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智能化電主軸技術(shù) 版權(quán)信息
- ISBN：9787030696762
- 條形碼：9787030696762 ; 978-7-03-069676-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊(cè)數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
智能化電主軸技術(shù) 內(nèi)容簡(jiǎn)介
將智能技術(shù)與電主軸控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合，可使數(shù)控裝備在智能制造中呈現(xiàn)髙質(zhì)、柔性、高效及綠色特征。本書以提高電主軸單元的動(dòng)態(tài)性能并很終實(shí)現(xiàn)智能化為目標(biāo)，圍繞電主軸熱控制、運(yùn)動(dòng)控制、振動(dòng)控制以及故障診斷的基礎(chǔ)理論及智能化關(guān)鍵技術(shù)展開討論；提供高精度的電主軸智能化溫升預(yù)測(cè)方法及振動(dòng)控制策略；探索電主軸定子電阻的智能辨識(shí)方法，為電主軸準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)控制奠定基礎(chǔ)；將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用于電主軸故障診斷，將陶瓷材料應(yīng)用于電主軸軸承，為智能、綠色電主軸設(shè)計(jì)開發(fā)提供新思路。
智能化電主軸技術(shù) 目錄
目錄
前言
第1章 電主軸關(guān)鍵技術(shù)與性能 1
1.1 電主軸結(jié)構(gòu)及工作原理 1
1.1.1 電主軸結(jié)構(gòu)與分類 1
1.1.2 電主軸電機(jī)工作原理 3
1.1.3 電主軸技術(shù)參數(shù) 6
1.1.4 電主軸技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 8
1.2 電主軸共性關(guān)鍵技術(shù) 10
1.2.1 電主軸軸承技術(shù) 10
1.2.2 電主軸電動(dòng)機(jī)及控制技術(shù) 15
1.2.3 電主軸潤(rùn)滑與冷卻技術(shù) 19
1.2.4 電主軸動(dòng)平衡技術(shù) 22
1.2.5 電主軸刀具接口技術(shù) 23
1.3 電主軸靜動(dòng)態(tài)性能 25
參考文獻(xiàn) 30
第2章 電主軸驅(qū)動(dòng)方式及其基礎(chǔ)理論 31
2.1 恒壓頻比控制 31
2.1.1 恒壓頻比控制原理與控制方式 31
2.1.2 電主軸電壓-頻率控制的機(jī)械特性 32
2.1.3 電主軸恒壓頻比控制建模及仿真分析 36
2.2 矢量控制 38
2.2.1 坐標(biāo)變換 39
2.2.2 電主軸動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 40
2.2.3 電主軸矢量控制 43
2.2.4 無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)建模與仿真分析 44
2.3 直接轉(zhuǎn)矩控制 49
2.3.1 直接轉(zhuǎn)矩控制原理 50
2.3.2 逆變器數(shù)學(xué)模型與電壓空間矢量 53
2.3.3 電主軸直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)模型 55
2.3.4 電主軸直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析 64
2.3.5 直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制的內(nèi)在聯(lián)系 65
2.3.6 直接轉(zhuǎn)矩控制的特點(diǎn) 67
參考文獻(xiàn) 68
第3章 電主軸生熱及傳熱過程 70
3.1 電主軸損耗分析及生熱量計(jì)算 70
3.1.1 電機(jī)生熱分析與計(jì)算 70
3.1.2 軸承生熱分析與計(jì)算 72
3.2 電主軸傳熱形式與換熱系數(shù)計(jì)算 73
3.2.1 傳熱學(xué)基本理論 73
3.2.2 電主軸內(nèi)部熱傳導(dǎo) 74
3.2.3 電主軸與外部介質(zhì)的對(duì)流換熱 74
3.3 電主軸溫度場(chǎng)有限元基本方程 77
3.4 熱彈性力學(xué)基本理論 78
參考文獻(xiàn) 80
第4章 主軸動(dòng)平衡基礎(chǔ)理論及方法 82
4.1 剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)建模 82
4.1.1 剛性轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)子的平衡 82
4.1.2 剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)模型 83
4.2 不平衡量的表示方法 85
4.3 不平衡的分類 87
4.4 平衡允差規(guī)范 89
4.5 校正平面的選擇 91
4.6 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡 92
4.6.1 剛性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡原理 92
4.6.2 剛性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡方法 93
4.7 撓性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡 96
4.8 振動(dòng)信號(hào)提取算法 97
4.8.1 振動(dòng)信號(hào)平滑處理算法 97
4.8.2 基于時(shí)域平均和FIR濾波的信號(hào)預(yù)處理 99
4.8.3 信號(hào)提取方法 100
參考文獻(xiàn) 102
第5章 電主軸電機(jī)定子電阻智能辨識(shí)方法 104
5.1 電主軸定子電阻特性分析 105
5.1.1 定子電阻對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制性能的影響 105
5.1.2 定子電阻特性分析 107
5.2 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)定子電阻參數(shù)辨識(shí) 113
5.3 混合智能定子電阻辨識(shí) 119
5.3.1 基于ANN-CBR的定子電阻參數(shù)辨識(shí)策略 119
5.3.2 混合智能定子電阻參數(shù)辨識(shí)算法 121
5.3.3 混合智能定子電阻辨識(shí)仿真試驗(yàn) 128
5.3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證 129
5.4 基于隨機(jī)擾動(dòng)的生物地理學(xué)優(yōu)化算法改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的定子電阻參數(shù)辨識(shí) 130
5.4.1 生物地理學(xué)優(yōu)化算法 130
5.4.2 基于隨機(jī)擾動(dòng)的生物地理學(xué)優(yōu)化算法 132
5.4.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在電主軸定子電阻辨識(shí)上的應(yīng)用 134
5.4.4 基于改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的定子電阻參數(shù)辨識(shí) 135
5.4.5 試驗(yàn)驗(yàn)證 136
參考文獻(xiàn) 138
第6章 電主軸熱態(tài)性能預(yù)測(cè)技術(shù) 142
6.1 電主軸溫度場(chǎng)有限元模型 142
6.2 基于損耗試驗(yàn)的電主軸生熱量計(jì)算 144
6.3 基于換熱系數(shù)優(yōu)化的電主軸溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)模型 145
6.3.1 基于遺傳算法的電主軸溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)模型 146
6.3.2 基于*小二乘法優(yōu)化換熱系數(shù)的電主軸溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)模型 152
6.4 預(yù)測(cè)模型精度分析 157
6.4.1 基于*小二乘優(yōu)化換熱系數(shù)的電主軸溫度場(chǎng)模型精度分析 157
6.4.2 基于遺傳算法優(yōu)化換熱系數(shù)的電主軸溫度場(chǎng)模型精度分析 158
6.4.3 不同方法優(yōu)化換熱系數(shù)的電主軸溫度場(chǎng)模型精度對(duì)比 159
6.5 電主軸溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)模型損耗靈敏度分析 160
6.5.1 參數(shù)局部靈敏度分析方法 160
6.5.2 預(yù)測(cè)模型損耗靈敏度分析 161
6.6 電主軸熱變形預(yù)測(cè) 162
6.6.1 電主軸熱變形有限元模型 163
6.6.2 基于換熱系數(shù)優(yōu)化的電主軸熱變形預(yù)測(cè)模型 165
參考文獻(xiàn) 172
第7章 電主軸振動(dòng)自動(dòng)抑制技術(shù) 174
7.1 動(dòng)平衡系統(tǒng)組成及工作原理 174
7.1.1 平衡頭 174
7.1.2 傳感器 176
7.2 動(dòng)平衡系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 179
7.2.1 軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 179
7.2.2 主界面設(shè)計(jì) 180
7.2.3 信號(hào)采集 181
7.2.4 配重盤相位的獲取 183
7.2.5 不平衡量與影響系數(shù)計(jì)算 187
7.2.6 校正質(zhì)量移動(dòng) 188
7.3 動(dòng)平衡系統(tǒng)特性分析 191
7.3.1 轉(zhuǎn)速對(duì)動(dòng)平衡系統(tǒng)平衡效果的影響 191
7.3.2 試重角度對(duì)影響系數(shù)及平衡效果的影響 192
參考文獻(xiàn) 193
第8章 智能化電主軸在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用 195
8.1 智能化數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵技術(shù) 195
8.2 智能化電主軸系統(tǒng) 196
8.3 深度學(xué)習(xí)與電主軸智能化 198
8.3.1 深度學(xué)習(xí)在軸承故障診斷中的應(yīng)用 199
8.3.2 深度學(xué)習(xí)在電主軸故障診斷中的應(yīng)用 200
8.3.3 深度學(xué)習(xí)在電主軸狀態(tài)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用 201
參考文獻(xiàn) 203
第9章 陶瓷電主軸 205
9.1 陶瓷電主軸電磁特性 205
9.1.1 供電變頻器工作特性 205
9.1.2 陶瓷電主軸漏磁 208
9.2 陶瓷電主軸振動(dòng)噪聲特性 210
9.2.1 陶瓷電主軸振動(dòng)特性 210
9.2.2 陶瓷電主軸輻射噪聲特性 212
參考文獻(xiàn) 218
前言
第1章 電主軸關(guān)鍵技術(shù)與性能 1
1.1 電主軸結(jié)構(gòu)及工作原理 1
1.1.1 電主軸結(jié)構(gòu)與分類 1
1.1.2 電主軸電機(jī)工作原理 3
1.1.3 電主軸技術(shù)參數(shù) 6
1.1.4 電主軸技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 8
1.2 電主軸共性關(guān)鍵技術(shù) 10
1.2.1 電主軸軸承技術(shù) 10
1.2.2 電主軸電動(dòng)機(jī)及控制技術(shù) 15
1.2.3 電主軸潤(rùn)滑與冷卻技術(shù) 19
1.2.4 電主軸動(dòng)平衡技術(shù) 22
1.2.5 電主軸刀具接口技術(shù) 23
1.3 電主軸靜動(dòng)態(tài)性能 25
參考文獻(xiàn) 30
第2章 電主軸驅(qū)動(dòng)方式及其基礎(chǔ)理論 31
2.1 恒壓頻比控制 31
2.1.1 恒壓頻比控制原理與控制方式 31
2.1.2 電主軸電壓-頻率控制的機(jī)械特性 32
2.1.3 電主軸恒壓頻比控制建模及仿真分析 36
2.2 矢量控制 38
2.2.1 坐標(biāo)變換 39
2.2.2 電主軸動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 40
2.2.3 電主軸矢量控制 43
2.2.4 無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)建模與仿真分析 44
2.3 直接轉(zhuǎn)矩控制 49
2.3.1 直接轉(zhuǎn)矩控制原理 50
2.3.2 逆變器數(shù)學(xué)模型與電壓空間矢量 53
2.3.3 電主軸直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)模型 55
2.3.4 電主軸直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析 64
2.3.5 直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制的內(nèi)在聯(lián)系 65
2.3.6 直接轉(zhuǎn)矩控制的特點(diǎn) 67
參考文獻(xiàn) 68
第3章 電主軸生熱及傳熱過程 70
3.1 電主軸損耗分析及生熱量計(jì)算 70
3.1.1 電機(jī)生熱分析與計(jì)算 70
3.1.2 軸承生熱分析與計(jì)算 72
3.2 電主軸傳熱形式與換熱系數(shù)計(jì)算 73
3.2.1 傳熱學(xué)基本理論 73
3.2.2 電主軸內(nèi)部熱傳導(dǎo) 74
3.2.3 電主軸與外部介質(zhì)的對(duì)流換熱 74
3.3 電主軸溫度場(chǎng)有限元基本方程 77
3.4 熱彈性力學(xué)基本理論 78
參考文獻(xiàn) 80
第4章 主軸動(dòng)平衡基礎(chǔ)理論及方法 82
4.1 剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)建模 82
4.1.1 剛性轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)子的平衡 82
4.1.2 剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)模型 83
4.2 不平衡量的表示方法 85
4.3 不平衡的分類 87
4.4 平衡允差規(guī)范 89
4.5 校正平面的選擇 91
4.6 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡 92
4.6.1 剛性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡原理 92
4.6.2 剛性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡方法 93
4.7 撓性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡 96
4.8 振動(dòng)信號(hào)提取算法 97
4.8.1 振動(dòng)信號(hào)平滑處理算法 97
4.8.2 基于時(shí)域平均和FIR濾波的信號(hào)預(yù)處理 99
4.8.3 信號(hào)提取方法 100
參考文獻(xiàn) 102
第5章 電主軸電機(jī)定子電阻智能辨識(shí)方法 104
5.1 電主軸定子電阻特性分析 105
5.1.1 定子電阻對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制性能的影響 105
5.1.2 定子電阻特性分析 107
5.2 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)定子電阻參數(shù)辨識(shí) 113
5.3 混合智能定子電阻辨識(shí) 119
5.3.1 基于ANN-CBR的定子電阻參數(shù)辨識(shí)策略 119
5.3.2 混合智能定子電阻參數(shù)辨識(shí)算法 121
5.3.3 混合智能定子電阻辨識(shí)仿真試驗(yàn) 128
5.3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證 129
5.4 基于隨機(jī)擾動(dòng)的生物地理學(xué)優(yōu)化算法改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的定子電阻參數(shù)辨識(shí) 130
5.4.1 生物地理學(xué)優(yōu)化算法 130
5.4.2 基于隨機(jī)擾動(dòng)的生物地理學(xué)優(yōu)化算法 132
5.4.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在電主軸定子電阻辨識(shí)上的應(yīng)用 134
5.4.4 基于改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的定子電阻參數(shù)辨識(shí) 135
5.4.5 試驗(yàn)驗(yàn)證 136
參考文獻(xiàn) 138
第6章 電主軸熱態(tài)性能預(yù)測(cè)技術(shù) 142
6.1 電主軸溫度場(chǎng)有限元模型 142
6.2 基于損耗試驗(yàn)的電主軸生熱量計(jì)算 144
6.3 基于換熱系數(shù)優(yōu)化的電主軸溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)模型 145
6.3.1 基于遺傳算法的電主軸溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)模型 146
6.3.2 基于*小二乘法優(yōu)化換熱系數(shù)的電主軸溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)模型 152
6.4 預(yù)測(cè)模型精度分析 157
6.4.1 基于*小二乘優(yōu)化換熱系數(shù)的電主軸溫度場(chǎng)模型精度分析 157
6.4.2 基于遺傳算法優(yōu)化換熱系數(shù)的電主軸溫度場(chǎng)模型精度分析 158
6.4.3 不同方法優(yōu)化換熱系數(shù)的電主軸溫度場(chǎng)模型精度對(duì)比 159
6.5 電主軸溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)模型損耗靈敏度分析 160
6.5.1 參數(shù)局部靈敏度分析方法 160
6.5.2 預(yù)測(cè)模型損耗靈敏度分析 161
6.6 電主軸熱變形預(yù)測(cè) 162
6.6.1 電主軸熱變形有限元模型 163
6.6.2 基于換熱系數(shù)優(yōu)化的電主軸熱變形預(yù)測(cè)模型 165
參考文獻(xiàn) 172
第7章 電主軸振動(dòng)自動(dòng)抑制技術(shù) 174
7.1 動(dòng)平衡系統(tǒng)組成及工作原理 174
7.1.1 平衡頭 174
7.1.2 傳感器 176
7.2 動(dòng)平衡系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 179
7.2.1 軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 179
7.2.2 主界面設(shè)計(jì) 180
7.2.3 信號(hào)采集 181
7.2.4 配重盤相位的獲取 183
7.2.5 不平衡量與影響系數(shù)計(jì)算 187
7.2.6 校正質(zhì)量移動(dòng) 188
7.3 動(dòng)平衡系統(tǒng)特性分析 191
7.3.1 轉(zhuǎn)速對(duì)動(dòng)平衡系統(tǒng)平衡效果的影響 191
7.3.2 試重角度對(duì)影響系數(shù)及平衡效果的影響 192
參考文獻(xiàn) 193
第8章 智能化電主軸在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用 195
8.1 智能化數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵技術(shù) 195
8.2 智能化電主軸系統(tǒng) 196
8.3 深度學(xué)習(xí)與電主軸智能化 198
8.3.1 深度學(xué)習(xí)在軸承故障診斷中的應(yīng)用 199
8.3.2 深度學(xué)習(xí)在電主軸故障診斷中的應(yīng)用 200
8.3.3 深度學(xué)習(xí)在電主軸狀態(tài)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用 201
參考文獻(xiàn) 203
第9章 陶瓷電主軸 205
9.1 陶瓷電主軸電磁特性 205
9.1.1 供電變頻器工作特性 205
9.1.2 陶瓷電主軸漏磁 208
9.2 陶瓷電主軸振動(dòng)噪聲特性 210
9.2.1 陶瓷電主軸振動(dòng)特性 210
9.2.2 陶瓷電主軸輻射噪聲特性 212
參考文獻(xiàn) 218
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智能化電主軸技術(shù) 節(jié)選
第1章 電主軸關(guān)鍵技術(shù)與性能 髙速加工技術(shù)可以解決機(jī)械產(chǎn)品制造中的諸多難題，如獲得特殊的加工精度和表面質(zhì)量，這項(xiàng)技術(shù)在各類裝備制造業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用，使得高速數(shù)控機(jī)床成為裝備制造業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。電主軸是一種智能型功能部件，是承載髙速切削技術(shù)的主體之一，不但轉(zhuǎn)速高、功率大，還需要具有控制主軸溫升與振動(dòng)等機(jī)床運(yùn)行參數(shù)的功能。在髙速加工時(shí)，采用電主軸實(shí)現(xiàn)刀具/工件的精密運(yùn)動(dòng)并傳遞金屬切削所需的能量是*佳的選擇。本章主要介紹電主軸的工作原理，分析電主軸的關(guān)鍵技術(shù)及運(yùn)行性能。 1.1 電主軸結(jié)構(gòu)及工作原理 隨著變頻調(diào)速技術(shù)的迅速發(fā)展和日趨完善，髙速數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)已得到極大的簡(jiǎn)化，取消了帶輪傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)。機(jī)床主軸由內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，從而把機(jī)床主傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動(dòng)”。這種主軸電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸合二為一的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，使主軸部件從機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中相對(duì)獨(dú)立出來，因此可做成主軸單元，俗稱“電主軸”[1]。 1.1.1 電主軸結(jié)構(gòu)與分類 電主軸主要由前蓋、后蓋、轉(zhuǎn)軸、前端軸承、后端軸承、軸承預(yù)緊、水套、殼體、定子及轉(zhuǎn)子組成。電主軸的定子由具備髙磁導(dǎo)率的優(yōu)質(zhì)硅鋼片疊壓而成，疊壓成型的定子內(nèi)腔帶有沖制嵌線槽。轉(zhuǎn)子通常由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵心及鼠籠組成。轉(zhuǎn)子與定子之間存在一定間隙，稱為氣隙，它是磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換的通路，用于實(shí)現(xiàn)將定子的電磁力場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。電主軸的轉(zhuǎn)子用壓配合的方法安裝在轉(zhuǎn)軸上，處于前端軸承和后端軸承之間，由壓配合產(chǎn)生的摩擦力來實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩的傳遞。轉(zhuǎn)子內(nèi)孔與轉(zhuǎn)軸配合面之間有很大的過盈量，裝配時(shí)必須在油浴中將轉(zhuǎn)子加熱到200°C，迅速進(jìn)行熱壓裝配。電主軸的定子通過一個(gè)冷卻套固裝在電主軸的殼體中。在電主軸的后部可安裝編碼器，以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的全閉環(huán)控制。電主軸前端外伸部分的內(nèi)錐孔和端面，用于安裝和固定可換的刀柄。 高速電主軸單元的類型通常按支承軸承型式、潤(rùn)滑方式、冷卻方式、應(yīng)用領(lǐng)域及電機(jī)類型進(jìn)行分類。電主軸分類如表1.1所示。 表1.1 電主軸分類 按應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分類，電主軸可劃分為車削、銑削、磨削、鉆削、旋碾、離心等，具體功能如下： （1）車削用電主軸。高速車削用電主軸能獲得好的加工精度和表面粗糙度，特別適用于鋁、銅類有色金屬零件的加工。車削中心所使用的電主軸除傳遞運(yùn)動(dòng)、扭矩，還要帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)直接承受切削力。在一定載荷和轉(zhuǎn)速下，電主軸部件要保證工件精確而穩(wěn)定地繞其軸線做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并在動(dòng)態(tài)和熱態(tài)的條件下，仍能保持這一性能。 （2）銑削用電主軸。銑削用電主軸與數(shù)控銑、雕銑機(jī)及加工中心配套，進(jìn)行高速銑削和雕刻加工，適用于常規(guī)零件、工模具、木工件加工，主要有自動(dòng)換刀主軸和手動(dòng)換刀主軸兩種。自動(dòng)換刀主軸帶有自動(dòng)松拉刀系統(tǒng)，刀具更換方便快捷；手動(dòng)換刀主軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，適合不需頻繁換刀的機(jī)床。雕銑用電主軸轉(zhuǎn)速偏高，一般在24000r/min以上，通常選用專用彈簧夾頭來夾持刀具，其電動(dòng)機(jī)輸出可分為恒功率和恒轉(zhuǎn)矩兩種。大型數(shù)控銑削用電主軸不設(shè)刀庫(kù)，無須換刀，因此可選用開環(huán)控制。加工中心用電主軸通常采用閉環(huán)控制，若需實(shí)現(xiàn)低速大扭矩輸出，則在選擇電主軸型號(hào)時(shí)，需提供電主軸轉(zhuǎn)速范圍及恒功率段起點(diǎn)轉(zhuǎn)速并要有準(zhǔn)停功能。加工中心用電主軸通常選用高速油脂潤(rùn)滑或油氣潤(rùn)滑以減少油霧對(duì)環(huán)境的污染。 （3）磨削用電主軸。磨削用電主軸是目前*主要的電主軸類型，主要應(yīng)用于高速磨削，以提高磨削線速度和表面質(zhì)量為目的，具有高速度、高精度和輸出功率大的特點(diǎn)，如軸承磨床、各種內(nèi)圓磨床及外圓磨床等。 （4）鉆削用電主軸。鉆削用電主軸主要是指印刷電路板（printed circuitboani，PCB）高速孔化所使用的電主軸，常規(guī)速度等級(jí)分為60000r/min、80000r/min、90000r/min、105000r/min、120000r/min、180000r/min六檔。前三種為油脂潤(rùn)滑型滾動(dòng)軸承支承的電主軸，其加工范圍為0.2～0.7mm；后三種為空氣靜壓軸承支承的電主軸，可用來鉆削0.1～0.15mm的小孔。 （5）其他電主軸。高速旋碾用電主軸用于加工空調(diào)設(shè)備的內(nèi)螺紋銅管。高速離心機(jī)用電主軸廣泛應(yīng)用于分離、粉碎、霧化、試驗(yàn)等高速離心領(lǐng)域。其他特殊用途的電主軸主要用于驅(qū)動(dòng)、試驗(yàn)、切割等。 1.1.2 電主軸電機(jī)工作原理 1.三相異步電主軸工作原理 三相異步電主軸的定子通入三相對(duì)稱電流，電主軸內(nèi)部形成圓形旋轉(zhuǎn)磁通、圓形旋轉(zhuǎn)磁通密度，合成磁場(chǎng)隨著電流的交變而在空間不斷旋轉(zhuǎn)，即產(chǎn)生基波旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。不同時(shí)刻電主軸內(nèi)部磁場(chǎng)仿真圖如圖1.1所示。電主軸內(nèi)部磁場(chǎng)為圓形，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為 （1.1） 式中，fs源頻率，Hz；ns旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速（又稱同步轉(zhuǎn)速），r/min；p為極對(duì)數(shù)。 圖1.1 不同時(shí)刻電主軸內(nèi)部磁場(chǎng)仿真圖 轉(zhuǎn)子導(dǎo)條彼此在端部短路，導(dǎo)條中產(chǎn)生電流，不考慮電動(dòng)勢(shì)與電流的相位差，該電流方向與電動(dòng)勢(shì)一致，導(dǎo)條在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中受電磁力，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子回路切割磁力線，其轉(zhuǎn)動(dòng)方向與旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)一致，并使轉(zhuǎn)子沿該方向旋轉(zhuǎn)。假設(shè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為叫，當(dāng)時(shí)，表明轉(zhuǎn)子導(dǎo)條與磁場(chǎng)存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)、電流及受力方向與轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)相同，電磁轉(zhuǎn)矩為逆時(shí)針方向，轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，并穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)～=叫時(shí)，轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條不切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子無感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，無轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子將無法繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，異步電主軸的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速往往小于電源的同步轉(zhuǎn)速[2]。 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速叫與同步轉(zhuǎn)速ns之間的差異定義為轉(zhuǎn)差率h即 （1.2） 式中，為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min。 因此，轉(zhuǎn)差率越小，表明轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越接近同步轉(zhuǎn)速，電主軸效率越髙。 1）定子電壓方程 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子耦合電路示意圖如圖1.2所示，其中定子頻率為fs，轉(zhuǎn)子頻率為ft，定子電路和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子電路通過氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相耦合。圖中表明，以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，將在定子三相繞組內(nèi)感應(yīng)對(duì)稱的三相電動(dòng)勢(shì)Es。根據(jù)基爾霍夫第二定律，定子每相所加的電源電壓f/s等于該電動(dòng)勢(shì)的負(fù)值加上定子電流所產(chǎn)生的漏阻抗壓。由于三相對(duì)稱，僅需分析其中的一相（取A相）。于是，定子的電壓方程為 （1.3） 式中，Rs為定子每相的電阻，為定子每相的漏抗，為勵(lì)磁電流im在勵(lì)磁阻抗Zm上的壓降，即。 圖1.2 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子耦合電路示意圖 2）轉(zhuǎn)子電壓方程 在三相異步電機(jī)中，氣隙主磁場(chǎng)除在定子繞組內(nèi)感生頻率為fs的電動(dòng)勢(shì)瓦，還將在旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)感生轉(zhuǎn)差頻率fr=Sfs的電動(dòng)勢(shì)Ers。Ers的有效值為 （1.4） 式中，1取，I為氣隙磁通在轉(zhuǎn)子每相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值，轉(zhuǎn)子每相繞組的有效匝數(shù)；&為每極氣隙磁通量，Wb。 當(dāng)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)0=1）時(shí)，轉(zhuǎn)子每相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為 （1.5） （1.6） 即轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)差率S成正比，s越大，主磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子繞組的相對(duì)速度就越大，也越大。 轉(zhuǎn)子每相繞組也有電阻和漏抗。由于轉(zhuǎn)子頻率為A=S/S，轉(zhuǎn)子繞組的漏抗應(yīng)為 （1.7） 式中，轉(zhuǎn)子頻率等于/s時(shí)的漏抗。 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組通常為短接，即端電壓Ur=0，此時(shí)根據(jù)基爾霍夫第二定律，可寫出轉(zhuǎn)子繞組一相的電壓方程為 （1.8） （1.9） 式中，為轉(zhuǎn)子電流，為轉(zhuǎn)子每相電阻。 定、轉(zhuǎn)子頻率不同，相數(shù)和有效匝數(shù)也不同，因此定、轉(zhuǎn)子電路無法連在一起。為得到定、轉(zhuǎn)子統(tǒng)一的等效電路，必須將轉(zhuǎn)子頻率變換為定子頻率，將轉(zhuǎn)子的相數(shù)、有效匣數(shù)變換為定子的相數(shù)和有效匝數(shù)，即進(jìn)行頻率歸算和繞組歸算。頻率和繞組歸算后感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的定、轉(zhuǎn)子電路如圖1.3所示。 圖1.3 頻率和繞組歸算后感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的定、轉(zhuǎn)子電路圖 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電壓方程和磁動(dòng)勢(shì)方程為 （1.10） 根據(jù)式（1.10），感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的T形等效電路如圖1.4所示。可以看出，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)空載時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子相當(dāng)于開路，此時(shí)轉(zhuǎn)子電流接近于零，定子電流基本上是激磁電流。當(dāng)電動(dòng)機(jī)加上負(fù)載時(shí)，轉(zhuǎn)差率增大，￥減小，使轉(zhuǎn)子和定子電流增大。負(fù)載時(shí)，由于定子電流和漏阻抗壓降增加，和主磁通值將比空載時(shí)略小。起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子和定子電流都很大；由于定子的漏阻抗壓降較大，此時(shí)I足I和主磁通值將顯著減小，僅為空載時(shí)的50%～60%。 圖1.4 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的T形等效電路 2.永磁同步電主軸工作原理 永磁同步電主軸的定子與三相異步電主軸基本相同，為三相對(duì)稱結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)子為磁極，按照轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式分為凸極式和隱極式。凸極式適合用于低速運(yùn)行，隱極式適合高速運(yùn)行。因此，對(duì)于電主軸，以隱極式為主，且勵(lì)磁方式為永磁。 三相同步電主軸定子繞組通以三相對(duì)稱電流時(shí)，在定子繞組產(chǎn)生基波旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其旋轉(zhuǎn)同步轉(zhuǎn)速與式（1.1）相同。轉(zhuǎn)子采用永磁體，具有無勵(lì)磁損耗、效率高等特點(diǎn)。在定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子永磁體的相互作用下，轉(zhuǎn)子被定子基波旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)牽引著以同步轉(zhuǎn)速一起旋轉(zhuǎn)，即轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。 1.1.3 電主軸技術(shù)參數(shù) 不同電主軸的技術(shù)參數(shù)各有不同。磨削用電主軸的技術(shù)參數(shù)主要包括安裝外徑、*高轉(zhuǎn)速、*高轉(zhuǎn)速輸出功率及潤(rùn)滑方式。加工中心用電主軸技術(shù)參數(shù)包括安裝外徑、計(jì)算轉(zhuǎn)速、計(jì)算轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩、*高轉(zhuǎn)速、額定功率、輸出轉(zhuǎn)矩以及等。各參數(shù)定義如下： （1）安裝外徑是指電主軸*外緣套筒的直徑，即電主軸外殼直徑。 （2）計(jì)算轉(zhuǎn)速又稱額定轉(zhuǎn)速、基速，從電機(jī)設(shè)計(jì)角度來說，是指電機(jī)在連續(xù)工況下工作時(shí)，功率、轉(zhuǎn)矩特性曲線上恒轉(zhuǎn)矩與恒功率的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。功率、轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖1.5所示，A點(diǎn)是計(jì)算轉(zhuǎn)速。小于計(jì)算轉(zhuǎn)速時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)，大于計(jì)算轉(zhuǎn)速
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