｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｌｅｖｅｌｔｈｒｏｕｇｈｐｒｏｔｏｔｙｐｅｔｅｓｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｄｉｒｅｃｔ?ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｓｐｉｎｄｌｅ；Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎ；Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｂｏｒｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ 一一主轴系统是数控机床最主要的关键核心功能部件，对机床的加工精度和整体性能具有最直接的影响；其功能是实现刀具二砂轮或工件旋转，以去除材料的方式进行零件加工［１］三因此，在机床的实际设计中，选择合理的主轴结构和科学的设计方法，对提升机床性能二控制生产成本均有至关重要的意义三机床主轴系统的设计是一个复杂和繁琐的过程，下文将针对精密数控卧式坐标镗床的主轴系统，阐述作者在主轴系统设计中的具体思路三 １一主轴系统的类型与特点 数控卧式镗铣机床的主轴系统若以机械结构和主电机的联接形式进行划分，可分为４类：电机直联式二同步带式二齿轮式和电主轴［２］三直联式主轴通过联轴器将主轴末段与主电机输出轴直接相联，传动链短，结构简单，能够实现无间隙传动与电机功率扭矩的高效传递，具有机械效率高二回转精度高二刚性好及振动小的特点；但相应地，它对主电机及关键配件的性能水平二零件加工与装配精度要求均会提高三同 步带式主轴通过同步带传递电机和主轴之间的功率与扭矩，具有结构紧凑二装配简单二惯性小和响应快等优势，同时也均有同步带张紧力不易控制二低速时重切削能力差二主轴高速运转时振动与噪声相比于直联式主轴较大等缺点三齿轮式主轴是应用范围最广的传统主轴形式，在电机与主轴之间通过齿轮系传递功率和扭矩，能够传递极高的扭矩，具有优良的重切削性能；但主轴转速不易提升，高速时噪声较大三电主轴为电机与主轴融合的产物，实现了机电驱动的一体化，具有高转速二低振动二动态性能好及有利于产品模块化设计等优点；相对于其他类型的主轴，它对控制二润滑和冷却系统的要求较为严格，制造与维护成本较高，同时重切削能力表现较弱，因而通常用于有高转速高精度要求二机床规格不大的场合三 高精度数控卧式坐标镗床主要应用于具有高精度要求的孔二平面及复杂轮廓曲面的精加工，对加工精度及稳定性具有极高要求，转速适中，切削余量较小三在上述４种主轴系统中，直联式主轴最能契合其