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1、XK714直驱式主传动系统设计 摘要高速加工和高精度加工是世界范围内制造技术的两种倾向. 电主轴是机床用来实现高速,高精度加工的核心部件，在很大程度上，影响机床发展的总体水平.本文首先介绍了电主轴的发展及国内外数控机床高速发展，阐述了电主轴是现代高速加工中高速主轴单元的必然，理想的选择，应用电主轴能够提供的好处有可以提高生产率,更好的表面光洁度和降低生产成本,还可实现高精度薄壁零件和加工淬硬.高速主轴是一个发展的趋势.开发电主轴是机械加工行业的迫切要求，阐述了先进的电主轴关键技术, 其中包括高速精密主轴轴承,动态热态特性。电主轴的研究与具体设计，包括设计主轴支承形式、主轴轴承的配置选型、冷却、
2、润滑以及密封。 关键词电主轴，主轴，轴承，设计。 The XK714 keeps the get rid of type lord to spread to move the system design Abstract the high speed process process with high accuracy is a manufacturing inside the scope of world technical two kinds of tendencies. Give or get an electric shock the principal axis is a tool
3、machine to use to carry out the high speed, the core parts that high accuracy process, to a large extent, affect total level of the tool machine development.This text introduced the electricity first the development of the principal axis and domestic and international the number controls the tool ma
4、chine high speed development, elaborating to give or get an electric shock the principal axis to is a high-speed principal axis unit, in the modern high speed that process of inevitable, ideal choice, the applied advantage that the electricity principal axis can provide has and can raise rate of pro
5、duction, clean degree of better surface and lower the production cost, can also carry out the thin wall spare parts of high accuracy and process the hard.The high-speed principal axis is a trend for develop.The development electricity principal axis is the urgent request that the machine processes t
6、he profession, elaborating the forerunners electricity principal axis key technique, among them including the high-speed precise principal axis bearings, hot characteristic of dynamic state.Give or get an electric shock the research and concrete designs of the principal axis, include to design the p
7、rincipal axis to pay to accept the form, the principal axis bearings to install to choose the type, cool off and lubricate and seal completely. Key words the electricity principal axis, principal axis, bearings, design。目 录第一章 电主轴的发展11.1概述11.2电主轴国内外概况21.2.1 国内发展现状21.2.2国外发展情况3第二章 XK714数控铣床62.1 XK714数
8、控铣床主要技术参数62.1.1 XK714数控床身铣床机械能特点62.1.2 xK714数控床身铣床性能特点62.1.3 主要配置及技术参数7第三章 数控机床的发展83.1 数控铣床概述83.2 数控铣床的特点83.3 数控铣床的用途83.4 机床精度93.5目前世界著名机床厂商在我国的投资情况103.6 数控机床的发展10第四章 电主轴154.1 电主轴概述154.1.1 电主轴的基本概念154.1.2 电主轴的主要特点154.2 电主轴的基本结构154.3 电主轴的工作原理164.4 电主轴的基本参数174.5 高速电主轴所融合的技术184.5.1 支承技术184.5.2润滑技术194.5
9、.3动态性能194.5.4冷却技术20第五章 电主轴的设计225.1 电主轴的总体布局225.2 总体方案确定225.3 电主轴单元的结构布局设计235.4 电动机的选择235.4.1 切削力的计算235.4.2切削功率245.4.3 电主轴单元的结构布局设计255.5 主轴设计265.5.1要结构参数的确定265.5.2 主轴结构设计265.5.3轴在周期性变载荷作用下工作的失效形式305.5.4轴的几种材料性能对比305.6主轴强度校核305.7提高轴的强度,刚度,减轻重量的措施335.8 电主轴的热稳定性分析335.9轴承的选配355.9.1轴承的选型355.9.2轴承布局36第六章 电
10、主轴防尘与密封38总 结39致 谢41参考文献42第一章 电主轴的发展1.1概述众所周知，高速数控机床是装备制造业的技术基础和发展方向之一，是装备制造业的战略性产业。高速机床的工作性能，首先取决与高速主轴的性能。数控机床高速主轴单元包括主轴动力源、主轴、轴承和机架等几部份，它影响加工系统的精度、稳定性及应用范围，其动力学性能及稳定性对高速加工起着关键的作用。高速高精度主轴单元系统，应该具有刚性好、回转精度高、运转时温升小、稳定性、功耗低、寿命长、可靠性高等优点，同时要满足要求，主轴的制造及动平衡、主轴支承、主轴系统的润滑和冷却主轴系统的刚性是最重要的。高速主轴单元的类型主要有电主轴气动主轴水动
11、主轴等。不同类型份的高速主轴单元输出功率相差较大。高速加工机床主轴要求在极短的时间内实现升降速，并在指定位置快速准停。这要求主轴有较高得角减速度和角加速度。目前，随着电气传动技术的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主传动系统的机械结构得到极大的简化，基本上取消了带传动和齿轮传动。机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做“主轴单元”，俗称“电主轴”。在英文中也有多种称谓，如Electric Spindle,Motor Spindle和Mo
12、torized Spindle等等。由于目前电主轴主要采用的是交流高频电动机，故也称为“高频主轴”。由于没有中间环节传动，有时称为“直接传动主轴”电主轴是一种智能型功能部件，它采用无外壳电动机，将带有冷却套的电动机定子装配主轴单元的外壳内，转子和机床主轴的旋转部分做成一体，主轴的变速范围完全由变频交流电动机控制，是变频电动机和机床主轴合而为一。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，不但转速高、功率大，还具有一系列控制主轴温升与振动等机床运行参数的功能，以确保其高速运转的可靠性与安全性。使用电主轴可以减少带轮传动和齿轮传动，简化了机床设计，易于实现主轴定位，是高速主轴
13、单元中的一种理想结构。在高速加工时，采用内置是最佳选择。原因如下：如果采用电动机通过带轮或齿轮等方式传动，在高速运转下所产生的振动等，势必影响高速加工的精度、加工表面粗糙度，而产生的噪声导致环境的恶化；高速加工的最终目的是为了提高生产率，相应的要求在极短的时间内实现高速化的速度变化，及要求主轴回转是具有很高的角加速度和角减速度。这最经济地方法就是将主传动的转动惯量尽可能的减至最小。这就只有将电动机内置；电动机内置与主轴两支承之间，与用带轮、齿轮等作末端传动的结构相比，可提高主轴系统的刚度，也就提高了系统的固有频率，从而提高其临界速度值，这样电主轴即使在最高转速运转式，仍可确保低于临界速度值，保
14、证安全；由于没有中间环节的传动冲击等外力作用，主轴高速运行更为平稳，使得主轴轴承寿命相应得到延长；电主轴与传动的主轴传动系统相比有结构简单、紧凑等优点，便于把它用在多联动机床、多面加工机床和并联机床上。高速主轴系统历来就是数控机床三大高新技术之一(高速主轴、数控系统、送给驱动)。 随着数控技术及切削刀具的飞跃发展，越来越多的机械制造装备都在不断地向高速、高精、高效、高智能化发展，内装式电主轴单元已成为最能适宜上述高性能工况的数控机床核心功能部件之一。尤其是在多轴联动、多面体加工、并联机床、复合加工机床等诸多先进产品中，内装式电主轴单元的优异特点是其他类型主轴单元不能替代的。1.2电主轴国内外概
15、况1.2.1 国内发展现状我国对电主轴的研究始于60年代，它主要用于零件内表面磨削，这种电主轴的功率低、刚度小，并且它采用无内圈式向心推力球轴承，限制了高频电主轴生产社会化、商品化。70年代后期至80年代，随着高速主轴轴承的开发，研制了高刚度高频电主轴，被广泛应用于各种内圆磨床和各个机械制造领域技术。在80年代末以后，由磨用电主轴转向铣用电主轴，它不仅能加工各种形体复杂的模具，而且开发了用于木工机械用的风冷式高速铣用电主轴，推动了高频电主轴在铣削中的应用。高速拉伸电主轴的应用也促进了我国有色管材精密冷成型技术的发展。高精度硅片切割机用电主轴，促进了电子工业的设备更新和进步。利用高频电主轴的优良
16、性能，还可以开发多种高性能试验机。由于受各种条件制约，国内研制的电主轴的各项性指标同国外先进产品比较一直有较大的差距。目前国内研制的高速主轴电机转速最高达到240000r/min， 功率仅约为0.3kW。在体积、转速相近的条件下，意大利GMFOR电主轴的产品已达260000r/min，功率约0.6kW(型号80EG6006)。高精度和高的精度保持性是保证产品品质优良的关键，国外高频电主轴旋转精度不超过0.002mm（径跳）和O.Olmm(端跳)动平衡精度小于GO.4度/ISO标（GAMFOR);研制的电主轴性能指标还达不到这一水平。至于电主轴的寿命是同许多条件相关联的，只有综合提高电主轴的各方
17、面性能指标，才能使电主轴的寿命得以有效地延长。能自行研究开发电主轴，其Dmn值达到了很高的水平。广州钜联高频电主轴有限公司研发的大功率静压轴承电主轴曾获得获日内瓦国际专利技术博览会金奖。广东工业大学高速加工和机床研究所也开发了数控铣床高频电主轴，主要技术指标为:电主轴的额定功率是13.5kw，最高转速为18000r/min,在额定转速5O0r/min时产生最大输出转矩为85Nm。在我国的安阳市，有一家中外合资的电主轴生产厂家，安阳莱必泰机械有限公司，它们拥有先进的电主轴、机床主轴设计和制造技术。该公司研制生产的加工中心电主轴，采用先进技术，配有矢量闭环控制系统，能对主轴实行恒功率调速、准停制动
18、。功率为3.7-25kw，恒转速段1500-12000r/min，采用进口高速精密轴承，旋转件经高精度平衡。该系列产品具有高精度、高刚度、高速度、低噪声、低振动、低温升等优点。1.2.2国外发展情况近年来，随着高速加工技术的迅猛发展和广泛应用，各工业部门特别是航天、航空、汽车、摩托车和模具加工领域，对高速度、高精度数控机床的需求与日俱增。数控机床的高转速、高精度，使传统的滚动轴承主轴结构越来越不适应。美国、德国、日本、意大利等工业发达国家，都在高速数控机床上采用电主轴结构。我国为发展高速、高精度数控机床的需求，在九五期间通过攻关，开发出了主轴功率为2.5-29kw.扭矩为4-86Nm.能用于数
19、控机床和加工中心的电主轴，并且已装备了部分国产数控机床。但是国产的电主轴和国外产品相比较，无论是性能、品种和质量都较大差距，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，仍然主要从国外进口。国产电主轴产品种国外的相比较，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300Nm，而我国目前仅在100Nm以内。（2) 在高转速方面，国外于加工中心的电主轴转速已达75000r/min，我国则多在15000r/min以内。（3) 电主轴的轴承润滑，国外已普遍采用油气润滑，而我国仍用油脂润滑。（4) 其它配套技术也有较大差距，如主轴电机矢量控制、交流伺服控制技术、精确定向技术
20、、快速启动、停止等。（5) 在产品的品种、规格、数量和制造规模等方面，仍然处于小量研发试制阶段，没有形成系列化、专业化，远不满足国内数控机床和加工中心发展的需求。国外电主轴由于研究较早，技术水平也处于领先地位，出品的电主轴己越来越多应用到工业制造业中。著名的有瑞士的Fisher公司、bag公司、德国的GMN 公司、Hofer公司、Siemem公司、意大利Faemat公司、Gamfior公司、美国Ingersoll公司、日本的kuma公司和Fanuc公司等，它们的技术水平达到了这个领域的世界先进水平。这些公司当前的电主轴较之于国内的电主轴有以下几个特点：（1）功率大、转速高。（2）启用高速、高刚
21、度轴承。国外高速精密主轴上采用的高速、高刚度轴承，主要有陶瓷轴承和液体动静压轴承，特殊情况下采用空气润滑轴承和磁悬浮轴承。（3）精密加工与精密装配工艺水平高。（4）其他配套系统控制水平高，控制系统包括转子自动平衡系统、轴承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。这些外国厂家像美国、日本、德国、意大利和瑞士等工业发达国家己生产了多种商品化高速机床，它们依赖的关键技术就是高频电主轴技术。像瑞士米克朗公司，就是世界上著名的精密机床制造商。它生产的机床配备最高达6OOOrpm的高频电主轴，可以满足不同的切削要求,有的电主轴均装有恒温水套对主轴电机和轴承进行冷
22、却，并通过高压油雾对复合陶瓷轴承进行润滑。所有的电主轴均采用矢量控制技术，可以在低转速时输出大扭矩。我国要想在这方面技术上迎头赶上发达工业国家，必须着力解决好电主轴的以下几个技术难点:（1） 提高高频电主轴轴承的制造水平，轴承技术是电主轴的关键技术之一，因此必须解决，这可以通 过引进国外先进的制造设备来解决。我国河南洛阳轴承研究所己从GMN公司引进高速成对轴承制造技术。（2）国内应发展大功率系列，完善中功率系列，逐步淘汰低功率系列，提高机械加工水平和效率。（3）油雾润滑通道的合理性应具体的分析和实验，选出较佳的通道，保证轴承的润滑和冷却达到较理想的状态，以提高其寿命。（4）改进落后的绝缘工艺，
23、将电主轴的绝缘等级提高到F级甚至更高。（5）尽快研制出性能稳定、优良、价格适中的静态变频器。同时，提高异步变频机组的质量、降低噪声、改进结构、发挥异步机组的优势、以便于维修。第二章 XK714数控铣床2.1 XK714数控铣床主要技术参数2.1.1 XK714数控床身铣床机械能特点XK714数控铣床结构上实现了机电一体化，其布局简洁，操作简单方便。具有可靠性高，稳定性强的特点；该机床基础部件均采用优质的灰铸铁，树脂砂铸造工艺铸造。机床各运动坐标的导轨均采用贴塑导轨，具有摩檫系数小、减震性能好、底速无爬行、快速定位精度高、接触面积大、承载能力强等特点； 机床主轴传动采用电机-同步齿轮带-主轴的传
24、动方式，使主轴获得较高的转速且降低了主轴箱的振动和噪音，利于高速和高精度加工。控制系统：采用德国西门子SINUMERIK802C系统（伺服电机驱动）控制方式。模块化的设计，简单的操作编程， 适用丰富的固定循环，通过RS232接口与PC机相连，可实现CAD/CAM加工。配备了高速高性能的IFK6伺服电机，克服了步进驱动系统固有的缺陷和不足，真正实现了高速高精度加工，具有很高的性能价格比。2.1.2 xK714数控床身铣床性能特点1 X、Y坐标采用直线滚动导轨，摩擦系数小；Z坐标导轨采用铸铁贴塑滑动导轨，摩擦系数较小。保证机床运动灵活，刚性好。2精密滚珠丝杠与AC伺服电机直联传动。3主轴转速有两种
25、供选配；切削功率大，可以进行镗削、铣削、钻削等加工。4采用半封闭罩及挡屑板防护，气动换刀。快速方便；根据用户要求可采用全封闭防护罩。5采用日本三菱数控系统。6根据用户要求可加装刀库及仿形臂，使本产品衍化成加工中心及仿形铣。适用行业：本系列机床主要应用与模具制造领域，主轴拥有强有力而广泛的转速范围，能适应从粗加工到精加工的一切模具加工要求，具有高刚性，切削功率大的特点，还可以进行钻、铰、扩、镗等孔类加工。 2.1.3 主要配置及技术参数 1、进给电机(X/Y/Z):6Nm/6Nm/11Nm； 2、主轴电机：5.5Kw变频器； 3、变频器产地：韩国LG7.5Kw； 4、滚珠丝杆产地：台湾； 5、主
26、轴轴承产地：日本； 6、工作台尺寸：400mmX800mm； 7、坐标行程：630mmX400mmX500mm； 8、快速移动速度（X/Y/Z）：8000mm/8000mm/6000mm/min； 9、加工进给速度（X/Y/Z）：1-2500mm/min； 10、工作台承重：400Kg； 11、定位精度：0.01mm； 12、重复定位精度：0.006mm； 13、主轴端面到工作台面距离：125-625mm； 14、主轴锥孔：ANSIB5.5-40#； 15、主轴转速范围：40-6000转/min； 16、主轴电机功率：5.5Kw； 17、电机扭距（X/Y/Z）：6Nm/6Nm/11Nm； 18
27、、机床总质量：3000Kg； 19、机床外型尺寸：1600mmX2050mmX2300mm。第三章 数控机床的发展 3.1 数控铣床概述数控铣床是在一般铣床的基础上发展起来的,两都的加工工艺基本相同,结构也有些相似,但数控铣床是靠程序控制的自动加工机床,所以其结构也与普通铣床有很大区别.数控铣床一般由数控系统、主传动系统、进给伺服系统、冷却润滑系统等几大部分组成： （1）主轴箱 包括主轴箱体和主轴传动系统，用于装夹刀具并带动刀具旋转，主轴转速范围和输出扭矩对加工有直接的影响； （2）进给伺服系统 由进给电机和进给执行机构组成，按照程序设定的进给速度实现刀具和工件之间的相对运动，包括直线进给运动
28、和旋转运动； （3）控制系统 数控铣床运动控制的中心，执行数控加工程序控制机床进行加工； （4）辅助装置 如液压、气动、润滑、冷却系统和排屑、防护等装置； （5）机床基础件 通常是指底座、立柱、横梁等，它是整个机床的基础和框架。3.2 数控铣床的特点(1)机床采用矩形导轨，铝合金丝杆，导轨采用硬质工程塑料制造;(2)机床主轴采用进口变频器实现无级变速;(3)机床配胡标准的RS232接口与计算机通讯，CAD/CAM联网加工.3.3 数控铣床的用途（1）控制联动轴数：三轴 主轴变频控制;（2）10”CRT显示，中、英文提示/全屏幕提示;（3）RS232接口通讯，全光电隔离，抗干扰性强;（4）刀具长
29、度补偿、半径补偿、丝杆的间隙补偿;（5）直线、圆弧插补、图形模拟显示，动态图形跟踪;（6）标准ISO代码、G、M、F、S、T键盘/DNC串行口输入，前台加工，后台编辑;（7）零件程序存储容量：56K（约3000段程序）.所谓机械加工，就是把金属毛坯零件加工成所需要的形状，包含尺寸精度和几何精度两个方面。能完成以上功能的设备都称为机床，数控机床就是在普通机床上发展过来的，数控的意思就是数字控制。给机床装上数控系统后，机床就成了数控机床。当然，普通机床发展到数控机床不只是加装系统这么简单，例如：从铣床发展到加工中心，机床结构发生变化，最主要的是加了刀库，大幅度提高了精度。加工中心最主要的功能是铣、
30、镗、钻的功能。 数控设备的发展方向 六个方面：智能化、网络化、高速、高精度、符合、环保。数控系统 由显示器、控制器伺服、伺服电机、和各种开关、传感器构成。目前世界最大的三家厂商是：日本发那客、德国西门子、日本三菱；其余还有法国扭姆、西班牙凡高等。国内由华中数控、航天数控等。国内的数控系统刚刚开始产业化、水平质量一般。高档次的系统全都是进口。 华中数控这几年发展迅速，软件水平相当不错，但差就差在电器硬件上，故障率比较高。华中数控也有意向数控机床业进军，但机床的硬件方面不行，质量精度一般。目前国内一些大厂还没有采用华中数控的。广州机床厂的简易数控系统也不错。 我们国家机床业最薄弱的环节在数控系统。
31、数控高速铣的发展及应用摘要数控铣床的应用领域，（1）汽车制造业；（2）模具制造业；（3）机床制造业；（4）航空航天业；（5）制造业；（6）军事工业及其他行业。高速加工高速铣的发展高速加工是切削加工的发展方向，高速加工提高了生产效率和加工质量，缩短了生产周期，降低了成本。3.4 机床精度（1） 机械加工机床精度分静精度、加工精度（包括尺寸精度和几何精度）、定位精度、重复定位精度等5种；（2） 机床精度体系：目前我们国家内承认的大致是四种体系：德国VDI标准、日本JIS标准、国际标准ISO标准、国标GB，国标和国际标准差不多；（3） 看一台机床水平的高低，要看它的重复定位精度，一台机床的重复定位精
32、度如果能达到0.005mm(ISO标准.、统计法),就是一台高精度机床，在0.005mm(ISO标准.、统计法)以下，就是超高精度机床，高精度的机床，要有最好的轴承、丝杠；（4） 加工出高精度零件，不只要求机床精度高，还要有好的工艺方法、好的夹具、好的刀具。3.5目前世界著名机床厂商在我国的投资情况（1）2000年，世界最大的专业机床制造商马扎克（MAZAK）在宁夏银川投资建了名为“宁夏小巨人机床公司”的机床公司，生产数控车床、立式加工中心和车铣复合中心。机床质量不错，目前效益良好，年产600台，目前正在建2期工程，建成后可以年产1200台；（2）2003年，德国著名的机床制造商德马吉在上海投
33、资建厂，目前年组装生产数控车床和立式加工中心120台左右；（3）2002年，日本著名的机床生产商大隈公司和北京第一机床厂合资建厂，年生产能力为1000台，生产数控车床、立式加工中心、卧式加工中心；（4）韩国大宇在山东青岛投资建厂，目前生产能力不知；（5）台湾省的著名机床制造商友嘉在浙江萧山投资建厂，年生产能力800台。3.6 数控机床的发展1 数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。数控装备的整体水平标志着一个国家工业现代化水平和综合国力的强弱。 数控机床的发展在很大程度上取决于数控系统的性能和水平，而数控系统的发展及其技术基础离不开微电子技术和计算机技
34、术。随着计算机及其软硬件技术的飞速发展，数控系统的硬件平台趋于一致化，而控制系统软件的竞争日益加剧。我国的数控系统经过“六五”期间的引进，“七五”期间的数控系统开发，“八五”期间的数控应用技术研究以及“九五”期间的主数控系统软件开发应用，已逐步形成了以航天数控、蓝天数控、华中数控和中华数控为主的数控系统产业。 持续稳定发展 ，近年来，我国数控机床的产量持续增长，数控化率也显著提高。另一方面我国数控产品的技术水平和质量也不断提高。目前我国一部分普及型数控机床的生产已经形成一定规模，产品技术性能指标较为成熟，价格合理，在国际市场上具有一定的竞争力。我国数控机床行业所掌握的五轴联动数控技术较成熟，并
35、已有成熟商品走向市场。 我国在数控机床高端产品的生产上取得了一定的突破。目前我国已经可以供应网络化、集成化、柔性化的数控机床。同时，我国也已进入世界高速数控机床生产国和高精度精密数控机床生产国的行列。目前我国已经研制成功一批主轴转速在800010000转/分以上的数控机床。 我国数控机床行业近年来大力推广应用CAD等信息技术，很多企业已开始和计划实施应用ERP、MRP和电子商务。如，济南第二机床集团有限公司的CAD普及率达100%，是国家级“CAD示范企业”，企业的MRP系统应用也非常成功，现代化管理水平较高。但是和发达国家相比，我国数控机床行业在信息化技术应用上仍然存在很多不足： （1）信息
36、化技术基础薄弱，对国外技术依存度高。我国数控机床行业总体的技术开发能力和技术基础薄弱，信息化技术应用程度不高。行业现有的信息化技术来源主要依靠引进国外技术，对国外技术的依存度较高，对引进技术的消化仍停留在掌握已有技术和提高国产化率上，没有上升到形成产品自主开发能力和技术创新能力的高度。具有高精、高速、高效、复合功能、多轴联动等特点的高性能数控机床基本上还得依赖进口。 （2）产品成熟度较低，可行性不高。国外数控系统平均无故障时间在10000小时以上，国内自主开发的数控系统仅3000-5000小时；整机平均无故障工作时间国外达800小时以上，国内最好只有300小时。 （3）创新能力低，市场竞争力不
37、强。我国生产数控机床的企业虽达百余家，但大多数未能形成规模生产，信息化技术利用不足，创新能力低，制造成本高，产品市场竞争能力不强。2 当今发展方向 随着柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高要求。当今数控机床信息化正朝着以下几个方面发展。 （1）高速度、高精度化。速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。目前，我国生产的第六代数控机床系统均采用位数、频率更高的处理器，以提高系统的基本运算速度，使得高速运算、模块化及多轴成组控制系统成为可能。同时，新一代数控机床将采用超大规模的集成电路和多微处理器结构，以提高系统的数据处理能力。 （2
38、）智能化。现代数控机床的智能化发展将通过对影响加工精度和效率的物理量进行检测、建模、提取特征、自动感知加工系统的内部状态及外部环境，快速作出实现最佳目标的智能决策，对机床的工艺参数进行实时控制，使机床的加工过程处于最佳状态。 （3）基于CAD和CAM的数控编程自动化。随着计算机应用技术的发展，目前CAD/CAM图形交互式自动编程已得到较多的应用，是数控技术发展的新趋势。它是利用CAD绘制的零件加工图样，经计算机内的刀具轨迹数据进行计算和后置处理，从而自动生成数控机床零部件加工程序，以实现CAD与CAM的集成。随着CIMS技术的发展，当前又出现了CAD/CAPP/CAM集成的全自动编程方式，其编
39、程所需的加工工艺参数不必由人工参与，直接从系统内的CAPP数据库获得，推动数控机床系统自动化的进一步发展。 （4）发展可靠性最大化。数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标。新一代的数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，减少元器件的数量，从而提高可靠性。同时通过自动运行诊断、在线诊断、离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警 3 是高速加工技术发展迅速（1）高速加工技术发展迅速，在高档数控机床中得到广泛应用。应用新的机床运动学理论和先进的驱动技术，优化机床结构，采用当前数控机床技术发展趋势高性能功能部件，移动部件
40、轻量化，减少运动惯性。在刀具材料和结构的支持下，从单一的刀具切削高速加工，发展到机床加工全面高速化，如数控机床主轴的转速从每分钟几千转发展到几万转、几十万转；快速移动速度从每分钟十几米发展到几十米和超过百米；换刀时间从十几秒下降到10秒、3秒、1秒以下，换刀速度加快了几倍到十几倍。应用高速加工技术达到缩短切削时间和辅助时间，从而实现加工制造的高质量和高效率。（2）精密加工技术的突破通过机床结构优化、制造和装配的精化，数控系统和伺服控制的精密化，高精度功能部件的采用和温度、振动误差补偿技术的应用等，从而提高机床加工的几何精度、运动精度，减少形位误差、表面粗糙度。加工精度平均每8年提高1倍，从19
41、50年至2000年50年内提升100倍。目前，精密数控机床的重复定位精度可以达到1m，进入亚微米超精加工时代。（3）是技术集成和技术复合趋势明显技术集成和技术复合是数控机床技术最活跃的发展趋势之一，如工序复合型车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工技术复合，跨加工类别技术复合金切与激光、冲压与激光、金属烧结与镜面切削复合等，目前已由机加工复合发展到非机加工复合，进而发展到零件制造和管理信息及应用软件的兼容，目的在于实现复杂形状零件的全部加工及生产过程集约化管理。技术集成和复合形成了新一类机床复合加工机床，并呈现出复合机床多样性的创新结构。（4）是数字化控制技术进入了智能化的新阶段数字化控制技术发展经历了
42、三个阶段:数字化控制技术对机床单机控制；集合生产管理信息形成生产过程自动控制；生产过程远程控制，实现网络化和无人化工厂的智能化新阶段。智能化指工作过程智能化，利用计算机、信息、网络等智能化技术有机结合，对数控机床加工过程实行智能监控和人工智能自动编程等。加工过程智能监控可以实现工件装卡定位自动找正，刀具直径和长度误差测量，加工过程刀具磨损和破损诊断、零件装卸物流监控，自动进行补偿、调整、自动更换刀具等，智能监控系统对机床的机械、电气、液压系统出现故障自动诊断、报警、故障显示等，直至停机处理。随着网络技术的发展，远程故障诊断专家智能系统开始应用。数控系统具有在线技术后援和在线服务后援。人工智能自
43、动编程系统能按机床加工要求对零件进行自动加工。在线服务可以根据用户要求随时接通INTERNET接受远程服务。采用智能技术来实现与管理信息融合下的重构优化的智能决策、过程适应控制、误差补偿智能控制、故障自诊断和智能维护等功能，大大提高成形和加工精度、提高制造效率。信息化技术在制造系统上的应用，发展成柔性制造单元和智能网络工厂，并进一步向制造系统可重组的方向发展。（5）是极端制造扩张新的技术领域极端制造技术是指极大型、极微型、极精密型等极端条件下的制造技术。极端制造技术是数控机床技术发展的重要方向。重点研究微纳机电系统的制造技术，超精密制造、巨型系统制造等相关的数控制造技术、检测技术及相关的数控机
44、床研制，如微型、高精度、远程控制手术机器人的制造技术和应用；应用于制造大型电站设备、大型舰船和航空航天设备的重型、超重型数控机床的研制；IT产业等高新技术的发展需要超精细加工和微纳米级加工技术，研制适应微小尺寸的微纳米级加工新一代微型数控机床和特种加工机床；极端制造领域的复合机床的研制等。第四章 电主轴4.1 电主轴概述4.1.1 电主轴的基本概念电主轴是近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与电机融为一体的新技术，即把主轴电机的定子、转子直接装入主轴的内部，其间不再使用皮带或齿轮传动副，从而实现机床主轴系统的“零传动”。电主轴技术与直线电机技术、高速刀具技术一起将会把高速加工推向一个新的时代。
45、电主轴是一套组件，他包括主轴本身以及其他附件，电主轴、高频变频装置、润滑装置、冷却装置、内置编码器、自动换刀装置等。4.1.2 电主轴的主要特点电主轴是高速加工机床的核心部件，它实现了高速机床驱动的零传动。从机床主传动系统来看这种传动方式取消了从电动机到主轴之间一切中间机械传动环节，实现了主电动机和机床主轴的一体化这种传动方式有以下特点：（1）机械结构较为简单、传动惯量小，因而快速响应好，能实现极高的转速、加速度和定位角度的快速准停。（2）电主轴系统减少了高精密齿轮等关键零件，消除了齿轮传动误差。（3）采用交变频调速和矢量控制等的电驱动技术，输出功率大，调速范围宽，有比较理想的扭矩功率特性，一
46、次装夹既可实现粗加工又可进行高速精加工。（4）实现了主轴部件的单元化，可独立作成标准化的功能部件，并由专业厂进行系列化生产。机床厂只需根据用户的不同要求进行选用，可很方便的组成各种性能的高速机床，符合现代机床设计模块化的发展方向。4.2 电主轴的基本结构（1）轴壳轴壳是高速电主轴的主要部件。轴壳的尺寸精度和位置精度直接影响主轴的综合精度。通常将轴承座孔直接设计在轴壳上。 （2）转轴 转轴是高速电主轴的主要回转主体，其制造精度直接影响电主轴的最终精度。成品转轴的形位公差和尺寸精度要求都很高。（3）定子转子高速电主轴的定子由高磁导率的优质矽刚片叠压而成，叠压成型的定子内腔带有冲制嵌线槽。转子是中频
47、电动机的旋转部分，它的功能是将定子的电磁功能量转换成机械能。转自由转子铁心 、鼠笼、转轴三部分组成。由于主轴转速高，为了保证电主轴运行的平稳性，防止震动发生，电动机转子与主轴的连接也采用同主轴轴承紧固似的结构。4.3 电主轴的工作原理高速电主轴的工作原理是：高速电主轴的电动机部分由产生旋转磁场的定子绕组和把电能转化为机械能的转子组成。高速电主轴的定子和转子之间的空隙是形成功率输出有效部分的主要部位。电主轴持续工作的功率主要去绝育电动机的机械效率和冷却效果，机械效率的高低主要取决与轴承高速化参数值。电主轴的线圈相位互差，安放在定子铁心的槽内，通以三相交流电，三相线圈各自形成一个正弦交变磁场，这三
48、个对称的交变磁场互相叠加，合成一个强度不变，磁极朝一定方向横转速旋转的磁场，磁场转速就是电主轴的同步转速。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励磁电压来获取各种转速。在加速和制动过程中，通过提供相当大的最大转矩的频率进行加减速，以免电动机温升过高。改变电主轴输入的电流的相序，便可改变电主轴的旋转方向。4.4 电主轴的基本参数电主轴的性能是通过一些技术特性参数来表示的。电主轴的型号：一般由电主轴的代号、安装尺寸及转速代码组成。转速：转速是电主轴一个重要技术指标，电主轴转速可在一定范围内通过变频器变频实现无级变速，电主轴一般为异步电机，其实际转速比同步电动机转速稍低，选择电动机要注意实际工作转速不得高于最高
