數(shù)控機床電主軸的發(fā)展研究

齊男

摘 要：數(shù)控機床的電主軸是數(shù)控機床技術的發(fā)展核心，隨著我國工業(yè)化發(fā)展進程的加快和數(shù)控機床的普及，社會需求也越來越來大，近年來，數(shù)控機床的主軸開始向著高精度、高剛度和高速度發(fā)展，為了滿足這一發(fā)展趨勢，電主軸技術應運而生，我國的電主軸技術和國外相比還存在很多不同之處。本文主要探討了電主軸的結構和工作原理，并闡述了國內外電主軸的發(fā)展趨勢，同時將電主軸應用過程中可能使用的幾種電機進行了分析，希望能夠為我國的數(shù)控機床電主軸的發(fā)展創(chuàng)新提供借鑒。

關鍵詞：數(shù)控機床；電主軸；發(fā)展研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.040

數(shù)控機床的使用是為了提高機械制造業(yè)的生產(chǎn)率和生產(chǎn)質量，數(shù)控機床能夠集高精度、高效和高柔性為一體，增強機械加工的精度和速度，數(shù)控機床的優(yōu)勢使其越來越得到機械生產(chǎn)企業(yè)的重視，數(shù)控機床的高速數(shù)控機床的應用，顧名思義是為了提高加工的速度而創(chuàng)造的。其運行過程中需要高速主軸作為支撐，其適用性能能夠直接決定機床的加工速度和加工性能，其適用要求具有非常寬的恒功率運行范圍和連續(xù)輸出的高轉矩能力，這是電主軸的主要應用特性，現(xiàn)已被廣泛應用。

1 電主軸的結構和工作原理

電主軸是將主軸電動機和數(shù)控機床的主軸就進行結合形成的，主要的結合方式是通過交流高頻電動機實現(xiàn)的，也被稱為高頻主軸，主要的工作原理是將電動機安裝在主軸的內部進行驅動的，實現(xiàn)機電一體化的工作原理。和傳統(tǒng)的數(shù)控機床主軸相比，電主軸能夠直接進行電動機的內裝來實現(xiàn)驅動，減少了工作流程，并且其結構緊湊、噪聲小、機械的工作效率高、精度高、振動的幅度也比較小，更適合當前的數(shù)控機床工作要求。電主軸的工作主要是通過矢量控制和交流的變頻調速來實現(xiàn)的，其實處的功率較大，功率的轉矩特性也比較好，調整的范圍也更大，電主軸的結構簡單，移動產(chǎn)生的慣量也比較小，能夠實現(xiàn)加速度和高速的的準停。電主軸相對于普通的機床主軸來說能夠更好的實現(xiàn)數(shù)控機床的高速化，具有極強的動態(tài)性和穩(wěn)定性，電主軸應用的傳動環(huán)節(jié)不存在外力的作用，這能夠加強主軸運行的穩(wěn)定性，延長主軸的使用壽命。

2 電主軸技術的發(fā)展趨勢

最早的電主軸產(chǎn)生在機械制造的磨床上，因其優(yōu)秀的實用性能逐漸發(fā)展到了加工制造的過程中，隨著多年的發(fā)展和研究，電主軸的使用功率和品質都得到了很大的提升，國外的電主軸應用技術的研發(fā)時間更長，電主軸的主要單元發(fā)展也比較快，技術的水平一直處于領先水平。隨著世界信息化發(fā)展進程的加快，數(shù)字化和變頻技術得到了飛速的發(fā)展，并且形成了標準的機械生產(chǎn)線，高轉速的電動主軸也開始在機床發(fā)展和機械制造的過程中得到了廣泛的應用，并且國外的發(fā)展重心放在了功率、扭矩和調速范圍，用來實現(xiàn)快速的啟動、精準的定位和自動化對刀的高標準主軸單元制作。很多西方發(fā)達國家的數(shù)控機床電主軸發(fā)展水平，代表了世界的發(fā)展水平，其電主軸具有功率大、轉速高、高剛度軸承、加工精密的工藝水平。

3 電主軸的常用電機

（1）異步主軸電機。異步主軸電機是現(xiàn)在我國普通機床運行過程中普遍使用的主軸驅動，但異步調速的主軸電機在使用過程中存在著效率低、體積大、轉矩密度小、功率因數(shù)低等問題，除此之外，異步電機在進行低速下轉的過程中容易產(chǎn)生轉矩脈動，這種情況下會導致機床的下溫升高，并且其進行控制時的運算量非常龐大。但這一問題因為控制器的創(chuàng)新和發(fā)展，運算速度已經(jīng)得到了顯著的提升，這使異步電機的低速性得到了解決，異步主軸電機實現(xiàn)控制的方法主要有直接轉矩控制和矢量控制兩種，兩種控制方式經(jīng)實驗證明，都能夠達到運行控制的效果，并且已經(jīng)在機械制造過程中得到了應用。

（2）永磁同步電機。永磁同步電機在使用過程中具有轉子溫升低的優(yōu)勢，在低限速度的影響下，能夠自行作恒轉矩運行，并且轉矩的密度越高，轉動的慣量越小，動態(tài)的響應特性越好，跟現(xiàn)有的交流異步電動機相比，具有工作中的轉子不發(fā)熱、功率密度升高能夠縮小電主軸的徑向尺寸、轉子的轉速能夠與電源的頻率相同步，還能夠使用矢量控制的控制方式。但永磁同步電機的同步轉速有著需要遵守的標準值，這就對永磁同步電機的弱磁調速功能有了更高的適應能力，在弱磁的控制區(qū)間內，電壓通常處在極限值，很容易出現(xiàn)超出的情況，對轉矩產(chǎn)生較大的影響，這也是永磁同步電機的缺陷，并且該電機的制造成本也非常高，這對將經(jīng)濟效益作為主要考慮點的企業(yè)發(fā)展形式來說并不適用。

（3）其他形式的電機。數(shù)控機床在工作過程中，會使用到很多類型的電機，比如開關磁阻電機、同步磁阻電機等。如果使用開關磁阻電機來做主軸，數(shù)控機床的系統(tǒng)運行效率和輸出功率會得到很大的提升，開關磁阻的調速主軸會一直處在在規(guī)定的范圍內，這就使整體工作效率得到了很大的提高，這一優(yōu)勢在進行低轉速時能夠更加明顯。開關磁阻電機的溫度低，轉子無繞組，在進行該電機的使用過程中，熱耗的很大一部分都在定子上，很容易出現(xiàn)冷卻，但使用時也會出現(xiàn)轉矩脈動大、電機和控制器的成本高，構造復雜，維修困難等問題。同步磁阻電機的發(fā)展速度比較快，他的運行特征和普通的交流電子的定子比較相似，主要的構造材料是高導磁材料和絕緣材料，其運用能夠增加機床的主軸驅動性價比，其造價低、性能優(yōu)秀、容易控制、調速范圍廣，并且具有比較簡單的運算算法。

電主軸的電機選擇是多種多樣的，在實際應用過程中要結合使用環(huán)境進行最優(yōu)選擇。

4 總結

在我國的數(shù)控機床工作過程中，電主軸具有重量輕、結構緊湊和慣性小、動態(tài)性強的特征，能夠在使用時保證機床的平衡，減少振動情況的發(fā)生、避免出現(xiàn)噪音和污染，主要被應用到了高速的切削機床上。電主軸的出現(xiàn)使高速的制造加工成為了現(xiàn)實，并且開始逐漸的取代傳統(tǒng)的機床系統(tǒng)，電機的不同電主軸的驅動也會含有不同的優(yōu)勢，具體的應用情況是由加工對象來決定的，這就需要進行電機的選擇時格外的注意，當前我國的數(shù)控機床發(fā)展趨勢，使異步交流感應電機成為了主要的電主軸應用機型。

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