楚雪平， 申曉龍

（1.河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河南 鄭州 450046； 2.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410208）

0 引言

隨著直接轉(zhuǎn)矩控制和電機(jī)矢量等變頻調(diào)速技術(shù)快速發(fā)展， 高轉(zhuǎn)速數(shù)控加工中心機(jī)床傳動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)極大簡(jiǎn)化，取消了傳統(tǒng)繁瑣復(fù)雜皮帶輪傳動(dòng)和常規(guī)齒輪的傳動(dòng)，高性能高轉(zhuǎn)速數(shù)控微主軸單元系統(tǒng)已成為現(xiàn)代加工中心機(jī)床主要關(guān)鍵部件， 高轉(zhuǎn)速電主軸單元一般可按應(yīng)用領(lǐng)域、電機(jī)類型、支撐軸承型式及潤(rùn)滑冷卻方式分類[1]。

數(shù)控銑削用電主軸通常可與數(shù)控銑床、 加工中心機(jī)床或雕銑機(jī)床配套， 加工中心機(jī)床電主軸帶有自動(dòng)松拉刀系統(tǒng)，其電主軸采用閉環(huán)編碼控制并具有準(zhǔn)停功能，選用油氣潤(rùn)滑或高速油脂潤(rùn)滑減少對(duì)環(huán)境污染[2-3]。 高速電主軸的內(nèi)置電機(jī)是與主軸一體零傳動(dòng)， 能將主傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減到最小， 并可在極短時(shí)間滿足高轉(zhuǎn)速的速度改變，同時(shí)由于電動(dòng)機(jī)安放在主軸兩支承之間，提高了主軸系統(tǒng)剛度，臨界轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)固有頻率，避免高速共振、提高主軸軸承壽命。

1 高轉(zhuǎn)速微主軸單元關(guān)鍵技術(shù)

1.1 高轉(zhuǎn)速微主軸支撐軸承型式

高轉(zhuǎn)速數(shù)控中心機(jī)床微電主軸支撐軸承通常是采用精密高速軸承，軸承的動(dòng)態(tài)承載負(fù)荷強(qiáng)，一般有流體動(dòng)（靜）壓力軸承、磁懸浮軸承等[4-5]。 主軸支撐軸承的組配方式，需同時(shí)滿足承受軸向和徑向載荷的工作情況， 一般常采用成對(duì)角接觸軸承組成限位支承，依據(jù)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、切削載荷大小和方向及工作布置型式， 介紹以下二種常用方式。

圖1 為前后二端單列角接觸軸承示意圖， 僅適合于負(fù)載小的磨削用電主軸。 圖2 為前端兩列角接觸軸承與后端單列滾柱軸承組合示意圖，具有高轉(zhuǎn)速、高剛度，定位精度和旋轉(zhuǎn)精度高的特點(diǎn)， 且又滿足結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的優(yōu)點(diǎn)[6]。

圖1 二端單列角接觸軸承示意圖

圖2 兩列角接觸軸承與單列滾柱軸承組合示意圖

主軸角接觸軸承一般要預(yù)加軸向載荷， 適量的預(yù)緊和預(yù)加載荷可消除軸承的軸向和徑向游隙（或稱軸承內(nèi)部負(fù)游隙狀態(tài)），提高主軸軸承剛性、旋轉(zhuǎn)精度和抗振性，提高運(yùn)行可靠性、抑制振動(dòng)和打滑并延長(zhǎng)軸承使用壽命[7]。理論上可以采用彈性預(yù)加載荷裝置， 需要依據(jù)電主軸的負(fù)載情況和轉(zhuǎn)速變化來(lái)選擇最佳預(yù)加軸向載荷值， 近年來(lái)出現(xiàn)了一種新型的可調(diào)整預(yù)加載荷裝置， 它通過(guò)改變氣壓或油壓的壓力值適應(yīng)不同轉(zhuǎn)速的最佳預(yù)加載荷[8]。

1.2 磁懸浮軸承主軸支撐

磁懸浮軸承支撐主軸是利用磁性原理通過(guò)可控電磁力， 將轉(zhuǎn)軸非接觸地懸浮于空間的一種新型高性能機(jī)電耦合軸承，由于轉(zhuǎn)軸與定子間沒(méi)有機(jī)械接觸、無(wú)摩損，不需潤(rùn)滑及密封，主軸可達(dá)極高轉(zhuǎn)速。

磁懸浮軸承主要由電磁鐵、傳感器、控制器、功率放大器及被控制對(duì)象（轉(zhuǎn)子）等組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，見(jiàn)圖3， 其工作過(guò)程是傳感器在線獲得控制對(duì)象位置信息，控制器產(chǎn)生控制信號(hào)經(jīng)功率放大器電流推動(dòng)電磁鐵，產(chǎn)生與被控制對(duì)象等價(jià)電磁力，從而將控制對(duì)象浮懸在空間平衡位置處[9-10]。

圖3 磁懸浮軸承主軸支撐圖

1.3 流體動(dòng)（靜）壓力軸承主軸支撐

空氣靜壓軸承（又稱氣浮軸承）指是用空氣作為潤(rùn)滑介質(zhì)的滑動(dòng)軸承， 壓縮氣體經(jīng)過(guò)節(jié)流器后進(jìn)入軸承間隙，空氣彈性勢(shì)能形成的潤(rùn)滑氣膜具有一定承載能力和剛度，主軸因載荷出現(xiàn)的偏心和自重建立起軸承相應(yīng)的剛性和承載， 從而能將轉(zhuǎn)軸浮起在軸承中，見(jiàn)圖4。氣體與液體相比時(shí)，粘度只有液體的千分之一，同時(shí)氣體具有可壓縮的特點(diǎn)，空氣靜壓軸承電主軸的轉(zhuǎn)速可達(dá)150000～220000r/min[11-12]。

圖4 空氣靜壓軸承

液體靜壓軸承是指靠外部供給壓力油， 在軸承內(nèi)建立靜壓承載油膜以實(shí)現(xiàn)液體潤(rùn)滑， 液體靜壓軸承從起動(dòng)到停止始終在液體潤(rùn)滑下工作，軸承具有旋轉(zhuǎn)精度高、轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)、油膜剛度大、能抑制油膜振蕩、無(wú)振動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，在極低甚至為零的速度下也能應(yīng)用。

液體動(dòng)壓軸承是依靠液體潤(rùn)滑劑動(dòng)壓力形成液膜從而隔開兩摩擦表面并承受載荷，潤(rùn)滑劑是被兩摩擦面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)帶入摩擦面之間的。液體動(dòng)壓軸承啟動(dòng)和停車時(shí)，因速度較低還不能形成足夠隔開兩摩擦表面的油膜易出現(xiàn)磨損，所以液體動(dòng)壓軸承要求軸瓦和軸頸配合表面幾何形狀光滑正確， 在安裝時(shí)精確對(duì)中[13-14]。 液體動(dòng)（靜）壓主軸以液態(tài)油膜作為支撐，有著顯著誤差均化和阻尼減震性， 液體動(dòng)靜壓電主軸難點(diǎn)在控制高速時(shí)主軸溫升及熱變形。

1.4 主軸控制技術(shù)及潤(rùn)滑冷卻技術(shù)

電主軸電機(jī)的矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)屬于高性能交流調(diào)速系統(tǒng)。 矢量控制方法理論上一般具有低速恒轉(zhuǎn)矩、中高速恒功率的特點(diǎn)，實(shí)際驅(qū)動(dòng)控制中矢量控制驅(qū)動(dòng)器在高速端轉(zhuǎn)矩和功率均會(huì)略有下降， 閉環(huán)矢量控制驅(qū)動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)電主軸的C 軸功能和定向停止功能。 直接轉(zhuǎn)矩控制是以轉(zhuǎn)矩直接作為被控量進(jìn)行綜合控制的，其本質(zhì)是利用空間矢量對(duì)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制，直接轉(zhuǎn)矩控制具有對(duì)電主軸電機(jī)參數(shù)變化不敏感、轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)特性快速響應(yīng)的特點(diǎn)。

高速電主軸發(fā)熱主要集中在定轉(zhuǎn)子和軸承的摩擦發(fā)熱，潤(rùn)滑和冷卻系統(tǒng)的關(guān)系緊密，潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)及性能好，也就相應(yīng)減輕了冷卻系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。 電機(jī)與軸承冷卻常采用冷卻流體的對(duì)流、定子冷卻常采用外部冷卻套來(lái)實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子冷卻一般通過(guò)潤(rùn)滑油流動(dòng)帶走熱量。 高速電主軸的潤(rùn)滑主要有四種方式，即①油脂潤(rùn)滑；②油氣潤(rùn)滑；③油霧潤(rùn)滑；④噴油潤(rùn)滑。 其中油氣潤(rùn)滑是一種氣液兩相流體冷卻潤(rùn)滑的新型潤(rùn)滑技術(shù)，潤(rùn)滑油經(jīng)分配閥定時(shí)（間歇）、定量（微量）地供給最佳精細(xì)微量的連續(xù)油滴噴射到潤(rùn)滑位置，在潤(rùn)滑部位維持一定正壓，起到良好的密封效果[6]。

圖5 壓力恒定液體靜壓軸承

圖6 油氣潤(rùn)滑原理系統(tǒng)示意圖

2 數(shù)控微主軸單元設(shè)計(jì)與計(jì)算

高速加工中心主軸調(diào)速通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，電主軸調(diào)速方法常用變頻電動(dòng)機(jī)控制變壓變頻調(diào)速。

2.1 數(shù)控微主軸單元設(shè)計(jì)

2.1.1 主軸變頻器及冷卻方式選擇

普通變頻是通過(guò)標(biāo)量驅(qū)動(dòng)和控制， 由于其控制動(dòng)態(tài)性能不理想，輸出功率不穩(wěn)定，因而較少使用。 矢量控制是一種類似直流電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)方式， 以矢量變換方法實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)與控制，矢量控制驅(qū)動(dòng)低頻轉(zhuǎn)矩增大、啟動(dòng)加速度大，可實(shí)現(xiàn)位置速度反饋、控制靈活，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好。直接轉(zhuǎn)矩控制利用電壓空間矢量控制技術(shù)方法，由于利用定子磁場(chǎng)定向、PWM 信號(hào)對(duì)逆變器可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制，因而具有高轉(zhuǎn)速、寬調(diào)速范圍、高速瞬間準(zhǔn)停的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性的特點(diǎn)， 是一種更適合高速電主軸的新型高性能交流調(diào)速技術(shù)[6]。

主軸變頻器選擇需要根據(jù)控制方式， 結(jié)合電動(dòng)機(jī)規(guī)格指標(biāo)參數(shù)（如：額定功率、額定轉(zhuǎn)速、額定電流、額定電壓、額定頻率等），依據(jù)電壓匹配、容量充足，變頻器額定電流應(yīng)不低于其電動(dòng)機(jī)相應(yīng)額定電流等原則， 選取適當(dāng)?shù)淖冾l器型號(hào)。

一般電主軸的基本結(jié)構(gòu)型式是主電機(jī)放置于主軸前后支撐軸承之間， 對(duì)數(shù)控微主軸單元的小型高速數(shù)控機(jī)床， 為滿足減小電主軸前端徑向尺寸和好的散熱條件要求，通常將主軸箱和主電動(dòng)機(jī)做軸向的同軸布置，即主電機(jī)置于主軸后軸承之后。

由于電主軸兩個(gè)主要熱源是內(nèi)置高速主電動(dòng)機(jī)和主軸軸承， 因而冷卻方式選擇要尤其先考慮內(nèi)置高速主電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱問(wèn)題。因電機(jī)由鐵芯和繞組等組成，而繞組通電損耗就會(huì)產(chǎn)生銅損；電流不標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)產(chǎn)生諧波損耗；另鐵芯有磁滯引發(fā)渦流效應(yīng)， 在交變磁場(chǎng)中會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生鐵損。 這些銅損、鐵損常以熱的形式表現(xiàn)，它們約占電主軸總發(fā)熱量的2/3，嚴(yán)重影響電動(dòng)機(jī)的效率。 為能將產(chǎn)生的熱量及時(shí)傳導(dǎo)出去， 常用有空氣強(qiáng)制對(duì)流換熱和循環(huán)液體冷卻二種冷卻方式，這也是當(dāng)今電主軸設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

2.1.2 主軸軸承選型與電主軸參數(shù)的計(jì)算

電主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)承受很大的軸向和徑向切削力，主軸軸承性能要求其具有較低的溫升和高的回轉(zhuǎn)精度，并要有較高的軸向和徑向剛度，使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。 電主軸按所用軸承的不同，常有滾動(dòng)軸承電主軸、液體靜壓軸承電主軸和磁懸浮軸承電主軸三種結(jié)構(gòu)型式。高速電主軸滾動(dòng)軸承通常選用既可承受軸向載荷也可同時(shí)承受徑向載荷的精密角接觸陶瓷軸承， 這種陶瓷球軸承具有質(zhì)量小、熱膨脹系數(shù)小、耐高溫、硬度高等特點(diǎn)，其在超高溫時(shí)也有著尺寸穩(wěn)定、非磁性、耐腐蝕、彈性模量高等優(yōu)點(diǎn)[6]。

（1）液體靜壓軸承。 液體靜壓力支承外載荷，形成足夠壓力潤(rùn)滑油膜將軸頸浮起， 靜壓軸承油膜具有均化誤差作用，精度保持性好。液體靜壓軸承系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括合理選擇軸承、節(jié)流器、液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和確定各有關(guān)參數(shù)等。

液體靜壓軸承設(shè)計(jì)的一般步驟是： ①選擇軸承的結(jié)構(gòu)形式； ②確定主軸支承數(shù)目； ③選擇節(jié)流器的結(jié)構(gòu)形式；④設(shè)計(jì)計(jì)算確定軸承結(jié)構(gòu)尺寸等；⑤計(jì)算油腔有效承載面積等；⑥選擇節(jié)流比、供油壓力、潤(rùn)滑油等；⑦計(jì)算軸承流量、驗(yàn)算油膜剛度和承載能力；⑧計(jì)算油泵功率和摩擦功率；⑨選擇油泵規(guī)格、設(shè)計(jì)供油系統(tǒng)。

（2）磁懸浮軸承。 磁懸浮軸承（又稱磁力軸承），功耗很小，僅為普通滑動(dòng)軸承的1/100～1/10。 可通過(guò)電子系統(tǒng)控制軸的位置，調(diào)節(jié)軸承阻尼與剛度，其轉(zhuǎn)子有良好動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性能?，F(xiàn)在隨著電子控制技術(shù)的不斷發(fā)展，磁懸浮軸承的應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大，可靠性越來(lái)越高。磁力軸承一般可分為以下五種： ①有源型磁力軸承； ②無(wú)源型磁力軸承；③有源無(wú)源混合型磁力軸承；④永磁型磁力軸承；⑤激勵(lì)型磁力軸承。

磁懸浮軸承選擇時(shí)應(yīng)注意： 無(wú)源型磁力軸承至少在一個(gè)方向上要采用有源型， 有源型與無(wú)源型相比其剛度高、響應(yīng)速度快、功耗小，可實(shí)現(xiàn)5 個(gè)自由度控制，但需要外控回路； 有源型磁力軸承一般具有敏感偏心變化位置傳感器和伺服控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。 激勵(lì)型磁力軸承配有控制系統(tǒng)或調(diào)諧電路，承載能力大、穩(wěn)定性好、應(yīng)用廣泛，但功耗較高。

2.1.3 電主軸參數(shù)計(jì)算

電主軸參數(shù)主要包括有：主軸直徑、主軸懸伸量、主軸跨距及電主軸選型等。

主軸直徑?jīng)Q定了主軸剛度和機(jī)床加工能力； 主軸懸伸量主要取決主軸端部結(jié)構(gòu)型式和尺寸、 前支承軸承配置形式及密封裝置。

主軸跨距的計(jì)算：當(dāng)主軸端部受切削力F 作用時(shí)，主軸和軸承都會(huì)產(chǎn)生變形，引起主軸軸端位移，該位移y 是由主軸本體在軸端的彎曲變形y1和因軸承變形而引發(fā)主軸的端部位移y2的相應(yīng)疊加， 故主軸軸端的總位移y 計(jì)算如下：

式中：y1—?jiǎng)傂灾蔚膹椥灾鬏S端的擾度；y2—彈性支撐的剛性主軸軸端位移；a—主軸懸伸量；KA、KB——前、后支撐的彈性變形。

反復(fù)迭代求取主軸跨距L：

電主軸選型：電主軸電機(jī)基本參數(shù)一般指額定功率、額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩、變速范圍。電主軸選型方法與流程是根據(jù)切削條件→選擇電主軸類別→計(jì)算功率/轉(zhuǎn)速→確定主軸軸徑→依據(jù)最高轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)速、額定功率和軸徑確定電主軸型號(hào)等。

2.2 數(shù)控微主軸單元簡(jiǎn)化及剛度計(jì)算

根據(jù)主軸組件的工作和受力情況， 可以先將數(shù)控微主軸組件模型近似簡(jiǎn)化為一個(gè)截面均勻的簡(jiǎn)支梁來(lái)進(jìn)行計(jì)算。 見(jiàn)圖7。

圖7 主軸單元前后為雙列圓柱滾子軸承受力模型圖

主軸前后軸頸部分一般由數(shù)段不同直徑、長(zhǎng)度組成，其當(dāng)量直徑d 為

圖8 主軸單元前為雙列圓柱滾子、后為三聯(lián)角接觸球軸承受力模型圖

將主軸單元模型計(jì)算數(shù)據(jù)與測(cè)試實(shí)物或同類型樣本給出數(shù)據(jù)對(duì)比，判斷選用是否合理適當(dāng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

高速電主軸是高度機(jī)電一體化的數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵核心功能部件，具有轉(zhuǎn)速高、功率大，能控制主軸溫升和振動(dòng)等運(yùn)行參數(shù)，成為承載高速切削技術(shù)的主體之一，采用變頻調(diào)速、矢量控制、功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)可以改善電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的效率。在控制系統(tǒng)方面，大多數(shù)高速電主軸生產(chǎn)企業(yè)采用了矢量控制，對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用直接轉(zhuǎn)矩控制、定子優(yōu)化控制、自適應(yīng)控制等措施。 選用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、轉(zhuǎn)矩密度高、 控制精度高的永磁電動(dòng)機(jī)代替感應(yīng)電動(dòng)機(jī)也成為了電主軸發(fā)展的重要方向。

本文在分析高速數(shù)控電主軸變頻調(diào)速技術(shù)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，說(shuō)明了其結(jié)構(gòu)上的主要特點(diǎn)及應(yīng)用。從高轉(zhuǎn)速微主軸支撐軸承型式、磁懸浮軸承主軸支撐、流體動(dòng)（靜）壓力軸承主軸支撐、 主軸控制技術(shù)及潤(rùn)滑冷卻技術(shù)等高轉(zhuǎn)速微主軸單元關(guān)鍵技術(shù)上進(jìn)行分析；并對(duì)主軸變頻器及冷卻方式選擇、主軸軸承選型與電主軸參數(shù)的計(jì)算、數(shù)控微主軸單元簡(jiǎn)化及剛度計(jì)算， 可將計(jì)算出數(shù)據(jù)與實(shí)物測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比，來(lái)判定是否合理。