智能化电主轴技术

第1章 电主轴关键技术与性能 髙速加工技术可以解决机械产品制造中的诸多难题，如获得特殊的加工精度和表面质量，这项技术在各类装备制造业中得到越来越广泛的应用，使得高速数控机床成为装备制造业发展的重要基础。电主轴是一种智能型功能部件，是承载髙速切削技术的主体之一，不但转速高、功率大，还需要具有控制主轴温升与振动等机床运行参数的功能。在髙速加工时，采用电主轴实现刀具/工件的精密运动并传递金属切削所需的能量是*佳的选择。本章主要介绍电主轴的工作原理，分析电主轴的关键技术及运行性能。 1.1 电主轴结构及工作原理 随着变频调速技术的迅速发展和日趋完善，髙速数控机床主传动的机械结构已得到极大的简化，取消了带轮传动和齿轮传动。机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴合二为一的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成主轴单元，俗称“电主轴”[1]。 1.1.1 电主轴结构与分类 电主轴主要由前盖、后盖、转轴、前端轴承、后端轴承、轴承预紧、水套、壳体、定子及转子组成。电主轴的定子由具备髙磁导率的优质硅钢片叠压而成，叠压成型的定子内腔带有冲制嵌线槽。转子通常由转轴、转子铁心及鼠笼组成。转子与定子之间存在一定间隙，称为气隙，它是磁场能量转换的通路，用于实现将定子的电磁力场能量转换成机械能。电主轴的转子用压配合的方法安装在转轴上，处于前端轴承和后端轴承之间，由压配合产生的摩擦力来实现大转矩的传递。转子内孔与转轴配合面之间有很大的过盈量，装配时必须在油浴中将转子加热到200°C，迅速进行热压装配。电主轴的定子通过一个冷却套固装在电主轴的壳体中。在电主轴的后部可安装编码器，以实现电动机的全闭环控制。电主轴前端外伸部分的内锥孔和端面，用于安装和固定可换的刀柄。 高速电主轴单元的类型通常按支承轴承型式、润滑方式、冷却方式、应用领域及电机类型进行分类。电主轴分类如表1.1所示。 表1.1 电主轴分类 按应用领域进行分类，电主轴可划分为车削、铣削、磨削、钻削、旋碾、离心等，具体功能如下： （1）车削用电主轴。高速车削用电主轴能获得好的加工精度和表面粗糙度，特别适用于铝、铜类有色金属零件的加工。车削中心所使用的电主轴除传递运动、扭矩，还要带动工件旋转直接承受切削力。在一定载荷和转速下，电主轴部件要保证工件精确而稳定地绕其轴线做回转运动，并在动态和热态的条件下，仍能保持这一性能。 （2）铣削用电主轴。铣削用电主轴与数控铣、雕铣机及加工中心配套，进行高速铣削和雕刻加工，适用于常规零件、工模具、木工件加工，主要有自动换刀主轴和手动换刀主轴两种。自动换刀主轴带有自动松拉刀系统，刀具更换方便快捷；手动换刀主轴结构简单，经济实惠，适合不需频繁换刀的机床。雕铣用电主轴转速偏高，一般在24000r/min以上，通常选用专用弹簧夹头来夹持刀具，其电动机输出可分为恒功率和恒转矩两种。大型数控铣削用电主轴不设刀库，无须换刀，因此可选用开环控制。加工中心用电主轴通常采用闭环控制，若需实现低速大扭矩输出，则在选择电主轴型号时，需提供电主轴转速范围及恒功率段起点转速并要有准停功能。加工中心用电主轴通常选用高速油脂润滑或油气润滑以减少油雾对环境的污染。 （3）磨削用电主轴。磨削用电主轴是目前*主要的电主轴类型，主要应用于高速磨削，以提高磨削线速度和表面质量为目的，具有高速度、高精度和输出功率大的特点，如轴承磨床、各种内圆磨床及外圆磨床等。 （4）钻削用电主轴。钻削用电主轴主要是指印刷电路板（printed circuitboani，PCB）高速孔化所使用的电主轴，常规速度等级分为60000r/min、80000r/min、90000r/min、105000r/min、120000r/min、180000r/min六档。前三种为油脂润滑型滚动轴承支承的电主轴，其加工范围为0.2～0.7mm；后三种为空气静压轴承支承的电主轴，可用来钻削0.1～0.15mm的小孔。 （5）其他电主轴。高速旋碾用电主轴用于加工空调设备的内螺纹铜管。高速离心机用电主轴广泛应用于分离、粉碎、雾化、试验等高速离心领域。其他特殊用途的电主轴主要用于驱动、试验、切割等。 1.1.2 电主轴电机工作原理 1.三相异步电主轴工作原理 三相异步电主轴的定子通入三相对称电流，电主轴内部形成圆形旋转磁通、圆形旋转磁通密度，合成磁场随着电流的交变而在空间不断旋转，即产生基波旋转磁场。不同时刻电主轴内部磁场仿真图如图1.1所示。电主轴内部磁场为圆形，旋转磁场的转速为 （1.1） 式中，fs源频率，Hz；ns旋转磁场的转速（又称同步转速），r/min；p为极对数。 图1.1 不同时刻电主轴内部磁场仿真图 转子导条彼此在端部短路，导条中产生电流，不考虑电动势与电流的相位差，该电流方向与电动势一致，导条在旋转磁场中受电磁力，产生电磁转矩，转子回路切割磁力线，其转动方向与旋转磁通势一致，并使转子沿该方向旋转。假设转子转速为叫，当时，表明转子导条与磁场存在相对运动，产生的电动势、电流及受力方向与转子不转时相同，电磁转矩为逆时针方向，转子继续旋转，并稳定运行。当～=叫时，转子与旋转磁场之间无相对运动，转子导条不切割旋转磁场，转子无感应电动势，无转子电流和电磁转矩，转子将无法继续转动。因此，异步电主轴的转子转速往往小于电源的同步转速[2]。 转子转速叫与同步转速ns之间的差异定义为转差率h即 （1.2） 式中，为转子转速，r/min。 因此，转差率越小，表明转子转速越接近同步转速，电主轴效率越髙。 1）定子电压方程 感应电动机定、转子耦合电路示意图如图1.2所示，其中定子频率为fs，转子频率为ft，定子电路和旋转的转子电路通过气隙旋转磁场相耦合。图中表明，以同步转速旋转的气隙旋转磁场，将在定子三相绕组内感应对称的三相电动势Es。根据基尔霍夫第二定律，定子每相所加的电源电压f/s等于该电动势的负值加上定子电流所产生的漏阻抗压。由于三相对称，仅需分析其中的一相（取A相）。于是，定子的电压方程为 （1.3） 式中，Rs为定子每相的电阻，为定子每相的漏抗，为励磁电流im在励磁阻抗Zm上的压降，即。 图1.2 感应电动机定、转子耦合电路示意图 2）转子电压方程 在三相异步电机中，气隙主磁场除在定子绕组内感生频率为fs的电动势瓦，还将在旋转的转子绕组内感生转差频率fr=Sfs的电动势Ers。Ers的有效值为 （1.4） 式中，1取，I为气隙磁通在转子每相感应电动势的有效值，转子每相绕组的有效匝数；&为每极气隙磁通量，Wb。 当转子不转0=1）时，转子每相感应电动势为 （1.5） （1.6） 即转子的感应电动势与转差率S成正比，s越大，主磁场切割转子绕组的相对速度就越大，也越大。 转子每相绕组也有电阻和漏抗。由于转子频率为A=S/S，转子绕组的漏抗应为 （1.7） 式中，转子频率等于/s时的漏抗。 感应电动机的转子绕组通常为短接，即端电压Ur=0，此时根据基尔霍夫第二定律，可写出转子绕组一相的电压方程为 （1.8） （1.9） 式中，为转子电流，为转子每相电阻。 定、转子频率不同，相数和有效匝数也不同，因此定、转子电路无法连在一起。为得到定、转子统一的等效电路，必须将转子频率变换为定子频率，将转子的相数、有效匣数变换为定子的相数和有效匝数，即进行频率归算和绕组归算。频率和绕组归算后感应电动机的定、转子电路如图1.3所示。 图1.3 频率和绕组归算后感应电动机的定、转子电路图 感应电动机的电压方程和磁动势方程为 （1.10） 根据式（1.10），感应电动机的T形等效电路如图1.4所示。可以看出，感应电动机空载时，转子转速接近于同步转速，转子相当于开路，此时转子电流接近于零，定子电流基本上是激磁电流。当电动机加上负载时，转差率增大，￥减小，使转子和定子电流增大。负载时，由于定子电流和漏阻抗压降增加，和主磁通值将比空载时略小。起动时，转子和定子电流都很大；由于定子的漏阻抗压降较大，此时I足I和主磁通值将显著减小，仅为空载时的50%～60%。 图1.4 感应电动机的T形等效电路 2.永磁同步电主轴工作原理 永磁同步电主轴的定子与三相异步电主轴基本相同，为三相对称结构；转子为磁极，按照转子结构形式分为凸极式和隐极式。凸极式适合用于低速运行，隐极式适合高速运行。因此，对于电主轴，以隐极式为主，且励磁方式为永磁。 三相同步电主轴定子绕组通以三相对称电流时，在定子绕组产生基波旋转磁场，其旋转同步转速与式（1.1）相同。转子采用永磁体，具有无励磁损耗、效率高等特点。在定子磁场和转子永磁体的相互作用下，转子被定子基波旋转磁场牵引着以同步转速一起旋转，即转子以同步转速旋转。 1.1.3 电主轴技术参数 不同电主轴的技术参数各有不同。磨削用电主轴的技术参数主要包括安装外径、*高转速、*高转速输出功率及润滑方式。加工中心用电主轴技术参数包括安装外径、计算转速、计算转速转矩、*高转速、额定功率、输出转矩以及等。各参数定义如下： （1）安装外径是指电主轴*外缘套筒的直径，即电主轴外壳直径。 （2）计算转速又称额定转速、基速，从电机设计角度来说，是指电机在连续工况下工作时，功率、转矩特性曲线上恒转矩与恒功率的转折点。功率、转矩特性曲线如图1.5所示，A点是计算转速。小于计算转速时为恒转矩驱动，大于计算转速