电主轴关键技术研究综述

单刚*，单文桃，芮晓倩

（江苏理工学院，江苏常州，213001）

电主轴关键技术研究综述

单刚*，单文桃，芮晓倩

（江苏理工学院，江苏常州，213001）

高速电主轴作为高速机床的核心功能部件之一，已经成为世界各主要工业国重点研究对象。本文在总结电主轴的结构特点的基础上，论述了电主轴的关键技术，重点介绍了国内外电主轴技术的现状，分析了我国电主轴技术与国外先进水平之间的差距，最后指出了国产电主轴的研究发展方向。

电主轴；关键技术；研究方向

引言

国家在最新出台的“关于加快振兴装备制造业的若干意见”中已经明确指出：发展大型、精密、高速数控装备及其功能部件是振兴装备制造业的基础，而发展数控功能部件是当务之急，是装备业振兴的必要条件。电主轴作为高速机床的核心功能部件之一[1]，它将主轴电机直接置于机床主轴单元内部直接驱动主轴，使机床传动结构得到极大简化，实现了“零传动”。因为电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态性能好等优点，可以很好地改善机床的动平衡，避免振动和噪声，同时传统的滚动轴承主轴结构难以满足高速机床高转速、高精度的要求，因此电主轴在高速机床中得到了广泛地应用。美国、德国、日本、意大利等工业发达国家，都在数控机床上广泛采用电主轴结构，并取得了良好的经济效益。随着高速加工技术的迅猛发展，各工业部门特别是航天、航天、汽车和模具加工等行业，对高性能、高精度数控机床的需求越来越迫切[2]。同时，高速电主轴是完成高速加工的战略性关键，其性能指标直接决定机床的发展水平。因此，对电主轴关键技术进行研究显得十分重要。

1 电主轴的结构特点

在装备制造业中，传统的机床主轴是由电机通过中间变速和传动装置（如皮带、齿轮、联轴节等），驱动主轴旋转而进行工作的，这种主轴形式称为分离式和直联式主轴（通称机械主轴），与此相比，电主轴具有以下特点：

（1）主轴由内装式电机直接驱动[3]，取消了带轮传动和齿轮传动等传动装置，使机械结构得到了极大的简化，具有结 ro构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低和精度高等优点。

（2）采用交流高频电动机，可使电主轴在额定转速范围内实现无极调速，这样可以满足机床工作时不同工况和负载变化的需要。

（3）由于电主轴取消了电机到主轴传动链中的齿轮、皮带等一切中间传动装置，由动力源对主轴直接驱动，减少了传动冲击等外力作用，主轴可在高速条件下运行的更加平稳，同时主轴轴承承受的动载荷较小，延长了主轴轴承1的精度和寿命。

（4）电动机内置于主轴两支承之间，这与用带轮、齿轮等作末端传动的结构相比，可提高主轴系统的刚度，也就提高了系统的固有频率，从而提高了临界速度值。这样，即使电主轴在最高转速运转时，仍可确保低于其临界转速，确保高速运转时的安全。

（5）采用内装式电动机的闭环矢量控制、伺服控制等技术，这样不仅可以满足机床低速重切削时的大转矩，高速精加工时大功率的要求，还能实现停机角向准确定位（即准停）及C轴功能，同时满足要求有准停和C轴功能的加工中心、数控车床及其他数控机床的需要。

（6）实现了电动机和主轴的一体化、单元化，使电主轴能够由制造商进行系列化、规模化和专业化生产，电主轴能够以商品的形式进入市场，成为专门的数控机床功能部件之一，以供主机使用，促进了机床模块化和其他技术的发展。

图1 电主轴结构简图

2 高速电主轴技术的国内外研究现状

高速电主轴是高速数控机床的核心功能部件之一，主要包括高速主轴轴承、主轴电机及其控制模块、润滑冷却系统、主轴刀柄接口等。因此，高速电主轴是一种直接依赖于高速精密轴承技术、高速电机与驱动技术、油气润滑与冷却技术、精密制造与装配技术等关键技术，以及内置编码器技术、自动换刀技术、在线自动动平衡技术等相关配套技术的高度机电一体化的数控机床等关键功能部件[4]。高速电主轴技术的研究已经成为国内外高速数控系统研究的热点问题，其研究水平的高低是数控技术水平的标志。

2.1 国外高速电主轴技术的研究现状

国外对高速电主轴的研究开始较早，最早应用于内圆磨床。随着高速切削技术的发展，电主轴逐渐应用于各类高速数控机床中。目前世界上各主要的工业国家出现了许多机床电主轴功能部件的专业制造商，其中比较著名的有：瑞士的Fisher公司和IBAG公司，德国的GMN公司和FAG公司，美国的PRECISE公司，意大利的 CAMFIOR和 FOEMAT公司，日本的 NSK公司和MAZAK公司，以及瑞典的SKF公司等。其中，瑞士的IBAG公司在电主轴行业技术领先，现在被公认为代表了行业的发展趋势[5]。IBAG公司提供的电主轴已经系列化，标准化，最大转速可达180000r/min，直径范围33到300mm，功率范围125W80Kw[6]。日本的MAZAK公司生产的MEGA-8800重切削卧式加工中心，配备了大功率、大扭矩电主轴，其输出功率达85Kw，最大输出扭矩1249Nm，适用于镍基合金、钛合金等难加工材料的加工[7]。

这些公司生产出的电主轴具有以下特点：

（1）功率大、转速高。

（2）采用高速、高刚度轴承。国外高速精密主轴上采用高速、高刚度轴承主要有陶瓷轴承和液体动静压轴承，特殊场合使用磁悬浮轴承和空气润滑轴承。

（3）精密加工与精密装配工艺水平高。

（4）配套控制系统水平高。这些控制系统包括转子自动平衡系统、轴承油气润滑与精密控制系统、定转子冷却温度精密控制系统、主轴变形温度补偿精密控制系统等。

2.2 国内高速电主轴技术的研究现状

20世纪60年代，国内开始对电主轴进行应用研究，主要用于零件内表面的磨削[8]。由于采用了无内圈式向心推力球轴承，使电主轴功率较低，刚度较小，限制了高速电主轴的产业化。随着电主轴技术在国内的不断发展，到了20世纪80年代末90年代初，国内一些科研单位和厂商开始研制其他用途的高性能电主轴。目前，国内也涌现出了一些专业的电主轴科研单位和公司。其中，河南省洛阳轴承研究所，其中河南省洛阳轴承研究所已经研制开发了额定转速从5000r/min 到150000r/min，功率从0.2Kw到75Kw的13个系列的160余种电主轴产品，但其产品主要是用于轴承内圆磨削的高速电主轴[9]。安阳莱必泰机械有限公司研制生产的加工中心用电主轴，采用了先进的矢量闭环控制技术，能对主轴恒功率调速、准停制动，但其主要指标仅做到了最高转速达 12000r/min、功率范围为3.7～25Kw[10]。汉川机床有限责任公司也先后研制出5.5Kw和15Kw的大功率电主轴，锥孔振摆仅为 0.005mm/300mm，与日本电主轴的指标十分接近，最大噪声65dB，不加冷却的情况下最大温升低15℃，重量仅150kg，但其最高转速只能达到15000r/min[11]。总之，国内生产的磨削用电主轴的转速在150000以内；加工中心用电主轴在30000r/min，转矩达 200Nm的加工中心用电主轴转速只有 4000r/min;车削用电主轴最高转速可到12000r/min,最大功率只有11Kw。

近几年，虽然我国电主轴技术发展迅速，但是与国外先进国家相比差距仍然很大，主要表现在：（1）高转速；（2）低速大转矩；（3）高精密支承轴承技术；（4）冷却与润滑技术；（5）在线监测与控制技术；（6）高性能电动机及电动机控制技术等方面。因此，在高转速、高精度的高速数控机床和加工中心用电主轴，主要还是依靠进口。

2.3 与国外先进技术之间的差距

我国电主轴技术与国外先进水平差距主要体现在以下几个方面：

（1）电主轴的低速大转矩方面。国外电主轴在低速段的输出转矩可达300Nm以上，有的甚至可以超过600Nm（如德国的CYTEC），而国内多在100Nm以内。

（2）高速方面。国外用于加工中心用电主轴的转速已经达到 75000r/min（如意大利的 CAMFIOR公司），而我国大多在20000r/min以下。钻、铣用电主轴方面，国外已经达到了260000r/min（比如日本的SEIKO SEIKI），而我国电主轴的最高转速为150000r/min。

（3）电主轴的润滑方面。国外已经普遍使用先进的油气润滑，而我国虽然有部分企业和研究所使用油气润滑方式，但仍有较多企业和研究所仍以油脂润滑和油雾润滑为主。

（4）电主轴的支承方面。国外已经有了动静压液（气）浮轴承电主轴（瑞士IBAG）、磁悬浮轴承的电主轴（瑞士IBAG）的成熟产品。而我国仍然处于科学研究、试验和开发阶段。

（5）其他与电主轴相关的配套技术方面。如主轴电动机矢量控制和交流伺服控制技术、精确定向（准停）技术、快速起动与停止技术等，这些技术国外已经比较成熟，而国内仍然不够成熟，远远不能满足实际生产需要。

（6）在产品的品种、数量和制造规模方面。尽管国内已经有部分制造商从事电主轴的研究和制造，但是仍然以磨床用电主轴为主，对于数控机床用电主轴仍处于少量开发与研究阶段，远没有形成系列化、专业化和规模化生产，还无法与国外先进水平相比，远远不能满足国内市场日益增长的需要。

3 电主轴关键技术

从表1的对比中可以发现，在高速电主轴的整体制造技术上，我国与国外仍存在较大差距，主要体现在高速精密轴承的研制、主轴电机及控制技术、高速和高精度条件下冷却技术和振动的抑制、主轴零件与电机的装配问题等关键技术方面，同时这也是影响我国高速电主轴发展的关键因素。

表1 国内外数控机床和加工中心用电主轴的主要参数表

3.1 高速精家轴承技术

高速精密轴承是高速电主轴的核心支承部件，它需要满足高速、高刚度的要求，所以轴承的选择和设计十分关键。对于高速、高精度的主轴来说，很高的 DmN值（即主轴轴承的平均直径（mm）与主轴的极限转速（r/min）的乘积值），应该要满足在要求的转速下的DmN值。因为电主轴的最高转速取决于轴承的大小、布置和润滑方法，所以轴承必须要具备高速性能好、动态负荷承载承载力高、润滑性能好、发热量小等特点。目前国内外高速电主轴多采用角接触球轴承、动静压轴承以及磁悬浮轴承。

动静压轴承[12]综合了动压轴承和静压轴承的优点，是一种新型多油楔油膜轴承，它具备很好的高速性能，并且调速范围宽。它既适合大功率的粗加工，又适用于超高速的精加工，但是这种轴承需经过专门设计和生产，标准化程度低，所以应用比较少。角接触球轴承[13]是精密数控机床常用的主轴支承，影响其高速性能的原因主要是在高速条件下滚珠上的离心力和陀螺力矩都会增大，这会使滚珠与轴承外圈的接触压力增大，从而使摩擦和温升增加。为了提高角接触球轴承的高速性能，常采用的方法是减小滚珠的直径、采用质量较轻的材料做滚珠等。磁悬浮轴承[14]虽然不存在机械接触，转轴可达到极高的转速，但是由于造价高，控制系统过于复杂，同时发热问题不易解决，通常只用于特殊场合。

3.2 主轴电机及控制技术

主轴电机的性能不仅关系到主轴的最大功率和力矩，甚至决定了整个电主轴的性能。合理选择电机类型，设计电机的电磁参数，使电机单位体积下的功率密度更高、体积和转动惯量相对较小具有重要意义[15]。

因为永磁电机受功率的限制，电主轴的电动机多采用交流异步感应电动机，采用矢量闭环控制来实现定位准停和刚性攻丝的要求。随着永磁电机性能的不断增强，在控制精度和调速范围上较异步电机有优势，所以越来越多的电主轴采用交流永磁同步电机。与采用异步电动机的电主轴相比，同步电主轴的优点主要表现在：转子不发热，从而有效减小了电主轴的热变形；转子无损耗，电主轴具有较大的功率密度，工作效率高；转动惯量小，易于实现快速启动和准停；低速性能好，易于实现精密控制。在加工中心的应用中，同步电主轴就显示出了占用空间小、结构紧凑，特别适合高精度强力重载加工场合的优势。电主轴的伺服控制需要满足精准定位和高加减速的要求，因此多采用矢量控制算法，该算法的控制系统由电流内环、速度环和位置环组成。高速的全数字处理器的使用不仅使复杂的伺服控制算法得以实现，而且保证了电主轴相应的快速性和伺服控制精度。目前，国内小功率的永磁同步电机及伺服控制技术水平与国外差距不大，但是在大功率、高转速永磁同步电机方面与国外发达国家差距较大，特别是功率40KW，转速10000r/min以上的永磁同步电机及控制技术，这仍是我国电主轴技术中需重点研究的关键技术之一。

3.3 电主轴的润滑及冷却技术

高速电主轴的润滑主要指的是主轴轴承的润滑，轴承作为高速电主轴的核心支承部件，在高速回转时，采用正确的润滑方式显得极为重要，如果稍有不慎，就会导致轴承因为过热而烧坏。同时轴承必须采用合理的、可控制的润滑系统来控制轴承的温升，从而保证机床工艺系统的精度和稳定性。高速电主轴的润滑方式的选择与轴承的转速、负荷、容许温升及轴承的类型有关，可采用的润滑方式有油脂润滑、油雾润滑、油气润滑、喷射润滑以及环下润滑等[16]。

电主轴的结构特点是把电动机的定子直接安装在壳体内，同时，电主轴内部结构紧凑，使得主轴功率密集，这就会不可避免地引发散热问题。发热引发的热变形将导致机床丧失加工精度。电主轴内部主要有两个热源：电动机损耗发热和轴承摩擦发热[17]。电动机产生的热量主要通过主轴壳体散热[18]，且有一部分热量会通过主轴传递到轴承上，加剧了轴承温升，影响其使用寿命，同时造成转轴发生热变形，影响其加工精度，严重降低了主轴系统的可靠性。

电主轴的主要冷却措施是电机定子与壳体连接处设计循环冷却水套[19]，同时采用合理的润滑方式也可减少热量，如油气润滑对轴承不仅有润滑作用，还具有一定的冷却作用。

3.4 电主轴的动平衡技术

在高速旋转和切削的情况下，电主轴运转部分微小的不平衡量，都会引起巨大的离心力，造成机床的振动，振动过大会引起剧烈的磨耗和破损，增加主轴承载的动态负荷，降低寿命和精度。电主轴的动态特性很大程度上决定了机床的加工质量和切削能力。因此，对高速电主轴动平衡特性的研究也是电主轴关键技术的一个热点问题。

为了使转子在装配后达到精确的动平衡，在设计初就应该充分考虑造成其动平衡问题的受迫力和自激振动能力的因素，所设计的主轴部件应该对这两类性质不同的振动都具有良好的抵抗能力，以保证电主轴在高速切削的时候具有良好的运转精度和传动能力。

高速电主轴的动平衡精度的要求十分严格，一般应达到G1G0.4级。这样高的要求不仅在装配前对每个零件进行动平衡，而且在装配后还要进行整体精确动平衡，甚至要设计专门的自动平衡系统来实现主轴的在线平衡[20]，从而保证主轴的高速平稳运行。

4 国内电主轴技术研究方向

本文在综述数控机床用电主轴单元技术的国内外发展现状，并分析电主轴的几项关键技术的基础上，总结出数控机床电主轴单元技术研究方向，主要有以下几个方面：

（1）以减少发热、提高主轴功率密度为目标，解决永磁同步电机容量低、弱磁困难的技术难题，研制开发出高性能永磁同步电主轴及其驱动系统。

（2）以提高主轴寿命为目标，解决液体动静压轴承最高转速低的问题，研制以液体动静压轴承为支承的大功率电主轴。

（3）研究开发更方便、更精确的润滑方式，改善轴承在高速条件下的润滑状态，提高其使用寿命。加强油气润滑、环下润滑等新型少油润滑技术的研究，为高速电主轴未来发展开辟新途径。

（4）加快研究电主轴单元的在线动平衡技术，提高主轴的运转精度。

（5）加强计算机仿真技术在高速电主轴设计中的应用研究。开发集设计、工艺分析和结构设计等子专家系统于一体的并行式多专家电主轴CAD设计系统。

5 结束语

随着高速加工技术的不断发展，对数控机床用电主轴提出了越来越高的要求，电主轴作为高速数控机床的核心部件，自然也成为了国内研究的重点。我国在“十二五”规划中明确提出了电主轴对于装备制造业发展的重要意义，因此，我国应把电主轴技术的研究作为发展装备制造业的重点。

电主轴单元是一套组件，它是一项涉及电主轴本身及其附件的系统工程，它融合的技术包括：高速精密轴承、内置式无外壳电机、动平衡控制技术、润滑冷却系统等，各方面的技术都需要深入研究。

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A Summary of Key Technology Research on Motorized Spindle

SHAN Gang*,SHAN Wentao,RUI Xiaoqian
(Jiangsu University of Technology,Jiangsu Changzhou,213001,China)

Motorized spindle as one of the core functional units of high speed machine tool,has become the key study object in main industrial countries all over the world.This paper summarizes the structural characteristics of motorized spindle,discusses the key technology of motorized spindle,emphatically introduces the present situation of motorized spindle technology at home and abroad,analyzes the gap between our country's motorized spindle technology and foreign advanced level,finally points out the research and development direction of domestic motorized spindle.

motorized spindle; key technology; research direction

A

1672-9129(2017)06-0103-04

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.06.035

单刚,单文桃,芮晓倩. 电主轴关键技术研究综述[J]. 数码设计,2017,6(6)： 103-105.

Cite：SHAN Gang,SHAN Wentao,RUIXiaoqian. A Summary of Key Technology Research on Motorized Spindle[J]. Peak Data Science,2017,6(6)： 103-105.

2017-02-03；

2017-03-10。

单刚，（1992-），在2015年于盐城工学院获得学士学位。现为江苏理工学院研究生在读。主要研究方向为高速电主轴技术。

国家自然科学基金青年基金（51405209）；江苏省青蓝工程优秀青年骨干教师项目。

Email：759737832@qq.com