國內(nèi)數(shù)控機(jī)床用電主軸系統(tǒng)的發(fā)展

一、概述

眾所周知，高速主軸系統(tǒng)歷來就是數(shù)控機(jī)床三大高新技術(shù)之一(高速主軸、數(shù)控系統(tǒng)、送給驅(qū)動)。 隨著數(shù)控技術(shù)及切削刀具的飛躍發(fā)展，越來越多的機(jī)械制造裝備都在不斷地向高速、高精、高效、高智能化發(fā)展，內(nèi)裝式電主軸單元已成為最能適宜上述高性能工況的數(shù)控機(jī)床核心功能部件之一。尤其是在多軸聯(lián)動、多面體加工、并聯(lián)機(jī)床、復(fù)合加工機(jī)床等諸多先進(jìn)產(chǎn)品中，內(nèi)裝式電主軸單元的優(yōu)異特點是其他類型主軸單元不能替代的。
據(jù)中國機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會專項信息——EMO2003考察報告匯編介紹：2003年意大利米蘭歐洲國際機(jī)床展覽會中，大部分展出的加工中心均采用電主軸配置。其最高轉(zhuǎn)速普遍為12,000-20,000r/min。其中最高的是日本MAKINO銑床公司的J4M臥式加工中心，其配備的電主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)60,000r/min。本次展會電主軸展品琳瑯滿目，具有不同檔次的技術(shù)性能，可選擇性較大。高速電主軸的最高轉(zhuǎn)速及功率、扭矩普遍提高。有的還采用了傳感技術(shù)對振動進(jìn)行監(jiān)測和診斷。瑞士的IBAG、Step-Tec、Flscher、Starrag-Heckert公司，德國的GMN、Cytec、INA，意大利的Gamfier、Omlat等公司的電主軸都各有特色。
我國大型數(shù)控銑、加工中心和數(shù)控車床實用型電主軸的開發(fā)始于1998年。洛陽軸研科技股份有限公司在“九五”期間，以國家重點科技攻關(guān)項目為依托，先后開發(fā)了裝備國產(chǎn)電機(jī)的、最高轉(zhuǎn)速為15,000r/min、12,000r/min。10,000r/min、 8,000r/min的內(nèi)裝式電主軸，其最大扭矩為129Nm。
“十五”期間又繼續(xù)開展上述科技攻關(guān)工作。到2003年止，洛陽軸研科技股份有限公司又先后開發(fā)了用于高速數(shù)控銑的30,000r/min電主軸和用于加工中心的24,000r/min電主軸。同時又系列開發(fā)了轉(zhuǎn)速自5,000r/min到12,000r/min的數(shù)控車床用電主軸。與此同時，北京機(jī)床研究所數(shù)控機(jī)床有限公司也相繼開發(fā)了用日本FUNAC電機(jī)組裝的15,000r/min、20,000r/min電主軸。北京機(jī)電研究院、上海第二機(jī)床廠等單位，利用德國REXROTH的電機(jī)組裝成轉(zhuǎn)速高于10,000r/min的電主軸。北京第一機(jī)床廠和日本大隈合作也開發(fā)出轉(zhuǎn)速高于10,000r/min的電主軸。近期又有漢川機(jī)床廠，濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司，大連金功機(jī)械有限公司等數(shù)家企業(yè)相繼投入開發(fā)電主軸單元的行列。
二、內(nèi)裝式電主軸單元
電主軸單元應(yīng)具備兩大基本特點：
　　裝有內(nèi)裝式電機(jī)。
　　具備整齊的外形尺寸，以利于主機(jī)廠安裝使用。
　　用于大型數(shù)控銑、加工中心的內(nèi)裝式電主軸單元由主軸軸系1、內(nèi)裝式電機(jī)2、支承及其潤滑系統(tǒng)3、冷卻系統(tǒng)4、松拉刀系統(tǒng)5(用于數(shù)控車床的是卡盤、油缸對接法蘭)、軸承自動卸載系統(tǒng)6、編碼器安裝調(diào)整系統(tǒng)7組成。
　　加工中心用電主軸結(jié)構(gòu)簡圖
　　主軸軸系1是高速、高精度主軸的本體。為使主軸軸系在極寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)正常平穩(wěn)工作，必須對該軸系進(jìn)行全面的軸系結(jié)構(gòu)分析，找出該軸系的臨界轉(zhuǎn)速。使之工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)離其固有頻率。同時應(yīng)對旋轉(zhuǎn)軸系的選材及熱處理工藝方案等加以詳細(xì)分析，以期獲得理想的尺寸穩(wěn)定性。
　　主軸電機(jī)2用于接受驅(qū)動控制器提供的中頻電，并將其轉(zhuǎn)換成主軸的機(jī)械能。為適應(yīng)數(shù)控機(jī)床在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，實現(xiàn)低速大扭矩的特殊性，大型數(shù)控銑、加工中心和數(shù)控車床用電主軸的電機(jī)通常被設(shè)計成恒功率控制的。
　　高轉(zhuǎn)速電主軸的支承3通常選用角接觸球軸承。轉(zhuǎn)速15,000r/min以下的電主軸軸承dn值一般小于800,000mmr/min，為方便用戶，通常使用脂潤滑。高轉(zhuǎn)速電主軸的軸承dn值大于800,000mmr/min，通常采用油氣潤滑。這樣可減輕油霧廢氣對環(huán)境的污染。超高速的電主軸建議選用陶瓷球混合型軸承，以提高滾動體的強(qiáng)度及耐熱性。
　　高速電主軸的轉(zhuǎn)軸上不能安裝風(fēng)扇，其外殼是功能部件的安裝表面，也無法設(shè)置貫通的散熱筋。因此，必須設(shè)置必要的冷卻系統(tǒng)4，將電主軸運行過程中由電機(jī)和軸承座產(chǎn)生的熱量帶走，使電主軸在某一溫度上達(dá)到熱平衡。
　　用于數(shù)控銑及加工中心的電主軸由安裝在尾端的氣、液缸產(chǎn)生松刀力，經(jīng)安放在轉(zhuǎn)軸內(nèi)腔的松拉刀機(jī)構(gòu)5，通過拉刀器來實現(xiàn)松拉刀。其拉刀器可視電主軸轉(zhuǎn)速及傳遞扭矩的不同選用HSK、卡爪、鋼球等不同型式。
　　用于車削的電主軸動力卡盤與動力回轉(zhuǎn)油缸分裝在電主軸的兩端，必須設(shè)置相應(yīng)的裝配法蘭，使上述部件可靠、同軸地安裝在主軸上。
　　用于數(shù)控銑及加工中心的電主軸松刀時，尾端氣、液缸產(chǎn)生的強(qiáng)大松刀力項動松拉刀機(jī)構(gòu)的拉桿向前運動，同時也使電主軸軸承承受強(qiáng)大的推力。為使電主軸軸承免遭損傷，應(yīng)在電主軸上設(shè)計一套理想的卸載系統(tǒng)6。使松刀力轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)軸的內(nèi)力。
　　大型數(shù)控車、加工中心用電主軸需具備準(zhǔn)停、準(zhǔn)位。準(zhǔn)速功能。必須在電主軸單元中安裝能實現(xiàn)速度反饋和傳遞位置信號的磁性編碼器。其鋼質(zhì)碼盤應(yīng)安裝在轉(zhuǎn)軸本體上，接受器應(yīng)牢固地安裝在電主軸外殼上，同時應(yīng)便于調(diào)整。
　　內(nèi)裝式電主軸系統(tǒng)簡圖
　　三、電主軸系統(tǒng)
　　由內(nèi)裝式電主軸單元、驅(qū)動控制器、編碼器、通訊電纜、直流母線制動器組合成的，用以將電網(wǎng)電能變?yōu)殡娭鬏S單元的機(jī)械能，同時實現(xiàn)電主軸準(zhǔn)停。準(zhǔn)速、準(zhǔn)位的系統(tǒng)稱之為電主軸系統(tǒng)。
　　常見的數(shù)控機(jī)床用電主軸系統(tǒng)的配置可由下列簡式來表述(圖2)：
　　大型數(shù)控銑(含并聯(lián)機(jī)構(gòu)數(shù)控銑)、小型數(shù)控車(無軸定位)電主軸單元+開環(huán)式驅(qū)動控制器+直流母線能耗制動器。
　　電主軸系統(tǒng)品質(zhì)的優(yōu)劣是大型數(shù)控銑、加工中心、數(shù)控車品質(zhì)優(yōu)劣的關(guān)鍵之一。對閉環(huán)式配置的電主軸系統(tǒng)而言尤為重要。目前我國已能自行開發(fā)設(shè)計各類高速電主軸。但閉環(huán)式驅(qū)動控制器及高水平的編碼器尚不過關(guān)。選用優(yōu)質(zhì)的進(jìn)口編碼器和驅(qū)動控制器來匹配我國自行開發(fā)的電主軸單元，從而組成電主軸系統(tǒng)，以供應(yīng)國內(nèi)數(shù)控機(jī)床之急需，從而降低主機(jī)成本，提高主機(jī)的市場競爭力是一條可行之路。2003年，洛陽軸研科技股份有限公司分別與德國博世-力士樂公司、德國AMK公司駐中國辦事處取得聯(lián)系，并成功地實現(xiàn)了Refu(力土樂)電源+Sumtak編碼器+ZYS 10,000r/min電主軸單元的聯(lián)配。為大面積推廣中西結(jié)合的電主軸系統(tǒng)創(chuàng)出了一條路。2003年7月洛陽軸研科技股份有限公司與德國博世-力士樂(中國有限公司)電子傳動與控制事業(yè)部達(dá)成聯(lián)合開發(fā)Indramat-ZYS電主軸系統(tǒng)品牌的協(xié)議。在協(xié)議的推動下首輪Indramat-ZYS數(shù)控機(jī)床用電主軸系統(tǒng)型譜已問世。由于國產(chǎn)電主軸單元同類型產(chǎn)品價格遠(yuǎn)低于進(jìn)口電主軸，故Indramat-ZYS電主軸系統(tǒng)價格也遠(yuǎn)比進(jìn)口系統(tǒng)低得多，從而為國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展提供了新的選擇。