国内数控机床用电主轴系统的发展

一、概述

     众所周知，高速主轴系统历来就是数控机床三大高新技术之一(高速主轴、数控系统、送给驱动)。 随着数控技术及切削刀具的飞跃发展，越来越多的机械制造装备都在不断地向高速、高精、高效、高智能化发展，内装式电主轴单元已成为最能适宜上述高性能工况的数控机床核心功能部件之一。尤其是在多轴联动、多面体加工、并联机床、复合加工机床等诸多先进产品中，内装式电主轴单元的优异特点是其他类型主轴单元不能替代的。

     据中国机床工具工业协会专项信息——EMO2003考察报告汇编介绍：2003年意大利米兰欧洲国际机床展览会中，大部分展出的加工中心均采用电主轴配置。其最高转速普遍为12,000-20,000r/min。其中最高的是日本MAKINO铣床公司的J4M卧式加工中心，其配备的电主轴最高转速可达60,000r/min。本次展会电主轴展品琳琅满目，具有不同档次的技术性能，可选择性较大。高速电主轴的最高转速及功率、扭矩普遍提高。有的还采用了传感技术对振动进行监测和诊断。瑞士的IBAG、Step-Tec、Flscher、Starrag-Heckert公司，德国的GMN、Cytec、INA，意大利的Gamfier、Omlat等公司的电主轴都各有特色。 

     我国大型数控铣、加工中心和数控车床实用型电主轴的开发始于1998年。洛阳轴研科技股份有限公司在“九五”期间，以国家重点科技攻关项目为依托，先后开发了装备国产电机的、最高转速为15,000r/min、12,000r/min。10,000r/min、 8,000r/min的内装式电主轴，其最大扭矩为129Nm。 

    “十五”期间又继续开展上述科技攻关工作。到2003年止，洛阳轴研科技股份有限公司又先后开发了用于高速数控铣的30,000r/min电主轴和用于加工中心的24,000r/min电主轴。同时又系列开发了转速自5,000r/min到12,000r/min的数控车床用电主轴。与此同时，北京机床研究所数控机床有限公司也相继开发了用日本FUNAC电机组装的15,000r/min、20,000r/min电主轴。北京机电研究院、上海第二机床厂等单位，利用德国REXROTH的电机组装成转速高于10,000r/min的电主轴。北京第一机床厂和日本大隈合作也开发出转速高于10,000r/min的电主轴。近期又有汉川机床厂，济宁博特精密丝杠制造有限公司，大连金功机械有限公司等数家企业相继投入开发电主轴单元的行列。

二、内装式电主轴单元

     电主轴单元应具备两大基本特点：

1. 装有内装式电机。
2. 具备整齐的外形尺寸，以利于主机厂安装使用。

     用于大型数控铣、加工中心的内装式电主轴单元(图1)由主轴轴系1、内装式电机2、支承及其润滑系统3、冷却系统4、松拉刀系统5(用于数控车床的是卡盘、油缸对接法兰)、轴承自动卸载系统6、编码器安装调整系统7组成。
　

图1加工中心用电主轴结构简图

     主轴轴系1是高速、高精度主轴的本体。为使主轴轴系在极宽的转速范围内正常平稳工作，必须对该轴系进行全面的轴系结构分析，找出该轴系的临界转速。使之工作转速远离其固有频率。同时应对旋转轴系的选材及热处理工艺方案等加以详细分析，以期获得理想的尺寸稳定性。

     主轴电机2用于接受驱动控制器提供的中频电，并将其转换成主轴的机械能。为适应数控机床在宽转速范围内，实现低速大扭矩的特殊性，大型数控铣、加工中心和数控车床用电主轴的电机通常被设计成恒功率控制的。

     高转速电主轴的支承3通常选用角接触球轴承。转速15,000r/min以下的电主轴轴承dn值一般小于800,000mmr/min，为方便用户，通常使用脂润滑。高转速电主轴的轴承dn值大于800,000mmr/min，通常采用油气润滑。这样可减轻油雾废气对环境的污染。超高速的电主轴建议选用陶瓷球混合型轴承，以提高滚动体的强度及耐热性。

     高速电主轴的转轴上不能安装风扇，其外壳是功能部件的安装表面，也无法设置贯通的散热筋。因此，必须设置必要的冷却系统4，将电主轴运行过程中由电机和轴承座产生的热量带走，使电主轴在某一温度上达到热平衡。

     用于数控铣及加工中心的电主轴由安装在尾端的气、液缸产生松刀力，经安放在转轴内腔的松拉刀机构5，通过拉刀器来实现松拉刀。其拉刀器可视电主轴转速及传递扭矩的不同选用HSK、卡爪、钢球等不同型式。 

     用于车削的电主轴动力卡盘与动力回转油缸分装在电主轴的两端，必须设置相应的装配法兰，使上述部件可靠、同轴地安装在主轴上。

     用于数控铣及加工中心的电主轴松刀时，尾端气、液缸产生的强大松刀力项动松拉刀机构的拉杆向前运动，同时也使电主轴轴承承受强大的推力。为使电主轴轴承免遭损伤，应在电主轴上设计一套理想的卸载系统6。使松刀力转换为转轴的内力。 

     大型数控车、加工中心用电主轴需具备准停、准位。准速功能。必须在电主轴单元中安装能实现速度反馈和传递位置信号的磁性编码器。其钢质码盘应安装在转轴本体上，接受器应牢固地安装在电主轴外壳上，同时应便于调整。
　

图2 内装式电主轴系统简图

三、电主轴系统

     由内装式电主轴单元、驱动控制器、编码器、通讯电缆、直流母线制动器组合成的，用以将电网电能变为电主轴单元的机械能，同时实现电主轴准停。准速、准位的系统称之为电主轴系统。

     常见的数控机床用电主轴系统的配置可由下列简式来表述(图2)：

     大型数控铣(含并联机构数控铣)、小型数控车(无轴定位)电主轴单元+开环式驱动控制器+直流母线能耗制动器。

     电主轴系统品质的优劣是大型数控铣、加工中心、数控车品质优劣的关键之一。对闭环式配置的电主轴系统而言尤为重要。目前我国已能自行开发设计各类高速电主轴。但闭环式驱动控制器及高水平的编码器尚不过关。选用优质的进口编码器和驱动控制器来匹配我国自行开发的电主轴单元，从而组成电主轴系统，以供应国内数控机床之急需，从而降低主机成本，提高主机的市场竞争力是一条可行之路。2003年，洛阳轴研科技股份有限公司分别与德国博世-力士乐公司、德国AMK公司驻中国办事处取得联系，并成功地实现了Refu(力土乐)电源+Sumtak编码器+ZYS 10,000r/min电主轴单元的联配。为大面积推广中西结合的电主轴系统创出了一条路。2003年7月洛阳轴研科技股份有限公司与德国博世-力士乐(中国有限公司)电子传动与控制事业部达成联合开发Indramat-ZYS电主轴系统品牌的协议。在协议的推动下首轮Indramat-ZYS数控机床用电主轴系统型谱已问世。由于国产电主轴单元同类型产品价格远低于进口电主轴，故Indramat-ZYS电主轴系统价格也远比进口系统低得多，从而为国产数控机床的发展提供了新的选择。