万能外圆磨床结构改进设计--高速磨头无轴电机设计【18张CAD图纸和说明书】

摘 要
本文首先介绍了万能外圆磨床的结构及功用，并对高速加工进行了概述，进而对无轴承电机的研究现状进行分析，并阐述了对无轴承电机研究的意义；然后从无轴承电机的总体结构入手，对无轴承电机的机械结构及零部件进行了设计；与此同时又分析了无轴承电机中永磁偏置径向轴向磁轴承的工作原理，建立数学模型，以具体的参数要求为例，对其结构参数进行计算。最后总结全文内容，突出毕业设计工作的重点，对未来的工作进行展望。

关键词：万能外圆磨床；高速加工；无轴承电机；磁轴承；数学建模

Abstract
The paper introduced the construction and use of the grinding machine at first. Then study of high-speed machining, and study of non-bearing motor current situation analysis, and expounded on the significance of study of non-bearing motor; and then never start with the overall structure of the motor bearings on the non-bearing motor mechanical structure and components have been designed; At the same time and analyzed the non-bearing motor in the axial permanent magnet biased radial magnetic bearing works, a mathematical model to specific parameters required, for example, its structural parameters calculated. Last concluded full text, high-lighten the focus of graduate design work on the future work prospects.

Key words:  grinding machine；High-speed machining；Bearingless Motor or Self-bearing Motor；Magnetic Bearing；Mathematical Modeling

目  录
摘 要 III
Abstract IV
目  录 VI
1 绪论 1
  1.1 设计的总体要求 1
  1.2 M1432A型万能外圆磨床总体描述 2
    1.2.1 机床的结构 2
    1.2.2 机床的总体布局 2
    1.2.3 机床的主要技术性能 3
    1.2.4 机床的机械传动系统 3
  1.3 基于高速加工技术的无轴承电机研究意义与现状 4
    1.3.1 基于高速加工技术的无轴承电机研究意义 4
    1.3.2 基于高速加工技术的无轴承电机研究现状 6
  1.4 无轴承电机的特点及应用 7
    1.4.1 无轴承电机的特点 7
    1.4.2 无轴承电机的应用 7
  1.5 无轴承电机的发展前景 8
2 高速加工技术概述 9
  2.1 高速加工的定义 9
    2.1.1 高速加工中心的类型 9
    2.1.2 高速加工的特点 9
  2.2 高速加工的关键技术 10
    2.2.1 刀具技术 10
    2.2.2 机床技术 11
    2.2.3 CAM软件 12
3 高速加工技术中磁浮轴承主轴单元设计 13
  3.1 引言 13
  3.2 主轴单元轴承的组成 15
    3.2.1 机械系统 15
    3.2.2 磁轴承的偏磁回路 15
    3.2.3 控制回路系统 15
  3.3 永磁偏置轴承的结构及工作原理 16
    3.3.1 永磁偏置轴承的基本结构 17
    3.3.2 永磁偏置轴承的工作原理 18
  3.4 永磁偏置轴承的设计 19
    3.4.1 磁路计算的基本定律和公式罗列 20
    3.4.2 永磁偏置轴承的等效磁路分析 20
    3.4.3 径向—轴向磁轴承的吸力方程 22
    3.4.4 径向—轴向磁轴承的承载能力 23
    3.4.5 径向—轴向混合磁轴承参数设计 24
  3.5 悬磁轴承的参数设计与校核 27
    3.5.1 选取永磁材料 27
    3.5.2 确定工作气隙磁感应强度 27
    3.5.3 磁极面积的计算 27
    3.5.4 求定子内径 28
    3.5.5 求磁极弧长及叠片厚度 28
    3.5.6 安匝数的计算 28
    3.5.7 匝数与电流的分配 28
    3.5.8 线径 28
    3.5.9 窗口面积的求取 28
    3.5.10 永久磁铁参数计算 29
4 无轴承电机结构的设计 30
  4.1 设计的总体概况 30
  4.2 无轴承电机的结构设计 30
    4.2.1 转子结构设计 30
    4.2.2 转子上零件的布置 31
  4.3 无轴承电机的总体结构设计 31
  4.4 悬浮轴承的结构选择与设计 32
    4.4.1 磁悬浮轴承总体结构设计 32
    4.4.2 永磁偏置径向轴向磁轴承的总体结构设计 33
  4.5 无轴承电机结构件的结构设计 33
    4.5.1 定子与转子的设计 33
    4.5.2 传感器部件的设计 34
    4.5.3 机壳的设计 35
    4.5.4 工作轴的设计 36
    4.5.5 轴承端盖的设计 36
5  结论与展望 38
致谢 39
参考文献 40

1 绪论
1.1 设计的总体要求
    现代机械加工越来越需要提高效率，通常采用高速加工，主要是采用高速主轴，因而高速加工中无轴承电机的结构设计就显得很重要，本文正是基于万能外圆磨床适应于高速加工要求对高速主轴的无轴承电机结构设计，探寻磁悬浮在普通机床高速主轴中的应用，因其独具的悬浮机理和结构特点使之在生物工程、航空航天、高新能源、半导体制造业、食品加工以及医药卫生等领域也得到成功的应用。随着我国经济进一步发展，在很多特殊电气传动领域必将改变传统的传动和传输方式，对提高产品质量、降低成本、减少污染将会起到重要作用。因此，无轴承电机在我国具有很大的潜在应用市场，积极开展无轴承电机的研究和在普通机床上的应用具有现实和深远意义。
    外圆磨床分为普通外圆磨床和万能外圆磨床。在普通外圆磨床上可磨削外圆柱面和外圆锥面，在万能外圆磨床上还能磨削内圆柱面和内圆锥面和端面。外圆磨床的主要参数为最大的磨削直径。
    外圆磨床以两顶心为中心，以砂轮为刀具，将圆柱形钢件研磨出精密同心度的磨床（又叫顶心磨床或圆通磨床）。
    外圆磨床的主机有床身、车头车尾、磨头、传动吸尘装置等部件构成。车头、磨头可调角度，用于修磨顶针及皮辊倒角专用夹具。
本设计就是以M1432A型万能外圆磨床为例对原来的普通主轴进行优化设计，采用无轴承电机进行砂轮主轴的驱动。
    无轴承电机是典型的机电一体化产品，由于它具有上述诸多优良性能及其在众多工业领域内的应用前景，使得无轴承电机技术越来越受到国内外专家、学者的关注与重视。而我国对这一技术的研究尚不成熟，针对这种情况，我们在毕业设计中选择了这一课题。鉴于无轴承电机不但具有磁悬浮轴承的优点，而且比其他同功率的电机及支撑装置，体积小、重量轻、能耗小，对于提高高速及超高速运转机械的工作性能具有重要意义，本文就是基于这些问题提出的。对于一个典型的无轴承电机来说，它主要由机械、检测、控制三大主要部分组成，而控制系统是整个系统的关键，而合理的机械结构设计又是保证承载能力要求和运行稳定可靠的前提，所以，本设计主要对机械系统和控制系统进行分析和设计。
    文中以无轴承电机的永磁偏置径向轴向磁轴承本体结构的设计（机械部分）及控制系统为主要研究对象，设计出合理的结构参数和控制系统，并对系统的稳定性进行简要的分析。
第一章介绍了基于高速加工技术的无轴承电机的研究意义及现状。此外还介绍了本设计的提出及主要内容的安排。第二章简单介绍了一下高速加工技术的发展现状及关键技术。第三章从基于高速加工技术的无轴承电机的总体结构入手，对无轴承电机的机械结构及零部件进行了设计。第四章分析了无轴承电机中永磁偏置径向轴向磁轴承的工作原理，建立了数学模型，并以具体的参数要求为例，对其结构参数进行计算。最后总结全文内容，突出研究工作的重点，并对未来的工作进行展望。
1.2 M1432A型万能外圆磨床总体描述
  1.2.1 机床的结构
M1432A型万能外圆磨床是普通精度等级万能外圆磨床，主要用于磨削圆柱形和圆锥形的外圆和内孔，还可以磨削阶梯轴的轴肩和端平面。
机床应达到的加工精度和表面粗糙度如表1-1 所示。
表1-1  M1432A型万能外圆磨床（最大磨削长度1000mm）的加工质量
加工方法、工件及其装夹方式 表面粗糙度 圆度公差 圆柱度公差
精磨外圆  工件支承在前、后尖上，不用心
架；工件尺寸：直径60 mm 长度500mm。 Ra0.16~0.3 μm 3μm 5μm
精磨外圆  工件装夹在夹盘上，不用中心架；工件尺寸：直径50 mm，悬伸长度150 mm。 Ra0.16~0.32μm 5μm 
精磨内孔  工件装夹在夹盘上，不用中心架；工件尺寸：孔径62.5 mm，长度125 mm。 Ra0.32~0.63μm  
    这种机床适用于工具车间、机修车间和单件、小批生产车间。由于机床自动化程度较低，磨削效率不够高，所以，它不宜用于大批量生产车间。
  1.2.2 机床的总体布局
M1432A型万能外圆磨床由下列各主要部分组成，见图1.1。
1、床身1：是磨床的基础支承件，它支承着工作台、头架、尾架、垫板及横向滑鞍、砂轮架等部件，使它们在工作时保持准确的相对位置。床身内腔用作液压油的油池。
   2、头架2：用以装夹工件，并带动工件旋转。
   3、尾架5：尾架顶尖和头架顶尖一起，用以支承工件。