數(shù)控機(jī)床高速電主軸結(jié)構(gòu)分析及應(yīng)用
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- 08060415-高速電主軸論文高速電主軸是高速機(jī)床的核心部件，它將機(jī)床主軸與變頻電動(dòng)機(jī)軸合二為一，即將主軸電動(dòng)機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子直接裝入主軸組件內(nèi)部，也被稱為內(nèi)裝式電主軸，其間不再使用皮帶或齒輪傳動(dòng)副，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸系統(tǒng)的“零傳動(dòng)”其具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)，并改善了機(jī)床的動(dòng)平衡，避免了振動(dòng)和噪聲，在超高速機(jī)床中得到廣泛應(yīng)用。作為數(shù)控機(jī)床的核心功能部件，高速電主軸動(dòng)態(tài)性能的好壞直接關(guān)系到機(jī)床的加工精度和可靠性，因此在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的動(dòng)態(tài)特性研究具有重要的意義。機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)力學(xué)特性研究，主要通過對(duì)運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行模態(tài)分析來實(shí)現(xiàn)。它主要研究結(jié)構(gòu)或部件的振動(dòng)特性(固有頻率和主振型)，為動(dòng)力學(xué)分析中的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、諧響應(yīng)分析、譜分析提供基本的分析數(shù)據(jù)。通過動(dòng)力學(xué)分析可以判斷出電主軸轉(zhuǎn)速是否合理，結(jié)構(gòu)中有無薄弱環(huán)節(jié)，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使零部件滿足機(jī)床對(duì)加工質(zhì)量和加工精度的要求。
1 電主軸動(dòng)力學(xué)特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)
機(jī)械設(shè)計(jì)中，提高機(jī)械結(jié)構(gòu)的抗振能力，是適應(yīng)當(dāng)前機(jī)器向高質(zhì)量、高速度、高效率、低成本和低噪聲發(fā)
一、高速電主軸的特點(diǎn)
高速運(yùn)轉(zhuǎn)的電主軸的主軸形式是將主軸電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子直接裝入主軸組件的內(nèi)部,即把高速電機(jī)置于精密主軸內(nèi)部,電主軸的電機(jī)轉(zhuǎn)子就是主軸,主軸的殼體就是電機(jī)的機(jī)座,實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速電機(jī)和主軸一體,電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸,形成電主軸。電主軸取消了電機(jī)到主軸傳動(dòng)鏈中的齒輪、皮帶等一切中間環(huán)節(jié),動(dòng)力源對(duì)主軸的直接傳動(dòng),傳動(dòng)鏈長度為零,實(shí)現(xiàn)了機(jī)床主軸系統(tǒng)的“零傳動(dòng)”。它具有高轉(zhuǎn)速、高精密、噪聲低、低溫升、體積小、安裝方便等特點(diǎn),是現(xiàn)代高檔數(shù)控機(jī)床主要的關(guān)鍵部件。它與早年應(yīng)用于內(nèi)圓磨床的內(nèi)裝式電機(jī)主軸的區(qū)別是采用了變頻調(diào)速技術(shù),主軸有較大的驅(qū)動(dòng)功率和轉(zhuǎn)矩,并有一系列監(jiān)控主軸振動(dòng)、軸承溫升等參數(shù)的傳感器及其檢測控制系統(tǒng)。因此電主軸及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一種技術(shù)含量很高的機(jī)電一體化產(chǎn)品,涉及機(jī)械、電機(jī)、驅(qū)動(dòng)與控制、支承、潤滑、材料熱處理及振動(dòng)等諸多領(lǐng)域,是一套相對(duì)獨(dú)立、完整的智能型功能部件。
二、結(jié)構(gòu)簡圖及工作原理
主軸電動(dòng)機(jī)和機(jī)床主軸合為一體的電主軸,通常采用的是交流高頻電動(dòng)機(jī),也稱為“高頻主軸”(High Frequency Spindle)。圖1所示為電主軸的結(jié)構(gòu)簡圖,其主要特征是將電動(dòng)機(jī)內(nèi)置于主軸內(nèi)部直接驅(qū)動(dòng)主軸,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)、主軸一體化的功能。電主軸由無外殼電機(jī)、主軸、軸承、主軸單元?dú)んw、驅(qū)動(dòng)模塊和冷卻裝置等組成。電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用壓配方法與主軸做成一體，主軸則由前后軸承支承。電機(jī)的定子通過冷卻套安裝于主軸單元的殼體中。主軸的變速由主軸驅(qū)動(dòng)模塊控制,而主軸單元內(nèi)的溫升由冷卻裝置限制。在主軸的后端裝有測速、測角位移傳感器，前端的內(nèi)錐孔和端面用于安裝刀具。
工作原理和普通的異步電動(dòng)機(jī)的工作原理一致,改變輸入電動(dòng)機(jī)定子繞組的電流頻率和勵(lì)磁電壓獲得各種轉(zhuǎn)速。在加速和制動(dòng)過程中,通過改變頻率進(jìn)行加/減速,以免電動(dòng)機(jī)溫升過高。由于電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的方向取決于輸入定子三相交流電的相序,故改變電主軸輸入電流的相序,便可改變電主軸的旋轉(zhuǎn)方向。...
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