数控机床电主轴的发展研究

齐男

摘 要：数控机床的电主轴是数控机床技术的发展核心，随着我国工业化发展进程的加快和数控机床的普及，社会需求也越来越来大，近年来，数控机床的主轴开始向着高精度、高刚度和高速度发展，为了满足这一发展趋势，电主轴技术应运而生，我国的电主轴技术和国外相比还存在很多不同之处。本文主要探讨了电主轴的结构和工作原理，并阐述了国内外电主轴的发展趋势，同时将电主轴应用过程中可能使用的几种电机进行了分析，希望能够为我国的数控机床电主轴的发展创新提供借鉴。

关键词：数控机床；电主轴；发展研究

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

数控机床的使用是为了提高机械制造业的生产率和生产质量，数控机床能够集高精度、高效和高柔性为一体，增强机械加工的精度和速度，数控机床的优势使其越来越得到机械生产企业的重视，数控机床的高速数控机床的应用，顾名思义是为了提高加工的速度而创造的。其运行过程中需要高速主轴作为支撑，其适用性能能够直接决定机床的加工速度和加工性能，其适用要求具有非常宽的恒功率运行范围和连续输出的高转矩能力，这是电主轴的主要应用特性，现已被广泛应用。

1 电主轴的结构和工作原理

电主轴是将主轴电动机和数控机床的主轴就进行结合形成的，主要的结合方式是通过交流高频电动机实现的，也被称为高频主轴，主要的工作原理是将电动机安装在主轴的内部进行驱动的，实现机电一体化的工作原理。和传统的数控机床主轴相比，电主轴能够直接进行电动机的内装来实现驱动，减少了工作流程，并且其结构紧凑、噪声小、机械的工作效率高、精度高、振动的幅度也比较小，更适合当前的数控机床工作要求。电主轴的工作主要是通过矢量控制和交流的变频调速来实现的，其实处的功率较大，功率的转矩特性也比较好，调整的范围也更大，电主轴的结构简单，移动产生的惯量也比较小，能够实现加速度和高速的的准停。电主轴相对于普通的机床主轴来说能够更好的实现数控机床的高速化，具有极强的动态性和稳定性，电主轴应用的传动环节不存在外力的作用，这能够加强主轴运行的稳定性，延长主轴的使用寿命。

2 电主轴技术的发展趋势

最早的电主轴产生在机械制造的磨床上，因其优秀的实用性能逐渐发展到了加工制造的过程中，随着多年的发展和研究，电主轴的使用功率和品质都得到了很大的提升，国外的电主轴应用技术的研发时间更长，电主轴的主要单元发展也比较快，技术的水平一直处于领先水平。随着世界信息化发展进程的加快，数字化和变频技术得到了飞速的发展，并且形成了标准的机械生产线，高转速的电动主轴也开始在机床发展和机械制造的过程中得到了广泛的应用，并且国外的发展重心放在了功率、扭矩和调速范围，用来实现快速的启动、精准的定位和自动化对刀的高标准主轴单元制作。很多西方发达国家的数控机床电主轴发展水平，代表了世界的发展水平，其电主轴具有功率大、转速高、高刚度轴承、加工精密的工艺水平。

3 电主轴的常用电机

（1）异步主轴电机。异步主轴电机是现在我国普通机床运行过程中普遍使用的主轴驱动，但异步调速的主轴电机在使用过程中存在着效率低、体积大、转矩密度小、功率因数低等问题，除此之外，异步电机在进行低速下转的过程中容易產生转矩脉动，这种情况下会导致机床的下温升高，并且其进行控制时的运算量非常庞大。但这一问题因为控制器的创新和发展，运算速度已经得到了显著的提升，这使异步电机的低速性得到了解决，异步主轴电机实现控制的方法主要有直接转矩控制和矢量控制两种，两种控制方式经实验证明，都能够达到运行控制的效果，并且已经在机械制造过程中得到了应用。

（2）永磁同步电机。永磁同步电机在使用过程中具有转子温升低的优势，在低限速度的影响下，能够自行作恒转矩运行，并且转矩的密度越高，转动的惯量越小，动态的响应特性越好，跟现有的交流异步电动机相比，具有工作中的转子不发热、功率密度升高能够缩小电主轴的径向尺寸、转子的转速能够与电源的频率相同步，还能够使用矢量控制的控制方式。但永磁同步电机的同步转速有着需要遵守的标准值，这就对永磁同步电机的弱磁调速功能有了更高的适应能力，在弱磁的控制区间内，电压通常处在极限值，很容易出现超出的情况，对转矩产生较大的影响，这也是永磁同步电机的缺陷，并且该电机的制造成本也非常高，这对将经济效益作为主要考虑点的企业发展形式来说并不适用。

（3）其他形式的电机。数控机床在工作过程中，会使用到很多类型的电机，比如开关磁阻电机、同步磁阻电机等。如果使用开关磁阻电机来做主轴，数控机床的系统运行效率和输出功率会得到很大的提升，开关磁阻的调速主轴会一直处在在规定的范围内，这就使整体工作效率得到了很大的提高，这一优势在进行低转速时能够更加明显。开关磁阻电机的温度低，转子无绕组，在进行该电机的使用过程中，热耗的很大一部分都在定子上，很容易出现冷却，但使用时也会出现转矩脉动大、电机和控制器的成本高，构造复杂，维修困难等问题。同步磁阻电机的发展速度比较快，他的运行特征和普通的交流电子的定子比较相似，主要的构造材料是高导磁材料和绝缘材料，其运用能够增加机床的主轴驱动性价比，其造价低、性能优秀、容易控制、调速范围广，并且具有比较简单的运算算法。

电主轴的电机选择是多种多样的，在实际应用过程中要结合使用环境进行最优选择。

4 总结

在我国的数控机床工作过程中，电主轴具有重量轻、结构紧凑和惯性小、动态性强的特征，能够在使用时保证机床的平衡，减少振动情况的发生、避免出现噪音和污染，主要被应用到了高速的切削机床上。电主轴的出现使高速的制造加工成为了现实，并且开始逐渐的取代传统的机床系统，电机的不同电主轴的驱动也会含有不同的优势，具体的应用情况是由加工对象来决定的，这就需要进行电机的选择时格外的注意，当前我国的数控机床发展趋势，使异步交流感应电机成为了主要的电主轴应用机型。

参考文献：

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