（森林工程专业论文）th5650立式加工中心电主轴电磁耦合的理论建模及分析.pdf

摘要：现代机械制造工业向高精度、高速度、高效率的方向飞速发展，对加工机床提 出了更高要求。这就需要可以高速运转的主轴部件系统一高速电主轴单元。电主轴具 有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪音低、响应快等优点，可以减少齿轮传动， 简化机床外形设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中一种理想结构。现代的高 速电主轴是一种智能型功能部件，它的种类多，应用范围日益广泛。 电主轴实质就是一种特殊的异步电动机。异步电动机只有定子绕组与电流相接， 定子电流中包含励磁电流分量和转予电流分量，两者混在一起称为耦合，而且电磁转 矩并不与定子电流成比例。高频电主轴电机的绕组相位互差1 2 0 。，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 = 6 0 f 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。在加速和制动过程中，通过改变频率进行加减速，以免电机温 升过高。由于电机旋转磁场的方向取决于输入定子三相交流电的相顺序，故改变电主 轴输入电流的相序便可改变电主轴的旋转方向。 本研究基于电磁结构力学、机电系统分析动力学，从能量的观点出发，提出了用 机电系统分析动力学进行电主轴电磁场的电磁耦合理论分析：阐述了电主轴是一个机 电耦联系统，是由机械系统、电系统和联系两者的耦合电磁场组成的；电磁耦合的过 程实质上就是机械过程与电磁过程相互作用相互联系的过程。 利用大型有限元a n s y s 软件建立t h 5 6 5 0 立式加工中心电主轴的有限元模型，通 过其产生的电场、磁场、进行电磁耦合的理论分析计算；并进行了电机的应力分析， 得知应力主要集中在转子，因此转子将会产生较大变形，其主要原因为电磁振动；提 出了消除电磁振动的两种方法，从而改善机床的动态性能。这样就会有效地帮助生产 厂家改进生产，从而获得更优良的产品，提高其市场占有率与竞争力，同时通过本研 究进一步完善机械结构动力分析及动态优化的理论、体系和方法，并走向实用化。 关键词：电主轴，电磁耦合，a n s y s ，有限元分析 a b s t r a c t ：t h em o d e mm a c h i n em a n n f a c t u r ei n d u s t r yi sq u i c k l yd e v e l o p i n gt o w a r dh i g h a c c u r a c y , h i g hs p e e dd e g r e e ，a n dh i g h - e f f i c i e n c yd i r e c t i o n ，s op u tf o r w a r d ah i g h e rr e q u e s t t op r o c e s s e dm a c h i n et 0 0 1 t 1 1 i sm a i ns p i n d l ep a r t ss y s t e mt h a tn e e d sa n dc a l lr e v o l v ea ta h i g hs p e e d t h eh i g hs p e e de l e c t r i c - s p i n d l e e l e c t r i cs p i n d l eh a sm a n ya d v a n t a g e s f o r e x a m p l e ：s t r u c t u r et i g h t l yp a c k e dw e i g h ti i g h t l y , i n e r t i a li ss m a l l ，t h ev i b r a t i o ni ss m a l l a n dt h en o i s ei sl o wa n dr e s p o n dt oq u i c k a n ds oo n e l e c t r i cs p i n d l ei sak i n do fi d e n l s t r u c t u r ei nt h eh i g h s p e e ds p i n d l e ，b e c a u s ei tc a l lr e d u c eg e a rt r a n s m i s s i o n ，s i m p l i f yt h e t 0 0 1m a c h i n es h a p ed e s i g n i n g b ee a s yt oc a r r yo u te l e c t i l es p i n d l ef i x e dp o s i t i o n t h e l l i g hs p e e do ft h em o d e me l e c t r i c s p i n d l ei sak i n do fi n t e l l i g e n c et y p ef u n c t i o np a r t s i t s c a t e g o r yi sm a n y , a n dt h ea p p l i c a t i o ni si n c r e a s i n g l ye x t e n s i v e e l e c t r i cs p i n d l ei sas p e c i a ln o n s y n c h r o n o u se l e c t r i cm o t o ri ns u b s t a n c e o n l yt h e s t a t o r s w i n d i n go fn o n s y n c h r o n o u se l e c t r i cm o t o rc o n n e c tw i t ht h ec u r r e n t s t a t o r s c u r r e n tc o n c l u d ee x c i t a t i o nc u r r e n tc o m p o n e n ta n dr o t o rc u r r e n tc o m p o n e n t , b o t hm i x t o g e t h e rt ob ec a l l e dc o u p l i n g ；a n dt h a tt h ee l e c t r o m a g n e t i cm o m e n to f t l i r n sn o tb e c o m ea c o m p a r i s o nw i t l ls t a t o r sc u r r e n t t h eh i g hf r e q u e n c ye l e c t r i cm o t o r sw i n d i n gp h a s e p o s i t i o no fe l e c t r i cs p i n d l ed i f f e r1 2 0 。e a c ho t h e r , a f t e rg i v i n gt h r e e - p h a s ea l t e r n a t i n g c u r r e n t ，t h ee a c ht h r e e p h a s ew i n d i n gf o r n ls i n ea l t e m a t i n gm a g n e t i cf i e l d m a g n e t i c f i e l d ss p e e do f r e v o l u t i o ni ss y n c h r o n o u ss p e e do f r e v o l u t i o no f e l e c t r i cs p i n d l e t h es y n c h r o n o u ss p e e do fr e v o l u t i o nno fn o n s y n c h r o n o u se l e c t r i cm o t o ri sd e c i d e d b yt h es t a t o r sw i n d i n gc u r r e n tfa n dt h ep o l ec o u p l e sn u m b e rpo fs t a t o r ( n = 6 0 f p ) e l e c t r i cs p i n d l eg a i nv a r i o u ss p e e do fr e v o l u t i o nt h a tm a k eu s eo ft r a n s f e r r i n gt h ec u r r e n t f r e q u e n c ya n da r o u s i n gm a g n e t i cv o l t a g et h a ti n p u te l e c t r i cm o t o r ss t a t o rw i n d i n g i nt h e p r o c e s so fa c c e l e r a t i n ga n db r a k i n g ，b yt r a n s f o r mf r e q u e n c yc a r r y i n go na c c e l e r a t i o na n d d e c e l e r a t i o n ；i no r d e rt oa v o i dt h em o t o r st e m p e r a t u r eb e c o m i n go v e r t o p s t h a n k st ot h e r e v o l v i n gm a g n e t i cf i e l d sd i r e c t i o no fm o t o rb ed e c i d e db yt h ei n p u t t i n gp h a s eo r d e ro f t h r e e - p h a s ea l t e r n a t i n gc u r r e n t ；s oc h a n g ei n p u t t i n gc u r r e n t sp h a s eo r d e r ，t h e nc a nc h a n g e t h er e v o l v i n gd i r e c t i o no fe l e c t r i cs p i n d l e t h i sr e s e a r c ha c c o r d i n gt oe l e c t r o m a g n e t i s ms t r u c t u r em e c h a n i c s t h ee l e c t r i c i t ya n d e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e ma n a l y s i sd y n a m i c s ，s e to u tf r o mt h es t a n d p o i n to ft h ee r i e r g v c a r r y i n go nt h e o r e t i c a la n a l y s i so fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l d se l e c t r o m a g n e t i cc o u p l i n gw i t h t h ee l e c t r o m e c h a n i e a ls y s t e ma n a l y s i sd y n a m i c s ，e l a b o r a t i n gt h ee l e c t r i c s p i n d l ei s a e l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gs y s t e r n ，c o m p o s eo fm e c h a n i c a ls y s t e m 、e l e c t r i cs y s t e r na n d t h ec o u p l i n ge l e c t r o m a g n e t i cf i d dt h a tc o n t a c tb o t h ，t h ep r o c e s st h a tt h ee l e c t r o m a g n e t i c c o u p l i n gi st h a tt h em e c h a n i c ：a lp r o c e s sa n dt h ee l e c t r o m a g n e t i cp r o c e s si n t e r a c ta n d c o n t a c tm u t u a l l ys u b s t a n t i a l l y m a k en s eo ft h ea n s y ss o f t w a r ee s t a b l i s ht h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h 5 6 5 0 v e r t i c a lm a c h i n i n g c e n t e r , c a r r y o nt h et h e o r i e s a n a l y s i s c a l c u l a t i o nt h a tt h e e l e c t r o m a g n e t i c c o u p l e ，a c c o r d i n gt ot h ee l e c t r i cs p i n d l ep r o d u c ee l e c t r i cf i e l da n d m a g n e t i cf i e l d ；m a k ea l le l e c t r i cm o t o r ss t r e s sa n a l y s i s ，k n o w i n gt h es t r e s sm a i n l y c o n c e n t r a t e db er o t o r ，k n o w i n gt or o t o rw o u l dp r o d u c et r a n s f o r m a t i o ng r e a t i y ，i t sm a i n r e a s o ni sa ne l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i o n ；f o ri m p r o v i n gt h ed y n a m i cp r o p e r t yo f t h em a c h i n e t o o l ，p u tf o r w a r dt w ok i n d so fm e t h o d st h a te l i m i n a t ee l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i o n s ow i u a v a i l a b l yh e l pm a n u f a c t u r e ri m p r o v i n gp r o d u c t i o n ，t h u sa c q u i r eab e t t e rp r o d u c t ，r a i s ei t s m a r k e ts h a r ea n dc o m p e t i t i o ne b i l i t y i nt h em e a n t i m e ，b yw a yo ft h i sr e s e a r e hf u r t h e r p e r f e c tm a c h i n es t r u c t u r em o t i v ea n a l y s i sa n dd y n a m i cs t a t ee x c e l l e n tt h e o r i e s ，s y s t e ma n d m e t h o d ；a n dh e a df o rp r a c f i c a l k e yw o r d s ：e l e c t r i cs p i n d l e ，e l e c t r o m a g n e t i c c o u p l e ，a n s y s ，f e a 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南林学院或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 签名：锄易王e t g 日- 泓硇6 刍t f 关于论文使用授权的说明 本人同意：西南林学院有权保留论文的复印件，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文：提交论文一年后，允许论文被查阅和借阅，学校可以公布论文的全部 或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：二监导师签名： ! 耋j 垄堕日期也! 丝丝 1 绪论 1 绪论 1 1 高速加工概述 世界经济在过去的三十年加速性的发展，给我们带来了高速加工技术，它能使我 们阻尽量短的时间加工出质量合格的零件，提高一个企业的市场反应能力【l 】。 超高速加工是以比常规高5 l o 倍的切削速度和进给速度对工件进行机械加工的 先进制造技术。近2 0 年来，特别是进入9 0 年代以来，超高速加工技术的进展非常迅 速，一批又一批的超高速加工中心和超高速加工设备投放国际市场，标志着这一高新 技术已从理论研究进入工业应用的新阶段。如果说奠定了柔性制造自动化基础的数控 技术，由于节省了大量辅助工时，使传统的制造技术发生了第一次革命性变革，成为 现代制造技术的第一个里程碑的话；那么，大幅度地节省切削工时并实现高效精密生 产的高速加工技术，则是现代制造技术的第二个里程碑，是国际公认的四大先进制造 技术之一，也是面向2 1 世纪的一项系统工程1 2 】。 高速切削作为一种先进的切削加工技术与常规切削相比，具有如下重要特点：( 1 ) 切除单位材料的能耗低，切削效率高，大大提高了能源和设备的利用率。据报道，单 位时间材料切除率可提高3 5 倍】；( 2 ) 加工表面质量好、精度高，可作为机械加工的 最终工序。高速切削时机床的激振频率远远离开机床的固有频率，这使得工件加工往 往处于“无振动”切削状态，因而能获得较高的表面质量；( 3 ) 热变形小。高速切削 时，极高的切削速度使得9 5 以上的切削热还来不及传给工件就被切屑带走，传给工 件的热量较少，工件基本上保持冷态，因而工件变形小，因此高速切削特别适合加工 容易产生热变形的材料及零件；( 4 ) 高速切削可以加工各种难加工材料，而且切削速 度可以提高到1 0 0 1 0 0 0 m m i n ，为常规切削速度的1 0 倍左右，而且可以有效地减小 刀具的磨损，单位时间内材料的切除量可增加3 6 倍；进给速度可提高5 1 0 倍；切 削力可减小3 0 ；特别是径向切削力得到大幅度减小；从而有利于提高簿壁工件和细 长杆件等剐性差的工件的加工精度【3 ，4 】。此外，超高速加工的激振频率特别高，远离工 业系统的固有频率范围：工作平稳、振动小，能加工出非常精密的簿壁工件，其表面 质量接近达到磨削的水平，故通常可省去铣削后的精密加工工序等。 目前，高速加工不仅用于加工一些比较软的材料如铝、铜、塑料等，现在已经可 以用于加工硬度在h r c 6 0 以上的淬硬钢，这主要是因刀具商开发出了像t i a l n 这样 的新的刀具涂层，以及像c b n 这样的新的刀具材料，目前加工淬硬钢的线速度也达 t h 5 6 5 0 立式加工中心电主轴电磁耦台的理论建模及分析 到了5 0 0 m m i n ，使钢材料的加工也开始采用高速切削”。模具制造商因此也越来越 多地采用商速加工技术来加工三维的钢零件。高速加工还广泛用于模具、汽车和航空、 航天等工业。以前因工件材料硬度过高而采用电火化加工的工序，目前在国外大部分 都为高速加工所代替。表l 为高速加工与传统加工的比较。 表i 高速加工与传统加工的比较 t a b l ei - 1a c o m p a r i s o n b e t w e e n h i g h - s p e e dc u t t i n ga n d t r a d i t i o n a lc u r i n g 实现高速加工的关键是要有高速机床，研究和开发性能优良的高速机床，是实现 高速切削的前提条件和关键因素，其中重要的是设计和制造高速、大功率的电主轴单 元、直接驱动进给系统、高动态性能的机床结构和高速切削刀具系统等。其中高速加 工最根本、最核心的技术是实现高的切削速度，因此高速主轴单元被称为高速机床的 核心部件。 1 2 高速电主轴 电主轴实质就是一种特殊的异步电动机。异步电动机只有定子绕组与电流相接， 定子电流中包含励磁电流分量和转子电流分量，两者混在一起称为耦合，而且电磁转 矩并不与定子电流成比例。高频电主轴电机的绕组相位互差1 2 0 。，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 1 绪论 = 6 0 f p ) h 6 】。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。在加速和制动过程中，通过改变频率进行加减速，以免电机温升过高。 由于电机旋转磁场的方向取决于输入定子三相交流电的相序，故改变电主轴输入由流 的相序便可改变电主轴的旋转方向。 电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新 技术，它与此同时直线电机技术、高速刀具技术一起，把高速加工推向了新时代。最 新数控技术的应用总是能改变机床行业的竞争格局，高速电主轴的应用已引起了业内 人士的广泛关注，高转速越来越成为衡量一个产品水平的算法标志，成为机床商家竞 争的焦点。最近国内很多家机床生产商都已开始采用电主轴来提高其产品的竞争力。 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 润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置。 高速大功率主轴单元的基本方案是采用集成内装式电主轴，这种结构基本上取消 了带传动和齿轮传动等中间传动环节，其主轴由内装式电机直接驱动，从而把机床主 传动链的长度缩短为零，实现了机床主轴的“零传动”( 这是一种由内装式电机和机 图1 完整的电主轴系统 f i g 1t h ei n t e g r a t e dd e c t r o s p i n d l es y s t e m t h 5 6 5 0 立式加工中心电主轴电磁耦合的理论建模及分析 床主轴“合二为一”的传动形式，即采用无外壳电机，将其空心转予直接套装在机床 的主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内，形成内装式电机主轴 f b u i l d i nm o t o rs p i n d o ，或称高速电主轴( h i g h s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e ) t t , g 】。 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”的概念是一个完整的、在机床数控系统监控下的子系统。如 图1 所示。 电主轴所融合的技术：( 1 ) 高速轴承技术，电主轴通常采用复合陶瓷轴承，耐磨 耐热，寿命是传统轴承的几倍；有时也采用电磁悬浮轴承，或静压轴承，内外圈不接 触，理论上寿命无限长；( 2 ) 高速电机技术，电主轴是电机与主轴融合在一起的产物， 电机的转子即为主轴的放置部分，理论上可以把电主轴看作一台高速电机，其关键技 术是高速度下的动平衡：( 3 ) 润滑，电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑；也可 以采用油脂润滑，但相应的速度要打折扣；所谓定时，就是每隔一定时间间隔注一次 油，所谓定量，就是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； 而油气润滑，指的是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承；油量控制很重要， 太少，起不到润滑作用；太多，在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热；( 4 ) 冷却装 置，为了尽快给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，冷却 装置的作用是保持冷却剂的温度：( 5 ) 内置脉冲编码器，为了实现自动换刀以及刚性 攻丝，电主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相角控制以及进给的配合；( 6 ) 自动 换刀装置，为了应用于加工中心，电主轴配备了自动换刀装置，包括蝶形簧，拉刀油 缸；( 7 ) 高速刀具的装卡方式，广为熟悉的b t 、i s o 刀具，已被实践证明不适合于高 速加工，这种情况下出现了h s k 、s k i 等高速刀具；( 8 ) 高频变频装置，要实现电主 轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必须用高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电 机，变频器的频率甚至需要达到几千赫兹 ”。图2 为t h 5 6 5 0 立式加工中心电主轴结 构示意图。 在高速主轴单元中，由于机床既要完成粗加工，又要完成精加工，因此对主轴单 元提出了较高的静剐度和工作精度的要求。另外，高速机床主轴单元的动态特性也在 很大程度上决定了机床的加工质量和切削能力。当切削过程出现较大的振动时，会使 4 1 绪论 刀具出现剧烈的磨损或破损，也会增加主轴轴承所承受的动载荷，降低轴承的精度和 寿命，影响加工精度和表面质量。因此，主轴单元应具有较好的抗振性。但在高速运 转下，主轴单元的振动问题是非常突出的，采用电主轴却是最佳的选择f 9 1 ，这是因为： ( 1 ) 如果电机仍采用皮带或齿轮等方式传动，则在高速运转条件下，所产生的振 动和噪声等问题难以解决，必会影响机床的加工精度、加工表面粗糙度。 ( 2 ) 为了提高生产率，要求在最短时间内实现高的速度变化，即主轴回转时要具 有极大的角加速度。达到这个要求的最经济的办法，是将主轴传动系统的转动惯量尽 可能地减小。而将电机内置，省掉齿轮、皮带等一系列中间环节，才是达到这一目标 的理想途径。 ( 3 ) 电机内最于主轴两支承之间，可提高主轴系统的刚度，也就是提高了系统的 固有频率，从而提高了其临界转速值。 ( 4 ) 由于没有中间传动环节的传动冲击等外力作用，主轴高速运行更为平稳，使 得主轴轴承的使用寿命相应得到延长。 ( 5 ) 电主轴与传统的主轴传动系统相比较结构简单、紧凑等优点，这样便于把它 用在多轴联动机床、多面体加工机床和并联( 虚拟轴) 机床上。 1 3 z 轴2 电机转子3 电机定子 4 电机定子套筒 5 拉刀机构6 后轴承 7 冷却油出口8 冷却油入口 9 ，中轴承组 1 0 轴承套筒 1 1 前轴承 图2 t h 5 6 5 0 立式加工中- t ：, f g 主轴结构示意图 f i g 2 t h ee l e c t r o 。s p i n d l es t r u c t u r es k e t c hm a po f t h 5 6 5 0 m i c a l m a c h i n i n gc e n t e r 5 ! 里! ! ! 皇苎垫三生：垒堕圭塑皇壁塑盒塑堡迨建堡墨坌塑 1 3 国内外高速电主轴的发展状况 早在2 0 世纪5 0 年代【9 1 ，就己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2 0 世纪8 0 年代末、9 0 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。 据中国机床工具工业协会2 0 0 3 年1 2 月专项信息- - e m 0 2 0 0 3 考察报告汇编介绍： 2 0 0 3 年意大利米兰欧洲国际机床展览会中，大部分出展的加工中心均采用电主轴配 置，其最高转速普遍为1 2 0 0 0 2 0 0 0 0 r m i n 。其中最高的是日本m a k i n o 铣床公司的 j 4 m 卧式加工中心，其配备的电主轴最高可达6 0 0 0 0 r m i n ”。本次展会展商众多，电 主轴展品琳琅满目，具有不同档次的技术性能，可选择性较大。高速电主轴的最高转 速及功率、扭矩普遍提高，其最大扭矩可达3 0 0 n m ，有的还采用了传感技术对振动 进行监测和诊断。一大批电主轴开始采用磁悬浮轴承支承形式、以及适用于高速使用 场合下的油气润滑方式【1 0 川。瑞士的i b a g 、s t e p 。t e e 、f i s c h e r 、s t a r r a g h e e k e r t 公司， 德国的g m n 、c y t e c 、i n a ，意大利的g a m f i e r 、o m l a t ，日本的大阪、f a n u c 、n s k 、 t o y o 等公司的电主轴都各有特色。国外高速电主轴技术由于研究较早，技术水平也 处于领先地位，电主轴已越来越多地应用到工业制造业中。它们的技术水平代表了这 个领域的世界先进水平。这些公司的电主轴较国内生产的电主轴主要有以下几个特 点：( 1 ) 功率大、转速高i ( 2 ) 采用高速、高刚度轴承，国外高速精密主轴上：采用高 速、高刚度轴承，要有陶瓷轴承和液体动静压轴承，特殊场合采用空气润滑轴承和磁 悬浮轴承；( 3 ) 精密d n i 与精密装配工艺水平高；( 4 ) 配套控制系统水平高。这些控制 系统包括转子自动平衡系统、油气润滑与精密控制系统、定转子冷却温度精密控制系 统、主轴变形温度补偿精密控制系统等 幢】。在此基础之上，一些国外厂家如美国、日 本、德国、意大利和瑞士等工业发达国家生产了多种商品化高速机床。 国外中等规格的加工中心电主轴的转速普遍已达到2 0 0 0 0 r m i n ，甚至更高。美国 福特汽车公司和i n g e r s o l l 机床公司推出的h v m 8 0 0 卧式加工中心主轴单元采用 液体动静压轴承，最高转速为2 5 0 0 0 r m i n 。日本东北大学庄司研究室开发的c n c 高 速平面磨床，使用陶瓷球轴承，主轴转速为3 0 0 0 0 r r a i n 。德国g m n 公司的磁浮轴承 主轴单元的转速最高达1 0 0 0 0 0 r m i n 。i b a g 公司提供几乎任何转速、扭矩、功率、 6 1 绪论 尺寸的电主轴，产品范围很宽，其电主轴最大转速可达1 4 0 0 0 0 r m i n ，直径范围 2 5 3 0 0 m m ，功率范围1 2 5 w 8 0 k w ，扭矩范围0 0 2 3 1 0 n m 。用户可提出自己希望的 功率、扭矩曲线，甚至是特殊的机械结构【” 。除可满足各类高速切削的要求外，各厂 家还可供应各种规格带锥柄、用于现有普通加工中心、铣床、钻床作增速用的电主轴。 最近还出现了商品化的、轴承寿命更长的以水为介质的静压轴承和磁悬浮轴承电主轴 以及交流永磁同步电机电主轴，使电主轴技术得到了进一步的发展【8 1 。表2 为目前国 外比较流行的电主轴参数【l 】。 表2目前国外比较流行的电主轴技术参数 t a b 2t h ep o p u l a rt e c h n i c a lp a r a m e t e ro fe l e c t r o s p i n d l et e c h n i c a lp a r a m e t e ra ta b r o a d 国外高速切削技术的飞速发展和高速机床的迅速产品化并打入中国市场，刺激了 中国高速机床的研究和发展。在高速机床及其单元技术研究方面，同济大学、北京机 床研究所和上海机床厂研制出人造花岗岩床身：兰州电机厂试制成无外壳高速电机： 洛阳轴承所、沈阳建筑工程学院、广东工业大学和湖南大学等在高速轴承和小功率高 速电主轴方面作了大量的研究和开发应用的工作。 我国大型数控铣、加工中心和数控车床用实用型电主轴的开发始于t 9 9 8 年1 4 】， 目前正以蓬勃的发展势头迎头追赶世界水平。洛阳轴承科技股份有限公司作为国内电 主轴领域的龙头企业，以国家重点科技攻关项目为依托，先后开发了装备国产电动机 的最高转速为3 0 0 0 0 r m i n 、2 4 0 0 0 r m i n 、1 8 0 0 0 r m i n 、1 5 0 0 0 r m i n 、1 2 0 0 0 r m m 、 1 0 0 0 0 r m i n 、8 0 0 0 r m i n 等一系列内装式电主轴产品，其最大扭矩可达到2 0 0 n m 。基 本代表了国产数控机床用电主轴的最高水平。其他厂商如安阳r a b b i t 、无锡机床厂、 济宁博特精密丝杠、汉江机床厂、北京机床所北京一机床、北京三机床等一批企业也 在数控机床用电主轴的开发与研究方面也作出了很好的尝试。 国内的一些机床制造厂，包括沈阳、南通、柳州、济南、北京等一些知名厂商， 通过与国外公司合作或部件配套技术引进的形式进行高速机床和加工中心的开发，其 t h 5 6 5 0 立式加工中心电主轴电磁耦合的理论建模及分析 中沈阳机床集团公司和德国b w 公司合作生产的b w - 6 0 卧式加工中心，主轴转速为 1 8 0 0 0 r m i u 北京机床研究所推出的k t l 3 0 0 v b 立式加工中心，主轴转速达 1 2 0 0 0 r m i n ；北京第一机床厂的x k s a 5 0 4 0 型高速立铣，主轴转速达1 5 0 0 0r r a i n ，沈 阳机床公司生产的t h 6 9 4 0 卧式铣锉加工中心，主轴最高转速1 2 0 0 0 r m i n ，功率2 4 k w ；北京第二机床厂生产的p v 4 c 高速立式加工中心，主轴最高转速1 0 0 0 0 r m i n ， 主轴电机功率7 5 l l k w ，快速进给速度2 4 m r a i n t g j 。 国产电主轴和国外产品相比较，无论是性能、品种、和质量都有较大差距，国产 电主轴产品和国外相比较，主要存在以下差距： ( 1 ) 国外电主轴低速段的输出扭矩最大可达3 0 0 n m ，而我国目前仅在1 0 0 n 1 i l t 以内； ( 2 ) 在高速方面，国外用于加工中心的电主轴转速遥常为1 2 0 0 0 。2 0 0 0 0 r m i n ，用 于大型金属加工，主轴最高可达6 0 0 0 0 r m i n 。我国则多在8 0 0 0 1 2 0 0 0 r m i n ，最高可 达2 4 0 0 0 r m i n “； ( 3 ) 在产品的品种、规格及质量等方面，国产电主轴仍然处于小量研发试制阶 段，没有形成系列化、专业化，远不能满足国内数控机床和加工中心发展的需求。所 以目前国产的高转速、高精度数控机床和加工中心所用的电主轴，仍然主要靠从国外 进口。 1 4t h 5 6 5 0 立式加工中心电主轴的性能参数及技术概况 t h 5 6 5 0 是一高速、高刚性、功率强大的立式加工中心，适合于重切削，高速高 精度加工，可以进行镗孔、铣削、钻孔和攻丝等多种工序。 本机床采用门式布局结构。主轴为标准输出达1 6 5 k w 的内装式交流主轴电机： 能高速铣削加工模具。机床导轨采用淬硬镶钢导轨与贴塑导轨对合，精度高，寿命长， 抗震性好，适合于机床重切削。滚珠丝杠轴系为高刚度结构，机床轴向驱动精度高， 机床采用无机械手换刀方式，刀库由全机械式马氏分度机构驱动。主轴拉刀采用蝶形 弹簧拉紧刀具，卸刀使用气液增压油缸压缩蝶形弹簧卸下刀具。具体主要参数如表3 所示。 本机型所用的主轴电机是德国西门子公司生产的1 p h 21 1 5 6 w f 4 1 型无外壳电机 ( f r a m e l e s ss p i n d l em o t o r ) ，其部分技术参数见表4 ，输出功率转速图见图3 主轴电机的转子由空心轴套、叠压的硅钢片和两端的平衡环组成。每个平衡环的 1 绪论 工作台回积( l 1 0 0 0 5 0 0z 坐标快速移动 11 4 1 , - - 2 0 ( 蚴)【b 】( m m i n ) 2 工作台承重( k g ) 7 0 0 b 】 1 5 刀库容量( 把) 1 6 3台面高度( n 皿)9 0 01 6刀县最大直径9 0 ( m m ) 4 主轴转速( r m 蛐l 8 0 0 0 【b 1 7刀具最大长度3 6 0 ( m m ) 5 主电机功率( k 、聊1 6 5 1 8 51 8刀具最大重量7 【驯 r k g ) 6 主轴锥度 i s 0 4 0 # 1 9 换刀时间( s ) 1 2 【b j 7 主轴直径( m m ) m 7 02 0 y 、z 坐标双向重0 0 1 2 b 复定位精厦( m m ) 滑库行稗f x 举标、x 坐标双向帘衍 8 ( m l r l ) 、 。8 0 0 b 2 1 精度( r 1 3 n 3 ) 0 0 2 5 b ll箱膳fl 工作台行程( y 坐y 、z 坐标双向帝 9 一 5 0 0 【b 】 2 2 0 0 2 2 b 1 标) ( 1 n r n ) 4 位精度( m m l 。 1 0滑枕行程( z 坐标) 4 5 0 b 】 2 3 x 坐标双向重复0 0 1 5 b ( m m ) 。 定位精度( n m r t ) 。1 主轴端面至工作 1 1 台面的最小距离1 5 0 2 4 数控系统 s i n u m e r j ( m m ) k 葛l u u x 、y 、z 坐标进给 1 2 、+ 。 1 - 1 02 5 机床重量( k g ) 7 0 0 0 速度( m m i n ) 、 x 、y 坐标快速移 1 3 动吣i n ) 1 2 4 外形尺寸儿w 2 7 2 2 x h ) ( r a m ) 2 4 0 0 3 2 6 8 里堡箜生望壅塑三主些圭塑皇壁塑盒竺里堕垄堡墨坌塑 圆周上均布大小相同的8 个螺孔，可在适当的螺孔中拧入平衡螺丝，以精确地校正主 轴和转子的动平衡。定子由叠压的硅钢片和两端的线缆以及铝制的冷却套组成。冷却 套外圆柱面上加工有螺旋槽，与电主轴壳体内圆柱面起形成了冷却油管道，当电主 轴运行时，通入冷却油，以吸收和带走电机产生的热量。 表4 无外壳电机部分技术参数 t a b 4p a r t i a lt e c h n i q u ep a r a m e t e r so f f r a m e l e s s s p i n d i em o t o r 额定功率r ( k w ) 最两转速额定扭矩虬额定功率玎 一(rmin) ( n m )耗( k w ) 一一 1 6 5 7 1 1 2 5 p 1 5 0 0 4 5 0 0 8 0 0 0f m i n 图3 主轴功率输出图 f i g 3 t h ep o w e r o u t p u t sd i a g r a mo f e l e c t r i cs p i n d l e 1 5 本课题的来源与主要研究内容 1 5 1 课题来源 云南省科委重点基金项e 1 ( 2 0 0 1 e 0 0 0 4 z ) 1 5 2 课题研究的主要内容 1 0 l 绪论 高速电主轴电磁耦合分析的主要任务是分析计算电主轴的磁场强度、磁通泄漏、 涡流、电场分布、磁力线、力和力矩、运动效应、以及应力分布等。可用的计算方法 有很多种，主要有解析法、近似理论解法和数值解法等。由于解析法的求解过程比较 复杂，有时甚至是无解，所以在工程实际中应用较少。近似理论解法不以求得精确为 目标，可使问题大为简化，其中的边点法是一种有用的近似理论解法。数值解法是以 离散数学为基础、以计算机为工具的一种解法，它虽不如解析法精确，但对于复杂的 情况常能得到满意的解答，因此数值解法在工程上应用广泛。 有限元法是常用的数值解法，它的基本思想是把本来求解物体的电磁场随空间、 时间连续分布的问题，转化为在时间表域和空间域有限个离散点的求解方法，用这些 离散点的电磁场去逼近求解物体的电磁场分布“。 本研究基于电磁结构力学原理、机电系统分析动力学，利用a n s y s 与 p r o e n g i n e e r 软件建立机床电主轴的有限元模型，通过其产生的电场、磁场，进行 电磁耦合的理论分析计算，改善机床的动态性能。这样就会有效地帮助生产厂家改进 生产，从而获得更优良的产品，提高其市场占有率与竞争力，同时通过本研究将进一 步完善机械结构动力分析及动态优化的理论、体系和方法，并走向实用化。本课题是 为此目的而设立和研究的。 ，一一一：! 邕箜! 塞茎垫三生：堂皇圭塾皇壁塑宣箜望建囊燮墨坌篓一 2 电主轴中电机浆电磁场分析 2 1 电磁场理论 2 1 。1 麦克簸末方瑕组螅积分彩炎 麦克凝韦电骥场理论的基本概念，包含两个主鋈内容。即( 1 ) 除静止电荷产生 无旋电场外，变化的磁场也要产生涡旋电场；( 2 ) 变他的亳场帮传孥电流一样施产生 涡瓣磁场。这