电主轴设计的几个关键问题_张世珍
精密电主轴单元设计技术
电主 轴是 高速机 床 的核 心功 能 部 件 ， 着 高速 加 随
工技 术 的迅 猛发 展 和广 泛应 用 ， 工 业 部 门特别 是 航 各 天 、 空、 航 汽车 、 托 车 和模 具 加 工 等行 业 ， 高 速 度 、 摩 对 高精 度数控 机床 的需 求 与 １俱 增 ， 切 需 要 开发 出高 ３ 迫 点 ， 统 的 软件 实 现 技术 难 传 以适 应 制 造 领 域 的需 求 ， 用 插 件 技 术 正 好 可 以将 应
ＣＰ Ａ Ｐ系统需求 的多 样化 和 不 确定 性 细 节屏 蔽 在插 件
内容 的具 体实现 上 ， 应用 程序 提供 透 明的行为 ， 对 使得
Ａ ｂ ｔ ａ ｔ： ｅ ｐ ｐ ｒｄ ｓ ｕ ｓ ｓ ｈ ｗ ｏ ｃ ｌ ｕａ ｅ ｔ ｅ ｍａｎ ｔｃ ｎ ｑ ｅ ｐａａ ｔｒ ｏ ｒ ｃｓｏ ｔｒｚ ｄ ｓ ｉ ｄ ｅ ｕ ｉ， ｓｒ ｃ Ｔｈ ａ ｅ ｉｃ ｓ ｅ ｏ ｔ ａｃ ｌｔ ｈ ｉ ｅ ｈ ｉ ｕ ｒ ｍｅ ｅ ｆｐ ｅ ｉｉｎ ｍｏｏ ｉｅ ｐ ｎ ｌ ｎ ｔ
品质 的 电主轴 。由于 电主轴 是完成 高速 加工 的战 略性
关键技 术 ， 性能 指标直 接决 定机 床 的发展水 平 ， 其 因此
向静 刚度 、 轴 的动 平衡精 度及 有效 的动平 衡方 法 。 主
（ ：４ ２ ． ７） ２ — ６
４ 结 语
插 件技术 通过 添加插 件 的方式来 扩展 软件 系统 的 功能 ， 以满足 用 户 的需 要 。而 Ｃ Ｐ Ａ Ｐ系 统 软 件存 在 需
Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｆＤｅ ｉｎｎ ｅ ｉｉｎ Ｍｏ ｏ ｉｅ ｉｄｅ Ｕｎｔ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｏ ｓｇ ｉｇ Ｐｒｃｓｏ ｔ ｒ ｄ Ｓｐｎ ｌ ｉ ｚ
数控机床电主轴设计中存在的问题及对策分析
计 重量部 队称造 成不平 衡 ， 如 果在一 些特殊 的 电主轴设 计 中由于数控 机床 的作 用 不 同， 设计 的时候无 法达到 平衡就在 电主轴 的 电机 壳外围进 行一些 特殊的质
量 处理 ， 保证两 端一致 ， 三是 关于 电主轴 内部一ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 重要 的环 节转 子的设计 ， 无论 是运 用与 哪一种数 控机 床上 一定 要保证转 子的外径 有一 定的空 间 ， 保证 其在 主
关于数 控机床 的发展 已经进入 了第六 阶段 ， 在前五 个阶段 的发展 中数控机 床的革新 主要 是为 了满 足社会对 于 电子 产 品的需求 ， 目前第 六个 阶段 的发展 已 经要 逐渐 实现 资源 的再 利用 ， 在 面对这 一 时期 的发展 过程对 于数控 机床 电主轴 的设 计 问题 已经成 为 了关注 的热点话题 ， 在设 计 中存在的 问题是实 现设计 突破 的出发 点 ， 因此 研 究其设 计 的问题 以及 解决 的对 策成 为 了人们 面对 的 焦点 。
轴结 构 ， 包括设置 在箱体 内的 主轴和变 频 电动 机 ； 电机包 括壳体 和转子 ， 目前的 电机 采用 有变 频器控 制 电机 ， 电机 壳体 直接 安装在 机床 床头箱 体 尾端 ， 电机 转 子 用莫 氏锥度 与 主轴 连接 ， 电机 图示 如下 图２ 所示 ， 主轴就 是 电主轴 ， 其特 征是 ： 传 动效 率高 ， 动态 响应 快 ； 省略 了老传 统 的整 套 传动 装 置 ， 降 低 了消 耗 ， 与传 统 数 控机 床 相 比具有 明显 的 节能 效 果 ， 可 达 １ ０ ％ － ２ ０ ％， 采用变 频器 控制的 变频 电机 ， 电机 转速 变化范 围 大， 加 工零件 适 用面 大， 提 高 了加 工精 度 ； 编码器 安装 于床 头箱 体内 部 ， 采 用 空心轴磁 性 编码器 ； 而 且机 床 的震动 小 ， 稳 定性 高 ， 噪音 小 。
电主轴设计的几个关键问题
由图 - 可看出， 定位预负荷比定压预负荷对刚度 的影响大， 因此在主轴单元结构设计中采用定位预负 荷的方式。 !, " 轴承润滑方式的确定 目前， 对于 ! " # 值大于 ".( 万的精密主轴轴承， 油 脂润滑不能满足其高速要求， 因此采用专用润滑器对 前后轴承进行油 / 气润滑。润滑器一条管路通干燥的 清洁空气， 气体压力在 (0 ’ 123， 一条管路通润滑油， 油和气在混合阀中混合成如图 * 所示的油滴状， 然后 通过倍压喷嘴给轴承供油， 在轴承滚动体之间形成油 膜。油膜太厚轴承发热量大， 油膜太薄， 轴承润滑不充
坯缺陷、 加工和装配等原因， 使质量分布不均匀， 形成 一定的偏心。当转子转动时就产生不平衡的离心力， 从而使整个主轴系统产生有害的振动和噪声， 降低轴 承及整个主轴系统的使用寿命， 影响到整个主轴系统 的动态工作精度。因此要求精密主轴的动平衡精度达 到 /(+ - 。在结构设计时， 设计了双面动平衡位置环， 旋转零件组装后， 在动平衡机上作一次动平衡。试机 时， 如果必要可作在线动平衡， 保证高速主轴运行平 稳。 鉴于以上分析， 在电主轴结构设计时， 采用前端固 定， 后端浮动的支承方式。前端四列背对背角接触球 轴承， 主轴的径向和轴向全部固定； 后端选用圆柱滚子 轴承， 轴承内圈、 滚子可与主轴一起， 沿着外圈滚道作 轴向移动。减小热伸长对主轴的影响， 精度保持性好。 具体结构如图 &( 所示。
结语
本文运用有限元分析法分析影响高速电主轴单元
的两个关键问题， 固有频率和热伸长， 完成电主轴单元 的结构优化设计。所研制的主轴单元经过性能试验的 测试， 其前后轴承的温升不超过 &(0 ， 主轴前端最大 伸长量不超过 (+ ($ ))， 主轴后端最大伸长量不超过 (+ &. ))， 其精度指标达到了精密加工中心的标准规 定。该主轴单元已成功运用于立式加工中心的主机 上， 并在 1234"((! 展会上展出。 参
电主轴设计的一些要点
电主轴设计的一些要点电主轴是工业生产中常见的一种装置，用于驱动工具进行旋转，广泛应用于机床、数控机床、木工机械、切割、打磨和加工中心等领域。
电主轴设计要考虑多个方面的因素，下面将详细介绍一些电主轴设计的要点。
首先，设计电主轴时需要根据具体工艺要求确定最大转速。
最大转速决定了工具的加工速度和加工质量。
根据工具直径和材料性质，可以计算出所需的最大转速。
其次，电主轴设计要考虑工作时产生的热量。
电主轴在高速运转过程中会产生大量的热量，如果不能有效散热，会导致电主轴温度升高，进而影响工具的使用寿命和样品质量。
因此，设计中应考虑适当的散热装置，如风扇和散热器，以保持电主轴的温度在合理范围内。
第三，电主轴的振动问题需要被重视。
高速运转时产生的振动会影响加工质量和工具的寿命。
为了减小振动，可以采用精确平衡和减震装置来提高电主轴的稳定性。
此外，可以采用颈缩小、减小惯性和增加刚度等措施来减小振动。
第四，选择合适的电机和轴承也是电主轴设计中的重要要点。
电机的功率和转矩必须满足工件需要的加工力矩，并能够提供所需的最大转速。
轴承的选择要考虑到负荷、转速和寿命等因素，以确保电主轴的正常运行。
第五，电主轴的刚性也是设计中需要考虑的重要因素。
刚性直接影响加工精度和稳定性。
为了提高刚性，应使用高强度材料，增加结构的强度和刚性，并采用适当的支撑结构。
第六，安全性是电主轴设计的重要考虑因素之一、应根据安全标准和规范设计相关保护装置，如限位开关、紧急停机按钮和防护罩等。
第七，电主轴的维护和保养也需要考虑在设计中。
电主轴使用一段时间后需要定期维护和保养，以延长使用寿命和保证性能稳定性。
设计时应考虑易维修和拆卸的结构，以便更好地进行维修和保养。
此外，电主轴还需要考虑重量、大小、制造成本等因素。
设计时应根据具体的应用场景和要求进行综合考虑。
综上所述，电主轴设计需要考虑转速、散热、振动、电机和轴承、刚性、安全性、维护和保养等方面的因素。
只有综合考虑这些要点，才能设计出性能优良、稳定可靠、安全高效的电主轴。
浅析电主轴的设计制造
２ 电主 轴 的主 要优 点
电主轴传动方 式有以下优点 ： （ ） 械结构最 为简 单 ， 动惯量 小 ， １机 转 因而快 速 响应
性好， 能实现极高 的速度 、 （ ） 加Байду номын сангаас减 速度和定角度 的快速准
停（ Ｃ轴 控 制 ） 。
（） ２ 采用交流变频 调速 和矢量控制 的电气驱 动技术 ， 输出功 率大 ， 调速 范 围宽 。有 比较 理 想 的扭 矩— —功 率 特性 ， 一次 装夹既可实现粗加 工又可进行 高速精加工 。 （） ３ 由于 电主轴 实现 了 “ 零传 动 ” 所 以主轴 箱 就可 ，
加 工方 式成为可能 。
以及解决这些 问题 的方 法。
关键词 ： 电主轴 ； 设计 ； 组装
（） ４ 由于没有 中间传动环 节的外力作用 ， 主轴高 速运 行没有 中间传 动冲击 而 更为平 衡 ， 得 主轴 轴承 寿命 相 使 应得到延长 ， 工零件 精度 更高 。 加 （） ５ 实现 了主轴部件 的单元化 ， 可独立做 成标 准化 的
１ 概 述
随着 电气传 动技 术 、 高速轴承技 术 、 冷却技 术 以及润
滑等相关技术 的迅速 发展 和 日趋 完善 ， 内装 式 电主轴 的 功能部件 ， 由专 业厂 进行 系 列化 生产 。机 床 主机厂 只 并
出现使高速数控机床 主传动的机 械结构 已得 到极大 的简 需根据 用户的不 同要求进 行选 用 ， 可很方 便 地组 成 各种
化 。所谓 内装式 电 主轴 是将 主轴 电机 的定 子 、 转子 直接 性 能的高速机 床 ， 符合现代机床设计模块化 的发 展方向。
装进主轴 组件 的内部 ， 不需使用 皮带和齿轮 传动 副 ， 从而 ３ 数 控 车床 电主轴 的典型 结构
浅析提高电主轴可靠性的途径
浅析提高电主轴可靠性的途径李彦;窦怀洛;李玉亭【摘要】电主轴目前越来越广泛的应用于金切机床领域,其在设备上的可靠性即显得越来越重要.针对高速电主轴高可靠性的要求,在高速电主辅基本结构的基础上,采用动态的设计方法,计算出电主轴和滚动轴承的动态特性,进而研究轴向预紧力、跨距、转轴各台阶外径以及轴承对高速电主轴临界转速的影响,最终得到合理的电主轴结构;同时,对高速电主轴的润滑、材料、密封,冷却等方面也进行了研究,以实现最优化的设计,从而满足高速电主轴的高可靠性要求.【期刊名称】《机电工程技术》【年(卷),期】2010(039)006【总页数】4页(P149-151,162)【关键词】电主轴;可靠性;密封设计;润滑方式【作者】李彦;窦怀洛;李玉亭【作者单位】洛阳轴研科技股份有限公司,河南洛阳,471039;洛阳轴研科技股份有限公司,河南洛阳,471039;洛阳轴研科技股份有限公司,河南洛阳,471039【正文语种】中文【中图分类】TH131 前言高速加工是机械制造领域的一个重要发展方向，而电主轴是高速加工机床的核心功能部件［1］。
高速加工技术是指以比常规切削速度高2～3倍的速度进行加工的一项先进制造技术。
近20年来在工业各部门特别是航空、航天、汽车工业、造船、模具加工等领域获得广泛应用［2］。
“但我国金切机床还大多停留在产品性能落后的阶段，调整产品结构迫在眉睫，要为用户提供高性能、高可靠性的中高档数控机床”。
机械部机床工具司副总师恩宝贵如是说［3］。
高速大功率的内装式主轴单元（在文中简称电主轴）作为高速金切机床的核心功能部件，是完成高速加工高可靠性的关键，因此研制开发高速、高效、高精度、大功率、大扭矩、高可靠性和耐久性电主轴具有很高的基础战略意义，对机床行业的发展起到举足轻重的作用［4］。
所谓电主轴的稳定可靠性是指在额定工作转速下，电主轴保证其寿命精度的能力。
笔者结合自身工作经验从电主轴设计角度上就如何提高其可靠性入手，浅析几个改善电主轴稳定可靠性的方法。
数控铣床电主轴的设计
毕业设计（论文）题目数控铣床电主轴的设计CNC milling machine spindle design姓名学号专业班级指导教师分院日期摘要本文阐述了车床电主轴的发展历史、现状以及趋势，并介绍了电主轴的工作原理及关键技术。
然后，确定了合理的电主轴总体结构，分别对电主轴的电机、编码器、转子、定子和冷却系统等各零部件进行了设计，设计了装配图、零件图与设计说明书等。
最后，对电主轴的旋转轴和轴承进行了详细的分析和校核，计算表明，该电主轴设计符合要求。
关键词：铣床；电主轴；主轴；轴承AbstractThis paper describes the history, status and trends of lathe electrical spindle development, and also introduce the working principle and key technology of electrical spindle. Then, the reasonable structure of the electrical spindle is determined. The structure of main components is designed, such as axis, encoders, rotor, stator and cooling systems. The assembly drawings, part drawings and design specifications and other design documents is generated. Finally, the detailed analysis and verification of the axis and bearing are made. The calculation result shows that the design of electrical spindle meets the requirements.Key words:Milling machine；electrical spindle；spindle；bearing目录摘要 (I)Abstract........................................................... I I 第 1 章绪论.. (1)1.1 选题的目的和意义 (1)1.2 数控铣床电主轴的国内外的研究现状和发展趋势 (1)1.2.1 数控铣床电主轴的国内外的研究现状 (1)1.2.2数控铣床电主轴的国内外的发展趋势 (2)1.3 本课题主要研究内容 (4)1.4 铣床电主轴的工作原理 (4)1.5 数控铣床电主轴的特征 (4)第 2 章铣床电主轴结构设计 (6)2.1 电主轴结构图 (6)2.2电器伺服控制器的选择 (6)2.3 转子和定子的设计 (7)2.4 轴承的选择 (10)2.4.1轴承的选择 (10)2.4.2轴承材料的选择 (11)2.5 冷却系统的设计 (12)2.5.1 热源的主要构成 (13)2.5.2 冷却系统的冷却路线 (13)2.5.3 主轴传动的热平衡计算 (14)2.6 主轴的主要结构参数 (15)2.6.1 主轴前端悬伸量的确定 (16)2.6.2 主轴主支承间的跨距L的确定 (16)2.6.3 主轴的构造 (16)2.6.4 主轴的材料和热处理 (16)2.6.5 主轴所受外力的计算 (16)第 3 章轴的校核 (21)3.1 轴的强度校核计算 (21)3.2 轴的刚度校核计算 (24)第 4 章轴承的校核 (26)4.1 角接触球轴承的校核 (26)4.2 深沟球轴承的校核 (28)总结 (30)参考文献 (31)附录 (32)致谢 (33)第 1 章绪论1.1 选题的目的和意义我国数控机床的发展历程充分证明，数控机床电主轴发展的滞后，始终是制约我国数控机床发展的瓶颈问题之一。
木工机械用高速电主轴设计与性能分析的开题报告
木工机械用高速电主轴设计与性能分析的开题报告一、选题背景随着现代制造技术的不断发展，木工机械在家居、建筑等领域中扮演着重要的角色。
其中，高速电主轴作为核心件，对于机器的性能和加工效率起到至关重要的作用。
在木工机械行业，高速电主轴要求具有高精度、高效率、低噪音等优秀的性能，以满足市场的需求。
因此，本文选取“木工机械用高速电主轴设计与性能分析”为研究课题，对其进行探究。
二、研究内容和目标本文旨在通过对木工机械用高速电主轴的研究和设计，深入分析其电机、轴承、定位器以及冷却系统等方面的性能，最终实现降低工艺成本、提高加工精度和效率等目标。
具体来说，研究内容包括以下几个方面：1. 电机系统的设计：通过对电机类型、功率、工作电压等方面进行研究，确定最优的参数组合，以实现高效平稳的工作。
2. 轴承系统的设计：考虑到高速电主轴的运转速度较快，采用高精度陶瓷轴承，必须确保其能够承受耐磨损、耐高温、低摩擦等特殊要求。
3. 定位器的设计：针对木工机械加工时对于精度的要求，需要通过数控加工等手段，设计出高精度的定位器及调整系统，确保精度满足加工要求。
4. 冷却系统的设计：由于高速电主轴在运转时会产生较大的热量，对轴承及电机产生损伤，同时也会对加工件就产生不homework加的影响。
因此，设计出有效的冷却系统，为高速电主轴提供稳定的工作温度，以保护其稳定运行，提高机器的使用寿命。
三、研究意义本文的研究内容对于提升木工机械高速电主轴的性能和优化其技术参数具有重要的实践应用和经济意义。
其研究成果能够帮助企业提高生产效率和企业的市场竞争力，同时还能为相关领域的研究人员提供更多关于机械制造技术的研究方向。
四、研究计划1. 前期调研：了解市场需求，分析目前木工机械用高速电主轴的发展现状及其存在的问题。
2. 理论分析：通过分析木工机械高速电主轴的特点，并结合电机、轴承、定位器以及冷却系统等方面的理论知识，设计出合理的研究方案。
3. 实验研究：通过实验研究，对木工机械用高速电主轴的电机、轴承、定位器和冷却系统等方面的性能进行测试和分析。
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内， 所设计的主轴满足机床的使用要求。图 $ 是第 " 阶频率对应的振型图。
由上图可以看出， 主轴后端热伸长量大于主轴前 端热伸长量。后端最大热伸长为 (+ (,. ! ))， 主轴前 端最大热伸长是 (+ (". . ))。
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主轴冷却系统设计
电主轴结构由于电动机位于主轴单元中， 自然散
电主轴设计的几个关键问题
张世珍 ! 刘炳业 " 范晋伟 ! 常文芬 "
（ !北京工业大学机电工程学院， 北京 $"""%% ； 北京 $""$"% ） "北京机床所精密机电有限公司， 摘 要： 论述用于立式加工中心的电主轴设计时轴承的合理选择， 使用有限元分析了 !" """# $ %&’ 主轴的固 有频率特性以及电动机和轴承发热对主轴精度的影响， 完成了高速主轴单元的结构设计。 关键词： 加工中心 高速电主轴
潘尚峰 黄礼强
（ 清华大学精密仪器系， 北京 $%%%&’ ） 摘 要： 工作气隙是影响直线同步振动电动机工作性能的主要因素之一， 寻求合理结构的工作气隙是电动机 设计工作中十分重要的内容。文章首先针对隐极式结构的直线振动电动机， 从理论上定性分析了电 磁推力与工作气隙结构参数的关系， 总结出合理工作气隙结构设计的依据。最后采用电磁场有限元 分析软件验证了得出的结论， 结果证明这些结论是正确的， 可以在直线同步振动电动机工作气隙设 计中采用。 关键词： 直线振动电动机 非圆车削 磁路设计 有限元分析
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图 ! 是主轴组件划分网格图， 计算时利用分块兰 索斯法 （ 789:; <3=:>9?） 提取主轴系统的固有频率和振 型。
主轴系 统 前 * 阶 的 固 有 频 率 为 (0 @"A -. B>， !.’0 -5 B>， 5A*0 "- B>。第 " 阶固有频率 ’" C (0 @"A -. B> ， 由此可确定主轴使用的最低工作转速应大于 55 D E F%=。第 - 阶频率 ’- C !.’0 -5 B>， 是使用极限转 速 -( ((( D E F%= 的 "0 .@ 倍， 在 安 全 系 数 -( ) 的 范 围
坯缺陷、 加工和装配等原因， 使质量分布不均匀， 形成 一定的偏心。当转子转动时就产生不平衡的离心力， 从而使整个主轴系统产生有害的振动和噪声， 降低轴 承及整个主轴系统的使用寿命， 影响到整个主轴系统 的动态工作精度。因此要求精密主轴的动平衡精度达 到 /(+ - 。在结构设计时， 设计了双面动平衡位置环， 旋转零件组装后， 在动平衡机上作一次动平衡。试机 时， 如果必要可作在线动平衡， 保证高速主轴运行平 稳。 鉴于以上分析， 在电主轴结构设计时， 采用前端固 定， 后端浮动的支承方式。前端四列背对背角接触球 轴承， 主轴的径向和轴向全部固定； 后端选用圆柱滚子 轴承， 轴承内圈、 滚子可与主轴一起， 沿着外圈滚道作 轴向移动。减小热伸长对主轴的影响， 精度保持性好。 具体结构如图 &( 所示。
!"#"$%& ’"( )*+,-. +, /*-*$+0"1 !2+,1&" 3".+4,
&’()* +,-.,/ !" ，012 3-456/ " ，7() 8-49/- ! ，:’()* ;/4</4 " （ !=,/ :>??/5/ >< @/A,B4-AB? C45-4//D-45 E (FF?-/G C?/AHD>4-AI =/A,4>?>56 ，3/-J-45 24-K/DI-H6 >< =/A,4>?>56，3/-J-45 $"""%% ，:’)；"3@=1 LD/A-I->4 @/A,BHD>4-AI :>M 0HGM ，3/-J-45 $""$"% ，:’)） ()*+#,-+： =,/ FBF/D G-IANII/I H,/ A,>-A/ >< O/BD-45 9,/4 G/I-54-45 H,/ P>H>D-./G IF-4G?/ NI/G <>D K/DH-AB? PBA,-Q 4-45 A/4H/D ，B4B?6I/I H,/ A,BDBAH/D-IH-AI >< <D// <D/RN/4A6 >< %" """ D S P-4 IF-4G?/ B4G H,/ -4<?N/4A/ >< ,/BH FD>GNA/G O6 P>H>D B4G O/BD-45 >4 H,/ IF-4G?/ FD/A-I->4 ， BAA>PF?-I,/I H,/ IHDNAHND/ G/I-54 >< ,-5, T IF//G IF-4G?/ N4-HM ./012#3*： @BA,-4-45 :/4H/D； ’-5, T IF//G @>H>D-./G +F-4G?/ 高速加工技术是指以比常规切削速度高 ! U $" 倍 的速度进行加工的一项先进制造技术， 近 %" 年来在工 业发达国家得到迅猛发展， 在工业各部门特别是航空 航天、 汽车工业、 模具加工和摩托车工业等领域获得广 泛应用。进入上世纪 V" 年代， 一批又一批的高速加工 中心和其他各类高速数控机床相继投放国际市场， 高 速大功率数控机床的需求量正与日俱增。高速大功率 的内装电动机主轴单元 （ 以下简称电主轴） 作为高速 机床的核心功能部件， 是完成高速加工的战略性关键， 其性能指标直接决定机床的发展水平， 因此研制开发 高速、 高效、 高精度、 大功率、 大扭矩和高可靠性电主轴 具有很好的市场前景。本文以用于立式加工中心的 %" """ D S P-4 电主轴为例， 介绍高速高刚性电主轴结 构设计的几个关键技术。 交流变频调速和矢量控制电气驱动， 实现宽调速。