数控金切机床的高速主轴系统(1)

2004yyyy

　　高速主轴系统及其驱动器
　　数控金切机床的高速主轴系统，顾名思义是具有高回转速度，但这并无严格的界限。对作为高速切削机床代表的加工中心和数控铣床而言，一般是指最高转速≥10,000r/min的主轴系统，并相应具有高的角加(减)速度，以实现主轴的瞬时升降速与起停。为适应制造业对机床加工精度愈来愈高的要求，高速切削主轴还应有较高的回转精度，通常要求主轴的径向跳动小于1或2µm，轴向窜动小于1µm。此外，主轴也要有足够的静、动刚度，以承受一定的切削负荷和保持高的回转精度。
1 U, Q! W5 c+ ^　　传统的主轴系统包含皮带、齿轮等中间传动环节，不仅转动惯量大，难于实现高的角加(减)速度，而且高速时也难于解决中间传动环节出现的振动和噪声。因此，现在的高速主轴系统大多是把电动机与主轴“合二而一”、将传动链缩短为零的电主轴单元，结构上基本是把主电动机置于主轴前后轴承之间。这样的电主轴，轴向尺寸较短，结构紧凑，主轴刚度高，出力较大。图1所示德国GMN公司用于加工中心和数控铣床的电主轴就是这种结构，其轴承是适合高速运转的精密角接触球轴承(一般相当于国际标准P2和P4级)，所有关键零件都必须进行精密加工和精密装配，同时还要用恒温冷却水(GMN为23±0.7℃甚至±0.3℃)对主电机的定子和前后轴承进行冷却。GMN用于加工中心和数控铣床的电主轴共有20几种型号，最高转速从8000r/min到60000r/min，功率从5.5kW到76kW，扭矩从0.9Nm到306Nm。
# N- t5 j& W% K. a/ v2 ~, E6 T# u　　现在，也有极少数高速轻切削铣床，使用将主电机置于主轴后轴承之后的电主轴。这种结构的电主轴轴向尺寸长，但可改进散热条件。此外，某些主轴最高转速在10000r/min至15000r/min的加工中心和铣床，不是采用电主轴而是通过薄膜式之类的联轴节，将主电动机与主轴直接连接，从而省去主轴冷却系统。不过，此方式既增加了转动惯量，影响角加(减)速度，而且两者直连后的非直线性又会引起振动(转速愈高对直线性的调准要求也愈高)，故不宜用于主轴转速更高的机床。
4 q7 B& K. C4 P2 u7 P/ t7 z7 d& L　　当前的高速电主轴，几乎都是内置异步交流感应电动机。异步型电主轴的优点是结构较简单，制造工艺相对成熟和安装方便，特别是可以更大限度地减弱磁场，易于实现高速化。此种主轴电机也正在进一步改进，比如日本三菱电机公司最近开发出可减少电损耗和缩短定子长度的高速、高效率内置感应主轴电动机。
　　最近，国外正研讨在电主轴中内置交流永磁同步电动机的问题。与异步感应电动机相比，永磁同步电动机有如下优点：用永磁材料制造的转子在工作过程中不发热，解决了目前内置的异步感应电动机转子发热且难于充分冷却的问题；功率密度大，工作效率高，即可用较小的尺寸得到较大的功率和扭矩；低速性能好，易于实现精密控制等。然而，永磁同步电动机也有其弱点，那就是功率容量有限，弱磁困难，不利于实现高速化。故迄今为止，只有个别机床公司有内置永磁同步电动机的电主轴在展会上亮相，而专业化的电主轴制造厂尚没有此种产品出售。有不少人认为，对在弱磁场运行的高转速电主轴，似乎用异步感应电动机驱动更为合适。
　　目前主要采用PWM变频调速技术来实现电主轴的高速化，执行此项任务的既有普通变频调速器，又有矢量控制驱动器。前者为恒转矩驱动，输出功率与转速成正比；后者在低速端(额定转速以下)为恒转矩驱动，在中、高速端为恒功率驱动。高速加工中心和数控铣床之电主轴，基本上都采用后者(即矢量控制驱动器)。矢量控制驱动器又有开环型和闭环型之分，闭环型在主轴上装有高性能编码器作为检测元件，以实现位置和速度反馈，从而有更好的动态性能，还可以实现主轴的定向准停和C轴功能。
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