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1、重庆大学本科学生毕业设计（论文）高速电主轴传递矩阵法研究学 生：学 号：指导教师： 专 业：机械设计制造及其自动化重庆大学机械工程学院二O一四年六月Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityResearch on high-speed spindle with transfer matrix methodUndergraduate: Supervisor: Major: Mechanical Design, Manufacturing & AutomationCollege of Mechanical EngineeringChongqi
2、ng UniversityJune 2014重庆大学本科学生毕业设计（论文） 中文摘要摘 要这篇文章的主要目的是为了利用传递矩阵法对高速电主轴进行静态特性分析。文章首先介绍了高速电主轴的结构特征，分析了电主轴在国内外的研究现状和它的运用情况。通过了解高速电主轴对数控机床加工和金属切削技术的影响，提出了高速电主轴在未来发展过程中进一步的研究方向。简单介绍了高速电主轴的研究方法，并用传递矩阵法对高速电主轴的静态特性进行了深入的分析计算。利用传递矩阵法原理，对高速电主轴进行了模型简化，通过典型单元的传递矩阵分析计算得出电主轴左右端面整体的传递矩阵。并且根据实际的加工制造过程中，电主轴可能受到的影响因
3、素，结合电机转子和电主轴的转子电流与气隙磁场之间的相互作用产生的不可忽略的作用于电机转子的电磁转矩，对典型单元的传递矩阵进行了修改，使得电主轴的传递矩阵更加精确。然后利用修改后的电主轴整体传递矩阵对6 000r/min的电主轴进行了实例验证，得出了电主轴的固有频率以及电主轴在固有频率下的响应曲线，最后对偏心状态下的高速电主轴进行了机电动力学分析，从而更为准确的得出了高速电主轴的静态特性，促进了对高速电主轴更加深入的学习和研究。关键字：高速电主轴，传递矩阵法，静态特性，固有频率，Matlab重庆大学本科学生毕业设计（论文） ABSTRACTABSTRACTThe main purpose of
4、this article is to make use of the transfer matrix method to analys the static characteristics of high-speed electric spindles. First of all, this article introduces the structure of the high-speed spindle, spindle analyzed in the research status and its use cases . By understanding the impact of hi
5、gh-speed spindle for CNC machining and metal cutting technology, this artcle proposes new direction for high-speed spindles further research in the future development process. A brief introduction to research methods of high-speed spindle and use the transfer matrix method for static characteristics
6、 of high-speed spindle conducted in-depth analysis and calculation . Using the transfer matrix method, the principle of high-speed spindle simplified model to analyze the typical unit is calculated by the transfer matrix derived spindle end face about the overall transfer matrix . And according to t
7、he actual manufacturing process, the spindle may be factors , combined with a non-negligible role in the interaction between the rotor current and rotor magnetic gap between the spindle and the resulting electromagnetic torque of the motor rotor , for a typical unit transfer matrix has been modified
8、 so that the electric spindle transfer matrix more precise. Then use the modified spindle transfer matrix of the overall electric spindle 6000r/min instance validation , and eventually come to a natural frequency spindle motor spindle response curve at the natural frequency of the static characteris
9、tics of high-speed electric spindles were a more accurate analysis , promoted to high-speed spindle more in-depth study and research .Key words：High-speed spindles，Transfer Matrix Method，Static characteristics，Natural frequency，Matlab重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目录目 录中文摘要ABSTRACT1绪论1 1.1 引言1 1.2 本课题研究的背景和意义1 1.
10、2.1 本课题研究的背景11.2.2 本课题研究的意义41.3 高速电主轴的结构、现状和发展趋势4 1.3.1 高速电主轴的结构4 1.3.2 高速电主轴的现状5 1.3.3 高速电主轴的发展趋势91.4 高速电主轴的研究方法111.5课题任务、重点研究内容、实现途径112电主轴静力学分析的传递矩阵法12 2.1 传递矩阵法122.2 模型简化122.3 典型单元的传递矩阵132.4 典型单元传递矩阵的修改143修改后传递矩阵的实例验证174高速电主轴偏心状态的机电动力学分析204.1 偏心电主轴电磁场的力学分析204.2 偏心电主轴的机电动力学分析224.2.1 模型简化224.2.2 典型
11、单元的传递矩阵23 4.3偏心电主轴的机电动力学分析25 4.4电磁力激发的振动275结论296致谢30 参考文献31III重庆大学本科学生毕业设计（论文） 高速电主轴传递矩阵法1 绪论1.1 引言高速电主轴是高速机床的核心部件1，它将机床主轴与电机轴合二为一，即将主轴电机的定子、转子直接装入主轴组件的内部，也被称为内装式电主轴 (Built-in Motor Spindle)，其间不再使用皮带或齿轮传动副，从而实现机床主轴系统的“零传动”，。高速电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等优点，并改善了机床的动平衡，避免振动和噪声，在超高速机床中得到了广泛的应用2。它按应用于不同机床中分
12、为：钻铣主轴、加工中心主轴、雕刻机主轴、磨床用电主轴等。随着高速加工技术的迅猛发展和广泛应用，各工业部门特别是航天、航空、汽车、摩托车和模具加工等行业，对高速度、高精度数控机床的需求与日俱增。这迫切需要开发出更加优质的高速电主轴。1.2 本课题研究的背景和意义1.2.1 本课题研究的背景商品经济的发展促使消费者的需求越来越多样化，市场竞争也越来越激烈，这就要求生产者降低成本、缩短产品开发周期和提高生产率。传统的普通加工设备难以满足这些要求，各种具有高生产率和高灵活性的加工体系逐渐出现并发展起来。高速加工3 (HSM或称高速切削(HSC) )以其良好的加工性能获得越来越多的关注。到20世纪末，高
13、速加工已成为国际机械制造业最热门的研究课题之一。机械加工技术的研究和发展，在以前的几十年里，主要精力集中在减少加工过程的辅助时间上4。在数控机床出现以前，机械零件加工过程所花的时间，超过70%是辅助时间用于零件的上下料、测量、换刀和调整机床等。以数控机床为基础的柔性制造自动化技术的发展与应用，大大降低了零件加工的辅助时间，极大地提高了生产率5。可以说，以数控机床为基础的加工自动化技术，是现代制造技术中最为辉煌的成就之一，它的发展和应用是现代制造技术发展史上一块具有革命性意义的里程碑。从提高生产率的角度看，机床和生产过程自动化的实质，归根到底，是以加快空行程动作的速度和提高零件生产过程的连续性，
14、从而缩短辅助工时为目的的一种技术手段。但是辅助动作速度的提高是有一定限度的。例如目前加工中心自动换刀时间已缩短到1s，快速空行程速度已提高到3060 m/min，再提高空程速度不但技术上有困难，经济上不合算，而且对提高机床生产率的意义不大。随着加工零件的辅助时间大幅度降低，在机械零件加工的总工时中，切削所占的时间比例就变得越来越大。矛盾的主要方面已经转向切削工时方面。只有大幅度地降低切削工时，才有可能在提高机床生产率方面出现又一次新的飞跃6。降低切削工时就意味着要提高切削速度，包括提高主轴转速和进给速度。解决高速切削面临的问题，关键是依靠高速切削机理研究的突破。高速切削的起源可以追溯到20世纪20年代末期7。德国的切削物理学家萨洛蒙(Carl Salomon)博士于1929年进行了超高速模拟实验。1931年4月发表了著名的超高速切削理论，提出了高速切削假设（如图1.1所示）。他指出：在常规的切削速度范围（图中的A区）内，切削温度随着切削速度的增大而提高。但是，当切削速度增大到某一数值后，切削速度再增大，切削温度反而下降，并指出：之值与工件材料的种类有关。对于每一种工件材料，存在一个从到的速度范围，在这个速度范围内（图中的B区），由于切削温度太高（高于刀具材料允许的最高温度），任何刀具都无法承受，切削加工不可能进行8。这个范围被称之为“死谷”（DeadValley）。
