为了进一步提升电主轴的加工性能,以常见的A02型电主轴为分析对象,使用热膨胀系数小以及减振性能优异的碳纤维材料替换芯轴的不同部位,以此设计4种碳纤维-金属复合芯轴,探讨其对A02型电主轴的影响。通过有限元分析,对4种碳纤维-金属复合芯轴和常规钢芯轴的动态特性和热特性进行评估。结果表明全碳纤维芯轴的性能最佳,而心部碳纤维芯轴可以在避免使用大量碳纤维材料的基础上实现与全碳纤维芯轴相近的效果;外侧碳纤维芯轴具有成熟的加工工艺,可以直接进行加工试验。列举了几种碳纤维-金属复合芯轴已有或具备可行性的加工方案,为碳纤维材料与电主轴结构更好地结合提供参考。

阐述了数控机床的发展现状。介绍了NUM数控系统星三角转换功能及其使用方法。详细介绍了该功能在数控机床中的应用。

针对数控机床电主轴热分析过程中热态实验数据难以获取,难以进行热态特性分析的问题,提出了一种考虑电主轴产热与散热的综合有限元分析模型,利用有限元分析方法得到热态温度场分布图,可为数控机床电主轴的温度控制及热分析提供理论基础和数据支撑。

针对电主轴复杂运行工况下的热误差建模问题,提出一种基于改进灰狼优化算法(IGWO)的LSTM神经网络参数预测模型IGWO-LSTM。通过对灰狼算法收敛因子a计算方法进行优化来提高算法寻优性能;通过IGWO算法的适应度函数与LSTM隐含层节点数组成的IGWO-LSTM闭环系统对电主轴热误差预测模型进行训练和预测,避免陷入局部最优,同时提升模型预测精度。为了验证该算法性能,将它与改进前的算法进行对比,通过求取平均绝对误差、平均绝对百分比误差以及均方根误差对这两种神经网络进行评价,结果显示:文中算法的3种指标均优于改进前的LSTM模型,具有更好的热误差预测准确性和全局搜索能力。

为实现磁悬浮电主轴的稳定悬浮运行并满足加工精度要求,通过对某型号主动磁悬浮电主轴的结构和控制原理进行研究,在忽略主轴转子磁化和磁漏等非线性因素影响的前提条件下,通过对主轴转子在磁悬浮轴承中的受力分析,建立了磁悬浮轴承的电磁支承力与轴承气隙偏移量及控制电流的表达式,对基于不完全微分PID控制的磁悬浮电主轴系统的临界转速与磁悬浮轴承的电磁刚度进行了定量研究,得到不同PID控制参数下,磁悬浮轴承支承刚度随涡动频率的变化曲线及固有频率随PID控制参数的变化曲线图。研究结果为磁悬浮电主轴控制系统进一步设计使用和分析优化提供了依据。

为了对电主轴运转时振动信号特征进行更有效的提取,提出了基于小波包层次熵的电主轴特征提取方法.首先对电主轴振动信号利用小波包变换进行分解、重构,得到若干节点信号;然后计算不同节点信号的样本熵值,构成其小波包层次熵值;最后通过小波包层次熵值提取电主轴振动信号特征.计算结果表明与傅里叶变换方法相比,基于小波包层次熵的分析方法不仅考虑了时间序列的低频成分,同时也考虑了其高频成分,可有效地提高特征提取的准确率,更精确和完整地描述电主轴振动信号的特征,为提取电主轴振动信号特征提供了一种快速有效的新方法.

高速电主轴高度紧凑的结构使其在服役过程中散热困难,常采用油雾润滑和循环水冷方式强制降温。以一种新型电磁自平衡电主轴为对象,研究了异步电动机、滚动轴承和电磁平衡头生热原理;分析了主轴系统传热机制;采用有限元热分析对170MD12Y16-EMAB45电磁自平衡电主轴进行了稳态温度场分析,研究了冷却液流量、压缩空气流量对电主轴最大温升的影响规律。结果表明：电磁平衡头对电主轴温升影响总体很小,电磁自平衡电主轴具有良好热特性;获得了最佳温控参数,为这种电主轴的优化设计和工程应用奠定了基础。

根据几何参数和简化原则建立电主轴实体模型。采用滚动轴承拟静力学模型准确计算轴承刚度,建立主轴-轴承系统有限元模型,设计模态测试实验较好地验证了仿真结果。基于主轴有限元模型,以主轴转子外圆直径、内孔直径、悬伸量、支承跨距以及轴承配置形式为设计变量;以主轴转子一阶固有频率最大和质量最轻为优化目标;以主轴转子前端静变形、最大应力、主轴各段尺寸均在限定范围内为约束条件,对电主轴转子进行优化设计。将提出的优化方法应用于某磨齿机电主轴,优化后主轴一阶固有频率提高33%,质量减轻21%,实现了电主轴高刚性和轻质量优化目标,为电主轴数字化设计提供技术支持。

以应用于五轴加工中心上的高速电主轴为研究对象，研究基于最小二乘法的电主轴回转精度评价。首先建立电主轴回转误差模型，对电主轴的常量信号、偏心信号等相关信号进行研究和分离。针对电主轴回转精度的最小二乘法评定方法。分析对比了最小二乘牛顿迭代算法、最小二乘近似算法和平均值算法。基于标准球、高精密电容位移传感器等组成的测量系统。采集电主轴高速转动下的径向跳动信号。并分别采用3种算法对信号进行处理与分析，验证了3种算法的有效性。最后在分析对比3种算法结果后，设计了不同应用背景下的电主轴回转精度评价策略，并提出了一种兼顾计算精度和计算效率的电主轴回转精度快速评价算法。

为实现电主轴加速寿命试验时间设计,首先根据电主轴首次故障时间服从威布尔分布的特性,以可接受的可靠度所对应的首次故障时间为基准设计了可靠性试验时间。然后,结合修正Miner线性累积损伤理论及程序载荷谱,建立试验的加速因子模型,从而定量地确定了加速寿命试验的加速因子及试验时间。最后,基于故障率的先验分布和后验分布进行了可信性验证。试验结果表明本文方法可行,可为加速寿命试验方案设计提供依据。