數控機床電主軸的發展研究

齊男

摘 要：數控機床的電主軸是數控機床技術的發展核心，隨著我國工業化發展進程的加快和數控機床的普及，社會需求也越來越來大，近年來，數控機床的主軸開始向著高精度、高剛度和高速度發展，為了滿足這一發展趨勢，電主軸技術應運而生，我國的電主軸技術和國外相比還存在很多不同之處。本文主要探討了電主軸的結構和工作原理，并闡述了國內外電主軸的發展趨勢，同時將電主軸應用過程中可能使用的幾種電機進行了分析，希望能夠為我國的數控機床電主軸的發展創新提供借鑒。

關鍵詞：數控機床；電主軸；發展研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.040

數控機床的使用是為了提高機械制造業的生產率和生產質量，數控機床能夠集高精度、高效和高柔性為一體，增強機械加工的精度和速度，數控機床的優勢使其越來越得到機械生產企業的重視，數控機床的高速數控機床的應用，顧名思義是為了提高加工的速度而創造的。其運行過程中需要高速主軸作為支撐，其適用性能能夠直接決定機床的加工速度和加工性能，其適用要求具有非常寬的恒功率運行范圍和連續輸出的高轉矩能力，這是電主軸的主要應用特性，現已被廣泛應用。

1 電主軸的結構和工作原理

電主軸是將主軸電動機和數控機床的主軸就進行結合形成的，主要的結合方式是通過交流高頻電動機實現的，也被稱為高頻主軸，主要的工作原理是將電動機安裝在主軸的內部進行驅動的，實現機電一體化的工作原理。和傳統的數控機床主軸相比，電主軸能夠直接進行電動機的內裝來實現驅動，減少了工作流程，并且其結構緊湊、噪聲小、機械的工作效率高、精度高、振動的幅度也比較小，更適合當前的數控機床工作要求。電主軸的工作主要是通過矢量控制和交流的變頻調速來實現的，其實處的功率較大，功率的轉矩特性也比較好，調整的范圍也更大，電主軸的結構簡單，移動產生的慣量也比較小，能夠實現加速度和高速的的準停。電主軸相對于普通的機床主軸來說能夠更好的實現數控機床的高速化，具有極強的動態性和穩定性，電主軸應用的傳動環節不存在外力的作用，這能夠加強主軸運行的穩定性，延長主軸的使用壽命。

2 電主軸技術的發展趨勢

最早的電主軸產生在機械制造的磨床上，因其優秀的實用性能逐漸發展到了加工制造的過程中，隨著多年的發展和研究，電主軸的使用功率和品質都得到了很大的提升，國外的電主軸應用技術的研發時間更長，電主軸的主要單元發展也比較快，技術的水平一直處于領先水平。隨著世界信息化發展進程的加快，數字化和變頻技術得到了飛速的發展，并且形成了標準的機械生產線，高轉速的電動主軸也開始在機床發展和機械制造的過程中得到了廣泛的應用，并且國外的發展重心放在了功率、扭矩和調速范圍，用來實現快速的啟動、精準的定位和自動化對刀的高標準主軸單元制作。很多西方發達國家的數控機床電主軸發展水平，代表了世界的發展水平，其電主軸具有功率大、轉速高、高剛度軸承、加工精密的工藝水平。

3 電主軸的常用電機

（1）異步主軸電機。異步主軸電機是現在我國普通機床運行過程中普遍使用的主軸驅動，但異步調速的主軸電機在使用過程中存在著效率低、體積大、轉矩密度小、功率因數低等問題，除此之外，異步電機在進行低速下轉的過程中容易產生轉矩脈動，這種情況下會導致機床的下溫升高，并且其進行控制時的運算量非常龐大。但這一問題因為控制器的創新和發展，運算速度已經得到了顯著的提升，這使異步電機的低速性得到了解決，異步主軸電機實現控制的方法主要有直接轉矩控制和矢量控制兩種，兩種控制方式經實驗證明，都能夠達到運行控制的效果，并且已經在機械制造過程中得到了應用。

（2）永磁同步電機。永磁同步電機在使用過程中具有轉子溫升低的優勢，在低限速度的影響下，能夠自行作恒轉矩運行，并且轉矩的密度越高，轉動的慣量越小，動態的響應特性越好，跟現有的交流異步電動機相比，具有工作中的轉子不發熱、功率密度升高能夠縮小電主軸的徑向尺寸、轉子的轉速能夠與電源的頻率相同步，還能夠使用矢量控制的控制方式。但永磁同步電機的同步轉速有著需要遵守的標準值，這就對永磁同步電機的弱磁調速功能有了更高的適應能力，在弱磁的控制區間內，電壓通常處在極限值，很容易出現超出的情況，對轉矩產生較大的影響，這也是永磁同步電機的缺陷，并且該電機的制造成本也非常高，這對將經濟效益作為主要考慮點的企業發展形式來說并不適用。

（3）其他形式的電機。數控機床在工作過程中，會使用到很多類型的電機，比如開關磁阻電機、同步磁阻電機等。如果使用開關磁阻電機來做主軸，數控機床的系統運行效率和輸出功率會得到很大的提升，開關磁阻的調速主軸會一直處在在規定的范圍內，這就使整體工作效率得到了很大的提高，這一優勢在進行低轉速時能夠更加明顯。開關磁阻電機的溫度低，轉子無繞組，在進行該電機的使用過程中，熱耗的很大一部分都在定子上，很容易出現冷卻，但使用時也會出現轉矩脈動大、電機和控制器的成本高，構造復雜，維修困難等問題。同步磁阻電機的發展速度比較快，他的運行特征和普通的交流電子的定子比較相似，主要的構造材料是高導磁材料和絕緣材料，其運用能夠增加機床的主軸驅動性價比，其造價低、性能優秀、容易控制、調速范圍廣，并且具有比較簡單的運算算法。

電主軸的電機選擇是多種多樣的，在實際應用過程中要結合使用環境進行最優選擇。

4 總結

在我國的數控機床工作過程中，電主軸具有重量輕、結構緊湊和慣性小、動態性強的特征，能夠在使用時保證機床的平衡，減少振動情況的發生、避免出現噪音和污染，主要被應用到了高速的切削機床上。電主軸的出現使高速的制造加工成為了現實，并且開始逐漸的取代傳統的機床系統，電機的不同電主軸的驅動也會含有不同的優勢，具體的應用情況是由加工對象來決定的，這就需要進行電機的選擇時格外的注意，當前我國的數控機床發展趨勢，使異步交流感應電機成為了主要的電主軸應用機型。

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