任务导入
主轴电机是主传动装置的动力源，电动机通过同步带与主轴组件相连接，带动主轴组件一起旋转。图3-2-1为电动机与主轴的装配。
图3-2-1 电动机与主轴装配
任务目标
（1）能够正确使用装配工具、量具、识读装配图纸，按照5S管理要求整理现场。
（2）理解主轴工作原理与工作特性。
（3）能够进行主轴机械部件的装调。
任务分析
主轴部件是数控机床最重要的组成部分，主轴的好坏直接关系到机床的加工精度，主轴部件在外力的作用下将产生较大的变形，容易引起振动，降低加工精度和表面质量。为了使数控机床的主轴系统具有高的刚度，振动小，变形小，噪声低，良好的抵抗受迫振动能力的动态性能，选择主轴时就必须考虑主轴部件的变形。主轴部件是机床实现旋转运动的执行件，是机床上一个重要的部件。主轴部件由主轴、主轴支撑和安装在主轴上的传动件、密封件等组成，铣床的主轴部件还有拉杆和拉爪，如图3-2-2所示。
图3-2-2 主轴结构
任务实施
一、相关知识
1．电主轴结构及工作原理
主轴电动机和机床主轴合为一体的电主轴，通常采用的是交流高频电动机，故也称为“高频主轴”。
与传统机床主轴相比，电主轴具有如下特点：
（1）主轴由内装式电动机直接驱动，省去了中间传动环节，具有结构紧凑、机械效率高、噪声低、振动小和精度高等特点。
（2）采用交流变频调速和矢量控制，输出功率大，调整范围宽，功率转矩特性好。
（3）机械结构简单，转动惯量小，可实现很高的速度和加速度及定角度的快速准停。
（4）电主轴更容易实现高速化，其动态精度和动态稳定性更好。
（5）由于没有中间传动环节的外力作用，主轴运行更平稳，使主轴轴承寿命得到延长。
2．国内外电主轴技术与发展趋势
电主轴最早用在磨床上，后来才发展到加工中心。强大的精密机械工业不断提出要求，使电主轴的功率和品质不断得到提高。目前电主轴最大转速可达200000r／min，直径范围33～300mm，功率范围125W～80k W，扭矩范围0．02～300nm。
国外高速电主轴技术研究较早，发展较快，技术水平也处于领先地位，并且随着变频技术及数字技术的发展日趋完善，逐步形成了一系列标准产品，高转速电主轴在机床行业和工业制造业中广泛使用。目前的重点是研究大功率、大扭矩、调速范围宽、能实现快速制启动、准确定位、自动对刀等数字化高标准电主轴单元。
近几年美国、日本、德国、意大利、英国、加拿大和瑞士等工业强国争相投入巨资大力开发此项技术。著名的有德国的GMN公司、SIEMENS公司、意大利的GAMFIOR公司及日本三菱公司和安川公司等，它们的技术水平代表了这个领域的世界先进水平。具有功率大、转速高，采用高速、高刚度轴承，精密加工与精密装配工艺水平高和配套控制系统水平高等特点。
3．电主轴常用电机
1）异步主轴电机
目前，大多数普通机床通常使用普通异步主轴电机间接驱动主轴。但异步调速主轴电机存在的问题十分明显：效率较低，转矩密度比较小，体积较大，功率因数低。此外，异步电机低速情况下转矩脉动严重，温度会升高，而且控制算法的运算量大。但是随着DSP等新型控制器的飞速发展，运算速度可满足异步电机的复杂控制算法，使得异步电机低速性能得到显著提升。
异步主轴电机主要的控制方法有两种：矢量控制和直接转矩控制。
（1）矢量控制系统，转子磁链矢量的相角θψ是利用电机电压、电流信号或电流、速度信号观测转子磁链矢量而得到，磁链采用闭环控制。转子磁链矢量的观测也受某些参数变化的影响，但比起间接矢量控制参数变化的影响更容易得到补偿，高速时可获得更精确的转子磁链矢量相角θψ，而且磁链闭环控制可进一步降低对参数变化的敏感性，提高磁场定向准确度。
（2）直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后发展起来的又一种新型的高性能交流调速技术，它避免了繁琐的坐标变换，充分利用电压型逆变器的开关特点，通过不断切换电压状态使定子磁链轨迹为六边形或近似圆形，控制定子磁链，也即调整定于磁链与转子磁链的夹角，从而对电机转矩进行直接控制，使异步电机的磁链和转矩同时按要求快速变化。在维持定子磁链幅值不变的情况下，通过改变定子磁链的旋转速度以控制电机的转速。
以上两种控制方法均能达到较好的控制效果，且目前已有许多成熟的应用。如德国KEB公司的带编码器反馈的闭环异步伺服系统，采用闭环矢量控制，并且同时支持增量型，正余弦及SSI编码器反馈，给系统的组成带来了极大的灵活性。
2）永磁同步电机
永磁同步电机是另外一种主轴电机，其优点明显：转子温度升高降低，在低限速度下，可以作恒转矩运行。转矩密度高，转动惯量小，动态响应特性更好。对比现有的交流异步电动机，有以下优点：
（1）工作过程中转子不发热。
（2）功率密度更高，有利于缩小电主轴的径向尺寸。
（3）转子的转速严格与电源频率同步。
（4）也可采用矢量控制。
但是一般情况下，永磁同步电机的同步转速不会超过3000r／min，这就要求永磁同步电机具有较高的弱磁调速功能。在弱磁控制的区间内，电压通常会非常接近极限值，一旦超出电压极限椭圆，d轴和q轴电流调节器将达到饱和，并相互影响，这样通常会导致电流、转矩输出结果变差。人们在弱磁控制方面也提出过不少方法，如改变转子结构，加上特殊铁芯构成磁阻，以加大犾／犱与犾／狇的值等。但实际效果并不理想，并且主轴电机功率要求较高，用永磁同步电机的稀土材料成本过高。
3）其他形式电机
其他形式电机如开关磁阻电机、同步磁阻电机作为机床主轴的应用，现在也开始慢慢被关注。
二、准备工作
主轴电机、内六角圆柱头螺钉、平垫圈、弹簧垫圈等。
三、实施步骤
（续表）
四、评分标准
（续表）
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