基于高速电主轴结构的数控机床分析

摘　要：本文叙述了高速电主轴的特点之后，依据简易结构图详细描述了其工作原理，然后分析高速电主轴因为结构紧凑而带来的一些重要技术问题，并且提出了相对应的解决方法。

　　关键词：高速电主轴；加工；数控机床

　　数控机床中用来表现机床主要性能的重要部件就是主轴。数控机床在当前情况下，大部分所用的主轴部件均为内置变频电动机。该种电动机是将机电集于一体，主轴和电动机的转子是成为一体的，并不需要通过任何机械进行连接。主轴转速的调节可以通过改变电动机的供电频率来实现。电主轴就是人们用来称呼这种系列化、模块化功能部件的代名词。这种电主轴的制造商必须具有丰富的经验，能够设计并制造出高速、高精准度以及变频调速的电主轴，并且是一家正规专业的生产公司，这样在电主轴方面质量才能够得到很好的保证。

　　1　高速电主轴特点

　　在高速运转状态下的电机主轴的工作形式是在主轴组件的内部装入主轴电机的定子以及转子，即将高速电机安装子精密主轴的内部，将电主轴中的电机转子作为主轴，电机的机座作为主轴的外壳，从而使得主轴和变频调速的电机能够一体化，主轴直接被电机所驱动，从而形成了电主轴。电主轴将电机到主轴传动链上的皮带和齿轮等所有中间环节进行了省略，主轴的运行动力直接来源于动力源，传动链的长度是零，这样就实现了主轴系统在机床上的零距离传动电主轴具备高精准度以及高转速、所产生的噪音小、体积相对较小、温度升高缓慢、安装运载方便等特点，是现今高档数控机床上主要且关键性的部件。其与早些年前应用在内圆磨床中的内装式电机的主轴的区别之处在于其将变频控速技术得到应用，电机主轴的驱动功率和转矩相对较大，除此之外其还具有一系列的监控系统，可以对主轴的振动和轴承温度参数进行检测控制。电主轴以及其驱动系统是一套技术含量较高的机电一体化产品，其所涉及的领域非常广泛，电机、驱动和控制、机械、润滑、热处理和振动等均包含在内，可以称其为是一套完整的、独立的智能型功能部件。

　　2　简易结构图与其工作原理

　　在机床的主轴与电动机主轴所组成的电主轴中，比较普遍采用的是高频率的交流电动机，亦将其称之为“高频主轴”。图1为电主轴结构的简易图，它的主要特点是在主轴的内部安装电动机装置，使其能够实现直接对主轴的驱动，从而使主轴和电动机成为一体。由无壳电机、主轴单元壳体、轴承、驱动模块、以及冷却装置和主轴等部件组成了电主轴。人们通常采用压配的方式将电机转子与主轴合成一体，利用前后轴承将主轴支撑起来。将电机中的定子安装在主轴的壳体中是通过冷却套来实现的。主轴驱动模块对主轴的运行速度进行控制，冷却装置对主轴单元内的温度升温情况进行制约。主轴后端所装的传感器用于对主轴速度的测量和角位移动的测量，前端则配有内锥孔与端面用来安装刀具。

1.电源接口；2.电动机反馈；3.后轴承；4.无外壳主轴电动机；5.主轴；6.主轴箱体；7.前轴承

图1 电主轴的简易结构图

　　电主轴的工作原理是通过改变输入电动机中的定子绕组的电流频率以及励磁电压的变化来取得不同的转速，其工作原理与普通的异步电动机的工作原理基本上是相同的。在提速与制动的过程中，为了有效的避免电动机的温度升温过高，可以通过对电主轴工作频率的改变来控制电主轴的加速和减速。因为电动机中输入定子的三相交流电决定了其旋转磁场的方向，所以要想实现对电主轴的旋转方向的改变，可以通过对电主轴输入电流的相序的改变来实现。

　　3　掌握重要技术

　　在图1中大家可以看到，电主轴的结构相当紧密，并且其都是在高速运转中进行工作，因此如何能够有效控制其工作所发热量是其的关键技术所在。

　　电主轴的温度主要体现在两大热源：一个是内部安置的电动机，另一个则是主轴轴承所发出的热量。分析以及检测的结果表现出转子的温度可以达到140℃～160℃，定子的温度则会达到45℃～85℃。为了有效快速的使高速转动中的电主轴降温，通常条件下会对电主轴的外壁灌注循环冷却剂，使其严格控制在一个恒定温度内。我们现在将德国CyTec公司的CySpeed系列高速电主轴作为例子，这种电主轴的功率范围在10kW～60kW之间，最大转速可以达到8000～40000r/min。它可以具备4种不同功能的冷却回路。

　　3.1主轴冷却

　　为了减少主轴前端的伸长程度以及对主轴轴承的保护而采用了主轴冷却回路。主轴冷却回路无论主轴的转速多大，其都可以保持主轴的温度为一定值，从而确保电动机发热的温度不会影响到主轴的精确度。

　　3.2电动机冷却

　　为了使主轴部件的外壳部分的温度与室温相一致，从而采用了电动机冷却回路，其可以增加电动机的对外散热功能，进而达到预期的目的。

　　3.3刀具内孔冷却

　　刀具内孔冷却法是冷却液在80kPa的压力情况下，通过旋转分配器中间的孔道，打开刀具内孔的单向阀门，从刀具的刀柄中间孔而喷出。为了达到给高速转动主轴快速散热的目的，人们常用的方式是通过在电主轴的外壁使用循环冷却剂，从而吸收电动机产生的热量并将其带走，确保电主轴外壳的温度均匀分布。人们所采用冷却装置的目的是为了确保冷却剂的温度，而通常电主轴所用的冷却剂是水。当电主轴处于最高速运转时，其所产生的噪音应该低于70Db～75Db（A）。

　　从以上的分析可以看出，电主轴能够较好的满足超高速加工对主轴的技术要求，并且将来的实际工作中传统的机床主轴系统必将被电主轴所取代。

　　参考文献

　　[1]陈燕林.高速电主轴技术的研究现状与发展[J]．机械研究与应用，2004，17（8）：10.

　　[2]熊万里．高速大功率精密电主轴中的关键技术[J]．组合机床与自动化加工技术，2002（5）：20.

来源：《科技资讯》2012年第19期