高速电主轴 - 图文

高速电主轴报告

课程：轴承制造装备

姓名：昌鹏涛

学院：机电工程学院

班级：机自131

学号：131401060402

高速电主轴

电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术。高速数控机床主传动系统取消了带轮传动和齿轮传动。机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”(ElectricSpindle,Motor Spindle)。

概述

电主轴是在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，它与直线电机技术、高速刀具技术一起，把高速加工推向一个新时代。电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置等。电动机的转子直接作为机床的主轴，主轴单元的壳体就是电动机机座，并且配合其他零部件，实现电动机与机床主轴的一体化。

随着电气传动技术（变频调速技术、电动机矢量控制技术等）的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主传动系统的机械结构已得到极大的简化，基本上取消了带轮传动和齿轮传动。机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”(ElectricSpindle,Motor Spindle)。由于当前电主轴主要采用的是交流高频电动机，故也称为“高频主轴”（High FrequencySpindle)。由于没有中间传动环节，有时又称它为“直接传动主轴”（Direct Drive Spindle)。

电主轴结构

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。

1 转轴；2 前轴承组；3 定子部件；4 转子部件；5 后轴承组；6 进-出水孔；7 进油孔；8 接线座；9 出油

孔

图1 电主轴结构简图

电主轴的冷却

由于电主轴将电机集成于主轴单元中，且转速很高，运转时会产生大量热量，引起电主轴温升，使电主轴的热态特性和动态特性变差，从而影响电主轴的正常工作。因此，必须采取一定措施控制电主轴的温度，使其恒定在一定值内。机床目前一般采取强制循环油冷却的方式对电主轴的定子及主轴轴承进行冷却，即将经过油冷却装置的冷却油强制性地在主轴定子外和主轴轴承外循环，带走主轴高速旋转产生的热量。机床另外，为了减少主轴轴承的发热，还必须对主轴轴承进行合理的润滑。

电主轴的驱动

电主轴的电动机均采用交流异步感应电动机，由于是用在高速加工机床上，启动时要

从静止迅速升速至每分钟数万转乃至数十万转，启动转矩大，因而启动电流要超出普通电机额定电流5~7倍。其驱动方式有变频器驱动和矢量控制驱动器驱动两种。变频器的驱动控制特性为恒转矩驱动，输出功率与转矩成正比。机床最新的变频器采用先进的晶体管技术，可实现主轴的无级变速。机床矢量控制驱动器的驱动控制为在低速端为恒转矩驱动，在中、高速端为恒功率驱动

优点

电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、噪声低、响应快等优点，而且转速高、功率大，简化机床设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中的一种理想结构。电主轴轴承采用高速轴承技术，耐

磨耐热，寿命是传统轴承的几倍。

高速电主轴的特点：

（1）主轴由内装式电机直接驱动，省去了中间传动环节，机械结构简单、紧凑， 噪声低，主轴振动小，回转精度高，快速响应性好，机械效率高；

（2）电主轴系统减少了高精密齿轮等关键零件，消除了齿轮传动误差，运行时更加平稳；

（3）采用交流变频调速和矢量控制技术，输出功率大，调速范围宽，功率—扭矩特性好，可在额定转速范围实现无级调速，以适应各种负载和工况变化的需要；

（4）可实现精确的主轴定位，并实现很高的速度、加速度及定角度快速准停，动态精度和稳定性好，可满足高速切削和精密加工的需要；

（5）大幅度缩短了加工时间，只有原来的约 1/4；

（6）加工表面质量高，无需再进行打磨等表面处理工序；

特性

高转速、高精度、低噪音、内圈带锁口的结构更适合喷雾润滑。 主要用途

数控机床 ●机电设备 微型电机●压力转子

高科技

电主轴的转轴及要求

转轴是高速电主轴的主要零件之一，转轴的材料一般是经过轧制或锻造经切削加工的碳素钢或合金钢.它用来安装各种传动零件，使之绕其轴线转动，传递转矩或回转运动，并通过轴承与主轴机架或机座相联接.转轴带动工件或刀具旋转，完成表面成型运动，承受切削和驱动等载荷的作用.因此，对轴有很高的技术要求，应满足下列几方面的要求：

(1) 节约材料，减轻重量，在特殊情况下选用合适的具有耐腐蚀性和耐高温性的材料； (2) 在结构上要受力合理、尽量避免或减少应力集中现象；

(3) 提高足够的强度（静强度和疲劳强度）和刚度的结构措施；

(4) 转轴在高速时的振动稳定性及良好的加工工艺性，保证精度要求； (5) 易于各个零件在轴上精确定位、稳固、装配、装拆和调整方便.

1 转轴；2 前轴承组件；3 平衡环；4 转子部件；5 后轴承组件

图2 转轴结构简图

高速轴承技术

电主轴通常采用动静压轴承、复合陶瓷轴承或电磁悬浮轴承。

动静压轴承具有很高的刚度和阻尼，能大幅度提高加工效率、加工质量、延长刀具寿命、降低加工成本，这种轴承寿命多半无限长。

复合陶瓷轴承目前在电主轴单元中应用较多，这种轴承滚动体使用热压Si3N4陶瓷球，轴承套圈仍为钢圈，标准化程度高，对机床结构改动小，易于维护。

电磁悬浮轴承高速性能好，精度高，容易实现诊断和在线监控，但是由于电磁测控系统复杂，这种轴承价格十分昂贵，而且长期居高不下，至今没有得到广泛应用。

高速电机技术

电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，电动机的转子即为主轴的旋转部分，理论上可以把电主轴看作一台高速电动机。关键技术是高速度下的动平衡；

结构说明及油气润滑

电主轴是一个高精度的执行元件，而影响电主轴回转精度的主要因素有：

①主轴误差主要包括主轴支承轴颈的圆度误差、同轴度误差（使主轴轴心线发生偏斜）和主轴轴颈轴向承载面与轴线的垂直度误差（影响主轴轴向窜动量）

②轴承误差

轴承误差包括滑动轴承内孔或滚动轴承滚道的圆度误差，滑动轴承内孔或滚动轴承滚道的波度，滚动轴承滚子的形状与尺寸误差，轴承定位端面与轴心线垂直度误差，轴承端面之间的平行度误差，轴承间隙以及切削中的受力变形等。

③主轴系统的径向不等刚度及热变形

从以上可以看出影响电主轴回转精度的主要原因就是轴承磨损，轴及接触面磨损。为了保证我们的电主轴能在保证精度的情况下正常工作，我们就要尽可能的降低轴承相关部位的磨损率，而降低磨损的主要方式就是润滑，对轴承进行润滑处理，保证良好的润滑及冷却效果。因此选择合理正确的润滑方式是保证电主轴正常工作的重要条件。

经过多年研究和一些客户的反应，油气润滑装置使用在电主轴上面被普遍认可，俗称“电主轴油气润滑装置”。电主轴油气润滑装置通俗的解释就是，油跟随气体的流动而往前运动。气体在运动过程中，会带动附着在管壁上面的少量油滴进入到两边的传动轴承，喷洒到摩擦面上的是带有油滴的油气混合体。这种润滑装置不仅经济、环保、快速、高效，更重要的是油滴适中，不会造成因油量过多轴承无法散热，也不会造成因油量过多，轴承在高速旋转过程中产生背压，避免了电主轴负载增加，更不会产生窜动现象。

冷却装置

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，冷却装置的作用是保持冷却剂的温度。

内置脉冲编码器

为了实现自动换刀以及刚性攻螺纹，电主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相角控制以及与进给的配合。

自动换刀装置

为了应用于加工中心，电主轴配备了自动换刀装置，包括碟形簧、拉刀油缸等； 高速刀具的装卡方式

广为熟悉的BT、ISO刀具，已被实践证明不适合于高速加工。这种情况下出现了HSK、SKI等高速刀具。

高频变频装置

要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必须用一高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电动机，变频器的输出频率必须达到上千或几千赫兹。

控制

在数控机床中，电主轴通常采用变频调速方法。目前主要有普通变频驱动和控制、矢量控制驱动器的驱动和控制以及直接转矩控制三种控制方式。

普通变频为标量驱动和控制，其驱动控制特性为恒转矩驱动，输出功率和转速成正比。普通变频控制的动态性能不够理想，在低速时控制性能不佳，输出功率不够稳定，也不具备C轴功能。但价格便宜、结构简单，一般用于磨床和普通的高速铣床等。

矢量控制技术模仿直流电动机的控制，以转子磁场定向，用矢量变换的方法来实现驱动和控制，具有良好的动态性能。矢量控制驱动器在刚启动时具有很大的转矩值，加之电主轴本身结构简单，惯性很小，故启动加速度大，可以实现启动后瞬时达到允许极限速度。这

种驱动器又有开环和闭环两种，后者可以实现位置和速度的反馈，不仅具有更好的动态性能，还可以实现C轴功能；而前者动态性能稍差，也不具备C轴功能，但价格较为便宜。

直接转矩控制是继矢量控制技术之后发展起来的又一种新型的高性能交流调速技术，其控制思想新颖，系统结构简洁明了，更适合于高速电主轴的驱动，更能满足高速电主轴高转速、宽调速范围、高速瞬间准停的动态特性和静态特性的要求，已成为交流传动领域的一个热点技术。[2]

保养

（1）操作员在每天工作完后要使用吸尘器清理电主轴的转子端和电机接线端子上的废屑，防止废屑在转子端和接线端子上堆积，以此避免废屑进入轴承，加速高速轴承的磨损；避免废屑进入接线端子，造成电机短路烧毁。

（2）每次对电主轴更换刀具时，操作员必须要将压帽卡头拧下，

不能使用直接插拔刀具的方法换刀！

操作员要养成一个习惯，在卸刀后要将卡头和压帽清理干净。

（3）每天开机后操作员必须检查电主轴的冷却水流地工作状态，要检查水泵是否正常工作，要检查冷却水是否被水垢、微生物污染，要检查管路状态是否正常，必须要保证冷却水正常循环！严禁在电主轴内无冷却水通过的情况下开启电主轴！只有在正常冷却的前提下电主轴才能处于良好的工作状态。如果水管有死弯造成水流不畅或有污垢堵塞管道，就会造成电主轴无法正常工作，并会影响加工效果。

参考文献

[1]秦军军,加工中心电主轴结构设计及性能分析[D].成都：西华大学，2012.5

[2] 储开宇．数控高速电主轴技术及其发展趋势[J]．机床与液压，2006 [3]严道发．电主轴技术综述[J]．机械研究与应用，2006

[4]姜华,高速精密卧式加工中心开发的关键技术研究[D],成都：四川大学2007.4

[5]周大帅.高速电主轴的结构现状及发展趋势[J],2011,9

[6]张海杰.轴承对高速电主轴静动刚度影响的研究[D].兰州：兰州理工大学.2011.5

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/dwmx.html