电主轴

试从制造技术的发展历史、现状和趋势等方面说明电主轴、直线电机、力矩电机、滚珠丝杠的工作原理和应用范围。

电主轴：

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, 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( n = 60f / P) 。电主轴就是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。改变电主轴输入电流的相序, 便可改变电主轴的旋转方向。

应用范围：电主轴已应用于高速精密磨削，铣削、雕刻和难加工材料的微小孔钻削及抛光等。在食品工业的固体饮料，染化行业的染料，医药工业的药品等粉状和粒状物质均需用高速离心干燥技术来生产,而高速离心干燥设备也需要高速电主轴。高速拉伸电主轴的应用也促进了我国有色管材精密冷成型技术的发展。高精度硅片切割机用电主轴,促进了电子工业的设备更新和进步。还可利用高速电主轴的优良性能,还可以开发多种高性能试验机。

发展历史： 20世纪60年代, 主要用于零件内表面磨削, 这种电主轴的功率低, 刚度小；

到80年代, 随着高速主轴轴承的开发成功，高速电主轴也产生, 广泛应用于各种内圆磨床和各个机械制造领域；在90年代以后由磨用电主轴转向铣用电主轴, 它不仅能加工各种形体复杂的模具，而且开发了用于木工机械用的风冷式高速铁用电主轴, 推动了高速电主轴在铁削中的应用。并逐渐将电主轴技术应用于加工中心，数控铣床等高档数控机床。

发展现状：目前国内生产的磨削用电主轴的转速在15O00Or/min以内。加工中心用电主轴的转速最高3000Or/m in，转矩达2OONm 的加工中心用电主轴转速只有4000r/min。车削用电主轴最高转速可达12000r/min，最大功率只有llkw。我国生产的电主轴主要以油脂润滑和油雾润滑为主.

国外的电主轴有美国福特公司和Ingersoll公司联合推出的HVM8OO卧式加工中心的大功率电主轴最高转速达150O0r/min,由静止升至最高转速仅需15s。瑞士IBAG公司提供的电主轴已经系列化、标准化,电主轴最大转速可达140000r/min,直径范围33到300mm, 功率范围125W 至80KW, 扭矩范围0.02一300Nm。日本三井精机公司生产的HT3A卧式加工中心,采用陶瓷轴承支承的电主轴, 主轴转速达40000r/min。在润滑方面，国外许多公司的产品普遍采用先进的油气润滑技术。

发展趋势：主要着重发展研究大功率、大扭矩、调速范围宽、能实现快速制启动、准确定位、自动对刀等数字化高标准电主轴。

直线电机：

工作原理：直线电动机是一种将电能直接转换成直线运动机械能的电力传动装置。直线电动机的工作原理是定子绕组与交流电源相连接，通以多相交流电流后，在气隙中产生一个平稳的行波磁场（当旋转磁场半径很大时，就成了直线运动的行波磁场）。该磁场沿气隙作直线运动，同时，在动子导体中感应出电动势，并产生电流，这个电流与行波磁场相互作用产生异步推动力，使动子沿行波方向作直线运动。若把直线电动机定子绕组中电源相序改变一下，则行波磁场移动方向也会反过来，根据这一原理，可使直线电动机作往复直线运动。

应用范围：直线异步电动机主要用于功率较大场合的直线运动机构，如门自动开闭装置，起吊、传递和升降的机械设备，驱动车辆，尤其是用于高速和超速运输等。由于直线电机的牵引力或推动力可直接产生，不需要中间连动部分，没有摩擦、无噪声、无转子发热、不受离心力影响等，可应用于数控绘图仪、记录仪、数控制图机、数控裁剪机、磁盘存储器、精密定位机构等设备中。

发展历史：直线电机的研究始于19世纪末与20世纪初，但未获得成功。直至20世纪50年代中期，控制、材料技术的飞速发展和新型控制元器件的不断出现为直线电机的广泛应用打开方便之门。1965年Laithwaite提出直线电机设计准则（通常是效率和功率等性能参数）品质因数G，后来Boldia提出最佳品质因数的概念，设计中采取各种措施来降低端部效应的影响。直线电机用于机床的进给传动中，是1993年德国Excell-O公司生产的XHC-240型高速加工中心是世界上最早使用直线电机驱动的机床，其3个坐标方向上都采用了交流感应式直线电机。

发展现状：目前直线电机的设计研究主要是在引入各种数值算法和优化算法对直线电机进行计算机辅助优化设计。现在，直线电机在车床、铣床、磨床、加工中心、电加工机床、压力机、激光加工机床、雕刻机等加工设备上都获得应用，如：意大利Samputensili公司生产的RSB18CNC八轴数控剃齿刀磨床的工件头架滑板采用直线电机驱动，其最高冲程次数可达70次/min；德国Deckel Maha公司生产的铣床、日本三井精机公司生产的高速工具磨床、澳大利亚Kirby Engineering公司生产的珩磨机、美国Cincinnati Shaper公司生产的CL-7型高速二氧化碳激光切割机床等都采用直线电机驱动。

发展趋势：随着工厂自动化、精细加工及办公机械的快速发展，对移动机构的定位、执行元件的性能及控制技术日益严格的要求，在新技术新材料发展的推动下，直线电机将在一些场合去的显著的进步。直线电机的发展趋势是：一、利用计算机提高直线电机的控制精度，在电机控制系统中广泛采用工控机、多CPU处理系统，控制方式将由模拟方式转化为数字方式；二、依据新原理研制新型直线电机，如直线振荡电机，利用复合弹性材料CFRP研制新型超声直线电机。

力矩电机：

工作原理：力矩电机的轴不是以恒功率输出动力而是以恒力矩输出动力。当负载增加时，电动机的转速能自动的随之降低，而输出力矩增加，保持与负载平衡。当负载转矩为一定值时改变电机端电压便可调速，为方便调速，在电机轴上加一测速装置，配上控制器。利用测速装置输出的电压和控制器给定的电压相比，来自动调节电机的端电压，使电机稳定。

适用范围：在纺织、造纸、橡胶、塑料、金属线材和电线电缆等工业装备中广泛应用，因为在生产中需要将产品卷绕在卷筒（盘）上，卷绕的直径从开始至结束是越卷越大，为保持被卷物张力均匀（即线速度不变），就要求卷筒转速越卷越小，卷绕力越卷越大。故在这些工业生产中适用力矩电机。

滚珠丝杠：

工作原理：滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的部件。在滚珠丝杠中，丝杠和螺母上加工有弧形螺旋槽，当它们套装在一起时便形成螺母滚道，并在滚道内装满滚珠。滚珠沿滚道滚动，并经回珠管做周而复始的循环运动，将丝杠与螺母副的摩擦变为滚动摩擦，改善摩擦条件。

适用范围：一、精密工具机：铣床，磨床，刀具磨床，齿轮加工机，钻床，刨床，车铣复合机；二、产业机械：印刷机，造纸机，自动化机械，纺织机，绘图机，射出成型机，专用机；三、电子机械：量测仪器，X-Y平台，医学设备，工厂自动化设备，PCB钻孔机，IC封装机，半导体设备，工厂自动化设备等；四、输送机械：RobortStage，材料搬送设备，核能反映器，高度制动器等；五、航太工业：飞机襟翼，机场负载设备，尾翼制动器等；六、其他：如天线使用的制动器，阀门开关装置，太阳能板伸缩机构，电子显微镜对焦机构等。