齊男

摘 要：數(shù)控機(jī)床的電主軸是數(shù)控機(jī)床技術(shù)的發(fā)展核心，隨著我國(guó)工業(yè)化發(fā)展進(jìn)程的加快和數(shù)控機(jī)床的普及，社會(huì)需求也越來(lái)越來(lái)大，近年來(lái)，數(shù)控機(jī)床的主軸開(kāi)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(shì)，電主軸技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，我國(guó)的電主軸技術(shù)和國(guó)外相比還存在很多不同之處。本文主要探討了電主軸的結(jié)構(gòu)和工作原理，并闡述了國(guó)內(nèi)外電主軸的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)將電主軸應(yīng)用過(guò)程中可能使用的幾種電機(jī)進(jìn)行了分析，希望能夠?yàn)槲覈?guó)的數(shù)控機(jī)床電主軸的發(fā)展創(chuàng)新提供借鑒。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；電主軸；發(fā)展研究

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

數(shù)控機(jī)床的使用是為了提高機(jī)械制造業(yè)的生產(chǎn)率和生產(chǎn)質(zhì)量，數(shù)控機(jī)床能夠集高精度、高效和高柔性為一體，增強(qiáng)機(jī)械加工的精度和速度，數(shù)控機(jī)床的優(yōu)勢(shì)使其越來(lái)越得到機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)的重視，數(shù)控機(jī)床的高速數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用，顧名思義是為了提高加工的速度而創(chuàng)造的。其運(yùn)行過(guò)程中需要高速主軸作為支撐，其適用性能能夠直接決定機(jī)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(yùn)行范圍和連續(xù)輸出的高轉(zhuǎn)矩能力，這是電主軸的主要應(yīng)用特性，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用。

1 電主軸的結(jié)構(gòu)和工作原理

電主軸是將主軸電動(dòng)機(jī)和數(shù)控機(jī)床的主軸就進(jìn)行結(jié)合形成的，主要的結(jié)合方式是通過(guò)交流高頻電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)的，也被稱為高頻主軸，主要的工作原理是將電動(dòng)機(jī)安裝在主軸的內(nèi)部進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的工作原理。和傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床主軸相比，電主軸能夠直接進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的內(nèi)裝來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，減少了工作流程，并且其結(jié)構(gòu)緊湊、噪聲小、機(jī)械的工作效率高、精度高、振動(dòng)的幅度也比較小，更適合當(dāng)前的數(shù)控機(jī)床工作要求。電主軸的工作主要是通過(guò)矢量控制和交流的變頻調(diào)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其實(shí)處的功率較大，功率的轉(zhuǎn)矩特性也比較好，調(diào)整的范圍也更大，電主軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，移動(dòng)產(chǎn)生的慣量也比較小，能夠?qū)崿F(xiàn)加速度和高速的的準(zhǔn)停。電主軸相對(duì)于普通的機(jī)床主軸來(lái)說(shuō)能夠更好的實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的高速化，具有極強(qiáng)的動(dòng)態(tài)性和穩(wěn)定性，電主軸應(yīng)用的傳動(dòng)環(huán)節(jié)不存在外力的作用，這能夠加強(qiáng)主軸運(yùn)行的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)主軸的使用壽命。

2 電主軸技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

最早的電主軸產(chǎn)生在機(jī)械制造的磨床上，因其優(yōu)秀的實(shí)用性能逐漸發(fā)展到了加工制造的過(guò)程中，隨著多年的發(fā)展和研究，電主軸的使用功率和品質(zhì)都得到了很大的提升，國(guó)外的電主軸應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)時(shí)間更長(zhǎng)，電主軸的主要單元發(fā)展也比較快，技術(shù)的水平一直處于領(lǐng)先水平。隨著世界信息化發(fā)展進(jìn)程的加快，數(shù)字化和變頻技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，并且形成了標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械生產(chǎn)線，高轉(zhuǎn)速的電動(dòng)主軸也開(kāi)始在機(jī)床發(fā)展和機(jī)械制造的過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用，并且國(guó)外的發(fā)展重心放在了功率、扭矩和調(diào)速范圍，用來(lái)實(shí)現(xiàn)快速的啟動(dòng)、精準(zhǔn)的定位和自動(dòng)化對(duì)刀的高標(biāo)準(zhǔn)主軸單元制作。很多西方發(fā)達(dá)國(guó)家的數(shù)控機(jī)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(zhuǎn)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(jī)

（1）異步主軸電機(jī)。異步主軸電機(jī)是現(xiàn)在我國(guó)普通機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中普遍使用的主軸驅(qū)動(dòng)，但異步調(diào)速的主軸電機(jī)在使用過(guò)程中存在著效率低、體積大、轉(zhuǎn)矩密度小、功率因數(shù)低等問(wèn)題，除此之外，異步電機(jī)在進(jìn)行低速下轉(zhuǎn)的過(guò)程中容易產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，這種情況下會(huì)導(dǎo)致機(jī)床的下溫升高，并且其進(jìn)行控制時(shí)的運(yùn)算量非常龐大。但這一問(wèn)題因?yàn)榭刂破鞯膭?chuàng)新和發(fā)展，運(yùn)算速度已經(jīng)得到了顯著的提升，這使異步電機(jī)的低速性得到了解決，異步主軸電機(jī)實(shí)現(xiàn)控制的方法主要有直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制兩種，兩種控制方式經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，都能夠達(dá)到運(yùn)行控制的效果，并且已經(jīng)在機(jī)械制造過(guò)程中得到了應(yīng)用。

（2）永磁同步電機(jī)。永磁同步電機(jī)在使用過(guò)程中具有轉(zhuǎn)子溫升低的優(yōu)勢(shì)，在低限速度的影響下，能夠自行作恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，并且轉(zhuǎn)矩的密度越高，轉(zhuǎn)動(dòng)的慣量越小，動(dòng)態(tài)的響應(yīng)特性越好，跟現(xiàn)有的交流異步電動(dòng)機(jī)相比，具有工作中的轉(zhuǎn)子不發(fā)熱、功率密度升高能夠縮小電主軸的徑向尺寸、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)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(jī)的同步轉(zhuǎn)速有著需要遵守的標(biāo)準(zhǔn)值，這就對(duì)永磁同步電機(jī)的弱磁調(diào)速功能有了更高的適應(yīng)能力，在弱磁的控制區(qū)間內(nèi)，電壓通常處在極限值，很容易出現(xiàn)超出的情況，對(duì)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大的影響，這也是永磁同步電機(jī)的缺陷，并且該電機(jī)的制造成本也非常高，這對(duì)將經(jīng)濟(jì)效益作為主要考慮點(diǎn)的企業(yè)發(fā)展形式來(lái)說(shuō)并不適用。

（3）其他形式的電機(jī)。數(shù)控機(jī)床在工作過(guò)程中，會(huì)使用到很多類型的電機(jī)，比如開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、同步磁阻電機(jī)等。如果使用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)來(lái)做主軸，數(shù)控機(jī)床的系統(tǒng)運(yùn)行效率和輸出功率會(huì)得到很大的提升，開(kāi)關(guān)磁阻的調(diào)速主軸會(huì)一直處在在規(guī)定的范圍內(nèi)，這就使整體工作效率得到了很大的提高，這一優(yōu)勢(shì)在進(jìn)行低轉(zhuǎn)速時(shí)能夠更加明顯。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的溫度低，轉(zhuǎn)子無(wú)繞組，在進(jìn)行該電機(jī)的使用過(guò)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(shí)也會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大、電機(jī)和控制器的成本高，構(gòu)造復(fù)雜，維修困難等問(wèn)題。同步磁阻電機(jī)的發(fā)展速度比較快，他的運(yùn)行特征和普通的交流電子的定子比較相似，主要的構(gòu)造材料是高導(dǎo)磁材料和絕緣材料，其運(yùn)用能夠增加機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)性價(jià)比，其造價(jià)低、性能優(yōu)秀、容易控制、調(diào)速范圍廣，并且具有比較簡(jiǎn)單的運(yùn)算算法。

電主軸的電機(jī)選擇是多種多樣的，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中要結(jié)合使用環(huán)境進(jìn)行最優(yōu)選擇。

4 總結(jié)

在我國(guó)的數(shù)控機(jī)床工作過(guò)程中，電主軸具有重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊和慣性小、動(dòng)態(tài)性強(qiáng)的特征，能夠在使用時(shí)保證機(jī)床的平衡，減少振動(dòng)情況的發(fā)生、避免出現(xiàn)噪音和污染，主要被應(yīng)用到了高速的切削機(jī)床上。電主軸的出現(xiàn)使高速的制造加工成為了現(xiàn)實(shí)，并且開(kāi)始逐漸的取代傳統(tǒng)的機(jī)床系統(tǒng)，電機(jī)的不同電主軸的驅(qū)動(dòng)也會(huì)含有不同的優(yōu)勢(shì)，具體的應(yīng)用情況是由加工對(duì)象來(lái)決定的，這就需要進(jìn)行電機(jī)的選擇時(shí)格外的注意，當(dāng)前我國(guó)的數(shù)控機(jī)床發(fā)展趨勢(shì)，使異步交流感應(yīng)電機(jī)成為了主要的電主軸應(yīng)用機(jī)型。

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