数控电主轴分析报告项目设计说明书

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1、磨 床 电 主 轴 的 分 析项 目 设 计 说 明 书设 计 题 目 ： 电 主 轴 控 制 方 式 的 分 析指 导 教 师 ： 吴 涛姓 名 ： 莫 智 斌 、 李 俊 颖 、 陈 威 虒汕 头 大 学机 电 工 程 系年 月 日磨 床 电 主 轴一 、 电 主 轴 的 简 介高 速 数 控 机 床 （ CNC） 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 。 数控 机 床 高 速 电 主 轴 单 元 影 响 加

2、 工 系 统 的 精 度 、 稳 定 性 及 应 用 范 围 ， 其 动 力 性 能 及稳 定 性 对 高 速 加 工 起 着 关 键 的 作 用 。目 前 ， 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 和 日 趋 完 善 ， 高 速 数 控 机 床 主 传 动 系 统 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

3、， 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)。 由 于 当 前 电 主 轴 主 要 采 用 的 是 交 流 高 频 电 动 机 ， 故 也 称 为 “ 高 频主 轴 ” （ High FrequencySpindle)。 由 于 没 有 中 间 传

4、动 环 节 ， 有 时 又 称 它 为 “ 直接 传 动 主 轴 ” （ Direct Drive Spindle)。电 主 轴 的 优 点电 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 。产 品 特 性高 转 速 、 高 精 度 、 低

5、 噪 音 、 内 圈 带 锁 口 的 结 构 更 适 合 喷 雾 润 滑 。主 要 用 途数 控 机 床 机 电 设 备 微 型 电 机 压 力 转 子二 、 电 主 轴 的 结 构电 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 。 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 。 主 轴 的 变 速 由 主 轴 驱 动 模 块 控 制 ，而 主 轴

6、单 元 内 的 温 升 由 冷 却 装 置 限 制 。 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 。二 、 70iHSHB1400207R磨 床 用 稀 土 永 磁 同 步 电 主 轴稀 土 永 磁 同 步 电 机 及 电 主 轴 技 术 的 应 用 ， 改 变 了 磨 床 砂 轮 架 的 形 态 ， 体 积 变小 、 拖 动 传 动 变 为 直 驱 ， 机 床 机 械 结 构 变 得 更 简 单 实 用 。 可 在 有 限 空 间 内 使 机 械刚 性 更 高 ， 再 有 稀 土 永 磁 同 步 电

7、机 技 术 先 天 的 高 电 气 刚 性 、 高 响 应 性 ， 使 得 在 相同 工 艺 条 件 、 在 确 保 加 工 质 量 的 前 提 下 ， 外 圆 磨 加 工 效 率 提 高 3 0 %以 上 ， 搓 丝 板磨 床 加 工 效 率 提 高 4 0 %以 上 ， 轴 承 磨 加 工 效 率 提 高 3 0 %以 上 。产 品 的 特 性 ：1 、 传 动 误 差 小 。 机 床 主 传 动 链 长 度 为 零 ， 电 机 对 主 轴 实 现 直 接 驱 动 ， 无 任何 传 动 误 差 ， 主 轴 振 动 明 显 变 小 ， 工 件 表 面 光 洁 度 得 以 明 显 提 高 。2

8、 、 功 率 比 大 、 恒 转 矩 范 围 宽 ， 高 响 应 速 度 。 电 机 为 稀 土 永 磁 同 步 电 机 ， 具有 极 高 的 功 率 密 度 和 转 矩 密 度 。 与 异 步 电 机 相 比 ， 响 应 速 度 极 高 ， 该 电 机 的 功 率密 度 大 、 恒 转 矩 范 围 宽 ， 同 体 积 下 ， 大 于 异 步 电 机 一 个 功 率 等 级 。3 、 内 置 直 驱 结 构 设 计 、 功 率 配 置 灵 活 。 电 机 处 于 主 轴 后 部 ， 电 机 的 功 率 与主 轴 粗 细 和 长 短 可 任 意 搭 配 ， 构 成 极 其 灵 活 ， 可 满 足

9、 各 种 主 轴 径 向 空 间 限 制 场 合的 应 用 。4 、 调 速 范 围 宽 。 电 机 可 以 实 现 极 宽 的 调 速 范 围 ， 零 速 到 最 高 转 速 之 间 均 可实 现 无 级 调 速 。5 、 生 产 率 高 。 电 机 具 有 极 佳 的 低 速 硬 特 性 ， 在 轴 承 刚 性 和 刀 具 硬 度 许 可 下 ，可 进 行 硬 金 属 、 低 速 大 吃 刀 量 切 削 ， 高 速 小 吃 刀 量 精 密 切 削 ， 生 产 效 率 极 大 提 高 。6 、 伺 服 性 强 。 配 合 专 用 驱 动 器 ， 可 以 实 现 数 字 式 伺 服 主 轴 的

10、 所 有 功 能 ， 如 ：定 位 、 运 动 控 制 等 等 。7 、 起 动 性 能 好 、 力 距 大 、 效 率 高8 、 结 构 可 靠 ， 密 封 性 能 优 良 ， 精 度 高 ， 使 用 受 命 长9 、 噪 音 底 ， 振 动 小 ， 动 转 平 稳1 0 、 高 速 内 圆 磨 加 工 ， 表 面 糙 度 可 达 到 Ra0 .2 0 .4 um适 合 于 各 类 金 属 、 非 金 属 零 件 内 孔 高 速 、 高 精 度 磨 削 加 工三 、 电 主 轴 的 控 制 方 式1、 电 主 轴 启 动 （ 驱 动 ） 方 式 :电 主 轴 电 机 采 用 交 流 异 步

11、感 应 电 动 机 ， 启 动 时 要 从 静 止 迅 速 升 速 至 每分 钟 数 万 转 乃 至 数 十 万 转 ， 启 动 转 矩 大 ， 启 动 电 流 要 超 出 普 通 电 机 额 定 电 流的 57倍 。驱 动 方 式 有 变 频 器 驱 动 和 矢 量 控 制 驱 动 器 驱 动 两 种 ：（ 1） 、 变 频 器 的 驱 动 控 制 特 性 为 恒 转 矩 驱 动 ， 输 出 功 率 与 转 矩 成 正 比 。 机床 最 新 的 变 频 器 采 用 先 进 的 晶 体 管 技 术 ， 可 实 现 主 轴 的 无 级 变 速 。（ 2） 、 矢 量 控 制 驱 动 器 的 驱

12、动 控 制 为 在 低 速 端 为 恒 转 矩 驱 动 ， 在 中 、 高 速端 为 恒 功 率 驱 动 。2、 电 主 轴 的 转 速 ， 转 矩 控 制 方 式在 数 控 机 床 中 ， 电 主 轴 通 常 采 用 变 频 调 速 方 法 。 目 前 主 要 有 普 通 变 频 驱 动 和控 制 、 矢 量 控 制 驱 动 器 的 驱 动 和 控 制 以 及 直 接 转 矩 控 制 三 种 控 制 方 式 。普 通 变 频 为 标 量 驱 动 和 控 制 ， 其 驱 动 控 制 特 性 为 恒 转 矩 驱 动 ， 输 出 功 率 和 转速 成 正 比 。 普 通 变 频 控 制 的 动 态

13、 性 能 不 够 理 想 ， 在 低 速 时 控 制 性 能 不 佳 ， 输 出 功率 不 够 稳 定 ， 也 不 具 备 C轴 功 能 。 但 价 格 便 宜 、 结 构 简 单 ， 一 般 用 于 磨 床 和 普 通的 高 速 铣 床 等 。矢 量 控 制 技 术 模 仿 直 流 电 动 机 的 控 制 ， 以 转 子 磁 场 定 向 ， 用 矢 量 变 换 的 方 法来 实 现 驱 动 和 控 制 ， 具 有 良 好 的 动 态 性 能 。 矢 量 控 制 驱 动 器 在 刚 启 动 时 具 有 很 大的 转 矩 值 ， 加 之 电 主 轴 本 身 结 构 简 单 ， 惯 性 很 小 ，

14、 故 启 动 加 速 度 大 ， 可 以 实 现 启动 后 瞬 时 达 到 允 许 极 限 速 度 。 这 种 驱 动 器 又 有 开 环 和 闭 环 两 种 ， 后 者 可 以 实 现 位置 和 速 度 的 反 馈 ， 不 仅 具 有 更 好 的 动 态 性 能 ， 还 可 以 实 现 C轴 功 能 ； 而 前 者 动 态性 能 稍 差 ， 也 不 具 备 C轴 功 能 ， 但 价 格 较 为 便 宜 。直 接 转 矩 控 制 是 继 矢 量 控 制 技 术 之 后 发 展 起 来 的 又 一 种 新 型 的 高 性 能 交 流调 速 技 术 ， 其 控 制 思 想 新 颖 ， 系 统 结

15、构 简 洁 明 了 ， 更 适 合 于 高 速 电 主 轴 的 驱 动 ，更 能 满 足 高 速 电 主 轴 高 转 速 、 宽 调 速 范 围 、 高 速 瞬 间 准 停 的 动 态 特 性 和 静 态 特 性的 要 求 ， 已 成 为 交 流 传 动 领 域 的 一 个 热 点 技 术 。1、 变 频 器 变 频 控 制 U/f 启 动V/f控 制 是 在 改 变 频 率 的 同 时 控 制 变 频 器 的 输 出 电 压 ， 使 电 动 机 磁 通 保 持 一定 ， 在 较 宽 的 范 围 内 ， 电 机 的 效 率 ,功 率 因 素 不 下 降 。 有 良 好 地 静 态 性 能 指

16、标 ，但 是 在 动 态 加 工 过 程 中 却 不 能 获 得 良 好 地 动 态 响 应 。V/f 控 制 是 在 改 变 频 率 的 同 时 控 制 变 频 器 的 输 出 电 压 ， 使 电 动 机 磁 通 保 持 一定 ， 在 较 宽 的 范 围 内 ， 电 机 的 效 率 ,功 率 因 素 不 下 降 ， 若 气 隙 磁 通 相 对 应 的 感 应电 动 势 与 供 电 电 源 的 频 率 之 比 恒 定 ， 则 可 保 证 气 隙 磁 通 的 恒 定 。 但 是 ， 实 际 感 应电 动 势 难 于 直 接 控 制 ， 当 定 子 电 源 频 率 较 高 时 ， 感 应 电 动 势 的 值 较 大 ， 可 以 忽 略定 子 阻 抗 压 降 ， 认 为 但 是 当 定 子 电 源 频 率 较 少 时 ， 定 子 阻 抗 压 降 在 端 电 压 中 所 占的 分 量 将 不 可 忽 视 。需 要 探 究 低 频 时 高 速 电 主 轴 的 主 轴 磁 通 与 负 载 特 性 之 间 的 内 在 关 系 ， 找