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数控机床高速电主轴结构分析及应用

发布时间：2013-02-01 浏览次数：759

常州工学院　沙金
　　摘　要：本文阐述了高速电主轴的特点，然后根据结构简图详细叙述其工作原理，Z后分析了高速电主轴由于结构紧凑带来的一些关键技术问题，并提出了解决办法。
　　关键词：高速加工；电主轴；数控机床
　　高速电主轴是高速机床的核心部件，它将机床主轴与变频电动机轴合二为一，即将主轴电动机的定子、转子直接装入主轴组件内部，也被称为内装式电主轴，其间不再使用皮带或齿轮传动副，从而实现机床主轴系统的“零传动”其具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等优点，并改善了机床的动平衡，避免了振动和噪声，在超高速机床中得到广泛应用。作为数控机床的核心功能部件，高速电主轴动态性能的好坏直接关系到机床的加工精度和可靠性，因此在设计时对其进行详细的动态特性研究具有重要的意义。机械系统运动部件的动力学特性研究，主要通过对运动部件进行模态分析来实现。它主要研究结构或部件的振动特性（固有频率和主振型），为动力学分析中的瞬态动力学分析、谐响应分析、谱分析提供基本的分析数据。通过动力学分析可以判断出电主轴转速是否合理，结构中有无薄弱环节，并对其进行优化设计，使零部件满足机床对加工质量和加工精度的要求。
　　1　电主轴动力学特性的评价指标
　　机械设计中，提高机械结构的抗振能力，是适应当前机器向高质量、高速度、高效率、低成本和低噪声发展。
　　一、高速电主轴的特点
　　高速运转的电主轴的主轴形式是将主轴电机的定子、转子直接装入主轴组件的内部，即把高速电机置于精密主轴内部，电主轴的电机转子就是主轴，主轴的壳体就是电机的机座，实现了变频调速电机和主轴一体，电机直接驱动主轴，形成电主轴。电主轴取消了电机到主轴传动链中的齿轮、皮带等一切中间环节，动力源对主轴的直接传动，传动链长度为零，实现了机床主轴系统的“零传动”。它具有高转速、高精密、噪声低、低温升、体积小、安装方便等特点，是现代高档数控机床主要的关键部件。它与早年应用于内圆磨床的内装式电机主轴的区别是采用了变频调速技术，主轴有较大的驱动功率和转矩，并有一系列监控主轴振动、轴承温升等参数的传感器及其检测控制系统。因此电主轴及驱动系统是一种技术含量很高的机电一体化产品，涉及机械、电机、驱动与控制、支承、润滑、材料热处理及振动等诸多领域，是一套相对独立、完整的智能型功能部件。
　　二、结构简图及工作原理
　　主轴电动机和机床主轴合为一体的电主轴，通常采用的是交流高频电动机，也称为“高频主轴”(High Frequency Spindle)。图1所示为电主轴的结构简图，其主要特征是将电动机内置于主轴内部直接驱动主轴，实现电动机、主轴一体化的功能。电主轴由无外壳电机、主轴、轴承、主轴单元壳体、驱动模块和冷却装置等组成。电机的转子采用压配方法与主轴做成一体，主轴则由前后轴承支承。电机的定子通过冷却套安装于主轴单元的壳体中。主轴的变速由主轴驱动模块控制，而主轴单元内的温升由冷却装置限制。在主轴的后端装有测速、测角位移传感器，前端的内锥孔和端面用于安装刀具。
　　工作原理和普通的异步电动机的工作原理一致，改变输入电动机定子绕组的电流频率和励磁电压获得各种转速。在加速和制动过程中，通过改变频率进行加/减速，以免电动机温升过高。由于电动机旋转磁场的方向取决于输入定子三相交流电的相序，故改变电主轴输入电流的相序，便可改变电主轴的旋转方向。
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　电主轴的结构简图
　　三、关键技术
　　从图1中可见，电主轴的结构十分紧凑，通常又在高速下运转，因而它的关键技术是如何解决它的发热问题。
电主轴的温度使其稳定在电主轴中有两大热源：内置电动机的发热和主轴轴承的发热。分析检测结果表明，转子的温度可高达140～160℃，定子温度也可达到45～85℃。图2所示为高速主轴单元冷却系统图，为了尽快给高速运动的电主轴散热，通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂，严格控制一个恒定值内。
图2  高速主轴单元冷却系统图
　　以德国CyTec公司的CySpeed系列高速电主轴为例，它的功率范围为10~60kW，Z高转速为8000~40000r/min。它可具有四种不同功能的冷却回路：
　　1）主轴冷却：主轴冷却回路是为了避免主轴前端伸长以及保护主轴轴承。它的目的是保持主轴温度恒定，使其与转速无关，因而可以保证主轴的精度不受电动机发热的影响。
　　2）电动机冷却：电动机冷却回路是为了加强电动机对外部的散热能力，使主轴部件的壳体保持为室温状态。
　　3）刀具冷却：刀具冷却是选用件，可以任意选用外部冷却或者内孔冷却，或者内外同时冷却。
　　4）刀具内孔冷却：采用通过刀具内孔冷却时，冷却液在80kPa的压力下通过旋转分配器中间的孔道，打开单向阀，从刀柄（包括刀具）的中间孔喷出。为了尽快给高速运行的电主轴散热，通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂，用循环冷却剂吸收和带走电机产生的热量，保持电主轴单元壳体均匀的温度分布。冷却装置的作用是保持冷却剂的温度，电主轴常用的冷却剂是水。电主轴在Z高转速时，噪声一般应低于70～75dB (A)。
　　综上，电主轴的出现，很好的适应了超高速加工的要求，并将逐步取代传统的机床主轴系统。
　　参考文献
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