萬能外圓磨床結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)--高速磨頭無軸電機(jī)設(shè)計(jì)【優(yōu)秀畢業(yè)論文 答辯通過】

1、<p><b>　　編號</b></p><p><b>　　無錫太湖學(xué)院</b></p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p>　　題目： 萬能外圓磨床結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)</p><p>　　--高速磨頭無軸電機(jī)設(shè)計(jì) </p><

2、;p>　　信機(jī) 系 機(jī)械工程及自動(dòng)化 專業(yè)</p><p>　　學(xué) 號： 0923029 </p><p>　　學(xué)生姓名： 馮會(huì)駿 </p><p>　　指導(dǎo)教師： 韓邦華 （職稱：副教授）</p><p>　?。毞Q： ）</p>

3、;<p>　　2013年5月25日</p><p>　　無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p><b>　　誠 信 承 諾 書</b></p><p>　　本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 萬能外圓磨床結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)--高速磨頭無軸電機(jī)設(shè)計(jì) 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論

4、文）中特別加以標(biāo)注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他個(gè)人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。</p><p>　　班 級： 機(jī)械91 </p><p>　　學(xué) 號： 0923029 </p><p>　　作者姓名： </p><p>　　2013 年 5 月 25 日&

5、lt;/p><p><b>　　無錫太湖學(xué)院</b></p><p>　　信機(jī) 系 機(jī)械工程及自動(dòng)化 專業(yè)</p><p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)論 文 任 務(wù) 書</p><p><b>　　題目及專題</b></p><p>　　題目 萬能外圓磨床結(jié)構(gòu)改

6、進(jìn)設(shè) </p><p>　　專題 --高速磨頭無軸電機(jī)設(shè)計(jì) </p><p><b>　　課題來源及選題依據(jù)</b></p><p>　　課題來源為無錫某機(jī)械有限公司實(shí)際產(chǎn)品?，F(xiàn)代機(jī)械加工越來越需要提高效率，通常采用高速加工，主要是采用高速主軸，因而高速加工中無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就顯得很重要，本文正是基于萬能外圓磨床

7、適應(yīng)于高速加工要求對高速主軸的無軸承電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，探尋磁懸浮在普通機(jī)床高速主軸中的應(yīng)用。無軸承電機(jī)是具有磁懸浮軸承優(yōu)點(diǎn)的一種新型特種電機(jī)，它不僅拓展了高速電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，如微型化、大功率等，而且其獨(dú)具的懸浮機(jī)理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使之在生物工程、航空航天、高新能源、半導(dǎo)體制造業(yè)、食品加工以及醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域也得到成功的應(yīng)用。隨著我國經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展，在很多特殊電氣傳動(dòng)領(lǐng)域必將改變傳統(tǒng)的傳動(dòng)和傳輸方式，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、減少污染將會(huì)起到重要作用

8、。因此，無軸承電機(jī)在我國具有很大的潛在應(yīng)用市場，積極開展無軸承電機(jī)的研究和應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)和深遠(yuǎn)意義。</p><p>　　本設(shè)計(jì)（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求</p><p>　　無軸承電機(jī)的研究意義及現(xiàn)狀；</p><p>　　無軸承電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及零部件的設(shè)計(jì)；</p><p>　　該部件工作時(shí)，能運(yùn)轉(zhuǎn)正常；</p><p&

9、gt;　　擬定工作機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方案，并進(jìn)行多方案對比分析； </p><p>　　磁懸浮軸承的工作原理及數(shù)學(xué)建模；</p><p>　　6、設(shè)計(jì)繪制零件工作圖若干張；</p><p>　　7、編制設(shè)計(jì)計(jì)算說明書1份（2萬字以上）。 </p><p><b>　　接受任務(wù)學(xué)生：</b></p>&l

10、t;p>　　機(jī)械 班 姓名 馮會(huì)駿 </p><p><b>　　開始及完成日期：</b></p><p>　　自2012年11月7日至2013年5月25日</p><p>　　設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)（或顧問）：</p><p>　　指導(dǎo)教師 簽名</p>

11、;<p><b>　　簽名</b></p><p><b>　　簽名</b></p><p><b>　　教研室主任</b></p><p>　　〔學(xué)科組組長研究所所長〕 簽名</p><p>　　系主任 簽名<

12、;/p><p>　　年 月 日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文首先介紹了萬能外圓磨床的結(jié)構(gòu)及功用，并對高速加工進(jìn)行了概述，進(jìn)而對無軸承電機(jī)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并闡述了對無軸承電機(jī)研究的意義；然后從無軸承電機(jī)的總體結(jié)構(gòu)入手，對無軸承電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)；與此同時(shí)又分析了無軸承電機(jī)中永磁偏置

13、徑向軸向磁軸承的工作原理，建立數(shù)學(xué)模型，以具體的參數(shù)要求為例，對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。最后總結(jié)全文內(nèi)容，突出畢業(yè)設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)，對未來的工作進(jìn)行展望。</p><p>　　關(guān)鍵詞：萬能外圓磨床；高速加工；無軸承電機(jī)；磁軸承；數(shù)學(xué)建模</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The paper introduced

14、 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;

15、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 perm

16、anent magnet biased radial magnetic bear</p><p>　　Key words: grinding machine；High-speed machining；Bearingless Motor or Self-bearing Motor；Magnetic Bearing；Mathematical Modeling</p><p><b>

17、;　　目 錄</b></p><p>　　摘 要錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　Abstract錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　目 錄錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　1 緒論錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　1.1 設(shè)計(jì)的總體要求錯(cuò)誤!未定義書簽。</p&g

18、t;<p>　　1.2 M1432A型萬能外圓磨床總體描述錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　1.2.1 機(jī)床的結(jié)構(gòu)2</p><p>　　1.2.2 機(jī)床的總體布局錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　1.2.3 機(jī)床的主要技術(shù)性能錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　1.2.4 機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)錯(cuò)誤!未定

19、義書簽。</p><p>　　1.3 基于高速加工技術(shù)的無軸承電機(jī)研究意義與現(xiàn)狀錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　1.3.1 基于高速加工技術(shù)的無軸承電機(jī)研究意義錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　1.3.2 基于高速加工技術(shù)的無軸承電機(jī)研究現(xiàn)狀錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　1.4 無軸承電機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用錯(cuò)誤!未定

20、義書簽。</p><p>　　1.4.1 無軸承電機(jī)的特點(diǎn)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　1.4.2 無軸承電機(jī)的應(yīng)用錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　1.5 無軸承電機(jī)的發(fā)展前景錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　2 高速加工技術(shù)概述錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　2.1 高速加工的

21、定義錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　2.1.1 高速加工中心的類型錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　2.1.2 高速加工的特點(diǎn)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　2.2 高速加工的關(guān)鍵技術(shù)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　2.2.1 刀具技術(shù)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　2.

22、2.2 機(jī)床技術(shù)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　2.2.3 CAM軟件錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　3 高速加工技術(shù)中磁浮軸承主軸單元設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　3.1 引言錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　3.2 主軸單元軸承的組成錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>

23、　　3.2.1 機(jī)械系統(tǒng)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　3.2.2 磁軸承的偏磁回路錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　3.2.3 控制回路系統(tǒng)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　3.3 永磁偏置軸承的結(jié)構(gòu)及工作原理錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　3.3.1 永磁偏置軸承的基本結(jié)構(gòu)錯(cuò)誤!未定義書簽。</

24、p><p>　　3.3.2 永磁偏置軸承的工作原理錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　3.4 永磁偏置軸承的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　3.4.1 磁路計(jì)算的基本定律和公式羅列錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　3.4.2 永磁偏置軸承的等效磁路分析錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　3

25、.4.3 徑向—軸向磁軸承的吸力方程錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　3.4.4 徑向—軸向磁軸承的承載能力錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　3.4.5 徑向—軸向混合磁軸承參數(shù)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　3.5 懸磁軸承的參數(shù)設(shè)計(jì)與校核錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　3.5.1 選取永磁材料錯(cuò)誤

26、!未定義書簽。</p><p>　　3.5.2 確定工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　3.5.3 磁極面積的計(jì)算錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　3.5.4 求定子內(nèi)徑錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　3.5.5 求磁極弧長及疊片厚度錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　3

27、.5.6 安匝數(shù)的計(jì)算錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　3.5.7 匝數(shù)與電流的分配錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　3.5.8 線徑錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　3.5.9 窗口面積的求取錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　3.5.10 永久磁鐵參數(shù)計(jì)算錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p

28、>　　4 無軸承電機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　4.1 設(shè)計(jì)的總體概況錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　4.2 無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　4.2.1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　4.2.2 轉(zhuǎn)子上零件的布置錯(cuò)誤!未定義書簽。</p>

29、;<p>　　4.3 無軸承電機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　4.4 懸浮軸承的結(jié)構(gòu)選擇與設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　4.4.1 磁懸浮軸承總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　4.4.2 永磁偏置徑向軸向磁軸承的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　4

30、.5 無軸承電機(jī)結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　4.5.1 定子與轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　4.5.2 傳感器部件的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　4.5.3 機(jī)殼的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　4.5.4 工作軸的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p>

31、<p>　　4.5.5 軸承端蓋的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　5 結(jié)論與展望錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　致謝錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　參考文獻(xiàn)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1

32、 設(shè)計(jì)的總體要求</p><p>　　現(xiàn)代機(jī)械加工越來越需要提高效率，通常采用高速加工，主要是采用高速主軸，因而高速加工中無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就顯得很重要，本文正是基于萬能外圓磨床適應(yīng)于高速加工要求對高速主軸的無軸承電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，探尋磁懸浮在普通機(jī)床高速主軸中的應(yīng)用，因其獨(dú)具的懸浮機(jī)理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使之在生物工程、航空航天、高新能源、半導(dǎo)體制造業(yè)、食品加工以及醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域也得到成功的應(yīng)用。隨著我國經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展，在

33、很多特殊電氣傳動(dòng)領(lǐng)域必將改變傳統(tǒng)的傳動(dòng)和傳輸方式，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、減少污染將會(huì)起到重要作用。因此，無軸承電機(jī)在我國具有很大的潛在應(yīng)用市場，積極開展無軸承電機(jī)的研究和在普通機(jī)床上的應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)和深遠(yuǎn)意義。</p><p>　　外圓磨床分為普通外圓磨床和萬能外圓磨床。在普通外圓磨床上可磨削外圓柱面和外圓錐面，在萬能外圓磨床上還能磨削內(nèi)圓柱面和內(nèi)圓錐面和端面。外圓磨床的主要參數(shù)為最大的磨削直徑。</p&

34、gt;<p>　　外圓磨床以兩頂心為中心，以砂輪為刀具，將圓柱形鋼件研磨出精密同心度的磨床（又叫頂心磨床或圓通磨床）。</p><p>　　外圓磨床的主機(jī)有床身、車頭車尾、磨頭、傳動(dòng)吸塵裝置等部件構(gòu)成。車頭、磨頭可調(diào)角度，用于修磨頂針及皮輥倒角專用夾具。</p><p>　　本設(shè)計(jì)就是以M1432A型萬能外圓磨床為例對原來的普通主軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用無軸承電機(jī)進(jìn)行砂輪主軸的驅(qū)

35、動(dòng)。</p><p>　　無軸承電機(jī)是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，由于它具有上述諸多優(yōu)良性能及其在眾多工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用前景，使得無軸承電機(jī)技術(shù)越來越受到國內(nèi)外專家、學(xué)者的關(guān)注與重視。而我國對這一技術(shù)的研究尚不成熟，針對這種情況，我們在畢業(yè)設(shè)計(jì)中選擇了這一課題。鑒于無軸承電機(jī)不但具有磁懸浮軸承的優(yōu)點(diǎn)，而且比其他同功率的電機(jī)及支撐裝置，體積小、重量輕、能耗小，對于提高高速及超高速運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械的工作性能具有重要意義，本文就是基于

36、這些問題提出的。對于一個(gè)典型的無軸承電機(jī)來說，它主要由機(jī)械、檢測、控制三大主要部分組成，而控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，而合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又是保證承載能力要求和運(yùn)行穩(wěn)定可靠的前提，所以，本設(shè)計(jì)主要對機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。</p><p>　　文中以無軸承電機(jī)的永磁偏置徑向軸向磁軸承本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)（機(jī)械部分）及控制系統(tǒng)為主要研究對象，設(shè)計(jì)出合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行簡要的分析。<

37、/p><p>　　第一章介紹了基于高速加工技術(shù)的無軸承電機(jī)的研究意義及現(xiàn)狀。此外還介紹了本設(shè)計(jì)的提出及主要內(nèi)容的安排。第二章簡單介紹了一下高速加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)。第三章從基于高速加工技術(shù)的無軸承電機(jī)的總體結(jié)構(gòu)入手，對無軸承電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。第四章分析了無軸承電機(jī)中永磁偏置徑向軸向磁軸承的工作原理，建立了數(shù)學(xué)模型，并以具體的參數(shù)要求為例，對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。最后總結(jié)全文內(nèi)容，突出研究工作的重

38、點(diǎn)，并對未來的工作進(jìn)行展望。</p><p>　　1.2 M1432A型萬能外圓磨床總體描述</p><p>　　1.2.1 機(jī)床的結(jié)構(gòu)</p><p>　　M1432A型萬能外圓磨床是普通精度等級萬能外圓磨床，主要用于磨削圓柱形和圓錐形的外圓和內(nèi)孔，還可以磨削階梯軸的軸肩和端平面。</p><p>　　機(jī)床應(yīng)達(dá)到的加工精度和表面粗糙度如表1

39、-1 M1432A型萬能外圓磨床（最大磨削長度1000mm）的加工質(zhì)量所示。</p><p>　　表1-1 M1432A型萬能外圓磨床（最大磨削長度1000mm）的加工質(zhì)量</p><p>　　這種機(jī)床適用于工具車間、機(jī)修車間和單件、小批生產(chǎn)車間。由于機(jī)床自動(dòng)化程度較低，磨削效率不夠高，所以，它不宜用于大批量生產(chǎn)車間。</p><p>　　1.2.2 機(jī)床的總體

40、布局</p><p>　　M1432A型萬能外圓磨床由下列各主要部分組成，見圖1.1。</p><p>　　1、床身1：是磨床的基礎(chǔ)支承件，它支承著工作臺、頭架、尾架、墊板及橫向滑鞍、砂輪架等部件，使它們在工作時(shí)保持準(zhǔn)確的相對位置。床身內(nèi)腔用作液壓油的油池。</p><p>　　2、頭架2：用以裝夾工件，并帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　

41、3、尾架5：尾架頂尖和頭架頂尖一起，用以支承工件。</p><p>　　4、工作臺8：它由上工作臺和下工作臺兩部分組成。上工作臺可繞下工作臺的心軸在水平面內(nèi)調(diào)整至某一角度位置，用以磨削錐度較小的長圓錐面。工作臺面上裝有頭架和尾架，它們同工作臺一起沿床身導(dǎo)軌作縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　5、砂輪架4：用以支承并傳動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)的砂輪主軸。砂輪架裝在滑鞍6上，當(dāng)需要磨削短圓錐面時(shí)，砂輪架可

42、以調(diào)整至一定的角度位置。</p><p>　　6、內(nèi)圓磨具3：用以支承磨內(nèi)孔的砂輪主軸。內(nèi)圓磨具主軸由專門的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　7、滑鞍6及橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)：轉(zhuǎn)動(dòng)橫進(jìn)給手輪7，可以使橫進(jìn)給機(jī)構(gòu)帶動(dòng)滑鞍6及砂輪架沿床身墊板的導(dǎo)軌作橫向移動(dòng)。也可以利用液壓裝置，使滑鞍6作周期的自動(dòng)切入進(jìn)給。</p><p>　　此外，在床身內(nèi)還有液壓傳動(dòng)裝置。</p&g

43、t;<p>　　1.2.3 機(jī)床的主要技術(shù)性能</p><p>　　外圓磨床的主要參數(shù)為磨削工件的最大直徑，本機(jī)床的主參數(shù)為320 mm。</p><p>　　外圓磨削直徑 8～320 mm</p><p>　　外圓最大磨削長度 1000 mm；1500 mm ；2000 mm

44、</p><p>　　內(nèi)孔磨削直徑 30～100 mm</p><p>　　內(nèi)孔最大磨削長度 125 mm</p><p>　　磨削工件最大重量 150kg</p><p>　　砂輪尺寸

45、 </p><p>　　外圓砂輪轉(zhuǎn)速 1670r/min</p><p>　　頭架主軸轉(zhuǎn)速6級： 25，50，80，112，160，224 r/min</p><p>　　內(nèi)圓砂輪轉(zhuǎn)速 10000 r/min；15000 r/min</p>

46、<p>　　砂輪架電動(dòng)機(jī)功率 4 kW</p><p>　　內(nèi)圓磨電動(dòng)機(jī)功率 1.1 kW</p><p>　　電動(dòng)機(jī)總功率 6.72 kW</p><p>　　工作臺縱向移動(dòng)速度（液壓無級調(diào)速）0.05～4m/min</p>&

47、lt;p>　　機(jī)床外形尺寸（三種規(guī)格） 3200，4500，5800 kg</p><p>　　1.2.4 機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)</p><p>　　M1432A型機(jī)床，除工作臺的縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)、砂輪架的快速進(jìn)退及尾架頂尖套筒的縮回為液壓傳動(dòng)外，其于運(yùn)動(dòng)都是機(jī)械傳動(dòng)的。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)如圖1.2 M1432A型萬能外圓磨床傳動(dòng)系統(tǒng)圖所示。</p><p&

48、gt;　　頭架（帶動(dòng)工件）的傳動(dòng)</p><p>　　此傳動(dòng)鏈用于實(shí)現(xiàn)工件的圓周進(jìn)給。運(yùn)動(dòng)由雙速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)三級皮帶傳動(dòng)，使頭架的撥盤撥動(dòng)工件，實(shí)現(xiàn)圓周進(jìn)給。這時(shí)，主軸本身是不旋轉(zhuǎn)的。</p><p><b>　　外圓砂輪的傳動(dòng)</b></p><p>　　砂輪主軸的運(yùn)動(dòng)是砂輪架電動(dòng)機(jī)（1440 r/min，4kw）經(jīng)4根三角帶直接傳動(dòng)的，使

49、主軸獲得1670 r/min的轉(zhuǎn)速。</p><p><b>　　內(nèi)圓磨具的傳動(dòng)</b></p><p>　　內(nèi)圓磨具主軸由電動(dòng)機(jī)（2840 r/min，1.1kw）經(jīng)平皮帶直接傳動(dòng)。更換平皮帶輪，主軸可獲得2種轉(zhuǎn)速。</p><p>　　內(nèi)圓磨具裝在內(nèi)圓磨具支架上。為了保證工作安全，內(nèi)圓磨具電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)與內(nèi)圓磨具支架的位置有聯(lián)鎖的作用，只有當(dāng)

50、支架翻到磨削內(nèi)圓的工作位置時(shí)，電動(dòng)機(jī)才能啟動(dòng)。此外，當(dāng)支架翻到磨內(nèi)圓位置時(shí)，砂輪架快速進(jìn)退手柄就在原位置上自動(dòng)聯(lián)鎖住，這時(shí)，砂輪架不能快速移動(dòng)。</p><p>　　1.3 基于高速加工技術(shù)的無軸承電機(jī)研究意義與現(xiàn)狀</p><p>　　目前金屬切削加工仍是當(dāng)今主要的機(jī)械加工方法，在機(jī)械制造業(yè)中有著重要的地位，但如何提高其效率、精度、質(zhì)量成為傳統(tǒng)機(jī)械加工面臨的問題。20世紀(jì)90年代，以高切

51、削速度、高進(jìn)給速度和高加工精度為主要特征的高速加工（High Speed Machining，HSM）已經(jīng)成為現(xiàn)代數(shù)控加工技術(shù)的重要發(fā)展方向之一，也是目前制造業(yè)一項(xiàng)快速發(fā)展的高新技術(shù)。本文即是從提高金屬切削機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速的角度探討一下無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，希望能起到拋磚引玉的作用。</p><p>　　1.3.1 基于高速加工技術(shù)的無軸承電機(jī)研究意義</p><p>　　無軸承電機(jī)就是從磁路

52、上將電機(jī)和磁懸浮軸承合為一體，利用電機(jī)的鐵心同時(shí)作為磁懸浮軸承的鐵心，也稱磁懸浮電機(jī)。比起傳統(tǒng)電機(jī)加磁懸浮軸承的結(jié)構(gòu)，它體積小，而且由于電機(jī)的磁場被用作產(chǎn)生懸浮力的基礎(chǔ)，磁懸浮電機(jī)還可以減少磁浮力所需要的電能，從而提高系統(tǒng)的效率。</p><p>　　一些精密數(shù)控機(jī)床、渦輪分子泵、小型發(fā)電機(jī)或高速飛輪儲(chǔ)能等裝備中需要用大功率的高速超高速電動(dòng)機(jī)（以下簡稱為電機(jī)）來驅(qū)動(dòng)。我們知道，電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)對機(jī)械軸承振動(dòng)沖擊大，機(jī)

53、械軸承磨損快，大幅度縮短了軸承和電機(jī)使用壽命，為此用機(jī)械軸承來支承高速電機(jī)嚴(yán)重制約著電機(jī)向更高速度和更大功率方向發(fā)展。近20多年來發(fā)展起來的磁軸承（ Magnetic Bearing ) ，是利用磁場力將轉(zhuǎn)子懸浮于空間，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子和定子之間沒有機(jī)械接觸的一種新型高性能軸承。圖 1.3 是由磁軸承支承的高速電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。磁軸承支承的電機(jī)雖然具有突出的優(yōu)點(diǎn)，但在不同的應(yīng)用領(lǐng)域依然存在如下問題：（1）電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出功率難以進(jìn)一步提高；（2）

54、磁軸承需要高性能的控制器、功率放大器和多個(gè)造價(jià)較高的精密位移傳感器等，使磁軸承結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、體積較大和成本較高，大大制約了由磁軸承支承的高速電機(jī)的使用范圍和廣泛應(yīng)用。</p><p>　　圖1.3 磁軸承支撐的電機(jī)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　所謂無軸承電機(jī)（Bearingless Motor or Self-bearing Motor），并不是說不需要軸承來支承，而是不需單獨(dú)設(shè)計(jì)或使用專門

55、的機(jī)械軸承、氣浮或液浮軸承。由于磁軸承結(jié)構(gòu)與交流電機(jī)定子結(jié)構(gòu)的相似性，把磁軸承中產(chǎn)生徑向懸浮力的繞組疊加到電機(jī)的定子繞組上，構(gòu)成無軸承電機(jī)（二自由度見圖 1.4 ) ，保證電機(jī)定子等效繞組產(chǎn)生的磁場極對數(shù)P1與徑向懸浮力繞組產(chǎn)生磁場極對數(shù)P2的關(guān)系為：，懸浮力繞組產(chǎn)生的磁場和電機(jī)定子繞組（或永磁體）產(chǎn)生的磁場合成一個(gè)整體，通過探索驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)力和徑向懸浮力耦合情況以及解耦方法，獨(dú)立控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無軸承化

56、。</p><p>　　圖1.4 無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　無軸承電機(jī)一方面保持磁軸承支承的電機(jī)系統(tǒng)壽命長、無須潤滑、無機(jī)械摩擦和磨損等優(yōu)點(diǎn)外，還有望突破更高轉(zhuǎn)速和大功率的限制，拓寬了高速電機(jī)的使用范圍，與磁軸承支撐的高速電機(jī)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：（1）徑向懸浮力繞組疊加到電機(jī)的定子繞組上，不占用額外的軸向空間。一方面，電機(jī)軸向長度可以設(shè)計(jì)得較短，臨界轉(zhuǎn)速可以較高，電機(jī)轉(zhuǎn)速僅

57、受材料強(qiáng)度的限制，這樣無軸承電機(jī)大大拓寬了高速電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在體積小、轉(zhuǎn)速高和壽命長的應(yīng)用領(lǐng)域，如要求無粉塵、無潤滑、小體積環(huán)境工作的計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動(dòng)器、微型高速機(jī)床等；另一方面，在同樣長度的電機(jī)轉(zhuǎn)軸情況下，輸出功率將比磁軸承支承的電機(jī)有大幅度提高。（2）結(jié)構(gòu)更趨簡單，維修更為方便，特別是電能消耗減少。傳統(tǒng)的磁軸承需要靜態(tài)偏置電流產(chǎn)生電磁力來維持轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮，而無軸承電機(jī)不再需要。徑向懸浮力的產(chǎn)生是基于電機(jī)定子繞組產(chǎn)生的磁場，徑向

58、懸浮力控制系統(tǒng)的功耗只有電機(jī)功耗的2%—5%，這些優(yōu)點(diǎn)特別適用于航空航天等高科技領(lǐng)域?；跓o軸承電機(jī)高品質(zhì)的性能，廣闊的應(yīng)用前景，對提高機(jī)械工業(yè)制造裝備的水平，特別是提高航空航天器工作性能無疑具有現(xiàn)實(shí)和深遠(yuǎn)意義，其研究工作越來越受到國內(nèi)外科技工作</p><p>　　1.3.2 基于高速加工技術(shù)的無軸承電機(jī)研究現(xiàn)狀</p><p>　　1、無軸承電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r</p><

59、;p>　　無軸承電機(jī)起源及發(fā)展在費(fèi)拉里斯和特斯拉發(fā)明多相交流系統(tǒng)后，19世紀(jì)80年代中期，多沃羅沃爾斯基發(fā)明了三相異步電機(jī)，異步電機(jī)無需電刷和換向器，但長期高速運(yùn)行，軸承維護(hù)保養(yǎng)仍是難題。</p><p>　　二次世界大戰(zhàn)后，直流磁軸承技術(shù)的發(fā)展，使得電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)無接觸運(yùn)行成為可能，但這種傳動(dòng)系統(tǒng)造價(jià)很高，因?yàn)殍F磁性物體不可能在一個(gè)恒定磁場中穩(wěn)定懸浮。主動(dòng)磁軸承的發(fā)明，解決了這個(gè)難題，但用主動(dòng)磁軸承支承剛

60、性轉(zhuǎn)子要在5個(gè)自由度上施加控制力，磁軸承體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和造價(jià)高。</p><p>　　20世紀(jì)后半期，為了滿足核能開發(fā)和利用，需要用超高速離心分離方法生產(chǎn)濃縮鈾，磁軸承能滿足高速電機(jī)支撐要求，于是在歐洲開始了研究各種磁軸承計(jì)劃。1975年，赫爾曼申請了無軸承電機(jī)專利，專利中提出了電機(jī)繞組極對數(shù)和磁軸承繞組極對數(shù)的關(guān)系為±1.用赫爾曼提出的方案，在那個(gè)年代是不可能制造出無軸承電機(jī)的。</p>

61、<p>　　隨著磁性材料磁性能進(jìn)一步提高，為永磁同步電機(jī)奠定了有力競爭地位。同時(shí)，隨著雙極管的應(yīng)用，以及和柏林格爾提出的無損開關(guān)電路結(jié)合，能夠制造出滿足無軸承電機(jī)要求的新一代高性能超級放大器。大約在1985年，具有快速和負(fù)載能力的功率開關(guān)器件和數(shù)字信號處理器的出現(xiàn)，使得已經(jīng)提出20多年的交流電機(jī)矢量控制技術(shù)才得以實(shí)際應(yīng)用，這樣解決了無軸承電機(jī)數(shù)字控制的難題。瑞士蘇黎世聯(lián)邦工學(xué)院的比克爾在這些科技進(jìn)步的基礎(chǔ)上，于20世紀(jì)80

62、年代后期才首次制造出無軸承電機(jī)。</p><p>　　無軸承電機(jī)取得實(shí)際應(yīng)用，關(guān)鍵性突破是1998年蘇黎世聯(lián)邦工學(xué)院的巴萊塔研制出無軸承永磁同步薄片電機(jī)，電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，大大降低了控制系統(tǒng)費(fèi)用，在很多領(lǐng)域具有很大應(yīng)用價(jià)值。</p><p>　　我國已經(jīng)開始重視研究無軸承電機(jī)，1999 年國家自然科學(xué)基金資助了無軸承電機(jī)的研究工作，南京航空航天大學(xué)、江蘇理工大學(xué)和沈陽工業(yè)大學(xué)得到了支持并正在開

63、展無軸承交流電機(jī)、無軸承片狀電機(jī)等的研究。還有一些單位得到了省市有關(guān)部門基金的支持，也正在研究和探索這項(xiàng)高新技術(shù)。目前國內(nèi)已發(fā)表了多篇綜述及理論仿真研究的文章，對無軸承電機(jī)的研究成果還未進(jìn)行公開報(bào)道。</p><p>　　2、無軸承電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀</p><p>　　就無軸承交流電機(jī)研究現(xiàn)狀來看，目前僅停留在理論和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)階段，離實(shí)用化還有一定的距離，但就研究初期成果所體現(xiàn)出來的優(yōu)

64、越性足以確信其潛在的使用價(jià)值。無軸承電機(jī)的控制系統(tǒng)是其核心關(guān)鍵技術(shù)，決定無軸承電機(jī)能否穩(wěn)定可靠工作，目前制約其實(shí)用化的重要原因是控制問題。無軸承電機(jī)控制的困難在于該系統(tǒng)具有復(fù)雜的非線性強(qiáng)耦合特性，主要表現(xiàn)在（1）無軸承電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力之間存在藕合。如果不采取有效地解耦措施，無軸承電機(jī)不可能穩(wěn)定運(yùn)行，因此電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力之間解耦控制是無軸承電機(jī)的基本要求；（2）無軸承電機(jī)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須考慮因磁飽和和溫度變化等因素所引起

65、的電機(jī)參數(shù)的變化。設(shè)計(jì)有效而實(shí)用的電機(jī)參數(shù)變化的控制系統(tǒng)，這也是一個(gè)難點(diǎn)。國外在這些方面研究中較具有代表性的方法，一種是針對無軸承異步電機(jī)和同步電機(jī)提出了一個(gè)近似線性化的基于矢量變換的控制算法來實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力之間的解耦控制，但這種算法構(gòu)造比較復(fù)雜，需要對多個(gè)磁鏈?zhǔn)噶窟M(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)比較困難。另一種方法分析無軸承異步電機(jī)在負(fù)載條件下徑向懸浮力和電磁轉(zhuǎn)矩耦合的關(guān)系，提出了對電機(jī)電流的幅值和相角進(jìn)行補(bǔ)償來保持旋轉(zhuǎn)磁場的平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)和幅值恒

66、定，</p><p>　　1.4 無軸承電機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用</p><p>　　1.4.1 無軸承電機(jī)的特點(diǎn)</p><p>　　無軸承電機(jī)是根據(jù)磁軸承與電機(jī)產(chǎn)生電磁力原理的相似性，把磁軸承中產(chǎn)生徑向力的繞組安裝在電機(jī)定子上，通過解耦控制實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力的獨(dú)立控制。無軸承電機(jī)具有磁懸浮磁軸承所有優(yōu)點(diǎn)，需要免維修、長壽命運(yùn)行，無菌、無污染以及有毒有害液體或氣體

67、的傳輸是無軸承電機(jī)典型應(yīng)用場合。</p><p>　　無軸承電機(jī)因?yàn)闊o需滑座，所以具有以下特征：</p><p>　　（1）幾乎不產(chǎn)生灰塵；</p><p>　　（2）能夠高速旋轉(zhuǎn)；</p><p>　?。?）能夠耐極低溫、真空等難以使用潤滑油的環(huán)境；</p><p><b>　　（4）噪聲?。?lt;/b&

68、gt;</p><p>　?。?）基本上無摩擦損失。因此一直是研究的熱點(diǎn)。</p><p>　　1.4.2 無軸承電機(jī)的應(yīng)用</p><p>　　目前，無軸承電機(jī)得到了如下應(yīng)用：</p><p><b>　　1）半導(dǎo)體工業(yè)</b></p><p>　　在蝕刻、制板、清洗或拋光等加工過程中需用腐蝕性

69、化學(xué)液體，產(chǎn)品質(zhì)量很大程度上取決于化學(xué)液體質(zhì)量，液體輸送泵是關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。像酸液、有機(jī)溶劑等腐蝕的化學(xué)液體，泵必須無污染可靠傳輸，并且泵要具有抗腐蝕和耐一定溫度的要求。傳統(tǒng)氣動(dòng)和薄片泵壽命短，大多數(shù)耐溫最高只有100℃左右，運(yùn)動(dòng)閥和薄片仍然會(huì)產(chǎn)生少量的微粒，液體傳輸也存在著不均勻的脈動(dòng)，影響了工藝處理質(zhì)量。采用無軸承電機(jī)密封泵能解決傳統(tǒng)傳輸中存在的缺陷，大大滿足精密半導(dǎo)體器件生產(chǎn)工藝要求。目前，功率為300W的無軸承電機(jī)密封泵已經(jīng)在半

70、導(dǎo)體工業(yè)得到應(yīng)用。</p><p><b>　　2）化工領(lǐng)域</b></p><p>　　放射性環(huán)境或高溫輻射環(huán)境等惡劣條件下，用無軸承電機(jī)密封泵進(jìn)行廢料處理，能解決機(jī)械軸承磨損和維修的難題。在化學(xué)工業(yè)，對有效密封傳輸和生產(chǎn)系統(tǒng)的需求進(jìn)一步提高，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸密封的密封泵，機(jī)械軸承需要潤滑，據(jù)報(bào)道80%的故障是由于密封失效引起的，20%是軸承、連接及其它故障。為了安全生產(chǎn)

71、，免遭環(huán)境污染，使用無軸承電機(jī)密封泵是最佳選擇。目前，蘇黎世聯(lián)邦工學(xué)院和Sulzer泵公司合作完成了功率為30kW的無軸承密封泵樣機(jī)的研制和測試工作，進(jìn)入了試運(yùn)行階段。</p><p><b>　　3）生命科學(xué)領(lǐng)域</b></p><p>　　心臟是生命的永動(dòng)機(jī)，一旦發(fā)生故障難以修復(fù)。利用人工心臟部分或全部替代心臟功能成為心臟病患者生命延續(xù)的福音。利用機(jī)械軸承的血泵會(huì)

72、產(chǎn)生摩擦和發(fā)熱，使血細(xì)胞破損，引起溶血、凝血和血栓，甚至危及病人生命。蘇黎世聯(lián)邦工學(xué)院和Levitronix公司研制成功的無軸承永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)的血泵和可以移植到人體內(nèi)的心臟左心室輔助裝置已經(jīng)在臨床中應(yīng)用。</p><p>　　1.5 無軸承電機(jī)的發(fā)展前景</p><p>　　軸承電機(jī)，一方面具有磁懸浮軸承的優(yōu)點(diǎn)，如無接觸、無需潤滑及無磨損等，可以用于真空技術(shù)、無菌車間、腐蝕性介質(zhì)或非常純凈介

73、質(zhì)的傳輸；另一方面電機(jī)轉(zhuǎn)速可以做得很高、功率也可以很大，特別適用于高速或超高速數(shù)控機(jī)床、渦輪分子泵、離心泵、壓縮機(jī)、飛輪儲(chǔ)能裝置及小型發(fā)電設(shè)備等工業(yè)領(lǐng)域，特別是無軸承電機(jī)比其他同功率的電機(jī)及支撐裝置，體積小、重量輕、能耗小，對于提高航空骯天器的工作性能具有重要意義。無軸承電機(jī)作為一種新型結(jié)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)，發(fā)展才經(jīng)歷 10 多年時(shí)間，研究水平還遠(yuǎn)未達(dá)到系統(tǒng)完善的地步，但是，其研究的進(jìn)程是飛速的，國外已紛紛研制出無軸承感應(yīng)電機(jī)、無軸承片狀電機(jī)、

74、無軸承同步磁阻電機(jī)、無軸承永磁同步電機(jī)等實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。無軸承感應(yīng)電機(jī)已用于密封泵（ Canned Pump ）、計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動(dòng)裝置；無軸承片狀電機(jī)已用于人工心臟泵中，初步顯示了無軸承電機(jī)對國民經(jīng)濟(jì)和人民生活質(zhì)量提高等方面所起的作用，相信無軸承電機(jī)的研究成果用于機(jī)械工業(yè)、機(jī)器人及航空航天等領(lǐng)域會(huì)對國民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生巨大的影響。</p><p>　　2 高速加工技術(shù)概述</p><p>　　高速加工概念

75、起源于德國切削物理學(xué)家卡爾?薩洛蒙（Carl Salomon）著名的切削實(shí)驗(yàn)及其物理延伸，1929年他進(jìn)行了高速加工模擬實(shí)驗(yàn)，1931年發(fā)表了高速加工理論，提出了高速加工假設(shè)。他認(rèn)為一定的工作材料對應(yīng)有一個(gè)臨界切削速度，其切削溫度最高；在常規(guī)切削范圍內(nèi)切削溫度隨著切削速度的增大而升高，當(dāng)切削速度達(dá)到臨界切削速度后，切削速度再增大，切削溫度反而下降，人們將該曲線稱為薩洛蒙曲線。這個(gè)理論給人們一個(gè)非常重要的啟示：加工時(shí)如果能超過圖中所示的B

76、區(qū)，而在高速區(qū)進(jìn)行切削，則有可能用現(xiàn)有的刀具進(jìn)行高速加工，從而大大地減少加工時(shí)間，成倍地提高機(jī)床的生產(chǎn)率。這一理論的發(fā)現(xiàn)為人們提供了一種在低溫低能耗條件下實(shí)現(xiàn)高效率切削金屬的方法。</p><p>　　2.1 高速加工的定義</p><p>　　從高速加工技術(shù)誕生至今，人們很難為高速加工做一個(gè)明確的界定，因?yàn)楦咚偌庸げ⒉荒芎唵蔚赜们邢魉俣冗@一參數(shù)來定義，在不同的技術(shù)發(fā)展時(shí)期、對不同的切削條

77、件、用不同的切削刀具、加工不同的工件材料，其合理的切削速度是不一樣的。</p><p>　　從切削機(jī)理角度看，高速加工時(shí)，切削溫度應(yīng)隨切削速度的增大而降低；從切削技術(shù)角度看，高速加工是以高切削速度、高進(jìn)給速度和高加工精度為主要特征的加工技術(shù)，它所采用的切削參數(shù)要比傳統(tǒng)工藝所采用的切削參數(shù)高幾倍甚至幾十倍。因此，目前通常把切削速度比常規(guī)切削速度高5～10倍以上的切削稱為高速加工，但對于不同的材料、不同的切削方式，其

78、高速加工的切削速度并不相同， </p><p>　　早期高速加工主要用于航空航天工業(yè)鋁合金零件的加工，從20世紀(jì)80年代開始，由于高速加工機(jī)床功能部件（如高速主軸、進(jìn)給系統(tǒng)）技術(shù)取得了一定的進(jìn)展及對刀具技術(shù)的深入研究，高速加工也開始應(yīng)用于一般金屬零件的加工。進(jìn)入90年代后，由于高速加工機(jī)床許多關(guān)鍵部件研究取得突破，機(jī)床性能有了很大的提高，同時(shí)設(shè)備價(jià)格開始下降，高速加工技術(shù)受到了許多制造企業(yè)的關(guān)注。</p&g

79、t;<p>　　對于當(dāng)今廣泛使用的數(shù)控機(jī)床、加工中心等投資費(fèi)用較高的加工裝備，只有大幅度降低切削工時(shí)才能進(jìn)一步提高其生產(chǎn)效率，而大幅度降低工時(shí)，只有通過提高切削速度和進(jìn)給速度的方式才能實(shí)現(xiàn)，所以發(fā)展高速加工技術(shù)具有十分重要的意義。</p><p>　　2.1.1 高速加工中心的類型</p><p>　　高速加工機(jī)床有高速加工中心、高速車床、高速鉆床、高速銑床、高速磨床等，其中

80、高速加工中心最為典型。按高速機(jī)床必須具備高主軸轉(zhuǎn)速和高進(jìn)給速度與加速度的技術(shù)特征，通常將高速加工中心分為兩類：</p><p>　　以高轉(zhuǎn)速為主要特征的高速加工中心，即HSM（High Speed Machining）型，這類機(jī)床一般只具有高轉(zhuǎn)速而沒有高進(jìn)給速度。</p><p>　　以高移動(dòng)速度為主要特征的高速加工中心, 即HVM（High Velocity Machining）型，這類

81、機(jī)床不僅具有高主軸轉(zhuǎn)速，且具有高進(jìn)給速度。</p><p>　　2.1.2 高速加工的特點(diǎn)</p><p><b>　　加工效率高： </b></p><p>　　由于切削速度高，進(jìn)給速度一般也提高5～10倍，這樣，單位時(shí)間材料切除率可提高3～6倍，因此加工效率大大提高。如高速銑削加工，當(dāng)切削深度和每齒進(jìn)給量保持不變時(shí)，進(jìn)給速度可比常規(guī)銑削提

82、高5～10倍，材料切除率可提高3～5倍。</p><p><b>　　切削力小： </b></p><p>　　傳統(tǒng)的切削加工采用“重切削”方式，而高速加工采用“輕切削”方式，即傳統(tǒng)的切削加工方式一般采用大切削深度、低進(jìn)給速度進(jìn)行加工，要求機(jī)床主軸在低轉(zhuǎn)速時(shí)能提供較高的扭矩，其結(jié)果是一方面切削力大，另一方面機(jī)床和工件都承受較大的力；而高速加工則采用小切削深度、高主軸

83、轉(zhuǎn)速和高進(jìn)給速度進(jìn)行加工，由于切削速度高，切屑流出的速度快，減少了切屑與刀具前面的摩擦，從而使切削力大大降低。</p><p><b>　　熱變形小 </b></p><p>　　高速加工過程中，由于極高的進(jìn)給速度，95%的切削熱被切屑帶走，工件基本保持冷態(tài)，這樣零件不會(huì)由于溫升而導(dǎo)致變形。</p><p><b>　　加工精度高

84、 </b></p><p>　　高速加工機(jī)床激振頻率很高，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出“機(jī)床-刀具-工件”工藝系統(tǒng)的固有頻率范圍，這使得零件幾乎處于“無振動(dòng)”狀態(tài)加工；同時(shí)在高速加工速度下，積屑瘤、表面殘余應(yīng)力和加工硬化均受到抑制，減小表面硬化層深度及表面層微觀組織的熱損傷，因此用高速加工的表面幾乎可與磨削相比。</p><p><b>　　簡化工藝流程 </b><

85、/p><p>　　由于高速銑削的表面質(zhì)量可達(dá)磨削加工的效果，因此有些場合高速加工可作為零件的精加工工序，從而簡化了工藝流程，縮短了零件加工時(shí)間。</p><p>　　綜上所述，高速加工是以高切削速度、高進(jìn)給速度和高加工精度為主要特征的加工技術(shù)，高速加工可以縮短加工時(shí)間，提高生產(chǎn)效率和機(jī)床利用率；工件熱變形小，加工精度高，表面質(zhì)量好；適合加工薄壁、剛性較差、容易產(chǎn)生熱變形的零件，加工工藝范圍廣，

86、因此，在實(shí)際應(yīng)用中，高速加工具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。</p><p>　　2.2 高速加工的關(guān)鍵技術(shù)</p><p>　　高速加工技術(shù)的開發(fā)與研究，主要集中在刀具技術(shù)、機(jī)床技術(shù)、CAM軟件等幾個(gè)方面。</p><p>　　2.2.1 刀具技術(shù)</p><p>　　高速加工刀具必須與工件材料的化學(xué)親和力小，具有優(yōu)良的機(jī)械性能、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性

87、，良好的抗沖擊和熱疲勞特性。高速加工通常采用具有良好熱穩(wěn)定性的硬質(zhì)合金涂層刀具、立方氮化硼（CBN）、陶瓷刀具和聚晶金剛石刀具。硬質(zhì)合金涂層刀具由于刀具基體具有較高的韌性和抗彎強(qiáng)度，涂層材料高溫耐磨性好，因此適用于高進(jìn)給速度和高切削速度的場合；陶瓷刀具與金屬的化學(xué)親和力小，高溫硬度優(yōu)于硬質(zhì)合金，所以它適用于切削速度和進(jìn)給速度更高的場合；立方氮化硼刀具具有高硬度、良好的耐磨性和高溫化學(xué)穩(wěn)定性，適合于加工淬火鋼、冷硬鑄鐵、鎳基合金等材料；聚

88、晶金剛石刀具的磨擦系數(shù)低、耐磨性極強(qiáng)，導(dǎo)熱性好，特別適合于加工難加工材料和粘結(jié)性強(qiáng)的有色金屬。</p><p>　　刀具夾緊技術(shù)是快速安全生產(chǎn)的重要保障。由于傳統(tǒng)的長錐刀柄不適合用于高速加工，所以在高速加工中，采用刀柄錐部和端面同時(shí)與主軸內(nèi)錐孔和端面接觸的雙定位刀柄，如德國的HSK空心刀柄。這種刀柄不需要拉釘，主軸鎖緊裝置充分考慮離心力的影響，夾持力一般隨主軸轉(zhuǎn)速的提高而自動(dòng)增大。</p><

89、p>　　2.2.2 機(jī)床技術(shù)</p><p>　　性能良好的數(shù)控機(jī)床是實(shí)現(xiàn)高速加工的關(guān)鍵因素。從原理上說，高速加工機(jī)床與普通數(shù)控機(jī)床并沒有本質(zhì)區(qū)別。但高速機(jī)床為了適應(yīng)高速加工時(shí)主軸轉(zhuǎn)速高、進(jìn)給速度快、機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件加速度高等要求，在主軸單元、進(jìn)給系統(tǒng)、CNC系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)等方面比普通數(shù)控機(jī)床具有更高的要求。</p><p>　　(1) 高速主軸 </p><p&g

90、t;　　高速主軸是高速加工機(jī)床的核心部件。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速不斷提高時(shí)，傳統(tǒng)的齒輪—皮帶變速主傳動(dòng)系統(tǒng)由于本身的振動(dòng)、噪聲等原因已不能適應(yīng)高速加工的要求，隨著電氣傳動(dòng)技術(shù)的迅速發(fā)展和在高速加工機(jī)床中的應(yīng)用，高速加工機(jī)床的主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)已發(fā)生了很大的變化：由內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)代替皮帶齒輪傳動(dòng)，從而將設(shè)備振動(dòng)、噪聲和主軸傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量降低到最小，提高了主軸系統(tǒng)的剛度和固有頻率，也將機(jī)床主傳動(dòng)鏈的長度縮短為零，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動(dòng)”。我們通常將這種

91、機(jī)床主軸與主軸電動(dòng)機(jī)結(jié)合在一起、實(shí)現(xiàn)變頻電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸一體化的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式稱為電主軸。在電主軸結(jié)構(gòu)中，機(jī)床主軸箱為電動(dòng)機(jī)的定子，主軸為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子。電主軸采用電子傳感器來控制溫度，自帶水冷或油冷循環(huán)系統(tǒng)，使主軸在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)保持恒溫；同時(shí)使用油霧潤滑、混合陶瓷軸承等新技術(shù)，使主軸免維護(hù)、壽命長、轉(zhuǎn)速高。</p><p>　　(2) 進(jìn)給系統(tǒng) </p><p>　　傳統(tǒng)的“伺服電動(dòng)機(jī)+滾珠

92、絲杠副”的進(jìn)給系統(tǒng)已不能滿足高速加工機(jī)床高速度和高加速度的要求，目前高速加工機(jī)床廣泛使用直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。</p><p>　　直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)是由一系列安裝于機(jī)床底座的磁鐵（定子）和環(huán)繞在滑架上疊鋼片鐵芯線圈（動(dòng)子）組成，利用動(dòng)子脈沖電流產(chǎn)生的磁場和定子永磁場相互作用而產(chǎn)生電磁推力，帶動(dòng)負(fù)載動(dòng)作。高速直線電動(dòng)機(jī)無旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，不受離心力作用，容易實(shí)現(xiàn)高速直線運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，由于高速直線電動(dòng)機(jī)克服了滾珠絲杠副反向

93、間隙、慣性和剛度不足的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了無接觸的直接驅(qū)動(dòng)，因此具有速度和加速度高、定位精度高、行程不受限制、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。但由于直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)不能充分解決推力和重載荷問題，因此目前仍有一些高速加工機(jī)床采用傳統(tǒng)的滾珠絲杠副傳動(dòng)系統(tǒng)。</p><p>　　(3) 高速CNC系統(tǒng) </p><p>　　高速加工與傳統(tǒng)數(shù)控加工雖然沒有本質(zhì)的區(qū)別，但由于高速切削機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的大幅度提

94、高，因此要求CNC系統(tǒng)運(yùn)算速度快，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，控制精度和響應(yīng)速度高；進(jìn)給伺服機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)從低速到高速很寬范圍內(nèi)的任意調(diào)節(jié)，并能克服進(jìn)給伺服速度高則系統(tǒng)跟隨誤差大的矛盾，這需要CNC系統(tǒng)具有很短的伺服周期和很高的分辨率，同時(shí)具備待加工軌跡監(jiān)控和曲線插補(bǔ)功能。伺服周期短是指CNC系統(tǒng)對工作臺實(shí)際位置進(jìn)行一次反饋并發(fā)出一次進(jìn)給指令所使用的時(shí)間更短；高分辨率是指CNC系統(tǒng)具有更快的程序數(shù)據(jù)處理能力，以保證在高速切削時(shí)，特別是4～5軸坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加

95、工復(fù)雜曲面輪廓時(shí)仍具有良好的數(shù)據(jù)處理能力。為此，許多高速加工機(jī)床的CNC控制系統(tǒng)采用多個(gè)32位甚至64位CPU，主頻可達(dá)100～200MHz，有的甚至高達(dá)500MHz，并帶有數(shù)據(jù)庫，兼有CAM功能，具有MAP3.0通訊功能；采用C語言編程，具有工具監(jiān)控功能；同時(shí)配置功能強(qiáng)大的后置處理軟件（如幾何補(bǔ)償軟件），具有加速預(yù)插補(bǔ)、前饋控制、精確矢量補(bǔ)償和最佳拐角減速度控制等功能。</p><p>　　2.2.3 CAM軟

96、件</p><p>　　高速加工必須具有全程自動(dòng)防過切和刀具干涉檢查能力，待加工軌跡監(jiān)控、速度預(yù)控制、多軸變換與坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)刀具補(bǔ)償、誤差補(bǔ)償?shù)裙δ堋，F(xiàn)在高速加工計(jì)算機(jī)數(shù)控一般采用NURBS樣條插補(bǔ)，這樣可以克服直線插補(bǔ)時(shí)控制精度和速度的不足，提高進(jìn)給速度和切削效率，而且提高復(fù)雜輪廓表面的加工精度和人員設(shè)備的安全性。實(shí)踐證明，在同樣精度的情況下，一條樣條曲線程序段能代替5～10條直線程序段。目前大多數(shù)CAM軟件并

97、沒有考慮高速加工問題。</p><p>　　除了上述三種技術(shù)之外，零件毛坯制造技術(shù)、生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)庫、測量技術(shù)、自動(dòng)生產(chǎn)線技術(shù)等對高速加工能否發(fā)揮其應(yīng)有作用也有著重要的影響。</p><p>　　3 高速加工技術(shù)中磁浮軸承主軸單元設(shè)計(jì)</p><p><b>　　3.1 引言</b></p><p>　　目前，超高速數(shù)控精

98、密磨削技術(shù)在國外發(fā)展十分迅速，在國內(nèi)也引起了高度重視。超高速數(shù)控精密磨削技術(shù)作為21世紀(jì)的先進(jìn)制造技術(shù)，在國防和民用方面，都起著越來越重要的作用。例如，湖南大學(xué)國家高效磨削工程技術(shù)研究中心研制了一臺砂輪周速達(dá)314m/s的超高速數(shù)控精密平面磨床，其主軸系統(tǒng)為從瑞士IBAG公司引進(jìn)的陶瓷軸承電主軸，其價(jià)格昂貴，而且陶瓷軸承使用壽命不長，需要經(jīng)常更換。必須指出，在超高速數(shù)控精密磨床中，主軸軸承技術(shù)是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。在國外，磁浮軸承作為一種新型

99、機(jī)電一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品，受到高度重視。發(fā)達(dá)國家如法國、日本、德國都成功在其超高速數(shù)控精密磨床上使用了這種軸承。但發(fā)達(dá)國家對該項(xiàng)技術(shù)保密，而且該產(chǎn)品的價(jià)格十分昂貴。</p><p>　　3.1.1 磁浮軸承的工作原理與特點(diǎn)</p><p>　　磁浮軸承工作原理如圖3.1所示，由轉(zhuǎn)子和定子部分組成。轉(zhuǎn)子由鐵磁材料(如硅鋼片)制成，壓入回轉(zhuǎn)軸承回轉(zhuǎn)筒中，定子也由相同材料制成。定子線圈產(chǎn)生磁場，

100、將轉(zhuǎn)子懸浮起來，通過4個(gè)位置傳感器不斷檢測轉(zhuǎn)子的位置。如轉(zhuǎn)子位置不在中心位置，位置傳感器測得其偏差信號，并將信號輸送給控制裝置，控制裝置調(diào)整4個(gè)定子線圈的勵(lì)磁功率，使轉(zhuǎn)子精確地回到要求的中心位置。</p><p>　　圖3.1 磁浮軸承的工作原理</p><p>　　磁浮軸承是利用電磁力將主軸無機(jī)械接觸、無潤滑地懸浮起來的一種新型智能化軸承。</p><p>　　磁

101、浮軸承主軸單元的轉(zhuǎn)子和定子之間的單邊間隙為0.3mm～1.0mm ，未開動(dòng)以前，主軸由左右兩端的“輔助軸承”支承，其間隙小于磁浮軸承的間隙，用以防止磁浮軸承在電磁系統(tǒng)失靈時(shí)發(fā)生故障。工作時(shí)，轉(zhuǎn)子的位置用高靈敏度的傳感器不斷進(jìn)行檢測，其信號傳給PID (比例—積分—微分)控制器，以每秒10000次左右的運(yùn)算速度，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，算出用于校正轉(zhuǎn)子位置所需的電流值，經(jīng)功率放大后，輸入定子電磁鐵，改變電磁力，從而始終保持轉(zhuǎn)子(主軸)的正確

102、位置。</p><p>　　由于無機(jī)械接觸，磁浮軸承不存在機(jī)械摩擦與磨損，壽命很長。轉(zhuǎn)子線速度可高達(dá)200m/s(極限速度只受硅鋼片離心力強(qiáng)度的限制)，無需潤滑和密封，結(jié)構(gòu)大大簡化。能耗很小(僅為滾動(dòng)軸承的1/50) ，無振動(dòng)、無噪音、溫升小、熱變形小?？稍谡婵栈蛴懈g介質(zhì)的環(huán)境中工作，工作可靠，幾乎不用維修。所以其性能要優(yōu)于陶瓷滾動(dòng)軸承。</p><p>　　由于磁浮軸承是用電磁力進(jìn)行反

103、饋控制的智能型軸承，轉(zhuǎn)子位置能夠自律，主軸剛度和阻尼可調(diào)。因此當(dāng)由于負(fù)載變化使主軸軸線偏移時(shí)，磁浮軸承能迅速克服偏移而回到正確位置，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)診斷和在線監(jiān)控，使主軸始終繞慣性軸回轉(zhuǎn)，消除了振動(dòng)，并可使主軸平穩(wěn)地越過各階臨界轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)超高速運(yùn)轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)精度高達(dá)0.2μm。</p><p>　　3.1.2 磁浮軸承設(shè)計(jì)要求</p><p>　　磁軸承按照磁力的提供方式可分為主動(dòng)磁軸承、被動(dòng)磁軸承和

104、混合磁軸承，其中混合磁軸承一般采用永磁材料替代主動(dòng)磁軸承中的電磁鐵來產(chǎn)生偏置磁場，可以降低功率放大器的功耗，縮小磁軸承的體積，因此研究永磁偏置磁軸承是磁軸承研究領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。目前國際上典型的五自由度磁軸承系統(tǒng)一般采用兩個(gè)徑向磁軸承和一個(gè)軸向磁軸承來分別控制徑向、軸向的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子五自由度的穩(wěn)定懸浮，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖3.2（A），這三個(gè)磁軸承在軸向占據(jù)了相當(dāng)大的空間，限制了高速電機(jī)轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步的提高，因此研究結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、功

105、耗低的磁軸承及磁軸承集成技術(shù)是磁軸承的研究領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。</p><p>　　（A）傳統(tǒng)磁軸承系統(tǒng)</p><p>　?。˙）新型五自由度磁軸承</p><p>　　圖3.2 兩種磁軸承系統(tǒng)的比較</p><p>　　本文研究無軸承電機(jī)的一種新穎的永磁偏置徑向軸向磁軸承，該磁軸承將軸向和徑向磁軸承的功能集于一體，這樣一來，五自由度磁

106、軸承系統(tǒng)中的磁軸承從三個(gè)減為兩個(gè)，去掉了一個(gè)獨(dú)立的軸向磁軸承，使整個(gè)系統(tǒng)得以簡化，減小了系統(tǒng)體積和軸向長度，從而可以提高轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速、同時(shí)降低了磁軸承的功耗，采用永磁偏置徑向軸向磁軸承和無軸承電機(jī)的新型五自由度磁軸承系統(tǒng)如圖3.2（B）。從圖中可見新的設(shè)計(jì)大大縮短了轉(zhuǎn)子軸向長度，使得整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大大簡化。更為重要的是，這種新型結(jié)構(gòu)的徑向軸向磁軸承還具有固有的徑向、軸向磁場解耦功能，在此基礎(chǔ)之上就可以應(yīng)用獨(dú)立控制方法來實(shí)現(xiàn)磁軸承系統(tǒng)各

107、自由度的懸浮控制，再通過系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)整個(gè)轉(zhuǎn)子的整體懸浮。</p><p>　　3.2 主軸單元軸承的組成</p><p>　　一個(gè)完整的電磁主軸單元軸承系統(tǒng)主要由機(jī)械系統(tǒng)、偏磁回路、控制回路三個(gè)部分組成，各部分可有多種不同的結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用情況和精度要求等設(shè)計(jì)。</p><p>　　3.2.1 機(jī)械系統(tǒng)</p><p>　　磁軸承的機(jī)械系統(tǒng)是

108、由磁軸承系統(tǒng)的軸承主體（即控制對象）主要包括定子組件、轉(zhuǎn)子組件、保護(hù)軸承及其他輔助零部件組成。其結(jié)構(gòu)形式主要取決于定子組件的電磁鐵和永磁體的形式。主要有：軸向電磁軸承、徑向電磁軸承、徑向推力電磁軸承。這里采用混合徑向軸向電磁軸承于一體的永磁偏置徑向軸向磁軸承。采用如此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）兩個(gè)磁軸承合為一個(gè)，結(jié)構(gòu)更緊湊，軸向利用率和軸承剛度顯著提高，可突破大功率和超高轉(zhuǎn)速限制，并可實(shí)現(xiàn)微型化：（2）磁軸承軸向長度大幅度縮短，磁軸承和無軸

109、承電機(jī)之間的耦合程度也大為降低，便于實(shí)現(xiàn)五自由度懸浮；（3）用于控制懸浮的功率電路大為減少，簡化了控制系統(tǒng)；（4）混合磁軸承獨(dú)特的磁路結(jié)構(gòu)使其具有軸向徑向自我解耦的功能，其控制方法與傳統(tǒng)磁軸承電機(jī)類似。</p><p>　　3.2.2 磁軸承的偏磁回路</p><p>　　在永磁偏置的電磁軸承中，偏置磁場是由永磁體提供的，而電磁鐵提供控制磁場，產(chǎn)生控制磁場的電流可由恒流源提供。如此的偏置回