高性能机床主轴技术现状分析（三）

　　我国主轴领域部分研究成果

　　（1）建立了基于拟动力学的角接触球轴承电主轴系统的动态设计理论，揭示了轴承动刚度随转速变化而变化的规律，开发了电主轴系统动态特性分析软件并成功实现工程化应用。

　　洛阳轴承研究所在轴承数据库上有充分的积累，可以根据主轴动态特性自行设计制造和选配轴承；实现高速轴承在不同预载下的变形、应力进行分析，为分析不同结构参数和载荷下球轴承的特性提供依据。湖南大学建立了角接触球轴承的拟动力学模型和基于Timoshenko梁模型的电主轴转轴模型，提出了轴承、主轴和座孔结合面参数对整机刚度影响的设计依据，归纳得到了不同载荷条件下轴承、电动机、主轴及冷却系统之间的热传导和热分配规律；开发了电主轴系统静动力学特性分析软件并开发成功了35kW、18 000r/min加工中心永磁同步电主轴。东南大学建立了电主轴最佳预紧力的分析理论与方法，建立了含拉杆的电主轴双转子耦合动力学模型和含拉杆、外壳的电主轴三转子耦合整机动力学模型，开发了电主轴转子动力学分析与设计软件；采用弹性元件与液压作动器混合预紧方式，研制了液压传动与微电子控制技术预紧力可控开环装置系统；研制成功高速电主轴滚动轴承油气二相流润滑试验装置（转速51 000r/min），系统开展了油气润滑试验；完成了电主轴热态特性分析，给出电主轴结合部刚度和热阻的解析模型。

　　（2）开发成功超高速磨削液体动静压电主轴等新型电主轴产品并在工程上广泛应用，水润滑电主轴技术取得重要进展。

　　湖南大学针对砂轮线速度150m/s以上的超高速外圆/凸轮轴磨床需要，研制开发了电动机内装式液体（动）静压电主轴，额定功率和最高转速达35kW、10 000r/min，径向圆跳动1μm。上海原创精密机床主轴有限公司研制的液体（动）静压电主轴，额定功率和最高转速达34kW、8 500r/min，径向圆跳动1μm。东方精益公司生产开发液体（动）静压电主轴，额定功率和最高转速达17kW、8 000r/min，径向圆跳动1μm，径向刚度>500 N·μm。北京航空航天大学下属的北京北航精密有限公司开发了系列（动）静压主轴产品，额定功率/最高转速达到7.5kW、48 000r/min，回转精度能达到0.5μm以内。上海机床厂研制成功了HSDB－R及HSDB－1深浅腔组合的多油楔（动）静压轴承，用于外圆磨床上达到镜面效果，效率比静压轴承提高1倍，用于头架磨出工件圆度达可达0.1μm。

　　湖南普来得公司开发了水润滑（动）静压电主轴，已通过工业运行试验，正逐步推广应用。东南大学研究了水静压轴承在阶跃载荷作用下的过渡过程特性和正弦激励作用下的幅频特性，完成电主轴动态特性分析；基于先进的表面工程技术，并应用纯水液压元件，研制水润滑高速静压轴承系统。天津大学研制出一种适用于高速滑动轴承主轴润滑的新型粘度可控型低粘度绿色润滑液。该润滑液以高纯净水为基础液，采用正交试验法确定最优配比的防锈添加剂，含有增粘剂以调节润滑液粘度，消泡剂消除润滑液泡沫，混合后性能稳定；开展了干摩擦、水润滑、新型润滑液润滑下工程陶瓷滑动轴承摩擦副材料性能实验研究。

　　（3）开发成功各类空气轴承电主轴并在工程上广泛应用。洛阳轴承研究所生产的气静压电主轴转速达90 000r/min，用于钻削φ 0.3～φ 0.7mm的小孔，效率达190次/min。北京航空航天大学与洛阳轴承研究所联合研制成功的气体浮环（动）静压混合轴承及超高速空气精密主轴，转速达300 000r/min。

　　广州市昊志机电有限公司联合哈尔滨工业大学开发成功的DQFZ－200型空气轴承电主轴，转速达到200 000r/min，已批量应用于PCB钻孔行业。

　　该主轴采用空气静压轴承和高性能永磁直流电动机，能够承受60N径向载荷（轴端侧推力）和170N的轴向载荷，刀具夹持扭矩>127N·cm，动态偏摆<8μm，最小钻孔直径可达0.05mm；另外，该公司初步研制成功DQF－300型空气轴承电主轴，转速可以达到300 000r/min。北京工研精机股份有限公司研制的超精密多孔质气体静压主轴，回转精度可达20～50N·m，刚度可达350N·μm。产品性能指标接近国际水平且已实现商品化，如超精密机床NAM－820，主轴转速1 000r/min，径向刚度150N·μm，回转精度0.05μm，加工直径820mm，长度400mm。哈尔滨工业大学研制的超精密机床采用了超精密气体主轴，主轴精度≤50N·m，径向刚度220N·μm，轴向刚度160N·μm。

　　（4）主轴精密测试与误差分离技术取得重要进展。哈尔滨工业大学采用全自动测控技术和信号漂移的模型识别与补偿技术，使系统重复性优于5nm，不确定度为6nm。试验比对结果与英国RankTaylor Hobson公司的误差分离系统分离的结果一致。将Prony谱估计法和奇异值分解相结合，得到综合法和两步法，可避免回转误差的谐波抑制问题，使泰勒73型圆度仪的主轴误差在原来的基础上，降低近一个数量级。通过试验比对，误差分离转台的径向和轴向回转误差均<0.3μm。北京工研精机股份有限公司研制的JCS－026A高精度圆度仪，可用于分离主轴径向圆跳动测量，最小读数0.1～10μm，重复精度0.05μm之内。连续工作一个月，放大倍数变量<0.1%，工作稳定好。北京理工大学开发的基于多测头的多路并行测量系统，其非线性误差最大不超过0.8%，重复性准确度优于0.15%，灵敏度优于0.45v/μm，±10μm内测量准确度优于0.1μm。北京工业大学提出了一种基于数理统计法的误差分离技术，并开发了一套高速主轴回转误差的动态测试系统。该测量系统具有简便、可靠等特点。国防科技大学针对主轴回转误差的单圈非重复性特点，建立了最小区域法的误差评定统一准则和作用面的统一判别准则。该方法可快速实现主轴回转误差的最小区域评价、最小外切圆法评价和最大内接圆法评价。

　　（5）建立了基于机电耦合动力学的电主轴系统设计理论，揭示了PWM逆变器供电条件下电主轴中普遍存在的电磁损伤故障的物理机理。

　　传统的电主轴系统设计，都是将变频器、电主轴、工具（砂轮）和载荷系统分开进行设计，难以定量分析彼此之间的影响，难以实现匹配特性的优化。湖南大学在传统砂轮转子机械模型的基础上进一步考虑功率开关元件高频变流的影响，建立了高速磨削“逆变器-电主轴-砂轮-磨削载荷”系统的机电耦合动力学理论，揭示了逆变器供电参数诱发高次谐波机电耦合振动的物理机理，提出了通过优化逆变器工作参数抑制机电耦合振动的具体措施和途径；建立了基于正弦脉宽调制电压源逆变器供电的铁心软磁材料铁损特性改进的参数估计预测模型和动态仿真方法，该方法可对高频电主轴电动机的起动性能作出合理的评价；开发了一套集高频电主轴集电磁优化设计、稳态性能分析及动态特性评价功能于一体的系统设计与分析软件，并成功应用于多款高速电主轴产品的开发。

　　重庆大学深入研究了高速电主轴机电耦合建模和求解方法研究及动力学分析， 包括局部耦合问题的建模和求解方法；耦合变量（包括机、电、磁、热和外负载等）与主轴整体动态性能之间的相互关系；多变量、非线性综合参量的全局耦合动力学建模与求解；耦合回路电压解耦数字化仿真模型的建立。在此基础上，开展高速电主轴动态性能检测物理实验方法和技术研究，探讨了多物理过程、多参量复杂耦合下高速电主轴的动态性能、解释高速电主轴机电耦合动力学问题，建成高速电主轴仿真与虚拟实验系统，揭示了高速电主轴设计参数、耦合因数对性能指标的相关影响机理和规律。

　　电主轴的电磁损伤故障在工程上长期被忽视，轴承、电动机绕组和编码器的电磁损伤故障往往被错误地归咎于轴承质量、电动机质量和编码器安装等问题。湖南大学建立了滚动轴承电主轴润滑油膜电磁损伤试验台，建立了PWM电主轴润滑油膜电磁损伤故障的物理模型，揭示了PWM变频高频脉冲陡上升沿电压对润滑油膜电磁损伤的物理机制，提出了针对金属或陶瓷球轴承作为支撑的同步型和异步型电主轴的防电磁损伤设计策略，发明并应用了预防电主轴电磁损伤的方法和装置。揭示了IGBT的高开关频率导致PWM逆变器输出电压的变化律过高，进一步导致瞬时电压在绕组各线圈上电压分布不均而导致绝缘损坏的机制。

声明：本网站所收集的部分公开资料来源于互联网，转载的目的在于传递更多信息及用于网络分享，并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。本站部分作品是由网友自主投稿和发布、编辑整理上传，对此类作品本站仅提供交流平台，不为其版权负责。如果您发现网站上所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除内容，以保证您的权益！联系电话：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn。