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+毕业论文】【答辩通过】

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AbstractThe 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IIIAbstractIV目  录VI1 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82 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123 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294 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365  结论与展望38致谢39参考文献401 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。Ra0.160.3 m3m5m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。Ra0.160.32m5m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。Ra0.320.63m    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。   4、工作台8：它由上工作台和下工作台两部分组成。上工作台可绕下工作台的心轴在水平面内调整至某一角度位置，用以磨削锥度较小的长圆锥面。工作台面上装有头架和尾架，它们同工作台一起沿床身导轨作纵向往复运动。   5、砂轮架4：用以支承并传动高速旋转的砂轮主轴。砂轮架装在滑鞍6上，当需要磨削短圆锥面时，砂轮架可以调整至一定的角度位置。   6、内圆磨具3：用以支承磨内孔的砂轮主轴。内圆磨具主轴由专门的电动机驱动。   7、滑鞍6及横向进给机构：转动横进给手轮7，可以使横进给机构带动滑鞍6及砂轮架沿床身垫板的导轨作横向移动。也可以利用液压装置，使滑鞍6作周期的自动切入进给。此外，在床身内还有液压传动装置。  1.2.3 机床的主要技术性能     外圆磨床的主要参数为磨削工件的最大直径，本机床的主参数为320 mm。            外圆磨削直径                      8320 mm            外圆最大磨削长度                  1000 mm；1500 mm ；2000 mm            内孔磨削直径                      30100 mm            内孔最大磨削长度                  125 mm            磨削工件最大重量                  150kg            砂轮尺寸                                      外圆砂轮转速                      1670r/min            头架主轴转速6级：                25，50，80，112，160，224 r/min            内圆砂轮转速                      10000 r/min；15000 r/min            砂轮架电动机功率                  4 kW            内圆磨电动机功率                  1.1 kW            电动机总功率                      6.72 kW            工作台纵向移动速度（液压无级调速）0.054m/min            机床外形尺寸（三种规格）          3200，4500，5800 kg