电主轴综述（★）

第一篇：电主轴综述

高速电主轴技术

乔志敏 S1203027 摘要:通过阐述了高速电主轴的发展历程、高速电主轴的结构以及高速电主轴设计制造过程中的关键技术，分析了高精度、高转速电主轴对数控机床性能的影响。实践证明，采用高速加工技术可以解决机械产品制造中的诸多难题，能够获得特殊的加工精度和表面质量，高精度高转速电主轴功能部件，对提高数控机床的性能具有极大的影响。

关键词：高速电主轴；高精度；数控机床

Abstract: Based on the development of high-speed motorized spindle and the main structure of the motorized and the key technologies in the manufacturing process of high-speed motorized spindle, it analyzes the high precision, high speed electric spindle of influence on the performance of the numerical control machine.Practice has proved that high-speed processing technology can solve many problems in the manufacturing of mechanical products, and it can obtain special machining accuracy and surface quality.High precision and high speed motorized spindle features have a great impact on the performance of CNC machine tools.Keywords: high-speed motorized spindle, high precision, CNC machine

1.高速电主轴的现状与发展

早在20世纪50年代，就已出现了用于磨削小孔的高频电主轴，当时的变频器采用的是真空电子管，虽然转速高，但传递的功率小，转矩也小。随着高速切削发展的需要和功率电子器件、微电子器件和计算机技术的发展，产生了全固态元件的变频器和矢量控制驱动器，加上混合陶瓷球轴承的出现使得20世纪50年代末、90年代初的时候出现了用于铣削、钻削、加工中心及车削等加工的大功率、大转矩、高转速的电主轴。

国外电主轴最早用于内圆磨床，上世纪80年代，随着数控机床和高速切削技术的发展和需要，逐渐将电主轴技术应用于加工中心、数控铣床等高档数控机床，成为近年来机床技术所取得的重大成就之一。随着机床技术、高速切削技术的发展和实际应用的需要，对机床电主轴的性能也提出了越来越高的要求，目前国外从事高速数控机床电主轴研发与生产的企业主要有如下几家：德国GMN、西门子、瑞士IBAG、美国Setco、意大利Omlet、Faemat、Gamfior、日本大隈等，其中尤以GMN、IBAG、Omlet、Setco、Gammfier等几家的技术水平代表了这个领域的世界先进水平。

这些公司生产的电主轴较之国内生产的有以下几个特点 :①功率大、转速高。②采用高速、高刚度轴承。国外高速精密主轴上采用高速、高刚度轴承，主要有陶瓷轴承和液体动静压轴承，特殊场合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配套控制系统水平高。这些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。并在此基础之上，这些外国厂家如美国、日本、德国、意大利和瑞士等工业发达国家已生产了多种商品化高速机床。如瑞士米克朗公司，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 60000r/min的高速电主轴，可以满足不同的切削要求，所有的电主轴均装有恒温冷却水套对主轴电机和轴承进行冷却，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。2.高速电主轴的部件组成 2.1高速电主轴结构

数控机床的高速主轴具有高回转速度，但这并无严格的界限。对作为高速切削机床代表的加工中心和数控铣床而言，一般是指最高转速≥10000r/min的主轴系统，并相应具有高的角加（减）速度，以实现主轴的瞬时升降速与起停。为适应制造业对机床加工精度愈来愈高的要求，高速切削主轴还应有较高的回转精度，通常要求主轴的径向跳动小于1um或2um，轴向窜动小2um。此外，主轴也要有足够的静、动刚度，以承受一定的切削负荷并保持高的回转精度。

高速机床的核心部件是高速电主轴，它将机床主轴与驱动电机合二为一，即将主轴电机的定子、转子直接装入主轴组件内部，也被称为内装式电主轴，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”。高速电主轴的结构紧凑、重量轻、惯性小、响应特性好，并可减少主轴振动和噪声，是高速机床主轴单元的理想结构。

高速电主轴的结构如下图1所示。

图1 电主轴结构示意图

高速电主轴单元包括动力源、主轴、轴承和机架四个主要部分，是高速机床的核心部件。这四个部分构成一个动力学性能及稳定性良好的系统，在很大程度上决定了机床所能达到的切削速度、加工精度和应用范围。高速电主轴单元的性能取决于主轴的设计方法、材料、结构、轴承、润滑、冷却、动平衡、噪声等多项相关技术，其中一些技术又是相互制约的，包括高速和高刚度的矛盾、高速和大转矩的矛盾等。2.2高速电主轴的驱动

采用内装式同轴电动机驱动的机床主轴，电动机是专制的内装式，电动机轴就是机床主轴。电动机的转子直接装在机床主轴上，电动机的定子装在主轴箱内，电动机自己没有轴承，而是依靠机床的高精度空气轴承支撑转子的转动。电动机现在都采用无刷直流电动机，可以很方便地进行主轴转速的无级变速，同时由于电动机没有电刷，不仅可以消除电刷引起的摩擦振动，而且免除了电刷磨损对电机的影响。为主轴能获得尽量搞的回转精度，电动机转子装在主轴上后应要求转子和主轴运转的影响。

同时内装式同轴电动机驱动机床主轴存在一个的问题是：电动机工作时定子将发热产生温升，使主轴部件产生热变形。为减小热变形，电动机定子应采取强制通气冷却或钉子外壳做成夹层，通过恒温（或水）冷却，可以基本解决内装式电动机发热问题。

尽管将主电机内置于机床主轴箱中会带来很多问题，但在高速机床上这几乎是唯一的选择。这是因为：

（1）如果电机不内置，则在高速下由皮带和或齿轮等中间传动件产生的振动与噪音等问题很难解决，会大大降低高速加工的精度和表面质量，并对车间环境产生严重的噪声污染。

（2）高速加工对主轴运转的角加速度有极高的要求，实现这一严酷要求最经济的方法，就是尽可能把传动系统的转动惯量减至最小。而为了达到这个目的，只有将电机内置，取消齿轮、皮带等一系列中间传动环节。

（3）和皮带、齿轮的末端传动方式相比，主电机内置于主轴前后轴承之间，可大大提高主轴系统的刚度和固有频率，即提高机床的临界转速。这就使电主轴运转在最高转速时，仍可远离机床的临界转速，确保不发生共振，这点对高速加工的安全尤为重要。

（4）结构简单紧凑，容易做成独立的功能部件，可由专业厂进行标准化、系列化生产。机床主机厂只需根据用户的不同要求进行选用，可方便的组成各种类型、各种性能的机床，包括多轴联动机床，多面加工中心和并联机床等。（5）主轴电动机做成内装式，电动机和机床主轴采用同轴，不仅可以提高主轴的回轴精度，而且主轴箱的轴向长度缩短，主轴称为一个独立的，很方便移动的部件。

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流要超出普通电机的额定电流5～7倍.现有的高速电主轴的驱动电源可分为两类:(1)三相中频发电机组是由一台电动机和一台中频发电机组合而成.就其励磁方式可分为整流子励磁中频发电机和异步绕笼励磁中频发电机.这种电源自身机械损耗和在机电转换中的电磁能量损耗很大.并且噪音大、振动大,需建专用发电机房.又面临输电线路损耗大等难题,已很少使用.(2)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.早期的静止变频电源多数以硅控元器件为主体,故体积大、可靠性差.已被大功率晶体管静止变频电源所替代.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IGBT晶体管技术(如瑞士ABB公司生产的SAMIGS系列变频器),可以实现异步电动机的无级变速,其适应性、实用性、经济性均优于中频发电机组.目前已成为高速电主轴主要驱动电源.2.3高速精密主轴的轴承

精密主轴部件是超精密机床保证加工精度的核心，主轴要求达到极高的回转精度，转动平稳，无振动，其关键在于所用的精密轴承。

从目前发展现状来看，电主轴单元形成独立的单元而成为功能部件以方便地配置到多种加工中心及高速机床上是高速、高效、高精度数控机床发展的一种趋势。电主轴技术包括主轴机械体、高速主轴轴承、无外壳主轴电机及其控制模块、润滑冷却系统、主轴刀柄接口和刀具夹紧方式以及刀具动平衡等。

电主轴是高速机床的“心脏部件”,是高速精密且承受较大的径向和轴向切削负荷的旋转部件。轴承作为其关键的支承技术首先必须满足高速运转的要求,并且有较高的回转精度和较低的温升;其次,必须具有尽可能高的径向和轴向刚度。此外,还要具有较长的使用寿命,特别是保持精度的寿命。因此,轴承的性能对电主轴的使用功能极为重要。

目前使用在高速主轴中的轴承主要有：液体静压轴承、空气静压轴承等。2.3.1液体静压轴承的高速主轴

液体静压轴承运转时，在轴颈处形成高压油膜，把轴悬浮抬起，形成液体摩擦，使主轴能高速运转。通过对液体静压轴 承元件的几何形状进行优化设计，转速特征值可达1.0×106 mm.r/min；若轴径为30mm的主轴，其最高转速可达3000r/min以上。

图2是典型液体静压轴承主轴结构原理图，液体静压轴承常用的液压为0.6~1MPa，液体静压轴承主轴的运动精度很高，回转误差一般在0.2um以下。不但可以提高刀具的使用寿命，而且可以达到很高的加工精度和低的表面粗糙度

图2 典型液体静压轴承主轴结构原理图 1-径向轴承 2-推力轴承 3-真空吸盘

值。制造模具时，使用液体静压主轴的液体摩擦损失大，故驱动功率损失比滚珠轴承大。同时为减少高速运转发热，静压轴承的轴径不宜过大，这类高速主轴其径向刚度较低，但轴向刚度能过超滚珠轴承主轴。因此，选用何种轴承必须根据具体应用要求来定。

液体静压轴承有较高的刚度和回转精度，但也有下列缺点有待解决：（1）液体静压轴承的油温升高，在不同转速的温升值不等，因此要控制恒温较难，同时温升将造成热变形，影响主轴精度。

（2）静压油回油会将空气带入油源，形成微小气泡悬浮在油中，不易排出，因此将降低液体静压轴承的刚度和动特性。

为解决这些问题，一般采用如下措施：

（1）提高静压油的压力到6~8MPa，使油中微小气泡的影响减小，提高了静压轴承的刚度和动特性。

（2）静压轴承用油经温度控制，基本达到恒温，减少轴承的温升。（3）轴承用恒温水冷却，减小轴承的温升。2.3.2空气静压轴承的高速主轴

空气静压轴承能在轴颈处形成高压气膜，降低摩擦，实现主轴高速运转。空气静压轴承高速主轴的转速特征值可达2.7×106 mm.r/min，回转误差在0.05um以下，最高转速可达10000r/min。采用金刚石刀具可以进行镜面铣削，加工各种复杂的高精度面。

空气静压轴承高速主轴的优点在于高回转精度、高转速和低温升，因此造成的热变形误差很小，空气轴承的应用促成了超精密机床的发展，而空气轴承的主要问题是刚度低，只能承受较小的载荷。

（1）圆柱径向轴承和端面止推空气静压轴承

（2）双半球空气轴承主轴

（3）前部用球形，后半部用圆柱径向空气轴承的主轴

（4）立式空气轴承

2.3.3磁悬浮轴承的高速主轴

磁悬浮轴承利用磁力把轴颈抬起运转，能使主轴达到更高的转速，转速特征值可达4.0×106 mm.r/min，为滚珠轴承主轴的两倍。目前使用的磁悬浮主轴的回转精度可达0.2um。磁悬浮主轴的优点是高精度、高转速和高刚度；缺点是磁悬 浮轴承由于价格昂贵，控制系统复杂，发热问题难以解决，因而还无法在高速主轴单元上推广应用。2.3.4混合陶瓷轴承的高速主轴

用氮化硅制的滚珠与钢制轨道相组合，在高速转动时离心力小，刚性好，温度低，寿命长，功率可达80kW，转速高达150000r／min。它的标准化程度高，便于维护，价格低，是目前在高速切削机床主轴上使用最多的支承元件。2.4电主轴中的关键技术

电主轴在设计生产过程中会遇到很多的技术性问题，其中要解决的关键技术问题主要有：内置电机的散热问题；高速轴承的类型选择及润滑技术；主轴回转组件的动平衡设计；主轴电机驱动控制模块的选择；主轴端部与刀柄的接口技术等。

内置电机散热问题是电主轴特有的技术难题，处理不好会造成主轴过高的温升，影响机床工作的可靠性和所能达到的最高转速。目前解决这个问题有两条路径：（1）对于交流感应式电机，可以在电机定子外面加装一个铝制圆环，圆环外表面有螺栓槽。工作时，可将循环冷却液（油或水）通入该螺旋槽中，从而把电机定子产生的热量带走。但转子产生的热量（约占电机总热量的1/3）很难全部带走；（2）采用交流永磁式主电机，这种电机的转子用包含稀土元素的永久磁铁制成，转子不发热，从而可大大改善电主轴的发热特性，可用风冷代替上述液冷装置，而且结构紧凑、扭矩大，可扩大空心主轴的内孔直径，当用于卧式数控车床或车铣中心时，还可以提高棒料的通过能力。

电主轴是一种超高速运转部件，结构上微小的不平衡量，在高速下都会产生巨大的离心力，造成机床的振动，影响加工精度和表面质量。因而电遵循主轴设计必须严格对称设计原则，键连接和螺纹连接在这里被禁止使用。转子和主轴之间用过盈配合实现扭矩的传递，主轴、主轴上的零件和主轴箱都必须经过十分精密的加工、装配和调校，使主轴组件的动平稳度达到G0.4级以上的水平。

图2 扭矩-功率特性

这种无外壳主轴电机有两种驱动和控制方式：变频器控制和矢量控制。其扭矩、功率与转速的关系如图2所示。对于普通变频器（图2a），其控制特性为恒扭矩驱动，输出功率与转速成正比，这种驱动器在低速时不够稳定，不能满足低速大扭矩（粗加工）的要求，也不具备主轴准停和C轴控制功能，但价格便宜，一般用于磨床、小孔钻床、雕刻铣和普通的高速铣床等。矢量控制驱动器的控制特性如图2b所示。其控制特性是：低速段为恒扭矩驱动，中高速段为恒功率控制。这种驱动器在0转速时仍有很大的扭矩，再加上电主轴的惯性很小，因此可实现主轴启动时瞬间（1~2秒）达到最高速。这种驱动器用角度传感器实现位置 9

和速度的反馈，进行闭环控制，可实现主轴准停和C轴控制。这种驱动器一般用于高速加工中心和车削中心。

在高速加工中还需要注意一个特殊问题就是电主轴与刀具的联接。一般通过刀柄作为机床主轴与刀具的接口。不正确的接口结构，会影响机床主轴的动平衡和高速切削的可靠性。标准的7/24的锥形联接有许多优点：因不自锁，可实现刀具的快速装卸，这点对加工中心尤为重要；刀柄的椎体在拉杆轴向拉力作用下紧紧地与主轴的内锥孔接触，可以减少刀具的悬伸量。此外它只有一个尺寸（锥角）需要加工，所以成本较低，目前应用非常广泛。但是7/24锥形联接在高速旋转时有一个致命的缺点：主轴空心锥孔端部的扩张量大于实心刀柄的扩张量，造成刀具的轴向变位和径向振摆，更严重的是影响了高速加工的可靠性与安全。在高速电主轴与刀具接口的研究中，目前较成功的是德国的HSK型刀柄和美国的KM型刀柄，他们都摒弃了原有的7/24标准锥度。其中以HSK刀柄更为流行，并已纳入国际标准。HSK空心刀柄由1/10短锥面（径向）和法兰端面共同实现与电主轴的轴向定位和刚性连接，较好地解决了7/24锥柄刀具存在的上述问题。3.高速电主轴对数控机床的意义

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。标准化、系列化的电主轴产品易于形成专业化、规模化生产，实现功能部件的低成本制造；采用电主轴后机床结构的简单化和模块化也有利于降低机床成本；此外，还可以缩短机床研制周期，适应目前快速多变的市场趋势。

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，因此提高了机床的可靠性；技术成熟、功能完善、性能优良、质量可靠的电主轴功能部件使机床的性能更加完善，可靠性得以进一步提高。有些高档数控机床，如并联运动机床、五面体加工中心、小孔和超小孔加工机床等，必须采用电主轴，方能满足完善的功能要求。

电主轴是由内装式电机直接驱动，以满足高速切削对机床“高速度、高精度、高可靠性及小振动”的要求，与机床高速进给系统、高速刀具系统一起组成高速切削所需要的必备条件。电主轴技术与电机变频、闭环矢量控制、交流伺服控制等技术相结合，可以满足车削、铣削、镗削、钻削、磨削等金属切削加工的需要。

4.总结

采用高速加工技术可以解决机械产品制造中的诸多难题，取得特殊的加工精度和表面质量，因此这项技术在各类装备制造业中得到越来越广泛的应用，正在成为当今金切加工的主流技术。高精度、高转速数控机床主轴单元是承载高速切削技术的主体之一，是高精度、高效率高档数控机床的核心功能部件，是航空航天、汽车、船舶、精密模具、精密机械等尖端产品制造领域所需高档加工母机的核心部件。

目前国内外电主轴技术的发展十分迅速，各生产厂商都在高可靠性、节能性、高精度、高加工效率、环保性、智能化等方面进行持续的科技攻关，以期形成自身的特色，占领电主轴技术发展的制高点。

近年来，我国数控机床功能部件，虽有很大发展，特别是电主轴的发展也相当快，但与国外的电主轴的发展技术相比，我们国家的水平还相当的落后，电主轴技术也存在许多的技术问题，对数控铣床的发展起到很大的制约作用。对电主轴的要求也越来越高，还需对大功率、高转速、高主轴回转精度，对电机驱动方式、动平衡测试技术、高速主轴的准停控制、轴承和润滑等一系列问题进一步深入研究。朝着高速高精度化的趋势发展。我们必须进一步研究，使我国的数控铣床的电主轴技术更进一步发展。

5.参考文献

[1]吴玉厚.数控机床电主轴单元技术[M].北京:机械工业出版社,2006.[2]孟杰,陈小安.电主轴动力学分析的传递矩阵法[J].机械设计,2008,25(7):37-40.[3]潘建新，周志雄.高速主轴及其润滑冷却形式[J].润滑与密封，2006.[4]肖曙红，张伯霖等.高速电主轴关键技术的研究.1992 [5]张伯霖，张志润，肖曙红．超高速加工与机床的零传动嘲，中国机械工程，1996.[6]尹欣，张臻．超高速加工中心的主轴轴承及润滑方式[J]，机械制造，2003.[7]李立毅，崔淑梅，宋凯，程树康．高频电主轴的发热及其对策阴，微电机，2000.12

第二篇：翻译电主轴(汉)

美国专利申请公布

Petrescu

机动精密主轴仪器 发明人：

通讯地址：

Mircea Petrescu , Windsor（加利福尼亚州）埃里克T琼斯

Reising Ethington Barnes kisselle P4390信箱

Troy , MI 48090-4390(美国)申请编号：

10/555255 2004年4月30日

专利合作条约/美国04/10349 2006年8月3日

临时申请号60/467659,提交于2003年5月2日

出版类型：

Int.Cl.B23C 5/26（2006.01）专利合作条约申请： 专利合作条约编号： 日期：

美国相关申请数据:

摘要

用于旋转和交换的电动精密主轴仪器（10）能以灵活的工具加工操作，并且它包括一个用以可以动的、可交换的支持主轴电机盒（14）的外墨盒主轴（12）。外墨盒的主轴轴（16）用以支持主轴轴旋转于外部墨盒主轴轴套（20）之内、外墨盒的主轴轴（16）和外

部墨盒主轴轴套（20）间的外墨盒主轴轴承（22）之上，主轴电机（24）处于主轴电机盒（14）之内并且它可拆卸耦合到外墨盒主轴轴（16）。一个刀架（26）支持外墨盒主轴轴（16）并且可释放地持有外墨盒主轴轴（16）绕主轴轴（18）旋转的位置旋转工具。一个拉杆（30）用以支持通过外墨盒主轴轴（16）和主轴电机盒（14）的互惠轴向运动。拉杆（30）连接到刀架（26），在轴向使刀架（26）握住一个工具（28）而不发生偏离。一个拉杆驱动器（32）连接到拉杆（30），使得拉杆（30）向相反的方向偏移，从而释放操作者要持有的任何工具。在主轴电机盒（14）内的隔离管（36）是由外端连接到外墨盒主轴轴（16）的，当拉杆（30）轴向移动打开刀架（26）时它会支持外墨盒的主轴轴（16）使其轴向力避免传递到外墨盒主轴轴承（22）上。

机动精密主轴仪器

相关应用的参考

[0001] 不适用

声明中关于联邦资助的研究或发展

[0002] 不适用

发明背景

[0003] [0004] 1.发明领域

本发明大体涉及一个用于在灵活的加工操作中自动旋转和交换的工具：机动精密主轴仪器。[0005] 的信息。[0006] 用于旋转和自动交换的电动主轴机床在工艺界闻名。例如，2.相关工艺的描述，包含根据37 CFR1.97和1.78披漏Mazak加工中心由Yamazaki Mazak公司生产的模型跳频680X，揭示了这样一种设备，它包括一个外墨盒主轴和一个独立的主轴电机盒。外墨盒主轴可动地、可交换地支持着主轴电机盒。外墨盒主轴包括一个用以支持主轴在外墨盒主轴轴承上的同轴的外墨盒主轴轴套内绕主轴轴线旋转的外墨盒主轴轴。外墨盒主轴轴承可拆卸地连接在外墨盒主轴轴和外墨盒主轴轴套之间。主轴电机在主轴电机盒之内，并且它包含一个电机轴，这个电机轴可驱动地、可拆卸地连接于外墨盒的主轴轴内端。Mazak加工中心也有一种支持在外墨盒主轴轴外端的刀架。刀架在外墨盒主轴轴相对于主轴轴线的旋转位置处可释放地持有一个工具。拉杆通过外墨盒主轴轴与电机轴同轴地支持互惠轴向运动。拉杆的外端可拆卸地连接到刀架，并且弹性地偏向于远离刀架的、轴向向内的方向，这就使刀架握紧了工具。Mazak加工中心还有一个包含一个液压缸的拉杆驱动器，这个液压缸由毗邻的主轴电机轴向支持，并可拆卸地连接于的拉杆内端。该拉杆驱动器使拉杆向偏置弹簧的反向移动，这样来释放操作者可持有的任何工具。该拉杆还包括一外部拉杆节，外部拉杆节安置在外墨盒主轴轴之内，并且释放地、终端对终端地与安置在电机轴内部的内部拉杆节相连接。[0007] 然而，Mazak加工中心在外墨盒主轴轴不承受轴向载荷的情况下，无法向外，即向偏置弹簧的反向移动拉杆。这是因为电机轴到外墨盒主轴轴的可拆卸的齿轮连接规定了转矩负载唯一的传输。为了方便简单的安装和拆除外墨盒主轴，没有保留外墨盒主轴相对于电机轴和拉杆执行机构的轴向规定。因此，每当一个工具是从外墨盒主轴轴释放时，作用在轴承上的轴向载荷会减少轴承使用寿命，降低主轴的旋转速度。[0008] 现在需要的是一个有一个可互换的外墨盒主轴和一个两件式拉杆的机动精密主轴，并且这个机动精密主轴能够在释放工具时不向主轴的外墨盒主轴轴承施加轴向压力。

发明简介

[0009] 这里提供的用作旋转和自动交换工具的机动精密主轴装置包括一个由主轴电机盒可移动可交换地支持着的外墨盒主轴。外墨盒主轴轴用于在外墨盒主轴轴承上的外墨盒主轴轴套里面绕主轴轴线旋转。轴承可拆卸的连接在外墨盒主轴轴和外墨盒主轴轴套之间。主轴电机放置在主轴电机盒里面，并可驱动、可拆卸的同外墨盒主轴轴相耦合。该装置还包括一个安置在外墨盒主轴轴上的刀架，这个刀架配置为可释放的在外墨盒主轴轴相对于主轴轴线的旋转位置持有工具。拉杆与外墨盒主轴轴和主轴电机盒同轴安置，可做互惠轴向运动。该拉杆可拆卸地连接于刀架上，并偏向于轴向，这就使得刀柄能够握紧工具。拉杆驱动器可拆卸地连接到拉杆，其配置可使拉杆反向偏移，从而释放操作者可持有的任何工具。该装置还包括一个同轴地安置在主轴电机盒内的隔离管。隔离管连接于外墨盒主轴轴的外端，它之所以以这样一种方式安置，是为了在拉杆为了打开刀架而向偏置弹簧的反向沿轴运动情况下，支持外墨盒主轴轴而不使轴向力传到外墨盒主轴轴承上。因此，根据本发明的所设计的机动精密主轴仪器可以使拉杆在向偏置弹簧的反向移动的同时，不向外墨盒主轴轴承施加轴向压力。[0010] 根据本发明的另一个方面，该装置还包括一个主轴电机，该主轴电机用于支持装置内主轴轴的旋转。该主轴电机可驱动可拆卸地耦合到电机轴，并且可拆卸地从外墨盒主轴轴的外端连接到内端。拉杆与主轴电机同轴安置以便做互惠轴向运动，而隔离管同轴地安置

在电主轴里面。[0011] 根据本发明的又一个方面，隔离管耦合在一个用于防止相对于墨盒主轴套轴向运动的装置的内部。[0012] 根据本发明的再一个方面，拉杆远离刀架轴向向内偏，配置拉杆驱动器是为了使拉杆向外移从而打开刀架。此外，隔离管以这样一种方式配置是为了支持外墨盒主轴轴，不使其产生的轴向向外的力传递到外墨盒主轴轴承。[0013] 根据本发明的再一个方面，该拉杆包括一个设在电机主轴里面的内部拉杆节，并且该拉杆是可驱动进刀的、首尾相连的，它还具有一个设在外墨盒主轴轴里面的外部拉杆节。[0014] 根据本发明的再一个方面，拉杆驱动器包括一个由相邻的主轴电机轴向向内支持的液压缸，而配置这个液压缸是为了使拉杆轴向向外移动，远离偏置。[0015] 根据本发明的再一个方面，该装置包括一个拉耦合，这个拉耦合使外墨盒主轴轴和隔离管可分离地互连在一起。配置这个拉耦合可以让外墨盒主轴轴和隔离管不用访问仪器的一侧或内端就可以耦合和解耦。[0016] 根据本发明的再一个方面，这个拉耦合包括一个径向的灵活的隔离管手指阵列，这个阵列从各个隔离管轴向外端沿轴向向外延伸。一个圆柱形主轴轴套被安置在外墨盒主轴轴轴向的内端，这用于其中轴在回收位置和预定位置之间做轴向相互运动。隔离管手指阵列包括毗邻在其末端的径向向外延伸的隔离管制动器。主轴轴包括一个

从各个主轴轴内端的内圆周径向向内扩展的主轴轴制动器。配置这个轴套的作用是，当轴套被移动到预定位置时，使隔离管手指阵列径向向外移动，从而使隔离管制动器与主轴制动器相接处。一个圆柱形联合领围绕着毗邻的内部拉杆节和外部拉杆节并使它们同轴对准；这个圆柱形联合领还支持主轴轴套，不使其径向向内偏斜。这就允许操作者在隔离管对通过毗邻隔离管的其他墨盒主轴轴和外墨盒主轴轴与滑动主轴轴套对其预定位置之间组建一个刚性拉耦合。当外墨盒主轴需要更换时，操作者能够通过将主轴轴套移动到其收回的位置，从而把隔离管与外墨盒主轴轴拆开。[0017] 根据本发明的再一个方面，主轴轴套向预定位置偏置是为了防止轴套在主轴运转期间脱离预定位置。[0018] 根据本发明的再一个方面，拉耦合包括一个液压锁器，配置它的作用是当液压油源连接到其液压油通道时，可使主轴轴套移动到预定工作位置。液压油通道有一个安置在外墨盒主轴内的入口端，它允许操作员在操作该仪器时无需访问该仪器的轴两侧或内端就可以将内部拉杆节和外部拉杆节稳固地连接起来。[0019] 根据本发明的再一个方面，液压锁器的液压油通道的入口端位于外墨盒主轴轴的轴外端。[0020] 根据本发明的再一个方面，拉耦合还包括一个液压解锁器，配置它的作用是当液压油源连接到其液压油通道时，可使主轴轴套移出预定工作位置。液压油通道有一个安置在外墨盒主轴内的入口端，它允许操作员在拆除和更换外墨盒主轴时无需访问该仪器的轴两侧或内端就可以将内部拉杆节和外部拉杆节拆开。[0021] 根据本发明的再一个方面，液压解锁器的液压油通道的入口端位于外墨盒主轴轴的轴外端。[0022] 根据本发明的再一个方面，该装置包括一转矩耦合,这个转矩耦合将外墨盒主轴轴与电机轴可分离地互连起来，配置这个转矩耦合是为了消除间隙。[0023] 根据本发明的再一个方面，该转矩耦合包含一个外齿轮，这个齿轮的轮齿从外墨盒主轴轴内部的一端或电机轴的外部的一端绕外圆周径向延伸。一个内齿轮的轮齿从外墨盒主轴轴内部的另一端和电机轴的外部的另一端绕内圆周径向向内延伸。当外墨盒主轴轴连接到电机轴时，外齿轮轮齿就会与内齿轮轮齿接触、啮合。[0024] 根据本发明的再一个方面，外齿轮轮齿从电机轴的外端绕外圆周径向向外延伸，而内齿轮轮齿从外墨盒主轴轴的内端绕内圆周径向向内延伸。[0025] 根据本发明的再一个方面，外齿轮和内齿轮具有相同的节圆直径和转位。[0026] 根据本发明的再一个方面，转矩耦合带有一个柱塞，这个柱塞安置在外墨盒主轴轴内并与其同轴，它用于外墨盒主轴轴在出发位置和工作位置做轴向往复运动。柱塞有一个与内齿轮的一侧相接处的外圆周锥面，配置这个锥面目的是，在柱塞朝内齿轮轴向前进时，可使内齿轮的节圆直径径向展开。[0027] 根据本发明的再一个方面，转矩耦合偏置于起始位置，并可由液压驱动使其到达工作位置。[0028] 根据本发明的再一个方面，转矩耦合带有一个安全领，它同轴地设在外墨盒主轴轴周围，用于外墨盒主轴轴在其起始位置和工作位置间的轴向往复运动。安全领包括一个内圆锥表面，当轴在工作位置时，该内锥面可向相邻与内齿轮的外墨盒主轴轴的外圆周表面上施加径向向内的压力，这样就进一步保证了外墨盒主轴轴上的内齿轮轮齿与电机轴上的内齿轮轮齿在啮合时的安全。这样的安排有助于热任何遗留间隙的补偿，并且可以确保离心力不会影响齿轮的啮合，特别是在高速运行的情况下。

插图的几点简要说明

[0029] 配合以下的详细描述和插图，本发明的这些特点及其他特点和优势，对于那些精通本领域技术的人来说，会变得显而易见。其中： [0030] 图1是根据本发明构建的一幅精密装配电主轴的横断面侧视图，图中的转矩耦合、拉耦合、拉杆、外墨盒主轴、电机轴、拉杆驱动器这些元素用粗黑线绘出以示强调；

[0031] 图2是图1精密装配电主轴的一幅横断面侧视图，但与图1不同的是图2中将转矩耦合画成减轻线以强调与其毗邻的拉耦合； [0032] 图3是图1中主轴装配图一部分的放大图，包括转矩耦合和拉耦合，但图中的转矩耦合用减轻线画出，这样来强调拉耦合； [0033] 图4是图1精密装配电主轴的一幅横断面侧视图，但图中将拉杆、拉杆驱动器、拉耦合用减轻线画出，这样来强调毗邻的转矩耦合； [0034] 图5是图1中主轴装配图一部分的放大图，包括转矩耦合和拉耦合，但图中将拉杆和拉耦合用减轻线画出以强调转矩耦合。

发明实例的详细说明

[0035] 能以灵活的工具加工操作的用于旋转和交换的电动精密主轴仪器（10）已大体上展示在图中。正如图1—图5中所示，该仪器（10）包括一个支持在主轴电机盒（14）上的可移动可互换的外墨盒主轴（12）。外墨盒主轴（12）包含一个外墨盒主轴轴（16），它在外墨盒主轴轴承（22）上，并与其所带的一个外墨盒主轴轴套（20）同轴，它用于绕主轴轴（18）旋转。外墨盒主轴轴承（22）可拆卸地连接在外墨盒主轴轴（16）和外墨盒主轴轴套（20）之间。主轴电机（24）置于主轴电机盒（14）之内，并且它可驱动可拆卸地与外墨盒主轴轴（16）相耦合。

[0036] 如图

1、图2和图4所示，该仪器（10）也包括一个刀架（26），刀架位于外墨盒主轴轴（16）的外端。刀架（26）可释放地持有外墨盒主轴轴（16）绕主轴轴（18）旋转的位置旋转工具。[0037] 如图1—图5所示，拉杆（30）用以同轴地支持通过外墨盒主轴轴（16）和主轴电机盒（14）的互惠轴向运动。拉杆（30）的外端可拆卸地连接到刀架（26），并且拉杆（30）在弹簧的作用下轴向向内偏置，远离刀架。这个偏置使刀架（26）握紧了工具（28）。[0038] 如图

1、图2和图4所示，一个拉杆驱动器（32）可拆卸地连接于拉杆（30）内端，它使拉杆（30）朝着其偏置的反方向，即轴向向外的方向运动，这样便可以释放操作者可以操控的任何工具。拉杆驱动器（32）中带有一轴向向内且与主轴电机（24）毗邻的液压缸（34）。液压缸（34）为克服弹簧偏置而使拉杆（30）轴向向外运动提供了必要的动力。[0039] 如图1—图5所示，该仪器（10）还带有一个隔离管（36）。

该隔离管（36）轴向安置在主轴电机盒（14）之内。隔离管（36）刚性地将外墨盒主轴轴（16）的轴外端连接到其轴内端。隔离管（36）以这样一种方式支持外墨盒主轴轴（16）的作用是：当拉杆（30）为了打开刀架（26）而朝着远离偏置弹簧的位置轴向向外运动时，能阻止外墨盒主轴轴（16）将轴向力传递到外墨盒主轴轴承（22）。换句话说，隔离管（36）以这样一种方式设置是为了支持外墨盒主轴轴（16）而不让轴向向外的力传到外墨盒主轴轴承（22）上。

第三篇：电主轴加工工艺方案范文

电主轴加工工艺方案

作者：管理员 来源：未知 日期：2011-8-6 8:13:17 人气：152 标签：导读：由于电主轴前后支撑径的精度，直接影响电主轴装配后的精度和轴承的预紧。

“http:/// ”>电主轴内孔的圆度及与外圆的同轴度，直接影响电主轴的动平衡。电主轴与定子内孔的配合过盈量，直接影响定子的热装。因此为防止电主轴内孔与外圆不同心，造成电主轴不平衡，电主轴粗车后钻内孔，精车后再精车内孔。为消除加工应力，电主轴淬火后采用低温时效。为保证电主轴与轴承之间的配合间隙，电主轴安装轴承外圆按轴承内环配磨，保证配作间隙0.003 ～ 0.008。

为抵消装配误差，电主轴精磨合格后，标出高低点位置（用稀释酸橡皮“O”字圆章）为部装装配做好标记。为保证电主轴与定子内孔的配合过盈量（前端0.057～0.082、后端0.09～0.12），电主轴与定子接触外径按定子内孔配磨。电主轴床头箱的装配主要针对电电主轴床头箱拆装困难，电主轴预紧力的选择，电主轴的动平衡，定子与床头箱压装，转子与电主轴热装，防漏等关键技术进行了细致的研究，制定了详细的装配工艺方案。为确定电主轴轴承预紧力，进行了预紧力测试试验。为保证电主轴的动平衡，对电主轴进行粗动平衡（不装定子）和精动平衡。为控制电主轴前后轴承温度，测量电主轴静刚度，在不安装定子和转子情况下组装床头箱，进行运车试验。

为使定子顺利压入床头箱内，装配前将箱体内涂抹润滑脂。为解决转子热装问题，对转子进行加热试验。为防止渗漏，对水套和定子进行打压试验。电电主轴最突出的问题之一是内藏高速电机的发热，由于主电机旁边就是电主轴轴承，电机的发热直接会影响电主轴轴承的温升，如果电主轴轴承预紧力过大，导致电主轴温升过高，会直接降低轴承的工作精度。如果电主轴轴承预紧力过小，又会影响电主轴的刚度。再加上电电主轴为高速电主轴，电主轴运动部分微小不平衡量，都会引起巨大的离心力造成机床的振动，影响加工精度和表面质量，降低机床寿命，因此电主轴的预紧力和电主轴组件的不平衡量必须在安装前确定好。（图文）

第四篇：简述电主轴技术发展前景

简述电主轴技术发展前景

电主轴技术发展前景是良好的,很多人对相关方面的信息都十分感兴趣.为了让更多人对相关信息有所了解,本文将对电主轴技术发展前景进行简单分析.一、继续向高速度、高刚度方向发展

由于高速切削和实际应用的需要，随着主轴轴承及其润滑技术、精密加工技术、精密动平衡技术、高速刀具及其接口技术等相关技术的发展，数控机床用电主轴高速化已成为目前发展的普遍趋势，如钻、铣用电主轴，瑞士IBAG的HF42的转速达到140000r／min，英国WestWind公司的PCB钻孔机电主轴D1733更是达到了250000r／min；加工中心用电主轴，瑞士FISCHER最高转速达到42000r／min，意大利CAMFIOR达到了75000r／min。在电主轴的系统刚度方面，由于轴承及其润滑技术的发展，电主轴的系统刚度越来越大，满足了数控机床高速、高效和精密加工发展的需要。

二、向高速大功率、低速大转矩方向发展

根据实际使用的需要，多数数控机床需要同时能够满足低速粗加工时的重切削、高速切削时精加工的要求，因此，机床电主轴应该具备低速大转矩、高速大功率的性能。如意大利CAMFIOR、瑞士Step—Tec、德国GMN等制造商生产的加工中心用电主轴，低速段输出转矩到200Nm以上的已经不是难事，德国 CYTEC的数控铣床和车床用电主轴的最大扭矩更是达到了630N•m；在高速段大功率方面，一般在l0～50kW；CYTEC电主轴的最大输出功率为 50kW；瑞士Step—Tec电主轴的最大功率更是达到65kW(S1)，用于航空器制造和模具加工；更有电主轴功率达到80kW 的报道。

三、进一步向高精度、高可靠性和延长工作寿命方向发展

用户对数控机床的精度和使用可靠性提出了越来越高的要求，作为数控机床核心功能部件之一的电主轴，要求其本身的精度和可靠性随之越来越高。如主轴径向跳动在0.001mm 以内、轴向定位精度<0.0005mm以下。同时，由于采用了特殊的精密主轴轴承、先进的润滑方法以及特殊的预负荷施加方式，电主轴的寿命相应得到了延长，其使用可靠性越来越高。

第五篇：钳工技师论文高速电主轴轴向热伸长及径向振动测试平台搭建

省 技 师 职 务 申 请

评 审 论 文

论文题目：高速电主轴轴向热伸长及径向振动测试平台搭建

姓

名：

单

位：

原技术工种名称：钳 工 高 级 工

申 报 时 间：

省人力资源和社会保障厅制 【摘要】高速电主轴是高速数控机床中关键功能部件之一，在高速切削机床上得到广泛应用，电主轴的轴向热伸长及径向振动直接影响主轴刀具的加工精度，稳定性及加工范围，如何测量电主轴的热变形量及振动量，对研究电主轴综合加工能力有着十分重要的作用。

【关键词】电主轴 热伸长 振动

【前言】在数控机床加工行业，减少加工时间是提高生产效率的有效方法，数控机床的高速加工能力更能显示机床的综合性能，高速电主轴的性能直接决定了机床的高速加工能力，本文以高速电主轴轴向热伸长及径向振动测试平台的搭建为主要内容，采用电涡流位移传感器、红外线温度传感器、数据采集卡和电脑计算机，利用VB6.0编程制作软件，开发高速电主轴综合性能测试系统。

一、电主轴概述

电主轴是高速数控机床的核心部件，它采用无外壳电动机，将带有冷却套的电动机定子装配在主轴壳体内，转子和机床主轴的旋转部件做成一体，主轴的变速通过变频器控制，电主轴具有结构紧凑、响应快、转速高、功率大等优点，不过，随着主轴转速和进给速度的提高也会引来一些负面影响，如主轴发热、振动问题，也是造成主轴损坏的重要因素，也是影响加工精度的重要原因，电主轴基本结构图如图1-1。

图1-1 电主轴基本结构图

二、高速电主轴的热源及振动分析

1、高速电主轴的热源分析

高速电主轴是高速机床的核心部件，同时也是机床的主要热源，电主轴中电动机的发热和轴承的摩擦发热是不可避免的，由此引起的热变形严重地影响机床的加工精度，因此，对电主轴的热特性进行分析也是必要的，本文将利用高精度电涡流位移传感器及红外线温度传感器对高速电主轴的轴向热伸长进行非接触测量。

2、高速电主轴振动的分析

机械振动是指物体在某一中心位置两侧所做的往复运动，简称振动。

机床的振动大小对机械加工的精度、工件的表面质量、机床的有效寿命等有着不可小视的影响，影响机床振动的因素很多，如床身加工精度、导轨的加工精度、机床主轴的自身振动、数控系统的控制精度等等，其中电主轴的振动大小是影响机床系统振动的主要原因之一，同时也是衡量电主轴动态性能好坏最直接的指标。电主轴高速运转时，由偏心质量产生的机械振动是轴系振动的主要成分之一，任何微小的不平衡质量将引起电主轴不同程度的机械振动，因此，电主轴的转轴必须进行严格的动平衡，对主轴进行振动监测显得非常重要，因此，本文将利用高精度电涡流位移传感器对高速电主轴的径向振动量进行在线监测。

三、高速电主轴轴向热伸长及径向振动测试平台搭建

1、平台说明

测试平台采用平整工作台支架支承，并使用25mm钢板作主轴安装底板，以增加刚性，主轴由前后等高V型块支承，再用压紧块压紧，构成主轴安装夹具，确保主轴安装牢固及高速转动时的稳定性，电主轴使用变频器控制，并采用油冷机对主轴发热进行冷却控温，主轴热伸长及振动量通过传感器检测，经数据采集卡收集数据，再由测试软件计算后在电脑显示及保存。装配效果如图3-1。

图3-1 测试平台装配效果图

1油冷机 2变频器 3、4、12电涡流位移传感器 5、15计算机 6电主轴 7主轴压紧块 8主轴支架 9数据采集卡 10红外线温度传感器 11、13传感器支架 14平台支架

2、测试系统软件

测试系统软件在软件科冯先生悉心指导下完成，软件通过Visual Basic 6.0进行编写，实用性强、可靠性高，软件可设置采样间隔和时间，实现单通道、双通道及四通道进行数据采集，对电主轴进行全方位监控，还可对检测结果保存及打印。四通道数据采集界面如图3-2。

图3-2 四通道数据采集界面

四、高速电主轴轴向热伸长及径向振动测试实验

1、高速电主轴轴向热伸长测试

采用红外线温度传感器和电涡流位移传感器各一个，安装位置如图4-1。电主轴采用变频器控制，可设置规定转速和运行时间，红外线温度传感器实时监测并记录转轴的温度变化，电涡流位移传感器实时监测转轴随转速、运行时间和温度的变化所产生的位移量。

图4-1探头安装位置---轴向热伸长

2、高速电主轴径向振动测试

采用电涡流位移传感器2个，探头安装位置如图4-2。电主轴采用变频器控制，可设置转速和运行时间，X、Y轴方向探头分别实时监测X、Y方向振动位移量。

图4-2探头安装位置---径向振动 【结束语】电主轴是高速数控机床中的关键功能部件之一，在高速切削机床上得到广泛应用，它的性能直接决定了机床的高速加工性能，为提高零件的加工精度和表面质量以及生产率提供了保证。

本系统主要用于监控高速电主轴的工作参数，用户可根据电主轴的实时数据了解电主轴的当前工作状况，并根据参数的变化改变相应的控制，以提高工作效率，减少故障的产生。采用红外线温度传感器、电涡流位移传感器对高速电主轴的轴端温度、轴向热伸长和径向振动（X、Y双向）四个参量进行了非接触实时测量。

本系统为基本实时监测系统，用户还可以整合相关的电主轴控制策略，根据各项参数的实时监测变化，对电主轴进行自动适应调整，从而实现电主轴的智能化监测与控制，以上构想还有待进一步研究。

【致谢】感谢广东科杰机械自动化有限公司提供的资源帮助，感谢对本测试系统软件提供专业指导及制作的软件科冯宁先生，对关心和提供指导的各位同事，朋友表示衷心的感谢！

【参考文献】数字化手册编委会 编 机械设计手册（软件版）V3.0 机械行业标准 JB/T 10801.2-2007 加工中心用电主轴 技术条件 国家标准 GB/T 11348.1-1999 旋转机械转轴径向振动的测量和评定 国家标准 GB/T 17421.3-2009 机床检验通则 热效应的确定 国家标准 GB/T 16768-1997 金属切削机床 振动测量方法 上海欧丹仪器电子有限公司产品说明书 北京啊尔泰科技发展有限公司产品说明书