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編號(hào)
無(wú)錫太湖學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題目： 萬(wàn)能外圓磨床結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)
--高速磨頭無(wú)軸電機(jī)設(shè)計(jì)
信機(jī) 系 機(jī)械工程及自動(dòng)化 專業(yè)
學(xué) 號(hào)： 0923029
學(xué)生姓名： 馮會(huì)駿
指導(dǎo)教師： 韓邦華 （職稱：副教授）
（職稱： ）
2013年5月25日
無(wú)錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
誠(chéng) 信 承 諾 書
本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 萬(wàn)能外圓磨床結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)--高速磨頭無(wú)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。
班 級(jí)： 機(jī)械91
學(xué) 號(hào)： 0923029
作者姓名：
2013 年 5 月 25 日
無(wú)錫太湖學(xué)院
信機(jī) 系 機(jī)械工程及自動(dòng)化 專業(yè)
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)論 文 任 務(wù) 書
一、 題目及專題
1、 題目 萬(wàn)能外圓磨床結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)
2、 專題 --高速磨頭無(wú)軸電機(jī)設(shè)計(jì)
二、 課題來(lái)源及選題依據(jù)
課題來(lái)源為無(wú)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(lái)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(wú)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(wàn)能外圓磨床適應(yīng)于高速加工要求對(duì)高速主軸的無(wú)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(wú)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(guó)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(duì)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(wú)軸承電機(jī)在我國(guó)具有很大的潛在應(yīng)用市場(chǎng)，積極開展無(wú)軸承電機(jī)的研究和應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)和深遠(yuǎn)意義。
三、 本設(shè)計(jì)（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求
1、 無(wú)軸承電機(jī)的研究意義及現(xiàn)狀；
2、 無(wú)軸承電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及零部件的設(shè)計(jì)；
I
3、 該部件工作時(shí)，能運(yùn)轉(zhuǎn)正常；
4、 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(duì)比分析；
5、 磁懸浮軸承的工作原理及數(shù)學(xué)建模；
6、設(shè)計(jì)繪制零件工作圖若干張；
7、編制設(shè)計(jì)計(jì)算說明書1份（2萬(wàn)字以上）。
四、 接受任務(wù)學(xué)生：
機(jī)械 班 姓名 馮會(huì)駿
五、 開始及完成日期：
自2012年11月7日至2013年5月25日
六、 設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)（或顧問）：
指導(dǎo)教師 簽名
簽名
簽名
教研室主任
〔學(xué)科組組長(zhǎng)研究所所長(zhǎng)〕 簽名
系主任 簽名
年 月 日
I
摘 要
本文首先介紹了萬(wàn)能外圓磨床的結(jié)構(gòu)及功用，并對(duì)高速加工進(jìn)行了概述，進(jìn)而對(duì)無(wú)軸承電機(jī)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并闡述了對(duì)無(wú)軸承電機(jī)研究的意義；然后從無(wú)軸承電機(jī)的總體結(jié)構(gòu)入手，對(duì)無(wú)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(wú)軸承電機(jī)中永磁偏置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(duì)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(duì)未來(lái)的工作進(jìn)行展望。
關(guān)鍵詞：萬(wàn)能外圓磨床；高速加工；無(wú)軸承電機(jī)；磁軸承；數(shù)學(xué)建模
III
Abstract
The paper introduced 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; 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 permanent magnet biased radial magnetic bearing works, a mathematical model to specific parameters required, for example, its structural parameters calculated. Last concluded full text, high-lighten the focus of graduate design work on the future work prospects.
Key words: grinding machine；High-speed machining；Bearingless Motor or Self-bearing Motor；Magnetic Bearing；Mathematical Modeling
III
目 錄
摘 要 III
Abstract IV
目 錄 VI
1 緒論 1
1.1 設(shè)計(jì)的總體要求 1
1.2 M1432A型萬(wàn)能外圓磨床總體描述 2
1.2.1 機(jī)床的結(jié)構(gòu) 2
1.2.2 機(jī)床的總體布局 2
1.2.3 機(jī)床的主要技術(shù)性能 3
1.2.4 機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng) 3
1.3 基于高速加工技術(shù)的無(wú)軸承電機(jī)研究意義與現(xiàn)狀 4
1.3.1 基于高速加工技術(shù)的無(wú)軸承電機(jī)研究意義 4
1.3.2 基于高速加工技術(shù)的無(wú)軸承電機(jī)研究現(xiàn)狀 6
1.4 無(wú)軸承電機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用 7
1.4.1 無(wú)軸承電機(jī)的特點(diǎn) 7
1.4.2 無(wú)軸承電機(jī)的應(yīng)用 7
1.5 無(wú)軸承電機(jī)的發(fā)展前景 8
2 高速加工技術(shù)概述 9
2.1 高速加工的定義 9
2.1.1 高速加工中心的類型 9
2.1.2 高速加工的特點(diǎn) 9
2.2 高速加工的關(guān)鍵技術(shù) 10
2.2.1 刀具技術(shù) 10
2.2.2 機(jī)床技術(shù) 11
2.2.3 CAM軟件 12
3 高速加工技術(shù)中磁浮軸承主軸單元設(shè)計(jì) 13
3.1 引言 13
3.2 主軸單元軸承的組成 15
3.2.1 機(jī)械系統(tǒng) 15
3.2.2 磁軸承的偏磁回路 15
3.2.3 控制回路系統(tǒng) 15
3.3 永磁偏置軸承的結(jié)構(gòu)及工作原理 16
3.3.1 永磁偏置軸承的基本結(jié)構(gòu) 17
3.3.2 永磁偏置軸承的工作原理 18
3.4 永磁偏置軸承的設(shè)計(jì) 19
3.4.1 磁路計(jì)算的基本定律和公式羅列 20
3.4.2 永磁偏置軸承的等效磁路分析 20
3.4.3 徑向—軸向磁軸承的吸力方程 22
3.4.4 徑向—軸向磁軸承的承載能力 23
3.4.5 徑向—軸向混合磁軸承參數(shù)設(shè)計(jì) 24
3.5 懸磁軸承的參數(shù)設(shè)計(jì)與校核 27
3.5.1 選取永磁材料 27
3.5.2 確定工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度 27
3.5.3 磁極面積的計(jì)算 27
3.5.4 求定子內(nèi)徑 28
3.5.5 求磁極弧長(zhǎng)及疊片厚度 28
3.5.6 安匝數(shù)的計(jì)算 28
3.5.7 匝數(shù)與電流的分配 28
3.5.8 線徑 28
3.5.9 窗口面積的求取 28
3.5.10 永久磁鐵參數(shù)計(jì)算 29
4 無(wú)軸承電機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 30
4.1 設(shè)計(jì)的總體概況 30
4.2 無(wú)軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 30
4.2.1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 30
4.2.2 轉(zhuǎn)子上零件的布置 31
4.3 無(wú)軸承電機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 31
4.4 懸浮軸承的結(jié)構(gòu)選擇與設(shè)計(jì) 32
4.4.1 磁懸浮軸承總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 32
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) 33
4.5 無(wú)軸承電機(jī)結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 33
4.5.1 定子與轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì) 33
4.5.2 傳感器部件的設(shè)計(jì) 34
4.5.3 機(jī)殼的設(shè)計(jì) 35
4.5.4 工作軸的設(shè)計(jì) 36
4.5.5 軸承端蓋的設(shè)計(jì) 36
5 結(jié)論與展望 38
致謝 39
參考文獻(xiàn) 40
VII
萬(wàn)能外圓磨床結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)--高速磨頭無(wú)軸電機(jī)設(shè)計(jì)
1 緒論
1.1 設(shè)計(jì)的總體要求
現(xiàn)代機(jī)械加工越來(lái)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(wú)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(wàn)能外圓磨床適應(yīng)于高速加工要求對(duì)高速主軸的無(wú)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(guó)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(duì)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(wú)軸承電機(jī)在我國(guó)具有很大的潛在應(yīng)用市場(chǎng)，積極開展無(wú)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。
外圓磨床分為普通外圓磨床和萬(wàn)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(wàn)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。
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）。
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。
本設(shè)計(jì)就是以M1432A型萬(wàn)能外圓磨床為例對(duì)原來(lái)的普通主軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用無(wú)軸承電機(jī)進(jìn)行砂輪主軸的驅(qū)動(dòng)。
無(wú)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(wú)軸承電機(jī)技術(shù)越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外專家、學(xué)者的關(guān)注與重視。而我國(guó)對(duì)這一技術(shù)的研究尚不成熟，針對(duì)這種情況，我們?cè)诋厴I(yè)設(shè)計(jì)中選擇了這一課題。鑒于無(wú)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(duì)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，本文就是基于這些問題提出的。對(duì)于一個(gè)典型的無(wú)軸承電機(jī)來(lái)說，它主要由機(jī)械、檢測(cè)、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(duì)機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。
文中以無(wú)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(duì)象，設(shè)計(jì)出合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析。
第一章介紹了基于高速加工技術(shù)的無(wú)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(jiǎn)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(wú)軸承電機(jī)的總體結(jié)構(gòu)入手，對(duì)無(wú)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(wú)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(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。最后總結(jié)全文內(nèi)容，突出研究工作的重點(diǎn)，并對(duì)未來(lái)的工作進(jìn)行展望。
1.2 M1432A型萬(wàn)能外圓磨床總體描述
1.2.1 機(jī)床的結(jié)構(gòu)
M1432A型萬(wàn)能外圓磨床是普通精度等級(jí)萬(wàn)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。
機(jī)床應(yīng)達(dá)到的加工精度和表面粗糙度如表1-1 M1432A型萬(wàn)能外圓磨床（最大磨削長(zhǎng)度1000mm）的加工質(zhì)量所示。
表1-1 M1432A型萬(wàn)能外圓磨床（最大磨削長(zhǎng)度1000mm）的加工質(zhì)量
加工方法、工件及其裝夾方式
表面粗糙度
圓度公差
圓柱度公差
精磨外圓 工件支承在前、后尖上，不用心
架；工件尺寸：直徑60 mm 長(zhǎng)度500mm。
Ra0.16~0.3 μm
3μm
5μm
精磨外圓 工件裝夾在夾盤上，不用中心架；工件尺寸：直徑50 mm，懸伸長(zhǎng)度150 mm。
Ra0.16~0.32μm
5μm
精磨內(nèi)孔 工件裝夾在夾盤上，不用中心架；工件尺寸：孔徑62.5 mm，長(zhǎng)度125 mm。
Ra0.32~0.63μm
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。
1.2.2 機(jī)床的總體布局
M1432A型萬(wàn)能外圓磨床由下列各主要部分組成，見圖1.1。
1、床身1：是磨床的基礎(chǔ)支承件，它支承著工作臺(tái)、頭架、尾架、墊板及橫向滑鞍、砂輪架等部件，使它們?cè)诠ぷ鲿r(shí)保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置。床身內(nèi)腔用作液壓油的油池。
2、頭架2：用以裝夾工件，并帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)。
3、尾架5：尾架頂尖和頭架頂尖一起，用以支承工件。
圖1.1 M1432型萬(wàn)能外圓磨床外形圖
4、工作臺(tái)8：它由上工作臺(tái)和下工作臺(tái)兩部分組成。上工作臺(tái)可繞下工作臺(tái)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(zhǎng)圓錐面。工作臺(tái)面上裝有頭架和尾架，它們同工作臺(tái)一起沿床身導(dǎo)軌作縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
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)，砂輪架可以調(diào)整至一定的角度位置。
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)。
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。
此外，在床身內(nèi)還有液壓傳動(dòng)裝置。
1.2.3 機(jī)床的主要技術(shù)性能
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。
外圓磨削直徑 8～320 mm
外圓最大磨削長(zhǎng)度 1000 mm；1500 mm ；2000 mm
內(nèi)孔磨削直徑 30～100 mm
內(nèi)孔最大磨削長(zhǎng)度 125 mm
磨削工件最大重量 150kg
砂輪尺寸
外圓砂輪轉(zhuǎn)速 1670r/min
頭架主軸轉(zhuǎn)速6級(jí)： 25，50，80，112，160，224 r/min
內(nèi)圓砂輪轉(zhuǎn)速 10000 r/min；15000 r/min
砂輪架電動(dòng)機(jī)功率 4 kW
內(nèi)圓磨電動(dòng)機(jī)功率 1.1 kW
電動(dòng)機(jī)總功率 6.72 kW
工作臺(tái)縱向移動(dòng)速度（液壓無(wú)級(jí)調(diào)速）0.05～4m/min
機(jī)床外形尺寸（三種規(guī)格） 3200，4500，5800 kg
1.2.4 機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)
M1432A型機(jī)床，除工作臺(tái)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(wàn)能外圓磨床傳動(dòng)系統(tǒng)圖所示。
頭架（帶動(dòng)工件）的傳動(dòng)
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(jí)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。
外圓砂輪的傳動(dòng)
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，使主軸獲得1670 r/min的轉(zhuǎn)速。
內(nèi)圓磨具的傳動(dòng)
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。
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)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)。
圖1.2 M1432A型萬(wàn)能外圓磨床傳動(dòng)系統(tǒng)圖
1.3 基于高速加工技術(shù)的無(wú)軸承電機(jī)研究意義與現(xiàn)狀
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(wú)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。
1.3.1 基于高速加工技術(shù)的無(wú)軸承電機(jī)研究意義
無(wú)軸承電機(jī)就是從磁路上將電機(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(chǎng)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。
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(jiǎn)稱為電機(jī)）來(lái)驅(qū)動(dòng)。我們知道，電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)機(jī)械軸承振動(dòng)沖擊大，機(jī)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(lái)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(lái)發(fā)展起來(lái)的磁軸承（ Magnetic Bearing ) ，是利用磁場(chǎng)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）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。
圖1.3 磁軸承支撐的電機(jī)結(jié)構(gòu)圖
所謂無(wú)軸承電機(jī)（Bearingless Motor or Self-bearing Motor），并不是說不需要軸承來(lái)支承，而是不需單獨(dú)設(shè)計(jì)或使用專門的機(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(wú)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(chǎng)極對(duì)數(shù)P1與徑向懸浮力繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)P2的關(guān)系為：，懸浮力繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)和電機(jī)定子繞組（或永磁體）產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(wú)軸承化。
圖1.4 無(wú)軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖
無(wú)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(zhǎng)、無(wú)須潤(rùn)滑、無(wú)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(zhǎng)度可以設(shè)計(jì)得較短，臨界轉(zhuǎn)速可以較高，電機(jī)轉(zhuǎn)速僅受材料強(qiáng)度的限制，這樣無(wú)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(zhǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域，如要求無(wú)粉塵、無(wú)潤(rùn)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(zhǎng)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(jiǎn)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(lái)維持轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮，而無(wú)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(chǎng)，徑向懸浮力控制系統(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。基于無(wú)軸承電機(jī)高品質(zhì)的性能，廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)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(wú)疑具有現(xiàn)實(shí)和深遠(yuǎn)意義，其研究工作越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外科技工作者的高度重視。
1.3.2 基于高速加工技術(shù)的無(wú)軸承電機(jī)研究現(xiàn)狀
1、無(wú)軸承電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r
無(wú)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(wú)需電刷和換向器，但長(zhǎng)期高速運(yùn)行，軸承維護(hù)保養(yǎng)仍是難題。
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(wú)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(chǎng)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。
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(qǐng)了無(wú)軸承電機(jī)專利，專利中提出了電機(jī)繞組極對(duì)數(shù)和磁軸承繞組極對(duì)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(wú)軸承電機(jī)的。
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(jìng)爭(zhēng)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(wú)損開關(guān)電路結(jié)合，能夠制造出滿足無(wú)軸承電機(jī)要求的新一代高性能超級(jí)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(hào)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(wú)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年代后期才首次制造出無(wú)軸承電機(jī)。
無(wú)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(wú)軸承永磁同步薄片電機(jī)，電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。
我國(guó)已經(jīng)開始重視研究無(wú)軸承電機(jī)，1999 年國(guó)家自然科學(xué)基金資助了無(wú)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(yáng)工業(yè)大學(xué)得到了支持并正在開展無(wú)軸承交流電機(jī)、無(wú)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(guó)內(nèi)已發(fā)表了多篇綜述及理論仿真研究的文章，對(duì)無(wú)軸承電機(jī)的研究成果還未進(jìn)行公開報(bào)道。
2、無(wú)軸承電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀
就無(wú)軸承交流電機(jī)研究現(xiàn)狀來(lái)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(lái)的優(yōu)越性足以確信其潛在的使用價(jià)值。無(wú)軸承電機(jī)的控制系統(tǒng)是其核心關(guān)鍵技術(shù)，決定無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)軸承電機(jī)的基本要求；（2）無(wú)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(guó)外在這些方面研究中較具有代表性的方法，一種是針對(duì)無(wú)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(lái)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(duì)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(wú)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(duì)電機(jī)電流的幅值和相角進(jìn)行補(bǔ)償來(lái)保持旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)和幅值恒定，實(shí)現(xiàn)兩者之間的解耦，試驗(yàn)表明提出的補(bǔ)償措施能實(shí)現(xiàn)負(fù)載條件下電機(jī)的穩(wěn)定工作，并依此針對(duì)異步電機(jī)提出個(gè)間接矢量控制方法。但目前提出的各種方法從解耦角度看，僅僅實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力控制之間的靜態(tài)解耦，還未實(shí)現(xiàn)完全的動(dòng)態(tài)解耦，要確保無(wú)軸承電機(jī)在過渡階段的穩(wěn)定運(yùn)行，只有實(shí)現(xiàn)兩者之間的動(dòng)態(tài)解耦才是根本的保證。另外文獻(xiàn)提出的控制方法沒有考慮電機(jī)參數(shù)的變化來(lái)設(shè)計(jì)控制算法，因此，考慮電機(jī)參數(shù)的非線性變化、磁路飽和對(duì)電機(jī)控制性能的影響，研究滿足電機(jī)動(dòng)態(tài)性能要求的控制器、實(shí)現(xiàn)無(wú)軸承電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力控制之間的動(dòng)態(tài)解耦，是無(wú)軸承交流電機(jī)的研究重要課題之一。
1.4 無(wú)軸承電機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用
1.4.1 無(wú)軸承電機(jī)的特點(diǎn)
無(wú)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(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力的獨(dú)立控制。無(wú)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(zhǎng)壽命運(yùn)行，無(wú)菌、無(wú)污染以及有毒有害液體或氣體的傳輸是無(wú)軸承電機(jī)典型應(yīng)用場(chǎng)合。
無(wú)軸承電機(jī)因?yàn)闊o(wú)需滑座，所以具有以下特征：
（1）幾乎不產(chǎn)生灰塵；
（2）能夠高速旋轉(zhuǎn)；
?。?）能夠耐極低溫、真空等難以使用潤(rùn)滑油的環(huán)境；
（4）噪聲?。?
?。?）基本上無(wú)摩擦損失。因此一直是研究的熱點(diǎn)。
1.4.2 無(wú)軸承電機(jī)的應(yīng)用
目前，無(wú)軸承電機(jī)得到了如下應(yīng)用：
1）半導(dǎo)體工業(yè)
在蝕刻、制板、清洗或拋光等加工過程中需用腐蝕性化學(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(wú)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(wú)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(wú)軸承電機(jī)密封泵已經(jīng)在半導(dǎo)體工業(yè)得到應(yīng)用。
2）化工領(lǐng)域
放射性環(huán)境或高溫輻射環(huán)境等惡劣條件下，用無(wú)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(duì)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(rùn)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)，免遭環(huán)境污染，使用無(wú)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(wú)軸承密封泵樣機(jī)的研制和測(cè)試工作，進(jìn)入了試運(yùn)行階段。
3）生命科學(xué)領(lǐng)域
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)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(wú)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。
1.5 無(wú)軸承電機(jī)的發(fā)展前景
軸承電機(jī)，一方面具有磁懸浮軸承的優(yōu)點(diǎn)，如無(wú)接觸、無(wú)需潤(rùn)滑及無(wú)磨損等，可以用于真空技術(shù)、無(wú)菌車間、腐蝕性介質(zhì)或非常純凈介質(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(wú)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(duì)于提高航空骯天器的工作性能具有重要意義。無(wú)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(guó)外已紛紛研制出無(wú)軸承感應(yīng)電機(jī)、無(wú)軸承片狀電機(jī)、無(wú)軸承同步磁阻電機(jī)、無(wú)軸承永磁同步電機(jī)等實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。無(wú)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(wú)軸承片狀電機(jī)已用于人工心臟泵中，初步顯示了無(wú)軸承電機(jī)對(duì)國(guó)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(wú)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(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生巨大的影響。
2 高速加工技術(shù)概述
高速加工概念起源于德國(guó)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(duì)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。
2.1 高速加工的定義
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?jiǎn)單地用切削速度這一參數(shù)來(lái)定義，在不同的技術(shù)發(fā)展時(shí)期、對(duì)不同的切削條件、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。
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(duì)于不同的材料、不同的切削方式，其高速加工的切削速度并不相同，
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(duì)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。
對(duì)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。
2.1.1 高速加工中心的類型
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：
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。
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，這類機(jī)床不僅具有高主軸轉(zhuǎn)速，且具有高進(jìn)給速度。
2.1.2 高速加工的特點(diǎn)
加工效率高：
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)銑削提高5～10倍，材料切除率可提高3～5倍。
切削力?。?
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。
熱變形小
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。
加工精度高
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(wú)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。
簡(jiǎn)化工藝流程
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(chǎng)合高速加工可作為零件的精加工工序，從而簡(jiǎn)化了工藝流程，縮短了零件加工時(shí)間。
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，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。
2.2 高速加工的關(guān)鍵技術(shù)
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。
2.2.1 刀具技術(shù)
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，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(chǎng)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(chǎng)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。
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(zhǎng)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(guó)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。
2.2.2 機(jī)床技術(shù)
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。
(1) 高速主軸
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(zhǎng)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(lái)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(rùn)滑、混合陶瓷軸承等新技術(shù)，使主軸免維護(hù)、壽命長(zhǎng)、轉(zhuǎn)速高。
(2) 進(jìn)給系統(tǒng)
傳統(tǒng)的“伺服電動(dòng)機(jī)+滾珠絲杠副”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)。
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(chǎng)和定子永磁場(chǎng)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(wú)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間隙、慣性和剛度不足的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)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)。
(3) 高速CNC系統(tǒng)
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(duì)工作臺(tái)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(kù)，兼有CAM功能，具有MAP3.0通訊功能；采用C語(yǔ)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。
2.2.3 CAM軟件
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軟件并沒有考慮高速加工問題。
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(kù)、測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)生產(chǎn)線技術(shù)等對(duì)高速加工能否發(fā)揮其應(yīng)有作用也有著重要的影響。
3 高速加工技術(shù)中磁浮軸承主軸單元設(shè)計(jì)
3.1 引言
目前，超高速數(shù)控精密磨削技術(shù)在國(guó)外發(fā)展十分迅速，在國(guó)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(guó)防和民用方面，都起著越來(lái)越重要的作用。例如，湖南大學(xué)國(guó)家高效磨削工程技術(shù)研究中心研制了一臺(tái)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(zhǎng)，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(guó)外，磁浮軸承作為一種新型機(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(guó)家如法國(guó)、日本、德國(guó)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(guó)家對(duì)該項(xiàng)技術(shù)保密，而且該產(chǎn)品的價(jià)格十分昂貴。
3.1.1 磁浮軸承的工作原理與特點(diǎn)
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(chǎng)，將轉(zhuǎn)子懸浮起來(lái)，通過4個(gè)位置傳感器不斷檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置。如轉(zhuǎn)子位置不在中心位置，位置傳感器測(cè)得其偏差信號(hào)，并將信號(hào)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。
圖3.1 磁浮軸承的工作原理
磁浮軸承是利用電磁力將主軸無(wú)機(jī)械接觸、無(wú)潤(rùn)滑地懸浮起來(lái)的一種新型智能化軸承。
磁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(cè)，其信號(hào)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(duì)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)的正確位置。
由于無(wú)機(jī)械接觸，磁浮軸承不存在機(jī)械摩擦與磨損，壽命很長(zhǎng)。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(wú)需潤(rùn)滑和密封，結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化。能耗很小(僅為滾動(dòng)軸承的1/50) ，無(wú)振動(dòng)、無(wú)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。
由于磁浮軸承是用電磁力進(jìn)行反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。
3.1.2 磁浮軸承設(shè)計(jì)要求
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(lái)產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)，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(guó)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(lái)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(jiǎn)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。
（A）傳統(tǒng)磁軸承系統(tǒng)
（B）新型五自由度磁軸承
圖3.2 兩種磁軸承系統(tǒng)的比較
本文研究無(wú)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(lái)，五自由度磁軸承系統(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(jiǎn)化，減小了系統(tǒng)體積和軸向長(zhǎng)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(wú)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(zhǎng)度，使得整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)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(chǎng)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(lái)實(shí)現(xiàn)磁軸承系統(tǒng)各自由度的懸浮控制，再通過系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)整個(gè)轉(zhuǎn)子的整體懸浮。
3.2 主軸單元軸承的組成
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)。
3.2.1 機(jī)械系統(tǒng)
磁軸承的機(jī)械系統(tǒng)是由磁軸承系統(tǒng)的軸承主體（即控制對(duì)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(zhǎng)度大幅度縮短，磁軸承和無(wú)軸承電機(jī)之間的耦合程度也大為降低，便于實(shí)現(xiàn)五自由度懸??；（3）用于控制懸浮的功率電路大為減少，簡(jiǎn)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。
3.2.2 磁軸承的偏磁回路
在永磁偏置的電磁軸承中，偏置磁場(chǎng)是由永磁體提供的，而電磁鐵提供控制磁場(chǎng)，產(chǎn)生控制磁場(chǎng)的電流可由恒流源提供。如此的偏置回路可以減低功率放大器的功耗及減少電磁鐵的安匝數(shù)，縮小電磁軸承的體積，提高承載能力。
3.2.3 控制回路系統(tǒng)
控制回路是電磁軸承系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其性能與系統(tǒng)的穩(wěn)定性及各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都有密切關(guān)系。它由控制器、功率放大器和位移傳感器等組成。
1、控制器
控制器的電路部分可以是模擬的，也可以是數(shù)字的。采用模擬電路的好處是響應(yīng)快、性能好且穩(wěn)定、成本較低；而采用數(shù)字電路的優(yōu)勢(shì)在于易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律、易于修改，但存在時(shí)間延遲較大的缺點(diǎn)。
目前，廣泛采用的控制器是經(jīng)典PID（比例—積分—微分）電路，也可以采用精確的數(shù)字控制。設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是確定其電路參數(shù)的選擇范圍，以保證控制的穩(wěn)定性。
2、功率放大器
功率放大器是電磁軸承系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它與采用的控制直接有關(guān)，同時(shí)也影響調(diào)節(jié)參數(shù)的選取范圍。功率放大器的輸入為控制電壓，輸出可以是電壓或電流。
在電磁軸承系統(tǒng)中功率放大器的作用是向電磁鐵提供產(chǎn)生電磁力所需的電流。常見的功率放大器有兩種形式：即電壓—電壓型功率放大器和電壓—電流功率放大器。從傳遞函數(shù)來(lái)看，前者的傳遞函數(shù)是一個(gè)無(wú)量綱量，而后者具有量綱。從輸出量的性質(zhì)來(lái)看，前者的輸出為電壓而后者為電流。在電磁軸承系統(tǒng)中，若采用電壓—電壓型功率放大器，我們稱之為電壓控制策略；若采用電壓—電流功率放大器，則稱之為電流控制策略。
雖然，目前常見的功率放大器多為電壓—電壓功率放大器，但在電磁軸承系統(tǒng)中采用的往往是電壓—電流功率放大器。功率放大器的輸出與電磁鐵線圈相聯(lián)后，直接控制的是線圈上的電流。
3、傳感器
傳感器是電磁軸承系統(tǒng)的核心部件之一，它的性能對(duì)系統(tǒng)的控制精度起決定作用。其反饋信號(hào)可以是多種多樣的，位移、速度、電流、電磁力、磁通量等都可以作為反饋控制信號(hào)。目前，多采用位移傳感器，軸向推力電磁軸承也可以采用速度傳感器。
由于電磁鐵線圈電感的影響使電流產(chǎn)生滯后，勢(shì)必影響到系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，因而，選擇的傳感器應(yīng)能消除上述因素的影響。具體地說，電磁軸承系統(tǒng)對(duì)位移傳感器的第一個(gè)要求是非接觸式的，進(jìn)一步說，這種傳感器必須能夠測(cè)量旋轉(zhuǎn)表面，所以轉(zhuǎn)子的幾何形狀、表面質(zhì)量等都