数控铣床电主轴系统设计说明书

目录

引言 (1)

1.数控铣床简介 (3)

1.1.数控铣床组成 (3)

1.2.数控铣床的工作原理 (4)

1.3数控铣床加工的特点 (4)

1.4数控铣床加工的主要对象 (4)

2.电主轴概述 (5)

2.1电主轴的基本概念 (5)

2.2电主轴单元关键技术 (6)

2.2.1高速精密轴承技术 (6)

2.2.2高速精密电主轴的动态性能和热态性能设计 (7)

2.2.3高速电动机设计及驱动技术 (8)

2.2.4高速电主轴的精密加工和精密装配技术 (8)

2.2.5高速精密电主轴的润滑技术 (9)

2.2.6高速精密电主轴的冷却技术 (9)

2.3高速电主轴发展及现状 (9)

2.3.1高速电主轴技术的发展及现状 (9)

2.3.2主轴单元结构形式研究的发展 (11)

2.4电主轴对高速加工技术及现代数控机床发展的意义 (12)

2.5内装式电主轴系统的研究 (13)

3.电主轴工作原理及结构 (16)

3.1电主轴的基本结构 (16)

3.1.1轴壳 (16)

3.1.2转轴 (16)

3.1.3轴承 (17)

3.1.4定子及转子 (17)

3.2电主轴的工作原理 (17)

3.3电主轴的基本参数 (19)

3.3.1电主轴的型号 (19)

3.3.2转速 (19)

3.3.3输出功率 (19)

3.3.4 输出转矩 (19)

3.3.5电主轴转矩和转速、功率的关系 (20)

3.3.6 恒转速调速 (20)

3.3.7 恒功率调速 (20)

3.3.8 轴承中径 (20)

3.4自动换刀装置 (21)

4. 电主轴结构设计 (22)

4.1主轴的设计 (22)

4.1.1.铣削力的计算 (22)

4.1.2 主轴当量直径的计算 (23)

4.2高速电主轴单元结构参数静态估算 (23)

4.2.1 高速电主轴单元结构静态估算的内容及目的 (23)

4.2.2轴承的选择和基本参数 (23)

4.3轴承的预紧 (24)

4.4主轴轴承静刚度的计算 (24)

4.4.1 主轴单元主要结构参数确定及刚度验算 (26)

4.4.2主轴单元主要结构参数确定 (27)

4.4.3主轴强度的校核 (32)

4.4.4主轴刚度的校核 (34)

4.4.5主轴的精密制造 (35)

4.5主轴电机 (36)

4.5.1电机选型 (36)

4.6主轴轴承 (37)

4.6.1轴承简介 (37)

4.6.2陶瓷球轴承 (38)

4.6.3陶瓷球轴承的典型结构 (40)

4.7主轴轴承精度对主轴前端精度影响 (40)

4.8拉刀机构设计 (41)

4.8.1刀具接口 (41)

4.8.2拉刀杆尺寸设计 (42)

4.8.3夹具体结构尺寸设计 (43)

4.8.4 松、拉刀位移的确定 (45)

4.8.5碟型弹簧的设计及计算 (46)

4.9HSK工具系统结构特点分析 (48)

4.10HSK工具系统的静态刚度 (52)

4.10.1 HSK工具系统的变形转角及极限弯矩 (52)

5.电主轴的润滑及冷却 (55)

5.1润滑介绍 (55)

5.1.1润滑的作用和目的 (55)

5.1.2 电主轴润滑的主要类型 (55)

5.1.3 油气润滑的原理和优点 (57)

5.2电主轴的冷却 (58)

5.2.1电主轴的热源分析 (58)

5.2.2电主轴的冷却方法 (59)

5.3电主轴的防尘和密封 (60)

6.电主轴的驱动和控制 (61)

6.1恒转矩变频驱动和参数设置 (61)

6.2恒功率变频驱动和参数设置 (62)

6.3矢量控制驱动器的驱动和控制 (64)

6.4普通变频器原理 (65)

6.5本设计采用的变频器原理 (67)

6.6主轴准停 (69)

6.6.1主轴的准停功能 (69)

6.6.2主轴准停的工作原理 (69)

6.6.3主轴准停控制方法 (70)

7．主轴动平衡 (72)

7.1动平衡介绍 (72)

7.2动平衡设计 (73)

总结 (75)

致谢 (76)

参考文献 (77)

引言

高速机床是实现高速切削加工的前提和条件。高速数控机床是装备制造业的技术基础和发展方向之一，是装备制造业的战略性产业。高速数控机床的工作性能，首先取决于高速主轴的性能。高速铣床上的电主轴系统多采用高速电主轴。高速电主轴是由内装式交流变频伺服电机直接驱动，机床主轴转速高，功率大，结构简单，在高转速下可保持良好的动平衡！

数控铣床高速主轴单元包括主轴动力源、主轴、轴承和机架等几个部分，它影响加工系统的精度、稳定性及应用范围，其动力学性能及稳定性对高速加工起着关键的作用。高速高精度主轴单元系统，应该具有刚性好、回转精度高、运转时温升小、稳定性好、功耗低、寿命长、可靠性高等优点，同时，制造及操作成本也要中。要满足这些要求，主轴的制造及动平衡、主轴的支撑、主轴系统的润滑和冷却、主轴系统的刚性等是很重要的。

高速主轴单元的类型主要有电主轴、气动主轴、水动主轴等。不同类型的高速主轴单元输出功率相差较大。高速加工机床主轴要求在极短的时间内实现升降速，并在指定位置快速准停。这就需要主轴有较高的角减速度和角加速度。如果通过传动带等中间环节，不仅会在高速状态下打滑，产生振动和噪声，而且增加转动惯量，给机床快速准、停造成困难！

电主轴是一种新型的机械结构形式。是一种主轴电机一体化的主轴单元，即所谓的内装式电机主轴。它采用无外壳电机，将带有冷却套的电机定子装配在主轴单元的壳体内，转子和机床主轴旋转部分做成一体，主轴的变速范围完全由交流电机控制。这种结构大大简化了主传动的机械结构，取消了带传动和齿轮传动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机械的“零传动”。这种主轴电动机和主机主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴组件从主机的传动系统和整体结构中相对独立出来，可以做成“主轴单元”，通常称为“电主轴”。其英文的称谓有多种，比如Electro-spindle、Motor Spindle和Motorized Spindle。它是随着电气传动技术 (变频调速技术、电动机矢量控制技术等)的迅速发展而日趋完善。由于电主轴主要采用交流高频电动机，也称为“高频主轴”(High Frequency Spindle)。由于没有中间传动环节，有时称为“直接传动主轴”