高速电主轴传递矩阵法研究毕业设计论文.doc

重庆大学本科学生毕业设计（论文）

高速电主轴传递矩阵法研究

学 生：
学 号：
指导教师：
专 业：机械设计制造及其自动化

重庆大学机械工程学院
二O一四年六月

Graduation Design(Thesis) of Chongqing University

Research on high-speed spindle with transfer matrix method

Undergraduate:
Supervisor:
Major: Mechanical Design, Manufacturing &
Automation

College of Mechanical Engineering
Chongqing University
June 2014

重庆大学本科学生毕业设计（论文） 中文摘要

摘 要

这篇文章的主要目的是为了利用传递矩阵法对高速电主轴进行静态特性分析。文章首先介绍了高速电主轴的结构特征，分析了电主轴在国内外的研究现状和它的运用情况。通过了解高速电主轴对数控机床加工和金属切削技术的影响，提出了高速电主轴在未来发展过程中进一步的研究方向。简单介绍了高速电主轴的研究方法，并用传递矩阵法对高速电主轴的静态特性进行了深入的分析计算。利用传递矩阵法原理，对高速电主轴进行了模型简化，通过典型单元的传递矩阵分析计算得出电主轴左右端面整体的传递矩阵。并且根据实际的加工制造过程中，电主轴可能受到的影响因素，结合电机转子和电主轴的转子电流与气隙磁场之间的相互作用产生的不可忽略的作用于电机转子的电磁转矩，对典型单元的传递矩阵进行了修改，使得电主轴的传递矩阵更加精确。然后利用修改后的电主轴整体传递矩阵对6 000r/min的电主轴进行了实例验证，得出了电主轴的固有频率以及电主轴在固有频率下的响应曲线，最后对偏心状态下的高速电主轴进行了机电动力学分析，从而更为准确的得出了高速电主轴的静态特性，促进了对高速电主轴更加深入的学习和研究。

关键字：高速电主轴，传递矩阵法，静态特性，固有频率，Matlab

重庆大学本科学生毕业设计（论文） ABSTRACT

ABSTRACT

The main purpose of this article is to make use of the transfer matrix method to analys the static characteristics of high-speed electric spindles. First of all, this article introduces the structure of the high-speed spindle, spindle analyzed in the research status and its use cases . By understanding the impact of high-speed spindle for CNC machining and metal cutting technology, this artcle proposes new direction for high-speed spindle’s further research in the future development process. A brief introduction to research methods of high-speed spindle and use the transfer matrix method for static characteristics of high-speed spindle conducted in-depth analysis and calculation . Using the transfer matrix method, the principle of high-speed spindle simplified model to analyze the typical unit is calculated by the transfer matrix derived spindle end face about the overall transfer matrix . And according to the actual manufacturing process, the spindle may be factors , combined with a non-negligible role in the interaction between the rotor current and rotor magnetic gap between the spindle and the resulting electromagnetic torque of the motor rotor , for a typical unit transfer matrix has been modified so that the electric spindle transfer matrix more precise. Then use the modified spindle transfer matrix of the overall electric spindle 6000r/min instance validation , and eventually come to a natural frequency spindle motor spindle response curve at the natural frequency of the static characteristics of high-speed electric spindles were a more accurate analysis , promoted to high-speed spindle more in-depth study and research .

Key words：High-speed spindles，Transfer Matrix Method，Static characteristics，Natural frequency，Matlab

重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目录

目 录

中文摘要 Ⅰ
ABSTRACT Ⅱ
1绪论 1
1.1 引言 1
1.2 本课题研究的背景和意义 1
1.2.1 本课题研究的背景 1
1.2.2 本课题研究的意义 4
1.3 高速电主轴的结构、现状和发展趋势 4
1.3.1 高速电主轴的结构 4
1.3.2 高速电主轴的现状 5
1.3.3 高速电主轴的发展趋势 9
1.4 高速电主轴的研究方法 11
1.5课题任务、重点研究内容、实现途径 11
2电主轴静力学分析的传递矩阵法 12
2.1 传递矩阵法 12
2.2 模型简化 12
2.3 典型单元的传递矩阵 13
2.4 典型单元传递矩阵的修改 14
3修改后传递矩阵的实例验证 17
4高速电主轴偏心状态的机电动力学分析 20
4.1 偏心电主轴电磁场的力学分析 20
4.2 偏心电主轴的机电动力学分析 22
4.2.1 模型简化 22
4.2.2 典型单元的传递矩阵 23
4.3偏心电主轴的机电动力学分析 25
4.4电磁力激发的振动 27
5结论 29
6致谢 30
参考文献 31

III
重庆大学本科学生毕业设计（论文） 高速电主轴传递矩阵法

1 绪论

1.1 引言
高速电主轴是高速机床的核心部件[1]，它将机床主轴与电机轴合二为一，即将主轴电机的定子、转子直接装入主轴组件的内部，也被称为内装式电主轴 (Built-in Motor Spindle)，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”，。高速电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等优点，并改善了机床的动平衡，避免振动和噪声，在超高速机床中得到了广泛的应用[2]。它按应用于不同机床中分为：钻铣主轴、加工中心主轴、雕刻机主轴、磨床用电主轴等。随着高速加工技术的迅猛发展和广泛应用，各工业部门特别是航天、航空、汽车、摩托车和模具加工等行业，对高速度、高精度数控机床的需求与日俱增。这迫切需要开发出更加优质的高速电主轴。

1.2 本课题研究的背景和意义
1.2.1 本课题研究的背景
商品经济的发展促使消费者的需求越来越多样化，市场竞争也越来越激烈，这就要求生产者降低成本、缩短产品开发周期和提高生产率。传统的普通加工设备难以满足这些要求，各种具有高生产率和高灵活性的加工体系逐渐出现并发展起来。高速加工[3] (HSM或称高速切削(HSC) )以其良好的加工性能获得越来越多的关注。到20世纪末，高速加工已成为国际机械制造业最热门的研究课题之一。机械加工技术的研究和发展，在以前的几十年里，主要精力集中在减少加工过程的辅助时间上[4]。在数控机床出现以前，机械零件加工过程所花的时间，超过70%是辅助时间——用于零件的上下料、测量、换刀和调整机床等。以数控机床为基础的柔性制造自动化技术的发展与应用，大大降低了零件加工的辅助时间，极大地提高了生产率[5]。可以说，以数控机床为基础的加工自动化技术，是现代制造技术中最为辉煌的成就之一，它的发展和应用是现代制造技术发展史上一块具有革命性意义的里程碑。从提高生产率的角度看，机床和生产过程自动化的实质，归根到底，是以加快空行程动作的速度和提高零件生产过程的连续性，从而缩短辅助工时为目的的一种技术手段。但是辅助动作速度的提高是有一定限度的。例如目前加工中心自动换刀时间已缩短到1s，快速空行程速度已提高到30~60 m/min，再提高空程速度不但技术上有困难，经济上不合算，而且对提高机床生产率的意义不大。随着加工零件的辅助时间大幅度降低，在机械零件加工的总工时中，切削所占的时间比例就变得越来越大。矛盾的主要方面已经转向切削工时方面。只有大幅度地降低切削工时，才有可能在提高机床生产率方面出现又一次新的飞跃[6]。降低切削工时就意味着要提高切削速度，包括提高主轴转速和进给速度。解决高速切削面临的问题，关键是依靠高速切削机理研究的突破。
高速切削的起源可以追溯到20世纪20年代末期[7]。德国的切削物理学家萨洛蒙(Carl Salomon)博士于1929年进行了超高速模拟实验。1931年4月发表了著名的超高速切削理论，提出了高速切削假设（如图1.1所示）。他指出：在常规的切削速度范围（图中的A区）内，切削温度随着切削速度的增大而提高。但是，当切削速度增大到某一数值后，切削速度再增大，切削温度反而下降，并指出：之值与工件材料的种类有关。对于每一种工件材料，存在一个从到的速度范围，在这个速度范围内（图中的B区），由于切削温度太高（高于刀具材料允许的最高温度），任何刀具都无法承受，切削加工不可能进行[8]。这个范围被称之为“死谷”（DeadValley）。萨洛蒙的思想给后来的研究者一个非常重要的启示：如果切削速度能越过“死谷”，而在超高速区（图中的C区）进行工作，则有可能用现有的刀具进行超高速切削，从而大幅度地减少切削工时，成倍地提高机床的生产率[9]。图1.1的横坐标是对数坐标，值约为值的10倍。也就是说，高速切削的速度一般为常规切削速度的10倍左右[1]。

图1.1 萨洛蒙曲线
所谓“高速加工”，一般情况下是不能简单地用某一具体的加工速度值来定义的，目前对其速度范围也尚无统一的界定。在不同的技术发展年代，依据加工工序和加工条件的不同、使用的刀具和所加工材料的不同，其经济合理的速度范围也不同。通常将所采用的加工速度比常规加工速度高出5～10倍的加工称为高速加工，例如：切削速度对塑料高于1 150 m/min、对铝材高于1 100 m/min、对铜材高于1 000 m/min、对铸铁高于700 m/min、对钢材高于380 m/min时的加工。
高速加工技术是继数控技术之后给制造技术再次带来革命性飞跃的又一高新技术，是当代四大先进制造技术之一。它以高切削速度、高进给量、高加工精度为主要特征，集高效、优质、低耗于一身。
高速加工技术是指采用超硬材料刀具磨具和能可靠的实现高速运动的高精度、高自动化、高柔性的制造设备，以大幅度地提高切削速度来达到提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代制造加工技术[10]。它是提高切削效率、加工质量、加工精度和降低加工成本的重要手段。其显著标志是使被加工塑性金属材料在切除过程中的剪切滑移速度达到或超过某一域限值，开始趋向最佳切除条件，使得被加工材料切除所消耗的能量、切削力、工件表面温度、刀具磨具磨损、加工表面质量等明显优于传统切削速度下的指标，而加工效率则大大高于传统切削速度下的加工效率。
与传统加工方法相比，高速加工技术有以下特点[11]：
① 加工时间短，切削效率高。高速加工使得单位时间内的材料切除率提高3~5倍，从而大幅度地提高了零件的加工效率，加工时间约为原来的1/4，降低了加工成本。特别是高速铣削，在提高切削速度的同时提高了进给速度，在保持切削厚度不变的情况下，进给速度为常规铣削的5~10倍，有效地提高了机床的利用率。
② 加工精度高。高速加工可减小表面硬化层深度，减小表面层残余应力、表面层微观组织的热损伤，从而减小零件表面层材质的机械、物理及化学性质发生变化的可能性，保证已加工表面的内在质量，从而确保零件的使用性能。因此，高速加工可用于加工精密零件和有特种精密表面要求的零件。
③ 表面质量好。高速加工中机床的激振频率远远高于“机床—工件—刀具”
工艺系统的低阶固有频率范围，因此机床工作平稳、振动小，加工出的零件精度高且光滑，高速铣削和高速车削可以达到磨削的水平，高速加工不用再进行打磨等表面处理工序。
④ 零件热变形小。高速加工中由于切屑的切除发生的时间极短，切削热绝大部分被切屑带走，因而工件的温升不高。这对于加工不耐热及对温度和热变形敏感的零件是十分有利的。由于单位切削力随工件切削层材料的软化而减小，从而减小了加工中零件的变形，保证了零件的尺寸精度和形位精度，有利于进行刚性差的零件的加工。
⑤ 可实现硬切削和干切削。高速加工可以完成常规切削无法进行的高硬度零件的加工，可代替磨床，实现硬切削，也可在无冷却的条件下进行干切削。
⑥ 零件重复性好。
⑦ 高速机床的投资回收快。
高速加工的核心技术主要有高速机床技术、高速刀具技术、高速加工测试技术等。其中高速机床技术是实现高速加工的基本条件，高速机床的设计制造技术很大程度上反映着高速加工的技术水平。各工业发达国家都把机床的高速化作为重要的发展目标，高速加工机床的发展水平已成为衡量一个国家制造技术水平的重要标志之一。
高速加工机床的研究与开发主要集中在高速主轴系统、高速进给系统、高速刀具系统和高性能控制系统等几个方面。随着制造技术的发展，越来越多的机械制造装备都在不断地向高速、高精、高效的方向发展，高速主轴系统已成为最适宜于这些高性能工况的数控机床核心功能部件之一。
1.2.2 本课题研究的意义
近几十年来，高速加工技术在工业发达国家得到了迅猛发展，已广泛应用于工业生产的各个部门。高速电主轴作为高速加工的核心部件，随着高速数控机床和高速加工中心等高速加工机床相继投放国际市场，它的需求量正与日俱增，国内外各研究机构纷纷投入力量开发此项技术[12]。
由于高速电主轴是实现机床高速化的重要部件，它的性能在一定程度上决定了加工机床的整体发展水平。因此高速加工机床对高速电主轴的技术指标有着苛刻的要求，使其不同于传统的主轴系统，其安全性和可靠性等动态性能也成为结构设计和机床运行中的首要问题。不失时机地开展高速电主轴动力学分析和实验研究工作，不仅会促进我国高速加工业的发展，而且有着广阔的前景和经济价值，具有极其重要的科学意义和工业价值。

1.3 高速电主轴的结构、现状和发展趋势
1.3.1高速电主轴的结构
高速电主轴是一套组件，电主轴由电机转子、主轴、轴承等组成，目前采用的支持方式仍以滚动轴承为主，其中角接触球轴承使用的较多。电主轴是一个质量连续分布的弹性阶梯轴，有无限个自由度，即有无限多个固有频率和振型，在对其进行动力学分析时，通常将转轴简化为具有若干集总质量的多自由度系统[13]。其结构如下：
图1 高速电主轴的结构

平衡环 高速旋转的主轴，由于转动部件材质的不均匀、毛坯缺陷、加工和装配等原因，使质量分布不均匀，形成一定的偏心。当转子转动时就产生不平衡的离心力，从而使整个主轴系统产生有害的振动和噪声，降低轴承及整个主轴系统的使用寿命，影响到整个主轴系统的动态工作精度。在结构设计时，设计了双面动平衡位置环，旋转零件组装后，在动平衡机上作一次动平衡。
转轴 转轴是高速电主轴的主要回转体，它的制造精度直接影响电主轴的最终精度。成品转轴的形位公差和尺寸精度要求很高，在设计制造时必须进行动力学分析。
轴承 高速电主轴的核心支承部件是高速精密轴承。因高速轴的最高转速取决于轴承的功能、大小、布置和润滑方法，所以这种轴承必须具有高速性能好、动负荷承载能力高、滑润性能好、发热量小等优点。近年来，相继开发了动静压轴承、陶瓷轴承和磁浮轴承。动静压轴承具有很高的刚度和阻尼，能大幅度提高加工效率、加工质量，延长刀具寿命，降低加工成本；而且这种轴承寿命为无限长。
定子与转子 高速电主轴的定子由具有高导磁率的优质矽钢片迭压而成。迭压成型的定子内腔内带有冲制嵌线槽。转子是中频电机的旋转部分，它的功能是将定子的电磁场能量转换成机械能。转子由转子铁芯、鼠笼、转轴三部分组成。
1.3.2 高速电主轴的现状
1）国内外高速电主轴的技术现状
国外对高速电主轴技术研究较早，电主轴最早用于内圆磨床[14]。20 世纪 80 年代末，高速加工和数控技术的发展与需要，促进了电主轴技术在加工中心和数控机床等高档机床上的应用，并已广泛应用于工业制造中，成为现代数控机床的核心部件之一，被越来越多的金属切削加工机床制造商所采用。同时也产生了许多电主轴功能部件的专业制造商，它们生产的电主轴已经系列化、产品化。著名的厂商有瑞士的 FISCHER 公司、STEP-TEC 公司和 IBAG 公司，德国的 GMN 公司、CyTec Systems 公司、SIEMENS 公司和 HOFER 公司，意大利 GAMFIOR 公司、GAMHOR 公司和 OMLAT 公司，美国 Ingersoll 公司、Precise 公司及日本 Okuma公司、NSK 公司和 Fanuc 公司等。瑞士 IBAG 公司产品范围宽，几乎能生产任何转速、功率、扭矩和尺寸的电主轴，其最大转速可达 140 000 r/min，功率为 0.125~80 kW，扭矩为 0.02~300 N·m，直径为 33~300 mm。其中 HF 系列陶瓷轴承电主轴的最高转速达 24 000 r/min，最大输出功率为 185 kW；AM 系列磁浮轴承电主轴的最高转速达 70 000 r/min，最大输出功率为 99 kW。德国 CyTec Systems 公司生产的 Cyspeed 系列电主轴最高转速达 40 000 r/min，最大输出功率为 50 kW。美国 Ingersoll 公司生产的 HVM800 型卧式加工中心的电主轴最高转速达 15 000 r/min，由静止升至最高转速仅需 15 s。美国 Precise 公司生产的用于钻铣金属、木材和塑料的中小功率电主轴，最高转速达120 000 r/min，最大功率为 12 kW。瑞士 STEP-TEC 公司的 HVC 系列电主轴，德国 GMN 公司的 HC 系列高速电主轴，日本 NSK 公司的 M 系列电主轴都具有刚度高、功率大和调速范围宽的特性，完全适用于高速、高效加工。
目前，国际上工业发达国家正在研制转速高达250 000r/min的实用主轴，加工中心用主轴的转速在10 000~20 000 r/min，数控机床的加工精度普遍已达到1 μm的水平。高速加工的研究已转移到难加工材料的切削加工上。
国内高速电主轴的研究起步也很早，20 世纪 50 年代末、60 年代初我国就开始进行电主轴的研究和开发工作[14]。起初多用于专用内圆磨床，主要用于零件内表面磨削，并且形成了磨床电主轴专用系列，但这种电主轴的功率低、刚度小。70年代后期至 80 年代，高速主轴轴承技术的研发，推动电主轴进一步向高转速、高刚度方向发展，高速电主轴已被广泛用于各种内圆磨床和机械制造的各个领域。80 年代末以后，开始由磨用电主轴转向铣用电主轴，90 年代中后期，由于国内市场的需要，又开发出钻小孔用和小型数控铣床用电主轴等其他用途的电主轴，如：高速拉伸电主轴、高精度硅片切割机用电主轴、适于木工机械用的风冷式高速铣用电主轴、用于高速离心干燥设备的高速电主轴技术等。不仅推动了高速电主轴在机械加工领域中的应用，而且也促进了电子工业设备等其他技术的更新和进步。但这些主轴的功率、扭矩都比较小。为满足高速电主轴技术的发展需求，“九五”、“十五”期间通过攻关，我国电主轴技术发展很快，电主轴的功率、扭矩分别可达 2.5~29 kW 和 4~86 N·m，可应用于数控机床和加工中心，并已开始装备部分国产数控机床。
国内从事高速电主轴的研究和生产的机构主要有：广州钜联高速电主轴有限公司，他们研究开发的大功率静压轴承电主轴曾在日内瓦国际专利技术博览会上获得金奖；河南省洛阳轴承研究所不仅研制高速精密轴承，而且自主研发电主轴，所开发的电主轴种类较多，dmn值较高；广东工业大学高速加工和机床研究所开发的数控铣床用高速电主轴最高转速达到18 000 r/min，最大输出转矩为85 N·m，额定功率为13.5 kW。此外还有一些单位与国外机构联合对电主轴进行研发和生产，但国产高速、高精度数控机床和加工中心用电主轴，仍主要依赖进口。安阳莱必泰机械有限公司拥有先进的电主轴设计和制造技术，其研制生产的加工中心用电主轴，旋转件经高精度平衡测试，功率为3.7~25 kW，恒功率段为1 500~12 000r/min，采用矢量闭环控制系统对主轴实行恒功率调速，准停制动，并采用进口高速精密轴承；大连机床公司与德国阿亨(Aachen)大学共同研发的DHSCS00高速加工中心，采用德国GMN公司生产的电主轴；常州多棱数控机床股份有限公司、宁江机床（集团）股份有限公司、济南第二机床集团有限公司等采用瑞士IBAG公司生产的电主轴。国产电主轴在国内市场所占的份额不足总额的1/3，大扭矩、低速电主轴绝大部分（95%以上）依赖进口。
从总体上讲，国产电主轴的研制、应用和发展受各种条件的制约，使其各项性能指标同国外先进产品相比较差距较大，处于相对落后状态，研究其性能具有重要的意义。
2）国内外高速电主轴的研究现状
国内外学术界在相关领域的研究文献比较丰富[15]。国外，C.Brecher 等[6]介绍了各个领域中关于改善主轴—轴承系统的研究成果；J.Jędrzejewski 等[7]用有限单元和有限差分两种计算方法建立高速精密机床主轴单元的混合模型，并用其对三种不同组合的电主轴进行建模，描述了轴承单元和冷却系统对机床精度的影响；普渡大学的 Lin Chi-Wei 等[8]建立了关于电主轴的集热—机—动力于一体的整合模型，研究了此集成模型在超高速转速下的热—机—动力学性能；Bossmanns Bernd 等[9]提出了一个有限差分热学模型，描述了电主轴功率分布的特性和热量的产生及传递；Chen Jenq-shyong 等[10]针对高速电主轴热学性质复杂并依赖转速的特点，研究了高速电主轴热增长特征化模型；Korolev 等[11]借助电主轴的基本特征，概括描述了电主轴设计中的一些难题，提供了实验台实验结果和切削条件下的测试结果，并给出了在 NC 机床上使用电主轴的建议；Frederickson 等[12]提出了一种为增加输出转矩的电主轴优化技术；Jorgensen 等[13]建立含轴承参数的电主轴系统动力学模型，研究了切削力、刀具质量和自转速度对转子固有频率的影响；Tsutusmi 等[14]较系统地阐述了高速主轴脉动式油气润滑技术；Bossmanns Bernd 等[15]建立了一个完整的能量流模型以特征化高速电主轴的能量分布，特别是在速度变化、预载荷和润滑条件下主轴内的热生成的特征，该模型通过对 32 kW, 25 000 r/min 的电主轴进行实验得到了验证。
国内，于兆勤等[16]通过对高速电主轴热态特性的试验与研究，分析了高速下主轴轴承及主轴系统的热态特性及其影响因素；张伯霖等[17]提出了降低电主轴温升的两大措施：电动机外循环油冷和陶瓷球轴承及其油－气润滑，讨论了高速电主轴动平衡设计的原理与方法；张珂等[18]分析了大功率电主轴单元支承的选用及预负荷的确定，探讨了电主轴单元的结构布局与设计，讨论了电主轴单元冷却与润滑系统的设置，并通过实验测试电主轴的静动态性能；李松生等[19]分析了超高速电主轴轴承内部润滑的基本特点，对主轴轴承在超高速运行条件下的内部润滑状态进行了分析，讨论了供油量、润滑方式、润滑油和轴承内部零件的运动等因素对轴承内部弹流油膜、温升等润滑状态的影响；张世珍等[20]使用有限元的方法分析了 20 000 r/min 主轴的固有频率以及电动机和轴承发热对主轴精度的影响；宋德儒等[21]介绍了高速精密实验磨床直线电机带动电主轴进行磨削加工时，伺服刚度的调节方法，分析了电主轴－砂轮接杆系统高速旋转时引起振动的原因，提出了改进的方法；郭大庆等[22]介绍了陶瓷轴承电主轴及其特性、润滑、冷却系统和电主轴的运动控制，对陶瓷轴承电主轴在机床上的应用作了基础性探讨；钱木等[23]运用传递矩阵法对电主轴的临界转速和静刚度特性进行了系统的研究，分析了主轴结构参数与砂轮参数对主轴动态特性的影响，并对主轴结构进行了优选设计；朱金虎等[24]基于传递矩阵对高频磨削电主轴进行临界转速特性计算，分析预加负荷及砂轮组件的参数变化对临界转速的影响，为电主轴动态性能的设计提供依据；蒋书运等[25]基于传递矩阵法与滚动轴承分析理论，研究高速电主轴的轴系动态特性分析方法，用 Matlab 工具研发了一套电主轴动态分析与设计通用软件，以某高速磨削用电主轴为例，完成其动态分析与结构优选设计；吕浪等[26]建立了 SPWM电压源逆变器供电的砂轮主轴系统的机电耦合数学模型，利用该模型对超高速磨削 SPWM 砂轮电主轴系统的启动、升速及加入磨削力等瞬变过程进行了数值仿真研究。
3） 高速电主轴技术在国内外的差距[15]
与国外同类产品相比，国产电主轴无论在品种和质量方面，还是在性能方面都有较大的差距：
① 转速：国外用于加工中心等数控机床的电主轴转速已达75 000 r/min，国内电主轴多在15 000 r/min以下；其他类型的电主轴，国外最高转速为300 000 r/ min，我国最高转速则为150 000 r/ min。
② 输出扭矩：国外电主轴低速段的输出扭矩最大可达300 N·m以上，我国则多在100 N·m以内。
③ dmn 值：国外电主轴轴承的dmn 值一般在100万以上，磁悬浮轴承的dmn 值可达400万以上；国内电主轴轴承的dmn 值一般不超过100万。
④ 轴承：国外电主轴多采用转速高、刚度大的陶瓷轴承和液体动静压轴承，特殊情况下采用气体轴承和磁悬浮轴承；国内电主轴轴承主要从国外进口，国产轴承以钢质角接触球轴承为主，工作寿命短。
⑤ 电主轴产品化：国外电主轴已系列化、专业化，国产电主轴处于研发试制、小批量生产阶段，仍主要依赖进口。
⑥ 配套技术：电主轴润滑技术、电机矢量控制、交流伺服控制技术、轴端设计、精确定向等配套技术，国内仍然不够成熟。
⑦ 其他：国产电主轴平均寿命较短，不超过900小时；关键零件的精密加工和装配水平也有较大差距。
为实现国产数控机床的关键性技术突破，国家于“八五”、“九五”、“十五”连续三次投入资金，设立科技重点攻关课题。经三轮努力，目前国内已先后开发出8 000 r/min，10 000 r/min，12 000 r/min，15 000 r/min，18 000 r/min，24 000 r/min和30 000 r/min等大型数控铣和加工中心用电主轴，其最大扭矩为130 N·m，最高转速为30 000 r/min。拉刀器根据转速不同分别可配置HSK及钢球。刀具冷却可分为内冷、外冷两种方式。同时还开发了小型高速数控车床内装式电主轴。上述产品绝大多数已用于生产实践[16]。随着产品需求和市场的多元化发展，“十一五”期间高速加工技术必将得到进一步的应用和发展。
1.3.3 高速电主轴的发展趋势
由于高速电主轴在生产制造过程中的作用日益加深，人们对其的要求也越来越高。因此，在未来的发展中，高速电主轴将主要向着下面几个方向发展：
① 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140 000 r／min，英国WestWind公司的PCB钻孔机电主轴D1733更是达到了250 000 r／min；加工中心用电主轴，瑞士FISCHER最高转速达到42 000 r／min，意大利CAMFIOR达到了75 000 r／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。
② 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200 Nm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630 N·m；在高速段大功率方面，一般在l0～50 kW；CYTEC电主轴的最大输出功率为50 kW；瑞士Step—Tec电主轴的最大功率更是达到65 kW(S1)，用于航空器制造和模具加工；更有电主轴功率达到80 kW 的报道。
③ 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0.001 mm 以内、轴向定位精度<0.0005 mm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。Step—Tec的电主轴还加装了加速度传感器，降低轴承振动加速度水平，为了监视和限制轴承上的振动，安装了振动监测模块，以延长电主轴工作寿命。
④ 快速启动、停止响应速度加快。为缩短辅助时间，提高效率，要求数控机床电主轴的启、停时间越短越好，因此需要很高的启动和停机加(减)速度。目前，国外机床电主轴的启、停加速度可达到l g以上，全速启、停时间在l s以内。
⑤ 轴承及其预加载荷方式、润滑方式多样化。除了常规的钢制滚动轴承外，近年来陶瓷球混合轴承越来越得到广泛的应用，润滑方式有油脂、油雾、油气等，尤其是油气润滑方法(又Oil-air)，由于具有适应高速、环保节能的特点，得到越来越广泛的推广和应用；滚动轴承的预负荷施加方式除了刚性预负荷(又称定位预负荷)、弹性预负荷(又称定压预负荷)之外，又发展了一种智能预负荷方式，即利用液压油缸对轴承施加预负荷，并且可以根据主轴的转速、负载等具体工况控制预负荷的大小，使轴承的支承性能更加优良。在非接触形式轴承支承的电主轴方面，如磁浮轴承、气浮轴承电主轴(瑞士IBAG等)、液浮轴承电主轴(美国Ingersoll等)等已经有系列商品供应市场。
⑥ 刀具接口逐步趋于HSK、Capto刀柄技术。机床主轴高速化后，由于离心力作用，传统的CAT(7：24)刀柄结构已经不能满足使用要求，需要采用HSK(1：10)等其它符合高速要求的刀柄接口形式。HSK刀柄具有突出的静态和动态联接刚性、大的传递扭矩能力、高的刀具重复定位精度和联接可靠性，特别适合在高速、高精度情况下使用。因此，HSK刀柄接口已经广泛为高速电主轴所采用(如瑞士的IBAG、德国的CYTEC、意大利CAMFIOR等)。近年来由SANDVIK公司提出的Capto刀具接口也开始在机床行业得到应用，其基本原理与HSK接口相似，但传递扭矩的能力稍大一些，缺点是主轴轴端内孔加工困难较大，工艺比较复杂。
⑦ 向多功能、智能化方向发展。在多功能方面，有角向停机精确定位(准停)、C轴传动、换刀中空吹气、中空通冷却液、轴端气体密封、低速转矩放大、轴向定位精密补偿、换刀自动动平衡技术等。在智能化方面，主要表现在各种安全保护和故障监测诊断措施，如换刀联锁保护、轴承温度监控、电机过载和过热保护、松刀时轴承卸荷保护、主轴振动信号监测和故障异常诊断、轴向位置变化自动补偿、砂轮修整过程信号监测和自动控制、刀具磨损和损坏信号监控等，如Step-Tec电主轴安装有诊断模块，维修人员可通过红外接口读取数据，识别过载，统计电主轴工作寿命。

1.4 高速电主轴的研究方法
目前，高速电主轴动力学研究的主要方法有有限元法和传递矩阵法[17]。有限元法的计算精度较高，但占用存储空间大，运算速度慢。而传递矩阵法解法简洁，占用存储空间小。计算速度快，能计算出任意高阶临界转速[18]，无需预支振形，易于编程。因此，本次设计将采用传递矩阵法对高速电主轴进行动力学分析。
传递矩阵法是20世纪70年代提出的，基本思想是把一个整体结构的力学分析问题转化为若干单元对接与传递的力学分析问题，依据结构控制微分方程的精确解答，并借助计算机利用矩阵相乘的计算方法实现对结构的静态、动态及稳定分析。它是目前最为通用的计算转子动力特性[18]的方法，它将质量连续分布的实际轴段简化为具有一系列集中质量的刚性盘，且各集中质量的刚性盘问用无质量弹性轴段连接起来的转子。也就是将整个转子系统划分为很多段，通过轴段单元传递矩阵将各个轴段两端的状态向量联系起来，最终根据边界条件求出整个系统的临界转速和响应等参量。

1.5 课题任务、重点研究内容、实现途径
高速加工能显著地提高生产率、降低生产成本和提高产品加工质量，是制造业发展的重要趋势，也是一项非常有前景的先进制造技术。实现高速加工的首要条件是高质量的高速机床。高速电主轴实现了机床的“零传动”，简化了结构，提高了机床的动态响应速度，是一种新型的机械结构形式，已成为高性能机床的核心部件，其性能好坏在很大程度上决定了整台机床的加工精度