论文总字数：23825字

摘 要

本文以解决现有电主轴动态加载装置中存在的产热量大，振动噪声大，加载力调节困难等问题为目的，设计了一种电主轴非接触式加载装置。该装置选用永磁加载方式，实现对电主轴的径向力和轴向力的加载，采用螺旋机构实现对加载力的调节，采用三向力传感器实现对加载力的读取。主要内容有：

1. 选取了合适的磁力加载方案，并使用ANSNS进行了磁场力分析，确定了磁场力变化关系；
2. 确定了磁力调节方案，并选定了各零部件的型号、材料、尺寸等，绘制出加载装置的总体装配图和主要零件图。

关键词：机床主轴、磁力计算、永磁加载

THE DESIGN OF THE PERMANENT MAGNETIC LOADING DEVICE WITHOUT CONTACT FOR MACHINE TOOLS-SPINDLE

Abstract

In this thesis, in order to solve the problem existing in the loading device,such as distribute much heat,product big noise and large vibration,designed a non-contact  electrical spindle loading device.This  device choose permanent magnetic loading as loading device,to achieve the loading of radial force and axial force for the spindle ,The paper mainly content:
1)Select the appropriate magnetic loading scheme, and use the ANSNS to analyze magnetic force, determine the relation between the magnetic strength and center distance;
2)Select the appropriate magnetic adjustment program,Selected models,materials, dimensions of each component, map out the  and the assembly drawing and main part drawing.

Keywords: machine tools-spindle permanent magnetic loading magnetic computing

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 主轴性能测试装置的发展现状 1

1.3 本文的研究目的和主要研究内容 3

第二章 加载装置的总体方案设计 3

2.1 加载装置设计要求 3

2.2磁力加载方案设计 3

2.2.1、永磁加载的方法及原理 3

2.2.2永磁体充磁方向的确定 4

2.2.3磁力加载结构的设计 6

2.3 调节机构方案设计 8

2.4加载力测定方案设计 9

第三章 磁力加载部件设计 11

3.1 材料的选择 11

3.2 基本尺寸的确定 11

3.3 磁力加载部件的磁场力分析 15

3.3.1径向磁力的仿真计算 15

3.3.2轴向磁力的仿真计算 16

第四章 磁力调节机构各部件设计 18

4.1 螺旋传动的设计 18

4.1.1 螺旋传动类型选择 18

4.1.2 螺旋传动零件的强度校核 18

4.2丝杠支撑座的选取 21

4.3 直线导轨的设计选择 22

4.4 手轮的选择取 23

4.5 支撑及连接部分的设计。 23

4.5.1底层支撑座的设计 23

4.5.2中层支座 24

4.5.3 顶层支撑 24

4.5.4 支撑座 25

4.5.5 永磁体的支撑与固定 25

4.5.6 三向力传感器的连接 26

第五章 总结与展望 27

5.1总结 27

5.2展望 27

致谢 28

参考文献 29

附录 31

第一章 绪论

1.1 引言

以高切削速度、高加工精度、高进给速度为主要特征的高速加工技术引领了制造技术的第二次革命性飞跃^[1]。而作为数控机床及加工中心的核心部件，高速电主轴的性能将直接影响机械加工的效率与精度，全面而且准确的监测电主轴的承载性能，不仅能为用户提供性能优良品质合格的电主轴产品，也能为进一步改进和提高电主轴的结构性能，开发新型电主轴提供重要的技术依据^[2]。

近年来，高速电主轴技术迅猛发展，随着高速电主轴在高速数控等加工领域中的广泛应用，制造产业对电主轴的综合性能的要求变得越来越高，因此，对电主轴进行动静态综合性能测试，对于高速电主轴的设计开发以及可靠性提升都具有十分重要的意义。

1.2 主轴性能测试装置的发展现状

目前，国内对主轴的性能研究主要以有限元分析、建模仿真为主，多采用传统的空载或静态加载的方式来完成对主轴的性能测试^[3]。空载运行的静态测试方法虽然简单易行，但相比空载试验，加载试验能更准确更全面的反映出电主轴的整体性能^[4]，所以，为了提高电主轴的整体可靠性，必须对其进行加载试验，测试电主轴的动态性能。

常用的动态性能测试主要是机械式，也就是接触式加载。机械式加载法包括转矩转速仪法，切削力法，液压加载法等。以转矩转速仪法为例^[5]，可以发现，在传统的接触式测量方法中，为实现力的加载，

需要加载装置与主轴直接接触，当主轴低速运转时，短时间的测量不会受到太大的影响，当主轴长时间高速运转时，由于主轴与加载装置接触面处不可能完全光滑，所以会产生大量的摩擦热和剧烈振动及噪音，会导致试验结果的准确性、可靠性也会大大降低。所以，传统的接触式测定方法只适合测定主轴中低速运转时的动态性能，并且不能够长时间工作，否则会大大降低试验结果准确性。

为解决接触式加载中的问题，越来越多的单位、企业开始寻求非接触式的加载方案。然而现阶段并没有一种成熟的非接触加载方案，已经了解到的非接触加载方式较为可行的有电磁加载装置^[6]。非接触式的电磁加载装置工作原理^[7]：

（1）径向力加载：图1.2中圆盘Ⅰ具有高磁导率，圆盘圆周方向分布有直流电磁铁Ⅱ、Ⅲ产生的气隙磁场B，导磁圆盘的磁导率远大于气隙磁导率，所以在磁导率不相等的圆盘与气隙分界面上产生麦克斯韦力，这两个力作用在圆盘Ⅰ表面并垂直于分界面向外。当电磁铁Ⅱ、Ⅲ产生的气隙磁场大小相等时，的大小相等，合力为零。相对的，当两气隙磁场大小不等时，大小不等，即合力不为0，,指向磁感应强度大的气隙一侧。

（2）切向力加载：当导磁圆盘Ⅰ高速旋转时，圆盘表面将产生涡流，从而产生切向电磁力（洛伦兹力），两电磁力的方向都与圆盘线速度方向相反，对主轴形成扭矩M作用。

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