先进制造导论

班级机信098 姓名王卫
学号0908030288 提交日期2012-5-4
电主轴的工作原理及国内外的发展
摘要:本文首先介绍了电主轴的基本概述，优点，工作原理，然后例举了电主轴的应用所涉及的各种技术，最后叙述了电主轴在国内外发展状况，以及对电主轴的发展方向进行了展望
关键字：电主轴；分离式主轴；矢量控制；主轴研发
一、电主轴的概述
高速数控机床主传动系统的机械结构已得到极大的简化，基本上取消了带轮传动和齿轮传动。

机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。

这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”(ElectricSpindle,Motor Spindle)。

由于当前电主轴主要采用的是交流高频电动机，故也称为“高频主轴”（Hi gh F r eq u en c y S pi n dl e)。

由于没有中间传动环节，有时又称它为“直接传动主轴”（Di r ect
D r i v e S p i n dl e)。

二、电主轴的优点
传统的机床主轴是由电机通过中间的传动、变速装置（如皮带，齿轮等）带动主轴旋转而工作的，这样的主轴称为分离式主轴，与此相比，电主轴具有以下优点：
1、主轴由内装式电机直接驱动，省去了皮带、齿轮等中间传动、变速机构或者连接零件，具有结构紧凑、机械效率高、噪声低、震动小和精度高等特点。

2、利用交流变频技术，电主轴可以在额定转速范围内实现无级变速，以适应机床各种工作状况和负载变化的需要。

3、利用电机矢量控制、伺服控制等技术，不仅可以满足机床强力切削时低速大扭矩的要求，还可以实现准确的C轴定位及转动的功能，适应对C轴功能有较高要求的车削、镗铣等加工中心及其它数控机床的需要。

4、与其他形式的主轴相比，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，主轴运行更加平衡，没有冲击，使得主轴轴承的寿命相应得到了延长。

三、电主轴的工作原理
电主轴就是直接将空心的电动机转子装在主轴上，定子通过冷却套固定在主轴箱体孔内，形成一个完整的主轴单元，通电后转子直接带动主轴运转。

通过调节电机的转动频率来调节主轴的转速。

电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置等。

电主轴所融合的技术：
高速轴承技术：电主轴通常采用复合陶瓷轴承，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍；有时也采用电磁悬浮轴承，或静压轴承，内外圈不接触，理论上寿命无限长。

高速电机技术：
电主轴是电机与主轴融合在一起的产物，电机的转子即为主轴的旋转部分，理论上可以把电主轴看作一台高速电机，其关键技术是高速度下的动平衡。

润滑：
电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑；也可以采用脂润滑，但相应的速度要打折扣。

所谓定时，就是每隔一定的时间间隔注一次油，所谓定量，就是通过一个叫做定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的注油量。

而油气润滑，指的是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。

油量控制很重要，太少，起不到润滑作用；太多，在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热。

冷却装置：
为了尽快给高速运行的电主轴散热，通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂，冷却装置的作用是保持冷却剂的温度。

内置脉冲编码器：
为了实现自动换刀以及刚性攻丝，电主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相位控制以及与进给的配合。

自动换刀装置：
为了适用于加工中心，电主轴配备了能进行自动换刀的装置，包括碟形簧、拉刀油缸。

高速刀具的装卡方式：广为熟悉的BT、ISO刀具，已被实践证明不适合于高速加工。

这种情况下出现了HSK、SKI等高速刀柄。

高频变频装置：
要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必须用高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电机，变频器的输出频率甚至需要达到几千Hz。

四、电主轴在国内外的发展
1、国外状况
国外电主轴最早用于内圆磨床，上世纪80年代，随着数控机床和高速切削技术的发展和需要，逐渐将电主轴技术应用于加工中心、数控铣床等高档数控机床，成为近年来机床技术所取得的重大成就之一。

随着机床技术、高速切削技术的发展和实际应用的需要，对机床电主轴的性能也提出了越来越高的要求，目前国外从事高速数控机床电主轴研发与生产的企业主要有如下几家：德国GMN、西门子、瑞士IBAG、美国Setco、意大利Omlet、Faemat、Gamfior、日本大隈等，其中尤以GMN、IBAG、Omlet、Setco、Gammfier等几家的技术水平代表了这个领域的世界先进水平。

这些公司生产的电主轴较之国内生产的有以下几个特点:①功率大、转速高。

②采用高速、高刚度轴承。

国外高速精密主轴上采用高速、高刚度轴承，主要有陶瓷轴承和液体动静压轴承，特殊场合采用空气润滑轴承和磁悬浮轴承。

③精密加工与精密装配工艺水平高。

④配套控制系统水平高。

这些控制系统包括转子自动平衡系统、轴承油气润滑与精密控制系统、定转子冷却温度精密控制系统、主轴变形温度补偿精密控制系统等。

2、国内情况
国内从事电主轴研究与生产的企业总体上说与国外上述公司相比在产品研发以及技术的创新能力上不具有优势，但是具有相对的成本优势。

国外数控机床主轴公司往往只负责主轴的总体设计、技术研发以及零部件装配和测试工作，其余的关键零部件例如：主轴轴承、内装电机、主轴松拉刀机构、动力油缸或气缸、主轴轴承润滑油品等全部实行采购，在产业的分工与合作上具有很强的组织性和互补性，同时由于分工的细致，机床主轴生产商与各附件生产商之间形成了良性的循环，各自针对本专业的关键技术投入人力物力进行科技攻关，由此带动了国外电主轴行业的整体技术进步。

反观国内厂商，各自为战，技术资源分散，除洛阳轴研科技作为原来国家轴承行业的技术归口所拥有一定的综合研发实力外，其他的企业基本上是在模仿国内外同行的产品进行生产，技术实力较弱，创新能力严重不足。

在涉及电主轴轴承润滑、零部件材料选取以及加工工艺、内装式主轴电机、松拉刀接口、主轴轴承润滑油品等方面没有自己独立的知识产权和核心技术，尤其是在电主轴的附件领域如伺服驱动控制器、编码器、动力油缸或气缸、智能传感器等方面表现的更为突出，基本上是国外产品包打天下。

这也是直到目前为止制约国产高档数控机床发展的关键原因所在。

3、差距
国产电主轴和国外产品相比较，无论是性能、品种和质量都有较大差距，国产电主轴产品和国外的相比较，主要存在以下差距:①国外电主轴低速段的输出扭矩最大可达 1000N·m ，而我国目前仅在300N·m以内。

②在高转速方面，国
外用于加工中心的电主轴转速已达 75000r/min，我国则多在 30000r/min以内。

③电主轴的轴承润滑，国外普遍采用油气润滑，而我国仍用油脂润滑。

④其他配套技术也有较大差距，如主轴电机矢量控制、交流伺服控制技术、精确定向技术、快速启动、停止等。

⑤在产品的品种、规格、数量和制造规模等方面，国产电主轴仍然处于小量研发试制阶段，没有形成系列化、专业化，远不能满足国内数控机床和加工中心发展的需求。

4、发展趋势
电主轴技术的发展趋势主要表现在以下几个方面：
1）继续向高速度、高刚度方向发展
2）向高速大功率、低速大转矩方向发展
3）进一步向高精度、高可靠性和延长工作寿命方向发展
4）电主轴内装电机性能和形式多样化
5）快速启动、停止响应速度加快
6）轴承及其预载荷施加方式、润滑方式多样化
7）刀具接口逐步趋于HSK、Capto刀柄技术
8）向多功能、智能化方向发展
五、总结
综上可以了解到电主轴将是未来高速机床发展的一个重要方向，电主轴代替传统主轴将成为国内外机床发展的必然趋势。

参考文献。