数控铣床电主轴系统设计——开题

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”(Direct Drive Spindle)。

电主轴是一种智能型功能部件，具有转速高、功
率大、高速运行的可靠性和安全性等优点。

电动机内置于主轴部件后，不可避免的将会产生发热的问题，从而需要设计专门用于冷却电动机的油冷或水冷系统。

高频电动机要有变频器类的驱动器，以实现主轴转速的变换。

高速轴承有时要有专门的润滑装置。

另外为了保证高速回转部件的安全，还要有报警及停车用的传感器及其控制系统等一系列支持电主轴运转的外围设备和技术。

因此，“电主轴”的概念不应该简单的理解为只是一根主轴套筒，而是一个完整的、在机床数控系统监控下的子系统
总之，电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小及动态特性好和改善机床动平衡，避免振动和噪声等特点发展越来越快。

而高速电主轴单元技术的发展，可以带动高速进给、高性能道具、检测与控制等一系列相关技术的发展。

因此各工业国家都十分关注电主轴单元技术的研究与发展。

1.数控铣床简介
1.1.数控铣床组成
数控铣床的基本组成见图1.1，它由床身、立柱、主轴箱、工作台、滑鞍、滚珠丝杠、伺服电机、伺服装置、数控系统等组成。

床身用于支撑和连接机床各部件。

主轴箱用于安装主轴。

主轴下端的锥孔用于安装铣刀。

当主轴箱内的主轴电机驱动主轴旋转时，铣刀能够切削工件。

主轴箱还可沿立柱上的导轨在Z 向移动，使刀具上升或下降。

工作台用于安装工件或夹具。

工作台可沿滑鞍上的导轨在X 向移动，滑鞍可沿床身上的导轨在Y 向移动，从而实现工件在X和Y 向的移动。

无论是X、Y 向，还是Z 向的移动都是靠伺服电机驱动滚珠丝杠来实现的。

伺服装置用于驱动伺服电机。

控制器用于输入零件加工程序和控制机床工作状态。

控制电源用于向伺服装置和控制器供电。

图1.1 数控铣床的基本组成图
数控铣床的机械结构，除铣床基础部件外，由下列各部分组成：1.主传动系统；2.进给系统；3.实现工件回转、定位、的装置和附件；4.实现某些部件动作
和辅助功能的系统和装置，如液压、气动、润滑、冷却等系统和排屑、防护等装置；5.刀架或自动换刀装置（ATC）；6.自动托盘交换装置（APC）;7.特殊功能装置，如刀具破损监控、精度检测和监控装置；8.为完成自动化控制功能的各种反馈信号装置及元件。

1.2.数控铣床的工作原理
根据零件形状、尺寸、精度和表面粗糙度等技术要求制定加工工艺，选择加工参数。

通过手工编程或利用CAM 软件自动编程，将编好的加工程序输入到控制器。

控制器对加工程序处理后，向伺服装置传送指令。

伺服装置向伺服电机发出控制信号。

主轴电机使刀具旋转，X、Y 和Z向的伺服电机控制刀具和工件按一定的轨迹相对运动，从而实现工件的切削。

1.3数控铣床加工的特点
（1）用数控铣床加工零件，精度很稳定。

如果忽略刀具的磨损，用同一程序加工出的零件具有相同的精度。

（2）数控铣床尤其适合加工形状比较复杂的零件，如各种模具等。

（3）数控铣床自动化程度很高，生产率高，适合加工批量较大的零件。

1.4数控铣床加工的主要对象
（1）平面类零件
加工面平行或垂直与水平面，或加工面与水平面的夹角为定角的饿零件为平面类零件。

平面类零件一般只需用三坐标数控铣床的两坐标联动（即两轴半坐标联动）就可以加工出来。

（2）变斜角类零件
加工面与水平面夹角呈连续变化的零件称为变斜角零件。

此类零件的变斜角加工面不能展开为平面，最好采用四坐标、五坐标数控铣床摆角加工。

（3）曲面类零件
加工面为空间曲面的零件称为曲面类零件。

也不能展开为平面，一般采用球头刀在三轴数控铣床上加工。

2.电主轴概述
2.1电主轴的基本概念
加工中心是集机、电、液、气、计算机和信息控制等各种技术于一体的机电一体化的典型产品，最能体现高速、高效、超精、数字化及结构紧凑等当今最先进、最流行的技术水平。

它广泛应用于能源、交通、原材料、农机、军工、轻纺织机械、汽车、模具等各个工业部门的机械制造领域中，它的技术水平高速及其在金属切削机床产量和总拥有量中的百分比是衡量一个国家机械工业制造水平的重要标志。

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、油雾润滑装置、冷却装置、内置编码器、换刀装置。

高速主轴单元是高速机床最为关键的部件。

高速主轴单元的主要类型有电主轴、气动主轴、水动主轴等等。

主轴部件是加工中心的主要功能部件，是决定机床高速化和高精度的关键部分，始终是机床技术发展的基础。

随着电气传动技术（变频调速技术、电动机矢量控制等）的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主传动的机械结构已得到极大的简化，基本上取消了带轮传动和齿轮传动。

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，实现机床的“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，使主轴组件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可以做成“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等等。

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”(Direct Drive Spindle)。

电主轴是一种智能型功能部件，不但转速高、功率大、具有调速范围广、振动噪声小，而且便于控制、能实现定向准停、准速、准位等功能。

2.2电主轴单元关键技术
电主轴单元是一套组件，它是一项涉及电主轴本身及其附件的系统工程，其系统框图如图2.1。

电主轴单元所融合的技术主要包括以下几方面。

图2.1 系统框图
2.2.1高速精密轴承技术
实现电主轴高速化和精密化的关键是轴承的应用。

目前在大功率高速精密电主轴中应用的轴承主要是角接触陶瓷球轴承和液体东静压轴承。

空气轴承不时和于大功率场合，磁悬浮轴承由于价格昂贵、控制系统复杂，其实用性受到限制。

角接触球轴承是精密数控机床常用的主轴支撑。

由于滚球高速运转时会产生巨大的离心力和陀螺力矩，采用陶瓷球和钢质套圈混合轴承成为一种选择。

最常用的陶瓷球材料是43N Si 。

43N Si 陶瓷具有密度小、热膨胀系数小、弹性模量大和硬度高等优点。

用它作为高速主轴轴承的滚动元件，可大大减少滚球的离心力和陀螺力矩，从而使轴承获得高速度、低温升和长寿命的性能。

除混合轴承外，目前国内已开始在高速精密主轴上试验采用全陶瓷球轴承，其内外套圈、保持架和陶瓷球采用的材料有2ZrO 、43N Si 、32O Al 和聚四氟乙烯等。

陶瓷球的等静压成型和烧结是保证陶瓷球强度的基础，球的加工精度靠加工和检测来保证。

目前国内滚球的加工精度可达G5级以上。

对于全陶瓷球轴承，除陶瓷球外，陶瓷内外圈的精密加工也是关键，需要设计专门的工装固定内外圈坯件才能实现精密加工，内外沟道的加工精度的一致性也要靠恰当的工装和工序来保证。

尽管目前高速精密电主轴的支撑绝大部分为角接触陶瓷球轴承，但由于在极
限转速和大负载工况下滚动轴承的功能丧失很快，液体动静压轴承的研究一直为国内外电主轴企业及专家重视。

动静压轴承作为电主轴轴承的主要技术难点是实现高速化，对其关键技术的研究主要有：动静压轴承的层流、紊流流体惯性的计算算法研究；动静压轴承层油腔结构的研究；轴承温升及热变形控制技术的研究及润滑介质的研究等。

2.2.2高速精密电主轴的动态性能和热态性能设计
高速精密电主轴设计目标要求主轴刚度高、精度高、抗振性好、可靠性高。

传统的动力学分析常常将轴承刚度用假设的弹簧代替，利用有限元或传递矩阵法等数值计算方法计算主轴的各阶固有频率和振型，并在设计时使主轴的一阶固有频率高于设计的主轴最高转速所对应的频率。

该方法还能解释随着主轴速度升高，球轴承离心力变化导致主轴固有频率变化等动力学现象。

但该方法对球轴承刚度的非线性变化特点没有充分考虑。

根据电主轴的实际运行特点，有必要将“轴承——主轴——电动机——轴承座”作为一个系统进行动力学分析，同时充分考虑支承刚度非线性、主轴热扩散及热变形等热态性能对主轴动态性能的影响，并对整个电主轴进行动态优化设计，而轴承系统的动力学仿真是基础。

主轴动态性能设计的关键技术有：
⑴滚动接触界面的非线性刚度变化规律。

滚动轴承的支承刚度与运转速度之间、载荷与变形之间是非线性的关系，且由于有限个滚动体的存在、轴承元件接触表面的加工几何误差、轴承材料的弹性及外力的变化等，使得轴承的刚度成为时变函数。

在考虑定位预紧和定压预紧两种预紧方式、计算球与内外圈沟道接触载荷和接触角的基础上，计算每个球与内外圈沟道接触点的接触刚度，需要根据轴承内部变形的几何关系，提出合适的计算轴承径向刚度、轴向刚度和角刚度的方法。

⑵主轴的热变形和热扩散规律。

高速精密主轴单元各零件的刚度及精密都较高，主轴的弹性变形所引起的误差常常很小，而运动副间的摩擦发热和温升却不可避免。

在各类误差中，热变形引起的误差往往比其他误差更为突出。

高速旋转状态下，主轴多个支承轴承和电动机转子是电主轴多区段的主要热源，会直接导致主轴热变形，改变轴承的预紧状况，影响主轴的加工精度，严重时甚至会烧毁轴承，导致主轴损坏。

为了避免这种危害，对主轴热变形和热扩散的研究至关重要，而建立高速精密主轴多区段热扩散、热变形及主轴热变形与振动耦合规律的
数学模型，是主轴系统动力学分析的一个关键。

主轴热分析可在获得正确的主轴热传导系数后，采用有限元法进行研究，预测主轴热变形后引起的间隙变化对轴承及主轴部件性能的影响，并在主轴系统设计、制造、装配过程中做出补偿，防止主轴单元工作精度降低。

2.2.3高速电动机设计及驱动技术
电主轴是电动机与主轴结合在一起的产物，电动机的转子即为主轴的旋转部分，理论上可以把主轴看作一台高速电动机，其关键技术是高速运动的动平衡。

电主轴实现高速化存在的问题，从机械方面考虑主要是轴承发热和振动问题；从设计方面考虑主要是定转子功率密度和线圈发热问题；从驱动和控制角度考虑主要是调速性能问题。

异步型电主轴的主要优点在于结构简单、制造工艺相对成熟、驱动系统易于实现高速化，其不足之处在于转子发热严重、低速性能不好、转子参数受温度影响大，难于实现精密控制。

异步型电主轴功率容量大、转速提高时，常常需配备中心冷却系统以降低主轴升温，同时，在主轴结构设计时，对轴承采用恒压预紧方式，以克服主轴轴向热变形带来的影响。

对于同步型电主轴，其优点在于：
⑴转子不发热，从原理上避免了旋转轴热变形和向轴承散热等问题。

⑵转子无损耗，功率密度大，工作效率高，功率因数高，与同容量的异步
电动机相比，其驱动装置容量较小。

⑶体积和重量大为减小，转动惯量小，易于快速起动和准停。

⑷与同体积的异步电动机相比，其输出转矩大一倍以上。

⑸低速性能好。

⑹易于实现精密控制。

2.2.4高速电主轴的精密加工和精密装配技术
为了保证电主轴在高速运转时的回转精度和刚度，其关键零件必须进行精密加工或超精密加工。

主轴单元的精密加工件包括主轴、箱体、先后轴承座以及随主轴高速旋转的轴承隔圈和定位过盈套等。

主轴与轴承的配合面、主轴锥孔与刀柄的配合面、主轴拉刀孔的表面、主轴前后轴承德同轴度、主轴的径向圆跳动是必须保证的主要精度指标。

主轴单元的精密装配包括主轴与电动机转子、主轴与前后轴承、主轴与轴承隔圈和定位过盈套、主轴与刀具、轴系于轴承座、轴承座与壳体之间的精密装配。

精密装配要保证的主要两点是电主轴整体刚度和整体的
动平衡精度。

围绕精密加工和精密装配开发的工装和专用机床是高速精密电主轴核心技术的重要组成部分。

此外，高速主轴上旋转刀具的装配也是精密装配工艺需要考虑的因素。

2.2.5高速精密电主轴的润滑技术
电主轴的润滑一般采用定时定量的油气润滑，也可以采用脂润滑，但其相应的速度要大打折扣。

定时就是指每隔一定的时间间隔注一次油，定量是指通过一个叫做定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的注油量。

油气润滑，通常是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷球轴承。

油气润滑技术中，油亮控制显得十分重要，如果过少，起不到润滑作用；过多，又会在轴承高速旋转时因油的阻力而发热。

2.2.6高速精密电主轴的冷却技术
为了尽快使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，而冷却剂的温度通过冷却装置来保持。

2.3高速电主轴发展及现状
2.3.1高速电主轴技术的发展及现状
早在20世纪50年代，就已经出现了用于磨削小孔的高频电主轴，当时的变频器采用的是真空电子管，虽然转速高，但传递的功率小，转矩也小。

随着高速切削发展的需要和功率电子器件、微电子器件和计算机技术的发展，产生了全固态元件的变频器和矢量控制驱动器；加上混合陶瓷球轴承的出现，使得在20世纪80年代末、90年代初出现了用于铣削、钻削、加工中心及车削等加工的大功率、大转矩、高转速的电主轴。

国外高速电主轴技术发展较快，中等规格的加工中心的主轴转速目前己普遍达到10000r/min甚至更高。

1976年美国的Vought公司首次推出一台超高速铣床，采用了Bryant内装式电机主轴系统，最高转速达到了20,OOOr/min，功率为15KW。

到90年代末期，电主轴发展的水平是:转速40,000 r/min，功率40 KW(即所谓的“40-40水平”)。

但2001年美国Cincinnati公司为宇航工业生产了Super Mach大型高速加工中心，其电主轴最高转速达60,000 r/min，功率为80 KW。

目前世界各主要工业国家均有装备优良的专业电主轴生产厂，批量生产一系
列用于加工中心和高速数控机床的电主轴。

其中最著名的生产厂家有:瑞士的FISCHER公司、IBAG公司和STEP-TEC公司，德国的GMN公司和FAG公司，美国的PRECISE公司，意大利的GAMFIOR公司和FOEMAT公司，日本的NSK公司和KOYO 公司，以及瑞典的SKF公司等公司。

高速电主轴生产技术的突破，大大推动了世界高速加工技术的发展与应用。

从80年代中后期以来，商品化的超高速切削机床不断出现，超高速机床从单一的超高速铣床发展成为超高速车铣床、钻铣床乃至各种加工中心等。

德国、美国、瑞士、英国、法国、日本也相继推出了自己的超高速机床。

其中日本工业界善于汲取各国的研究成果并及时应用到新产品开发中去，尤其在超高速切削机床的研究和开发方面后来居上，现己跃居世界领先地位。

日本厂商现己成为世界上超高速机床的主要提供者。

在我国，也开始有厂家生产超高速机床。

中国机床工具行业近几年的快速发展，受到世界机床制造业界瞩目。

代表当今机床技术发展主流的数控机床，更是异军突起，国产数控机床在高速、多轴、复合、精密以及自动化等方面都取得了明显的进展。

尤其在数控机床的高速化和品种发展上进步明显。

在CIMT2003届展会的高速加工中心展品有30多台，占参展国产加工中心总数的30%。

在高速加工中心展品中，宁江机床集团公司的NJ-5HMC40卧式加工中心最高主轴转速达40000r /min，快速行程达60m/min。

在高精度产品中有北京机床研究所的高速立式加工中心，成都托普数控机床公司的PMC600高速立式加工中心，大连机床集团有限公司的DHSC500高速卧式加工中心，沈阳机床股份有限公司的BW60HS/1卧式加工中心等。

高速加工机床的涌现及超高速切削技术的发展，带动了相关技术及数控功能部件的专业化生产。

数控功能部件是指数控系统、主轴单元、数控刀架和转台、滚珠丝杠副和滚动直线导轨副、刀库和机械手、高速防护装置等。

它们是数控机床的核心组成部分。

主机技术水平的不断提高，要求配套的功能部件也必须迅速提高自身的水平。

功能部件技术水平的高低、性能的优劣以及整体的社会配套水平，都直接决定和影响着数控机床整机的技术水平和性能，也制约着主机的发展速度。

没有高质量的功能部件，数控机床的迅速发展也将成为一句空话。

国产电主轴技术水平的高低必然影响产品在主机上的应用。

我国数控机床的发展历程充分证明，数控功能部件产业发展的滞后，始终是制约我国数控机床发展的瓶颈问题之一。

功能部件跟不上，发展数控机床将成为空话。

我国数控机床整体技术水平的发展和提高，最终离不开先进的功能部件产业的支持。

我们要抓
住目前的黄金发展机遇，学习国外同行的先进技术，探索国际合作途径，共同为做大做强数控功能部件产业，为国产数控机床的发展而努力奋斗。

2.3.2主轴单元结构形式研究的发展
从电主轴的结构形式来看，早期主轴单元的结构比较简单，主轴仅由套轴向预紧面对面配置的320C 系列圆锥滚子轴承支承。

圆锥滚子轴承具承受较大轴向和径向联合载荷的能力，径向和轴向刚度高，主轴单元具良好的动力学特性。

由于这种主轴单元的速度性能受到限制，在高速场很少采用，其mn d 值一般小于6106.0⨯。

SKF 公司于1955年所提出的著名的主轴单元，其径向载荷靠NN30K 系双列圆柱滚子轴承支承，轴向载荷靠轴向预紧的2844系列双向推力角接球轴承承受和轴向定位。

这种主轴单元刚性好，但由于双向推力角接触球轴承的摩擦力矩和接触角较大，其速度性能受到了限制，mn d 值一般小于6
106.0⨯。

为了改善主轴速度性能，上个世纪八十年代又出现了一种主轴单元：它的工作端用三套主轴轴承代替双列圆柱滚子轴承和双向推力角接触球轴承，mn d 值可达到6
108.1⨯。

近年来，为适应机床提高生产效率和加工精度的需要，进一步改善主轴单元的结构，如在传动端用双联配置的主轴轴承代替双列圆柱滚子轴承进一步提高速度性能，工作端可以采用双联、三联甚至四联配置的主轴轴承以适应不同的刚度性能要求，采用定位和定压预紧以及定压和定位预紧转换，以适应主轴单元不同的速度和刚性要求，mn d 值可达到6105.2⨯。

根据主电动机与主轴轴承相对位置的不同，高速电主轴单元主要有两种结构布局设计方式：
（l ）主电机置于主轴前、后轴承之间。

它采用两支承结构，前轴承比后轴承尺寸大，均分别用串联安装方式，前后支承受力方式为外撑式。

后支承选用小尺寸轴承，虽然会降低速度回数值，这对主轴整体刚性影响不大，但它改变了工作条件，对保持整个轴系的使用寿命十分有利。

这种结构的优点是主轴单元的轴向尺寸较短，主轴刚度大，输出功率大，较适合大中型高速机床。

（2）主电动机置于主轴后轴承之后，即主轴箱和主电机作轴向的同轴布置，这种方式减少了电主轴前端的悬伸量，电机的散热条件较好，但整个电主轴单元的出力较小，轴向尺寸大，常用于小型高速机床。