國內數控機床用電主軸系統的發展

一、概述

　　眾所周知，高速主軸系統歷來就是數控機床三大高新技術之一(高速主軸、數控系統、送給驅動)。 隨著數控技術及切削刀具的飛躍發展，越來越多的機械制造裝備都在不斷地向高速、高精、高效、高智能化發展，內裝式電主軸單元已成為最能適宜上述高性能工況的數控機床核心功能部件之一。尤其是在多軸聯動、多面體加工、并聯機床、復合加工機床等諸多先進產品中，內裝式電主軸單元的優異特點是其他類型主軸單元不能替代的。

　　據中國機床工具工業協會專項信息——EMO2003考察報告匯編介紹：2003年意大利米蘭歐洲國際機床展覽會中，大部分展出的加工中心均采用電主軸配置。其最高轉速普遍為12,000-20,000r/min。其中最高的是日本MAKINO銑床公司的J4M臥式加工中心，其配備的電主軸最高轉速可達60,000r/min。本次展會電主軸展品琳瑯滿目，具有不同檔次的技術性能，可選擇性較大。高速電主軸的最高轉速及功率、扭矩普遍提高。有的還采用了傳感技術對振動進行監測和診斷。瑞士的IBAG、Step-Tec、Flscher、Starrag-Heckert公司，德國的GMN、Cytec、INA，意大利的Gamfier、Omlat等公司的電主軸都各有特色。

　　我國大型數控銑、加工中心和數控車床實用型電主軸的開發始于1998年。洛陽軸研科技股份有限公司在“九五”期間，以國家重點科技攻關項目為依托，先后開發了裝備國產電機的、最高轉速為15,000r/min、12,000r/min。10,000r/min、 8,000r/min的內裝式電主軸，其最大扭矩為129Nm。

　　“十五”期間又繼續開展上述科技攻關工作。到2003年止，洛陽軸研科技股份有限公司又先后開發了用于高速數控銑的30,000r/min電主軸和用于加工中心的24,000r/min電主軸。同時又系列開發了轉速自5,000r/min到12,000r/min的數控車床用電主軸。與此同時，北京機床研究所數控機床有限公司也相繼開發了用日本FUNAC電機組裝的15,000r/min、20,000r/min電主軸。北京機電研究院、上海第二機床廠等單位，利用德國REXROTH的電機組裝成轉速高于10,000r/min的電主軸。北京第一機床廠和日本大隈合作也開發出轉速高于10,000r/min的電主軸。近期又有漢川機床廠，濟寧博特精密絲杠制造有限公司，大連金功機械有限公司等數家企業相繼投入開發電主軸單元的行列。

　　二、內裝式電主軸單元

　　電主軸單元應具備兩大基本特點：

　　1 裝有內裝式電機。
　　2 具備整齊的外形尺寸，以利于主機廠安裝使用。

　　用于大型數控銑、加工中心的內裝式電主軸單元(圖1)由主軸軸系1、內裝式電機2、支承及其潤滑系統3、冷卻系統4、松拉刀系統5(用于數控車床的是卡盤、油缸對接法蘭)、軸承自動卸載系統6、編碼器安裝調整系統7組成。


　　加工中心用電主軸結構簡圖

　　主軸軸系1是高速、高精度主軸的本體。為使主軸軸系在極寬的轉速范圍內正常平穩工作，必須對該軸系進行全面的軸系結構分析，找出該軸系的臨界轉速。使之工作轉速遠離其固有頻率。同時應對旋轉軸系的選材及熱處理工藝方案等加以詳細分析，以期獲得理想的尺寸穩定性。

　　主軸電機2用于接受驅動控制器提供的中頻電，并將其轉換成主軸的機械能。為適應數控機床在寬轉速范圍內，實現低速大扭矩的特殊性，大型數控銑、加工中心和數控車床用電主軸的電機通常被設計成恒功率控制的。

　　高轉速電主軸的支承3通常選用角接觸球軸承。轉速15,000r/min以下的電主軸軸承dn值一般小于800,000mmr/min，為方便用戶，通常使用脂潤滑。高轉速電主軸的軸承dn值大于800,000mmr/min，通常采用油氣潤滑。這樣可減輕油霧廢氣對環境的污染。超高速的電主軸建議選用陶瓷球混合型軸承，以提高滾動體的強度及耐熱性。

　　高速電主軸的轉軸上不能安裝風扇，其外殼是功能部件的安裝表面，也無法設置貫通的散熱筋。因此，必須設置必要的冷卻系統4，將電主軸運行過程中由電機和軸承座產生的熱量帶走，使電主軸在某一溫度上達到熱平衡。

　　用于數控銑及加工中心的電主軸由安裝在尾端的氣、液缸產生松刀力，經安放在轉軸內腔的松拉刀機構5，通過拉刀器來實現松拉刀。其拉刀器可視電主軸轉速及傳遞扭矩的不同選用HSK、卡爪、鋼球等不同型式。

　　用于車削的電主軸動力卡盤與動力回轉油缸分裝在電主軸的兩端，必須設置相應的裝配法蘭，使上述部件可靠、同軸地安裝在主軸上。

　　用于數控銑及加工中心的電主軸松刀時，尾端氣、液缸產生的強大松刀力項動松拉刀機構的拉桿向前運動，同時也使電主軸軸承承受強大的推力。為使電主軸軸承免遭損傷，應在電主軸上設計一套理想的卸載系統6。使松刀力轉換為轉軸的內力。

　　大型數控車、加工中心用電主軸需具備準停、準位。準速功能。必須在電主軸單元中安裝能實現速度反饋和傳遞位置信號的磁性編碼器。其鋼質碼盤應安裝在轉軸本體上，接受器應牢固地安裝在電主軸外殼上，同時應便于調整。

　　三、電主軸系統

　　由內裝式電主軸單元、驅動控制器、編碼器、通訊電纜、直流母線制動器組合成的，用以將電網電能變為電主軸單元的機械能，同時實現電主軸準停。準速、準位的系統稱之為電主軸系統。

　　常見的數控機床用電主軸系統的配置可由下列簡式來表述


　　大型數控銑(含并聯機構數控銑)、小型數控車(無軸定位)電主軸單元+開環式驅動控制器+直流母線能耗制動器。

　　電主軸系統品質的優劣是大型數控銑、加工中心、數控車品質優劣的關鍵之一。對閉環式配置的電主軸系統而言尤為重要。目前我國已能自行開發設計各類高速電主軸。但閉環式驅動控制器及高水平的編碼器尚不過關。選用優質的進口編碼器和驅動控制器來匹配我國自行開發的電主軸單元，從而組成電主軸系統，以供應國內數控機床之急需，從而降低主機成本，提高主機的市場競爭力是一條可行之路。2003年，洛陽軸研科技股份有限公司分別與德國博世-力士樂公司、德國AMK公司駐中國辦事處取得聯系，并成功地實現了Refu(力土樂)電源+Sumtak編碼器+ZYS 10,000r/min電主軸單元的聯配。為大面積推廣中西結合的電主軸系統創出了一條路。2003年7月洛陽軸研科技股份有限公司與德國博世-力士樂(中國有限公司)電子傳動與控制事業部達成聯合開發Indramat-ZYS電主軸系統品牌的協議。在協議的推動下首輪Indramat-ZYS數控機床用電主軸系統型譜已問世。由于國產電主軸單元同類型產品價格遠低于進口電主軸，故Indramat-ZYS電主軸系統價格也遠比進口系統低得多，從而為國產數控機床的發展提供了新的選擇。