浅议电主轴在数控机床中的应用

浅议电主轴在数控机床中的应用

摘要：数控机床特别是高速数控机床是现代制造业的重要加工设备。电主轴最先应用的是在磨床上，后来才应用到数控机床上。电主轴在数控机床上的应用，使得数控机床的性能得到了很大的提高，其的应用范围也更加的广泛。

关键字：电主轴；数控机床；调速

1. 概述

数控机床具有高精度、高柔性和高效的特点；电机的转子直接用来当做数控机床的主轴，可以免去中间一系列的传动零部件，具有结构简单、效率高的优点。随着电主轴技术的进步，电主轴的转速从几千转每分到几万转每分；电主轴的直径从25mm到300mm；功率从几十千瓦到几百千瓦；扭矩范围最大可达300Nm。电主轴的结构紧凑、输出稳定、动态性能佳，并且对于数控机床的振动、噪声等方面的影响小。

2. 电主轴

所谓电主轴就是将电机的转子直接作为机床的主轴，主轴单元的壳体就是电机座，并配合其他安全保障措施，实现电机与机床主轴的一体化。电主轴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。

电主轴中所使用的轴承包括精密滚动轴承、液体动静压轴承、气体静压轴承和磁悬浮轴承等，但主要是精密角接触陶瓷球轴承和精密圆柱滚子轴承。角接触球轴承不但可同时承受径向和轴向载荷，而且刚度高，高速性能好，结构简单紧凑，品种规格繁多，便于维修更换，因而在电主轴中得到广泛的应用。随着陶瓷轴承技术的发展，应用最多的电主轴轴承是混合陶瓷球轴承，即滚动体使用Si3N4陶瓷球，采用“小珠密珠”结构，轴承套圈为GCr15钢圈。这种混合轴承通过减小离心力和陀螺力矩，来减小滚珠与沟道间的摩擦，从而获得较低的温升及较好的高速性能。

2.1 电主轴的润滑

对于电主轴来说，良好的润滑能够保证电主轴正常的工作。选用合理的轴承润滑方式不仅可以保证轴承的温度在规定范围内，而且可以以降低零部件的损耗，确保数控机床加工出来的产品达到要求。电主轴的润滑方式主要有脂润滑、油雾润滑和油气润滑等。实践表明在润滑中供油量过多或过少都是有害的，而前两种润滑方式均无法准确地控制供油量多少，不利于主轴轴承转速和寿命的提高。而新近发展起来的油气润滑方式则可以精确地控制各个摩擦点的润滑油量，可靠性极高。油气润滑技术是利用压缩空气将微量的润滑油分别连续不断地、精确地供给每一套主轴轴承，微小油滴在滚动和内、外滚道间形成弹性动压油膜，

而压缩空气则可带走轴承运转所产生的部分热量。实践证明，油气润滑是高速大功率电主轴轴承的最理想润滑方法，但其所需设备复杂，成本高。由于油气润滑方式润滑效果理想，目前已成为国际上最流行的润滑方式。

2.2 电主轴的冷却技术

电主轴有两个主要的内部热源：内置电动机的发热和主轴轴承的发热。如果不加以控制，由此引起的热变形会严重降低机床的加工精度和轴承使用寿命，从而导致电主轴的使用寿命缩短。电主轴由于采用内藏式主轴结构形式，位于主轴单元体中的电机不能采用风扇散热，因此，自然散热条件较差。电机在实现能量转换过程中，内部产生功率损耗，从而使电机发热。研究表明，在电机高速运转条件下，有近1/3的电机发热量由电机转子产生，并且转子产生的绝大部分热量都通过转子与定子间的气隙传人定子中；其余2/3的热量产生于电机的定子，所以，对电机产生发热的主要解决方法是对电机定子采用冷却液的循环流动来实行强制冷却。典型的冷却系统是用外循环水式冷却装置来冷却电机定子，将电机的热量带走。角接触球轴承的发热主要是滚子与滚道之间的滚动摩擦、高速下所受陀螺力矩产生的滑动摩擦以及润滑油的粘性摩擦等产生的。减小轴承发热量的主要措施：适当减小滚珠的直径，从而减小摩擦，减少发热量。采用合理的润滑方式，油气润滑方式对轴承不但具有润滑作用，还具有一定的冷却作用。

2.3电主轴的调速方法

在数控机床中，电主轴通常采用变频调速方法。目前，主要有普通变频驱动和控制、矢量控制驱动器的驱动和控制以及直接转矩控制三种控制方式。普通变频为标量驱动和控制，其驱动控制特性为恒转矩驱动，输出功率和转速成正比。普通变频控制的动态性能不够理想，在低速时控制性能不佳，输出功率不够稳定，也不具备C轴功能，但价格便宜、结构简单，一般用于磨床和普通的高速铣床等。矢量控制技术模仿直流电动机的控制，以转子磁场定向，用矢量变换的方法来实现驱动和控制，具有良好的动态性能。矢量控制驱动器在刚启动时具有很大的转矩值，加之电主轴本身结构简单，惯性很小，故启动加速度大，可以实现启动后瞬时达到允许极限速度。直接转矩控制是继矢量控制技术之后发展起来的又一种新型的高性能交流调速技术，其控制思想新颖，系统结构简洁明了，更适合于高速电主轴的驱动，更能满足高速电主轴高转速、宽调速范围、高速瞬间准停的动态特性和静态特性的要求，已成为交流传动领域的一个热点技术。

3. 小结

随着对电主轴研究的越来越深入，电主轴已经在机床制造业和工业生产中得到了广泛的应用。目前，欧美等国家开展电主轴技术的研究非常早，其电主轴的发展迅速，技术水平处于世界先进水平。随着数字技术和变频技术的不断进步，国外已经形成了有关电主轴的一系列标准。我国的电主轴技术也得到了一定的发展，但是水平和进度明显不如国外国家。我国目前应该着重研究具有功率和转矩大、调速范围大、以及快速、准确的定位等数字化电动主轴技术。

参考文献：

[1]吴玉厚.数控机床电主轴单元技术.机械工业出版社，2006.

[2]张瑜胜.电主轴在数控机床中的应用. 机械管理开发，2011

[3]李玉亭，李丽，李彦，陈长江.数控机床用电主轴. 机械研究与应用，2009