數控金切機床的高速主軸系統(1)

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tags:    時間:2014-03-12 01:26:18
數控金切機床的高速主軸系統(1)簡介
    高速主軸系統及其驅動器   數控金切機床的高速主軸系統,顧名思義是具有高迴轉速度,但這並無嚴格的界限。對作為高速切削機床代表的加工中心和數控銑床而言,一……
數控金切機床的高速主軸系統(1)正文
    高速主軸系統及其驅動器


數控金切機床的高速主軸系統,顧名思義是具有高迴轉速度,但這並無嚴格的界限。對作為高速切削機床代表的加工中心和數控銑床而言,一般是指最高轉速≥10,000r/min的主軸系統,並相應具有高的角加(減)速度,以實現主軸的瞬時升降速與起停。為適應製造業對機床加工精度愈來愈高的要求,高速切削主軸還應有較高的迴轉精度,通常要求主軸的徑向跳動小於1或2μm,軸向竄動小於1μm。此外,主軸也要有足夠的靜、動剛度,以承受一定的切削負荷和保持高的迴轉精度。


傳統的主軸系統包含皮帶、齒輪等中間傳動環節,不僅轉動慣量大,難於實現高的角加(減)速度,而且高速時也難於解決中間傳動環節出現的振動和雜訊。因此,現在的高速主軸系統大多是把電動機與主軸「合二而一」、將傳動鏈縮短為零的電主軸單元,結構上基本是把主電動機置於主軸前後軸承之間。這樣的電主軸,軸向尺寸較短,結構緊湊,主軸剛度高,出力較大。圖1所示德國GMN公司用於加工中心和數控銑床的電主軸就是這種結構,其軸承是適合高速運轉的精密角接觸球軸承(一般相當於國際標準P2和P4級),所有關鍵零件都必須進行精密加工和精密裝配,同時還要用恆溫冷卻水(GMN為23±0.7℃甚至±0.3℃)對主電機的定子和前後軸承進行冷卻。GMN用於加工中心和數控銑床的電主軸共有20幾種型號,最高轉速從8000r/min到60000r/min,功率從5.5kW到76kW,扭矩從0.9Nm到306Nm。


現在,也有極少數高速輕切削銑床,使用將主電機置於主軸后軸承之後的電主軸。這種結構的電主軸軸向尺寸長,但可改進散熱條件。此外,某些主軸最高轉速在10000r/min至15000r/min的加工中心和銑床,不是採用電主軸而是通過薄膜式之類的聯軸節,將主電動機與主軸直接連接,從而省去主軸冷卻系統。不過,此方式既增加了轉動慣量,影響角加(減)速度,而且兩者直連后的非直線性又會引起振動(轉速愈高對直線性的調準要求也愈高),故不宜用於主軸轉速更高的機床。


當前的高速電主軸,幾乎都是內置非同步交流感應電動機。非同步型電主軸的優點是結構較簡單,製造工藝相對成熟和安裝方便,特別是可以更大限度地減弱磁場,易於實現高速化。此種主軸電機也正在進一步改進,比如日本三菱電機公司最近開發出可減少電損耗和縮短定子長度的高速、高效率內置感應主軸電動機。


最近,國外正研討在電主軸中內置交流永磁同步電動機的問題。與非同步感應電動機相比,永磁同步電動機有如下優點:用永磁材料製造的轉子在工作過程中不發熱,解決了目前內置的非同步感應電動機轉子發熱且難於充分冷卻的問題;功率密度大,工作效率高,即可用較小的尺寸得到較大的功率和扭矩;低速性能好,易於實現精密控制等。然而,永磁同步電動機也有其弱點,那就是功率容量有限,弱磁困難,不利於實現高速化。故迄今為止,只有個別機床公司有內置永磁同步電動機的電主軸在展會上亮相,而專業化的電主軸製造廠尚沒有此種產品出售。有不少人認為,對在弱磁場運行的高轉速電主軸,似乎用非同步感應電動機驅動更為合適。


目前主要採用PWM變頻調速技術來實現電主軸的高速化,執行此項任務的既有普通變頻調速器,又有矢量控制驅動器。前者為恆轉矩驅動,輸出功率與轉速成正比;後者在低速端(額定轉速以下)為恆轉矩驅動,在中、高速端為恆功率驅動。高速加工中心和數控銑床之電主軸,基本上都採用後者(即矢量控制驅動器)。矢量控制驅動器又有開環型和閉環型之分,閉環型在主軸上裝有高性能編碼器作為檢測元件,以實現位置和速度反饋,從而有更好的動態性能,還可以實現主軸的定向准停和C軸功能。

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