毕业论文《数控机床电主轴应用与前景》

毕业论文《数控机床电主轴应用与前景》

前言

电主轴是高频主轴(HighFrequencySpindle)的简称，有时也称作直接传动主

轴(DirectDriveSpindle)，是内装式电机主轴单元。它把机床主传动链的长度缩

短为零，实现了机床的零传动，具有结构紧凑、机械效率高、可获得极高的回转速

度、回转精度高、噪声低、振动小等优点，因而在现代数控机床中获得了愈来愈广

泛的应用。电主轴在一些转速比较高的加工中心、雕刻机、数控铣床等领域应用较

为广泛。

由于高速加工不但可以大幅提高加工效率，而且还可以显著提高工件的加工质

量，所以其应用领域非常广泛，特别是在航空航天、汽车和模具等制造业中。于

是，具有高速加工能力的数控机床成为市场的新宠。目前，国内外各著名机床制造

商在高速数控机床中广泛采用电主轴结构，特别是在复合加工机床、多轴联动、多

面体加工机床和并联机床中。电主轴是高速数控加工中心的核心部件，其性能指标

直接决定机床的水平，它是机床实现高速加工的前提和基本条件。可以说，电主轴

是未来加工行业发展的必然趋势。

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第一章电主轴结构及工作原理1.1电主轴结构

主轴电动机和机床主轴合为一体的电主轴，通常采用的是交流高频电动机，故

也称为“高频主轴”。图1-1所示为电主轴的结构简图，其主要特征是将电动机内

置于主轴内部直接驱动主轴，实现电动机、主轴一体化的功能。

图1-1电主轴机构简图

1.电源接口2.电机反馈3.后轴承4.无外壳主轴电机5.主轴6.主轴箱体7.

前轴承1.2电主轴工作原理

高速电主轴的绕组相位互差120?，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=60f,P)。电主轴通常利

用变换输入电动机定子绕组的电流的频率来获得各种转速。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，故改变电主轴输入电流的相序，便可改变电主轴的旋转

方向。

1.3高速电主轴的驱动

高速电主轴由静止升速至每分钟数万转乃至数十万转是相当困难的。电主轴为

保证正常工作，必须施加一定量的预负荷，这又增加了电主轴的阻力矩。为使电主

轴能顺利地完成启动过程，应选取较大的启动转矩，故高速电主轴的启动电

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流要超出普通电机的额定电流的5--7倍。静止变频电源是利用交流变频调速

技术。变频器将工频交流电转换为所需频率交流电。变频器工作原理是建立在磁场

矢量控制理论基础上的。目前采用大功率晶体管静止变频电源。现今广泛使用的晶

体管变频器是脉冲调幅式变频调速电源。可将三相50Hz380V交流电源转换成三相

中频电源，其输出电压。频率连续可调。最新的变频器采用先进的晶体管技术，可

以实现异步电动机的无级变速。目前，这种电源的适应性、实用性、经济性均较

好，已成为高速电主轴主要驱动电源。

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第二章电主轴的优点

2.1数控机床床对电主轴的要求

现代机床对于电主轴的要求主要来自以下几个方面:

1(是当前最盛行的工艺??高速切削的要求。

2(是竟争日益剧烈的机床市场的需求，这要求电主轴的模块化和结构简单化。

3(是加工复杂曲面的要求，这也要求有电主轴这样结构紧凑、占空间小的主轴

部件。

2.2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。

对于数控机床模块化设计、简化机床结构、提高机床性能方面的作用:

(1)简化结构，促进机床结构模块化

电主轴可以根据用途、结构、性能参数等特征形成标准化、系列化产品，供主

机选用，从而促进机床结构模块化。

(2)降低机床成本，缩短机床研制周期

一方面，标准化、系列化的电主轴产品易于形成专业化、规模化生产，还可以

缩短机床研制周期，适应目前快速多变的市场趋势。

(3)改善机床性能，提高可靠性

采用电主轴结构的数控机床，由于结构简化，传动、连接环节减少，因此

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