基于高转速涡轮式数控微主轴单元设计及关键技术研究

楚雪平， 申晓龙

（1.河南职业技术学院， 河南 郑州 450046； 2.湖南工业职业技术学院， 湖南 长沙 410208）

0 引言

随着直接转矩控制和电机矢量等变频调速技术快速发展， 高转速数控加工中心机床传动机械结构极大简化，取消了传统繁琐复杂皮带轮传动和常规齿轮的传动，高性能高转速数控微主轴单元系统已成为现代加工中心机床主要关键部件， 高转速电主轴单元一般可按应用领域、电机类型、支撑轴承型式及润滑冷却方式分类[1]。

数控铣削用电主轴通常可与数控铣床、 加工中心机床或雕铣机床配套， 加工中心机床电主轴带有自动松拉刀系统，其电主轴采用闭环编码控制并具有准停功能，选用油气润滑或高速油脂润滑减少对环境污染[2-3]。 高速电主轴的内置电机是与主轴一体零传动， 能将主传动系统转动惯量减到最小， 并可在极短时间满足高转速的速度改变，同时由于电动机安放在主轴两支承之间，提高了主轴系统刚度，临界转速和系统固有频率，避免高速共振、提高主轴轴承寿命。

1 高转速微主轴单元关键技术

1.1 高转速微主轴支撑轴承型式

高转速数控中心机床微电主轴支撑轴承通常是采用精密高速轴承，轴承的动态承载负荷强，一般有流体动（静）压力轴承、磁悬浮轴承等[4-5]。 主轴支撑轴承的组配方式，需同时满足承受轴向和径向载荷的工作情况， 一般常采用成对角接触轴承组成限位支承，依据机床主轴转速、切削载荷大小和方向及工作布置型式， 介绍以下二种常用方式。

图1 为前后二端单列角接触轴承示意图， 仅适合于负载小的磨削用电主轴。 图2 为前端两列角接触轴承与后端单列滚柱轴承组合示意图，具有高转速、高刚度，定位精度和旋转精度高的特点， 且又满足结构简化的优点[6]。

图1 二端单列角接触轴承示意图

图2 两列角接触轴承与单列滚柱轴承组合示意图

主轴角接触轴承一般要预加轴向载荷， 适量的预紧和预加载荷可消除轴承的轴向和径向游隙（或称轴承内部负游隙状态），提高主轴轴承刚性、旋转精度和抗振性，提高运行可靠性、抑制振动和打滑并延长轴承使用寿命[7]。理论上可以采用弹性预加载荷装置， 需要依据电主轴的负载情况和转速变化来选择最佳预加轴向载荷值， 近年来出现了一种新型的可调整预加载荷装置， 它通过改变气压或油压的压力值适应不同转速的最佳预加载荷[8]。

1.2 磁悬浮轴承主轴支撑

磁悬浮轴承支撑主轴是利用磁性原理通过可控电磁力， 将转轴非接触地悬浮于空间的一种新型高性能机电耦合轴承，由于转轴与定子间没有机械接触、无摩损，不需润滑及密封，主轴可达极高转速。

磁悬浮轴承主要由电磁铁、传感器、控制器、功率放大器及被控制对象（转子）等组成的闭环控制系统，见图3， 其工作过程是传感器在线获得控制对象位置信息，控制器产生控制信号经功率放大器电流推动电磁铁，产生与被控制对象等价电磁力，从而将控制对象浮悬在空间平衡位置处[9-10]。

图3 磁悬浮轴承主轴支撑图

1.3 流体动（静）压力轴承主轴支撑

空气静压轴承（又称气浮轴承）指是用空气作为润滑介质的滑动轴承， 压缩气体经过节流器后进入轴承间隙，空气弹性势能形成的润滑气膜具有一定承载能力和刚度，主轴因载荷出现的偏心和自重建立起轴承相应的刚性和承载， 从而能将转轴浮起在轴承中，见图4。气体与液体相比时，粘度只有液体的千分之一，同时气体具有可压缩的特点，空气静压轴承电主轴的转速可达150000～220000r/min[11-12]。

图4 空气静压轴承

液体静压轴承是指靠外部供给压力油， 在轴承内建立静压承载油膜以实现液体润滑， 液体静压轴承从起动到停止始终在液体润滑下工作，轴承具有旋转精度高、转动平稳、油膜刚度大、能抑制油膜振荡、无振动等优点，在极低甚至为零的速度下也能应用。

液体动压轴承是依靠液体润滑剂动压力形成液膜从而隔开两摩擦表面并承受载荷，润滑剂是被两摩擦面的相对运动带入摩擦面之间的。液体动压轴承启动和停车时，因速度较低还不能形成足够隔开两摩擦表面的油膜易出现磨损，所以液体动压轴承要求轴瓦和轴颈配合表面几何形状光滑正确， 在安装时精确对中[13-14]。 液体动（静）压主轴以液态油膜作为支撑，有着显著误差均化和阻尼减震性， 液体动静压电主轴难点在控制高速时主轴温升及热变形。

1.4 主轴控制技术及润滑冷却技术

电主轴电机的矢量控制与直接转矩控制技术属于高性能交流调速系统。 矢量控制方法理论上一般具有低速恒转矩、中高速恒功率的特点，实际驱动控制中矢量控制驱动器在高速端转矩和功率均会略有下降， 闭环矢量控制驱动器可实现电主轴的C 轴功能和定向停止功能。 直接转矩控制是以转矩直接作为被控量进行综合控制的，其本质是利用空间矢量对定子磁链和电磁转矩进行直接控制，直接转矩控制具有对电主轴电机参数变化不敏感、转矩动态特性快速响应的特点。

高速电主轴发热主要集中在定转子和轴承的摩擦发热，润滑和冷却系统的关系紧密，润滑系统设计及性能好，也就相应减轻了冷却系统负担。 电机与轴承冷却常采用冷却流体的对流、定子冷却常采用外部冷却套来实现，转子冷却一般通过润滑油流动带走热量。 高速电主轴的润滑主要有四种方式，即①油脂润滑；②油气润滑；③油雾润滑；④喷油润滑。 其中油气润滑是一种气液两相流体冷却润滑的新型润滑技术，润滑油经分配阀定时（间歇）、定量（微量）地供给最佳精细微量的连续油滴喷射到润滑位置，在润滑部位维持一定正压，起到良好的密封效果[6]。

图5 压力恒定液体静压轴承

图6 油气润滑原理系统示意图

2 数控微主轴单元设计与计算

高速加工中心主轴调速通过对电动机转速控制来实现，电主轴调速方法常用变频电动机控制变压变频调速。

2.1 数控微主轴单元设计

2.1.1 主轴变频器及冷却方式选择

普通变频是通过标量驱动和控制， 由于其控制动态性能不理想，输出功率不稳定，因而较少使用。 矢量控制是一种类似直流电动机的控制技术方式， 以矢量变换方法实现驱动与控制，矢量控制驱动低频转矩增大、启动加速度大，可实现位置速度反馈、控制灵活，动态响应性能好。直接转矩控制利用电压空间矢量控制技术方法，由于利用定子磁场定向、PWM 信号对逆变器可实现最优控制，因而具有高转速、宽调速范围、高速瞬间准停的动态特性和静态特性的特点， 是一种更适合高速电主轴的新型高性能交流调速技术[6]。

主轴变频器选择需要根据控制方式， 结合电动机规格指标参数（如：额定功率、额定转速、额定电流、额定电压、额定频率等），依据电压匹配、容量充足，变频器额定电流应不低于其电动机相应额定电流等原则， 选取适当的变频器型号。

一般电主轴的基本结构型式是主电机放置于主轴前后支撑轴承之间， 对数控微主轴单元的小型高速数控机床， 为满足减小电主轴前端径向尺寸和好的散热条件要求，通常将主轴箱和主电动机做轴向的同轴布置，即主电机置于主轴后轴承之后。

由于电主轴两个主要热源是内置高速主电动机和主轴轴承， 因而冷却方式选择要尤其先考虑内置高速主电动机的发热问题。因电机由铁芯和绕组等组成，而绕组通电损耗就会产生铜损；电流不标准也会产生谐波损耗；另铁芯有磁滞引发涡流效应， 在交变磁场中会相应产生铁损。 这些铜损、铁损常以热的形式表现，它们约占电主轴总发热量的2/3，严重影响电动机的效率。 为能将产生的热量及时传导出去， 常用有空气强制对流换热和循环液体冷却二种冷却方式，这也是当今电主轴设计的重点。

2.1.2 主轴轴承选型与电主轴参数的计算

电主轴高速旋转时承受很大的轴向和径向切削力，主轴轴承性能要求其具有较低的温升和高的回转精度，并要有较高的轴向和径向刚度，使用寿命长的特点。 电主轴按所用轴承的不同，常有滚动轴承电主轴、液体静压轴承电主轴和磁悬浮轴承电主轴三种结构型式。高速电主轴滚动轴承通常选用既可承受轴向载荷也可同时承受径向载荷的精密角接触陶瓷轴承， 这种陶瓷球轴承具有质量小、热膨胀系数小、耐高温、硬度高等特点，其在超高温时也有着尺寸稳定、非磁性、耐腐蚀、弹性模量高等优点[6]。

（1）液体静压轴承。 液体静压力支承外载荷，形成足够压力润滑油膜将轴颈浮起， 静压轴承油膜具有均化误差作用，精度保持性好。液体静压轴承系统的设计包括合理选择轴承、节流器、液压系统的结构形式和确定各有关参数等。

液体静压轴承设计的一般步骤是： ①选择轴承的结构形式； ②确定主轴支承数目； ③选择节流器的结构形式；④设计计算确定轴承结构尺寸等；⑤计算油腔有效承载面积等；⑥选择节流比、供油压力、润滑油等；⑦计算轴承流量、验算油膜刚度和承载能力；⑧计算油泵功率和摩擦功率；⑨选择油泵规格、设计供油系统。

（2）磁悬浮轴承。 磁悬浮轴承（又称磁力轴承），功耗很小，仅为普通滑动轴承的1/100～1/10。 可通过电子系统控制轴的位置，调节轴承阻尼与刚度，其转子有良好动态稳定性能。现在随着电子控制技术的不断发展，磁悬浮轴承的应用范围逐步扩大，可靠性越来越高。磁力轴承一般可分为以下五种： ①有源型磁力轴承； ②无源型磁力轴承；③有源无源混合型磁力轴承；④永磁型磁力轴承；⑤激励型磁力轴承。

磁悬浮轴承选择时应注意： 无源型磁力轴承至少在一个方向上要采用有源型， 有源型与无源型相比其刚度高、响应速度快、功耗小，可实现5 个自由度控制，但需要外控回路； 有源型磁力轴承一般具有敏感偏心变化位置传感器和伺服控制系统的特点。 激励型磁力轴承配有控制系统或调谐电路，承载能力大、稳定性好、应用广泛，但功耗较高。

2.1.3 电主轴参数计算

电主轴参数主要包括有：主轴直径、主轴悬伸量、主轴跨距及电主轴选型等。

主轴直径决定了主轴刚度和机床加工能力； 主轴悬伸量主要取决主轴端部结构型式和尺寸、 前支承轴承配置形式及密封装置。

主轴跨距的计算：当主轴端部受切削力F 作用时，主轴和轴承都会产生变形，引起主轴轴端位移，该位移y 是由主轴本体在轴端的弯曲变形y1和因轴承变形而引发主轴的端部位移y2的相应叠加， 故主轴轴端的总位移y 计算如下：

式中：y1—刚性支撑的弹性主轴端的扰度；y2—弹性支撑的刚性主轴轴端位移；a—主轴悬伸量；KA、KB——前、后支撑的弹性变形。

反复迭代求取主轴跨距L：

电主轴选型：电主轴电机基本参数一般指额定功率、额定转速、额定转矩、变速范围。电主轴选型方法与流程是根据切削条件→选择电主轴类别→计算功率/转速→确定主轴轴径→依据最高转速、额定转速、额定功率和轴径确定电主轴型号等。

2.2 数控微主轴单元简化及刚度计算

根据主轴组件的工作和受力情况， 可以先将数控微主轴组件模型近似简化为一个截面均匀的简支梁来进行计算。 见图7。

图7 主轴单元前后为双列圆柱滚子轴承受力模型图

主轴前后轴颈部分一般由数段不同直径、长度组成，其当量直径d 为

图8 主轴单元前为双列圆柱滚子、后为三联角接触球轴承受力模型图

将主轴单元模型计算数据与测试实物或同类型样本给出数据对比，判断选用是否合理适当。

3 结束语

高速电主轴是高度机电一体化的数控机床关键核心功能部件，具有转速高、功率大，能控制主轴温升和振动等运行参数，成为承载高速切削技术的主体之一，采用变频调速、矢量控制、功率因数补偿等技术可以改善电动机系统的效率。在控制系统方面，大多数高速电主轴生产企业采用了矢量控制，对感应电动机应用直接转矩控制、定子优化控制、自适应控制等措施。 选用转动惯量小、转矩密度高、 控制精度高的永磁电动机代替感应电动机也成为了电主轴发展的重要方向。

本文在分析高速数控电主轴变频调速技术现状基础上，说明了其结构上的主要特点及应用。从高转速微主轴支撑轴承型式、磁悬浮轴承主轴支撑、流体动（静）压力轴承主轴支撑、 主轴控制技术及润滑冷却技术等高转速微主轴单元关键技术上进行分析；并对主轴变频器及冷却方式选择、主轴轴承选型与电主轴参数的计算、数控微主轴单元简化及刚度计算， 可将计算出数据与实物测试数据对比，来判定是否合理。