数控机床电主轴系统结构特性浅析

　　摘要：伴随着高端制造领域对数控机床整体加工精度要求的持续提升，电主轴作为机床的核心部件，其整个系统的结构特性层面关注度也逐步提升。鉴于此，本文侧重于研究数控机床当中电主轴系统结构基本特性，仅供参考。

　　引言

　　电主轴系统的结构基本特性，其往往对数控机床总体特性有着直接影响。为实现数控机床高精度、高效率加工要求，有效把握电主轴系统结构基本特性较为重要。因而，综合分析数控机床当中电主轴系统结构基本特性，有着一定的现实意义和价值。

　　一、结构特性

　　数控机床当中电主轴，是数控机床实现高速加工核心功能部件，是集主轴电机与主轴旋转部件为一体的智能高效化部件，该形式对比传统的机械传动，皮带及齿轮中间传动节点被取消，机床可实现零传动。这种主轴与主轴电机“合二为一”的传动形式，使主轴部件从机床系统和整体结构中相对独立出来。电主轴系统结构内含主轴、主轴电机的驱动系统、前后轴承、主轴箱体及电机、润滑及冷却装置。前后轴承负责支撑主轴，主轴和电机转子一同被压配成一体，而电机定子则通过冷却套有效安置于主轴单元内部壳体，主轴变速自主轴驱动的系统模块实现有效控制，冷却装置限制温升，主轴前端设置了刀具接口，后端则安置了水气电等接头，部分主轴还设计了测角位移及测速相应传感装置[1]。在一定程度上，数控机床当中电主轴所具备基本特性集中表现为低噪音、小振动、结构紧凑、重量轻等等，自动化控制系统能够对主轴振动和温升实现有效控制。在数控机床当中电主轴系统结构下，数控机床可实现更具高效性、可靠性的加工操作，实现各制造领域广泛化运用。

　　二、系统结构当中核心技术

　　（一）在主轴电机层面

　　数控机床当中电主轴整个系统通过对电机温度有效把控，实现转速提升，对加工精度起到一定保障作用。数控机床当中电主轴整个系统转速基本上在30000r/min 以上，且功率为3.7kw 以上。同时电主轴系统结构相对紧凑，便于安装操作，且批量应用情况下可降低成本。电主轴内部电机是通过电动机的定子绕组实际电流频率变换输入及激磁电压，实现对不同转速有效调整。电主轴内部设计相匹配转子及定子，转子主要呈圆环形状，转子内部设转子轴，该转子轴经轴承妥善固定于电机壳体，转子轴两侧逐步延伸到电机壳体的外部[2]。固定连接电机壳体及定子，且固定连接好转子及内径较大转子轴。电主轴电机常用是永磁高速同步电机及异步感应形式的电机。这种永磁高速同步电机可提供相对较大工联单驱动给主轴，转速极高且扭矩极强，且有较大内控、较短启动时间、较低转子温度；异步感应形式的电机，其内部转子可选定合金、铜、铝等这些材质转子，价格低廉，多由电主轴的电机厂负责提供。在电机出厂期间，转子外表面及内控均留有一定加工余量，便于转子与芯轴装配过后，予以整体研磨加工及校正动平衡。电机厂家结合客户需求，实现不同性能曲线定制。

　　（二）在主轴系统层面

　　数控机床当中电主轴系统结构，选定轴承务必要和电主轴整个系统高精度及高速性各项要求相吻合，选定主轴轴承务必满足高强度相关基本特性。故可选定陶瓷球类型主轴轴承，以便于满足于跨距及刚度层面需求；对于主轴轴承套圈，选定高氮化合金材料，延长主轴的使用寿命。主轴运行期间，主轴的整体温升会对轴承的寿命产生直接影响，故对温升控制应侧重于材料及冷却层面，确保数控机床实现高效高精的加工。电主轴整个系统热源均源自电主轴实际运行期间机械能耗及电能耗，数控机床当中电主轴系统内部通过冷却液循环冷却的形式，便于把控主轴温度。轴承系统温控层面，在通过将轴承运行期间摩擦面积缩小，确保所产生热量得以有效减少。故选定滚珠直径较小的轴承，可确保摩擦得以减少，并配合油气润滑技术，确保电主轴运行期间更好地散热降温，让数控机床实现高精度、高效率且稳定性运行。

　　（三）在机械动态化特性层面

　　工业化生产制造期间，数控机床当中电主轴内部动态化系统，能够确保主轴高速运行期间动态平衡状态良好，防止主轴振动会对加工品质及其精度产生影响。电主轴系统结构所涉及到动态特性，要求尽量减少运行期间不平衡相关因素，包含着连接转子方式应将键连接及螺纹衔接取消，实行过盈衔接。电主轴系统结构需对其对称性予以严控，将动态平衡各项影响因素减少。轴承需求层面，应确保轴系的平衡度能够达到G0.4，确保整体维持优良动态平衡状态，实现高光洁度、高精度及高效化的产品加工生产[3]。

　　（四）在闭环控制层面

　　电主轴整个系统内部闭环控制，其是以编码器为基础，把编码器相应电信号逐步反馈至主轴电机内部控制的驱动器，实现对主轴实际旋转转速及其角度的精确控制。

　　（五）在拉刀系统层面

　　数控机床当中电主轴在带动刀柄实施切削加工时，转子轴当中拉刀机构应当将刀柄拉紧，避免刀柄松动情况产生。稳定且适当的拉力，确保主轴加工更为稳定且高精度。根据不同的换刀方式，拉刀系统可分为手动及自动两种形式。自动拉刀，结合刀库使用，经主轴尾部气缸或者油缸动作，确保自动拉、松刀动作得以实现；手动拉刀结构，需依靠于人工实现换刀，经转子轴内特殊的拉钉机械涨紧等，确保拉、松刀动作得以实现。自动拉刀系统，能够结合拉力基本产生原理被划分成碟簧、弹簧这两种不同的拉紧形式。优良拉刀力，对主轴特性可起到良好保证作用，结合不同锥孔的结构及其大小，所对应拉刀力往往有着差异性，主轴设计制造期间需要严格依照着现行标准予以规范化实施。

　　（六）在轴承润滑层面

　　高速电主轴的润滑主要指主轴轴承的润滑，轴承在高速运转时，正确持续的润滑极为重要。当前电主轴主要有三种润滑方式，分别是脂润滑、油雾润滑、油气润滑。其中脂润滑是一次性永久润滑，不需要附加装置及后期维护，但其温升较高，允许轴承的工作转速较低，一般Dmn 指在1x106 以下。传统上应用中高速主轴使用油雾及油气的润滑为主，该两种形式的润滑具有润滑和冷却的双重作用。相对于油雾润滑，油气润滑是一种较为理想的无污染的润滑方式，油气润滑能对轴承的润滑油的供油量进行精确控制，维持润滑冷却良好效果，确保润滑冷却更具可靠性，对数控机床总体经济高效性可起到基础保障作用。

　　结语

　　综上所述，电主轴实际技术水平及其性能往往会对着数控机床实际性能及运行水平产生直接影响，对主机发展也会产生影响。今后仍然需持续增加对于数控机床当中电主轴系统结构基本特性层面研究，以便于更好地完善、优化，以确保为数控机床实现更具高效精准化的加工制造起到积极促进作用。

　　参考文献：

　　[1]杜柳青,王承辉,余永维,等.基于混沌振子的数控机床电主轴精度监测诊断方法[J].制造业自动化,2020,42(13):510-522.

　　[2]邓小雷,戴温克,周翎飞,等.数控机床主轴－立柱系统热态特性分析与测试[J].光学精密工程,2020,28(03):601-609.

　　[3] 寇鹏德. 论矿山数控机床主轴静动态特性研究[J]. 世界有色金属,2019,15(012):287-289.