淺談數(shù)控機床電主軸的發(fā)展趨勢

數(shù)控機床將高效、高精度和高柔性集為一體。同時為了得到高生產(chǎn)率，以及為了提高加工精度，高速的加工技術(shù)也越來越收到業(yè)內(nèi)的重視。
　　超高速數(shù)控機床是實現(xiàn)超高速加工的物質(zhì)基礎(chǔ),而高速主軸又是超高速數(shù)控機床的“核心”部件,它的性能直接決定了機床的超高速加工性能，它不但要求較高的速度精度，而且要求連續(xù)輸出的高轉(zhuǎn)矩能力和非常寬的恒功率運行范圍。因此,具備相應(yīng)的高轉(zhuǎn)速和高精度、高速精密和高效率特性的數(shù)控機床電主軸應(yīng)運而生。電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、動態(tài)特性好等優(yōu)點,并可改善機床的動平衡,避免振動、污染和噪聲,它在超高速切削機床上得到了廣泛的應(yīng)用。美國、德國、日本、瑞士、意大利等工業(yè)發(fā)達國家,都在高速數(shù)控機床上廣泛采用了電主軸結(jié)構(gòu)。

電主軸結(jié)構(gòu)及工作原理
　　主軸電動機和機床主軸合為一體的電主軸，通常采用的是交流高頻電動機，故也稱為“高頻主軸”。圖1所示為電主軸的結(jié)構(gòu)簡圖，其主要特征是將電動機內(nèi)置于主軸內(nèi)部直接驅(qū)動主軸，實現(xiàn)電動機、主軸一體化的功能。

1.電源接口 2.電機反饋 3.后軸承 4.無外殼主軸電機 5.主軸 6.主軸箱體 7.前軸承
圖1　電主軸機構(gòu)簡圖
　　與傳統(tǒng)機床主軸相比，電主軸具有如下特點:
　　主軸由內(nèi)裝式電動機直接驅(qū)動，省去了中間傳動環(huán)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、機械效率高、噪聲低、振動小和精度高等特點;
　　采用交流變頻調(diào)速和矢量控制，輸出功率大，調(diào)整范圍寬，功率轉(zhuǎn)矩特性好;
　　機械結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)動慣量小，可實現(xiàn)很高的速度和加速度及定角度的快速準(zhǔn)停;
　　電主軸更容易實現(xiàn)高速化，其動態(tài)精度和動態(tài)穩(wěn)定性更好;
　　由于沒有中間傳動環(huán)節(jié)的外力作用，主軸運行更平穩(wěn)，使主軸軸承壽命得到延長。

國內(nèi)外電主軸技術(shù)與發(fā)展趨勢
　　電主軸最早是用在磨床上，后來才發(fā)展到加工中心。強大的精密機械工業(yè)不斷提出要求，使電主軸的功率和品質(zhì)都不斷得到提高。目前電主軸最大轉(zhuǎn)速可達200000r/min，直徑范圍33～300mm，功率范圍125w～80kw，扭矩范圍0.02～300nm。
　　國外高速電主軸技術(shù)由于研究較早，電主軸單元發(fā)展較快，技術(shù)水平也處于領(lǐng)先地位，并且隨著變頻技術(shù)及數(shù)字技術(shù)的發(fā)展日趨完善，逐步形成了一系列標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，高轉(zhuǎn)速電動主軸在機床行業(yè)和工業(yè)制造業(yè)中普遍采用。最近及今后一段時間，著重發(fā)展研究大功率、大扭矩、調(diào)速范圍寬、能實現(xiàn)快速制啟動、準(zhǔn)確定位、自動對刀等數(shù)字化高標(biāo)準(zhǔn)電動主軸單元。
　　近幾年美國、日本、德國、意大利、英國、加拿大和瑞士等工業(yè)強國爭相投入巨資大力開發(fā)此項技術(shù)。著名的有德國的gmn公司、siemens公司、意大利的gamfior公司及日本三菱公司和安川公司等，它們的技術(shù)水平代表了這個領(lǐng)域的世界先進水平。具有功率大、轉(zhuǎn)速高，采用高速、高剛度軸承，精密加工與精密裝配工藝水平高和配套控制系統(tǒng)水平高等特點。

電主軸常用電機
異步主軸電機
　　目前，大多數(shù)普通機床通常使用普通異步主軸電機間接驅(qū)動主軸。但異步調(diào)速主軸電機存在的問題十分明顯:效率較低，轉(zhuǎn)矩密度比較小、體積較大、功率因數(shù)低。此外，異步電機低速下轉(zhuǎn)矩脈動嚴(yán)重，低速下溫升高，而且控制算法的運算量大。但是隨著dsp等新型控制器的飛速發(fā)展，運算速度可滿足異步電機的復(fù)雜控制算法，使得異步電機低速性能得到顯著提升。

圖2　矢量控制系統(tǒng)

　　異步主軸電機主要的控制方法有二種:矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。矢量控制系統(tǒng)如圖2所示，轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康南嘟铅圈资抢秒姍C電壓、電流信號或電流、速度信號觀測轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶慷玫? 磁鏈采用閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康挠^測也受某些參數(shù)變化的影響,但比起間接矢量控制參數(shù)變化的影響更容易得到補償，高速時可獲得更精確的轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶肯嘟铅圈?，而且磁鏈閉環(huán)控制可進一步降低對參數(shù)變化的敏感性,提高磁場定向準(zhǔn)確度。

圖3　直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)
　　直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來的又一種新型的高性能交流調(diào)速技術(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)如圖3所示。它避免了繁瑣的坐標(biāo)變換，充分利用電壓型逆變器的開關(guān)特點，通過不斷切換電壓狀態(tài)使定子磁鏈軌跡為六邊形或近似圓形，控制定子磁鏈，也即調(diào)整定于磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角，從而對電動機轉(zhuǎn)矩進行直接控制，使異步電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩同時按要求快速變化。在維持定子磁鏈幅值不變的情況下，通過改變定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度以控制電機的轉(zhuǎn)速。
　　以上二種控制方法均能達到較好的控制效果，且目前已有許多成熟的應(yīng)用。如德國keb公司的帶編碼器反饋的閉環(huán)異步伺服系統(tǒng)，采用閉環(huán)矢量控制，并且同時支持增量型，正余弦及ssi編碼器反饋，給系統(tǒng)的組成帶來了極大的靈活性。

永磁同步電機
　　永磁同步電機是另外一種主軸電機，其優(yōu)點明顯:轉(zhuǎn)子溫升低，在低限速度下，可以作恒轉(zhuǎn)矩運行。轉(zhuǎn)矩密度高，轉(zhuǎn)動慣量小，動態(tài)響應(yīng)特性更好。對比現(xiàn)有的交流異步電動機，它有以下優(yōu)點:
　　工作過程中轉(zhuǎn)子不發(fā)熱;
　　功率密度更高，有利于縮小電主軸的徑向尺寸;
　　轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速嚴(yán)格與電源頻率同步;
　　也可采用矢量控制。
　　但是一般情況下，永磁同步電機的同步轉(zhuǎn)速不會超過3000r/min，這就要求永磁同步電機具有較高的弱磁調(diào)速功能。在弱磁控制的區(qū)間內(nèi)，電壓通常會非常接近電壓極限值，一旦超出電壓極限橢圓，d軸和q軸電流調(diào)節(jié)器就將達到飽和，并相互影響，這樣通常會導(dǎo)致電流、轉(zhuǎn)矩輸出結(jié)果變差。人們在弱磁控制方面也提出過不少方法，如改變轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，加上特殊鐵心構(gòu)成磁阻，以加大ld與lq的比值等[3>。但是實際效果并不十分理想，并且主軸電機功率要求較高，用永磁同步電機的稀土材料成本過高。

其他形式電機
　　其他形式電機如開關(guān)磁阻電機、同步磁阻電機作為機床主軸的應(yīng)用，現(xiàn)在也開始慢慢被關(guān)注。
　　開關(guān)磁阻電機做主軸有如下優(yōu)點:
　　系統(tǒng)效率高，輸出功率大。開關(guān)磁阻調(diào)速式主軸在寬廣的調(diào)速范圍內(nèi)，整體效率比其它系統(tǒng)高出10％以上。在低轉(zhuǎn)速下高效率更加明顯。普通交流電機驅(qū)動的主軸空載時功率因數(shù)為0.2～0.4,滿載時為0.86～0.8。而開關(guān)磁阻調(diào)速式主軸的功率因數(shù)空載時可達0.995，滿載時可達0.98。
　　主軸電機溫升低。因轉(zhuǎn)子無繞組，熱耗大部分在定子，易于冷卻，開關(guān)磁阻調(diào)速電機及控制器系統(tǒng)的溫升低于其它系統(tǒng)的溫升。但其缺點也是很明顯，轉(zhuǎn)矩脈動較大，電機和控制器的成本和復(fù)雜度高。
　　同步磁阻電機是軸向疊片各向異性(axially laminated anisotropic, 簡稱ala)轉(zhuǎn)子磁阻同步電機的簡稱，上世紀(jì)90年代以來得到較快發(fā)展。它是其定子與普通交流電機定子相似, 而轉(zhuǎn)子由高導(dǎo)磁材料和非導(dǎo)磁絕緣材料疊片沿軸向交替高密疊壓而成。其獨特的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)使之可獲得很高的凸極比(即ld/lq), 同步磁阻電機的出現(xiàn)對于機床的主軸驅(qū)動又有了性價比更好的選擇。從本身上看它具有造價低，易于控制，低速性能好，調(diào)速范圍寬等優(yōu)勢。從控制方面看，他能很好的適應(yīng)dq軸矢量控制方法，而且算法比感應(yīng)電動機簡單，在高速部分有著比pmsm好的弱磁性能。