浅谈电主轴在数控加工中心的应用

浅谈电主轴在数控加工中心的应用

作者：邹纯标

来源：《科技创新与应用》2013年第28期

摘要：电主轴最近十年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，它是高速数控机床的"核心"部件，它的性能直接决定了机床的高速加工性能。本文简述了电主轴和加工中心的一些基本情况，并重点介绍了一种电主轴的结构及它在数控加工中心的应用情况。

关键词：电主轴；数控加工中心；自动换刀系统

1 电主轴简介

电主轴是近些年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术。高速数控机床主传动系统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”（Electric Spindle或Motor Spindle）。电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪音低、响应快等优点，可以减少齿轮传动，简化机床外形设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中一种理想结构。

2 电主轴结构及工作原理

电主轴单元典型的结构布局方式是电机置于主轴前、后轴承之间（如图所示），其优点是主轴单元的轴向尺寸较短，主轴刚度大，功率大，较适合于大、中型高速数控机床；其不足是

在封闭的主轴箱体内电机的自然散热条件差，温升比较高。下图为某进口品牌电主轴的结构图。图中可以看出该电主轴配有旋转编码器及刀具锁紧系统（后面将继续介绍），这是所有数控加工中心电主轴都必须具有的元件。旋转编码器是实现自动换刀时主轴相位角的定位元件，确保每次主轴都在同样的位置松抓刀；刀具锁紧系统（液压）是自动换刀的执行元件，该电主轴实际还配有自动换刀控制器，通过控制液压系统来控制电主轴的松夹刀。

图1 某进口品牌电主轴结构图

3 数控加工中心介绍

数控加工中心是从数控铣床发展而来的。与数控铣床的最大区别在于加工中心具有自动交换加工刀具的能力，通过在刀库上安装不同用途的刀具，可在一次装夹中通过自动换刀装置改变主轴上的加工刀具，实现多种加工功能。数控加工中心是目前世界上产量最高、应用最广泛的数控机床之一。它的综合加工能力较强，工件一次装夹后能完成较多的加工内容，加工精度较高，就中等加工难度的批量工件，其效率是普通设备的5～10倍，特别是它能完成许多普通设备不能完成的加工，对形状较复杂，精度要求高的单件加工或中小批量多品种生产更为适用。

4 自动换刀系统发展历史

1956年日本富士通研究成功数控转塔式冲床，美国IBM公司同期也研制成功了APT。

1958年美国K&T公司研制出带ATC（自动刀具交换装置）的加工中心。

1967年出现了FMS（柔性制造系统）。

1978年以后，CNC加工中心迅速发展，带有ATC装置，可实现多种工序加工的机床。

1983年国际标准化组织制定了国际标准，自动换刀系统便形成了统一的结构模式。

5 电主轴在数控加工中心的应用

目前世界上形成了许多著名的加工中心电主轴功能部件专业制造商，他们生产的电主轴功能部件已经系列化，如瑞士的Fischer、Step-Tec和IBAG，德国的CYTEC，意大利的Gamfior 等。

电主轴应用在数控加工中心与普通数控机床的区别就是增加了自动换刀装置（ATC）以及内置编码器。

自动换刀离不开刀具的锁紧系统。下面介绍某电主轴的刀具锁紧系统。该电主轴刀具锁紧系统配有自带的控制器用以接收PLC发来的松/夹刀信号，并将信号传递至液压阀，控制刀具的夹紧和松开。该控制器还有另外一个功能，就是接收刀具锁紧系统液压油管内的涡轮传感器发来的松/夹刀时液压油管的流量脉冲信号，并处理成松/夹刀的实时位置信号，传递给PLC，得出刀具的松夹刀动作及松夹刀到位信号。该信号与电主轴前端抓到盘附近的模拟量位置传感器信号相互比较，最后得出刀具松/夹刀的各种状态。

自动换刀同样需要编码器的定位。下面介绍某电主轴内置编码器。内置编码器采用增量式旋转编码器，用于无接触测量主轴旋转。与普通的光电式编码器不同，该编码器测量单元由电磁检测探头及安装在电主轴上的高精度测量齿轮组成，由电磁检测探头执行对测量齿轮的扫描。该编码器能准确的检测主轴的角度及转速。

6 加工中心电主轴发展展望

随着数控技术的发展及实际应用的需要，数控加工中心对电主轴的性能也提出越来越高的要求，电主轴技术的发发展趋势主要表现在以下几个方面：

（1）随着高速电机技术、高速刀具技术的发展电主轴将继续向高速度、高刚度方向发展。

（2）为满足低速粗加工是的重切及高速精加工的要求，电主轴向高速大功率及低速大转矩方向发展。

（3）为满足各种环境及安装要求，电主轴内装电机性能和形式将向多样化发展。

（4）为缩短辅助时间、提高加工效率，电主轴向快速启、停方向发展。

（5）为延长使用寿命，适应各种环境，电主轴的轴承及其预载荷施加方式、润滑方式将向多样化发展。

（6）为满足高速重载加工要求，加工刀具接口由传统的低速BT刀柄逐步趋于高速HSK 刀柄技术。

（7）电主轴的功能及自动化将向多功能、智能化方向发展。

参考文献

[1]严道发.电主轴技术综述[J].机械研究与应用，2006（12）；1-3.

[2]李彦.数控机床高速电主轴技术及应用[J].精密制造与自动化，2011（4）；24-26.