浅谈数控机床电主轴的发展趋势

数控机床将高效、高精度和高柔性集为一体。同时为了得到高生产率，以及为了提高加工精度，高速的加工技术也越来越收到业内的重视。 　　超高速数控机床是实现超高速加工的物质基础,而高速主轴又是超高速数控机床的“核心”部件,它的性能直接决定了机床的超高速加工性能，它不但要求较高的速度精度，而且要求连续输出的高转矩能力和非常宽的恒功率运行范围。因此,具备相应的高转速和高精度、高速精密和高效率特性的数控机床电主轴应运而生。电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等优点,并可改善机床的动平衡,避免振动、污染和噪声,它在超高速切削机床上得到了广泛的应用。美国、德国、日本、瑞士、意大利等工业发达国家,都在高速数控机床上广泛采用了电主轴结构。 电主轴结构及工作原理 　　主轴电动机和机床主轴合为一体的电主轴，通常采用的是交流高频电动机，故也称为“高频主轴”。图1所示为电主轴的结构简图，其主要特征是将电动机内置于主轴内部直接驱动主轴，实现电动机、主轴一体化的功能。

1.电源接口 2.电机反馈 3.后轴承 4.无外壳主轴电机 5.主轴 6.主轴箱体 7.前轴承 图1　电主轴机构简图 　　与传统机床主轴相比，电主轴具有如下特点: 　　主轴由内装式电动机直接驱动，省去了中间传动环节，具有结构紧凑、机械效率高、噪声低、振动小和精度高等特点; 　　采用交流变频调速和矢量控制，输出功率大，调整范围宽，功率转矩特性好; 　　机械结构简单，转动惯量小，可实现很高的速度和加速度及定角度的快速准停; 　　电主轴更容易实现高速化，其动态精度和动态稳定性更好; 　　由于没有中间传动环节的外力作用，主轴运行更平稳，使主轴轴承寿命得到延长。 国内外电主轴技术与发展趋势 　　电主轴最早是用在磨床上，后来才发展到加工中心。强大的精密机械工业不断提出要求，使电主轴的功率和品质都不断得到提高。目前电主轴最大转速可达200000r/min，直径范围33～300mm，功率范围125w～80kw，扭矩范围0.02～300nm。 　　国外高速电主轴技术由于研究较早，电主轴单元发展较快，技术水平也处于领先地位，并且随着变频技术及数字技术的发展日趋完善，逐步形成了一系列标准产品，高转速电动主轴在机床行业和工业制造业中普遍采用。最近及今后一段时间，着重发展研究大功率、大扭矩、调速范围宽、能实现快速制启动、准确定位、自动对刀等数字化高标准电动主轴单元。 　　近几年美国、日本、德国、意大利、英国、加拿大和瑞士等工业强国争相投入巨资大力开发此项技术。著名的有德国的gmn公司、siemens公司、意大利的gamfior公司及日本三菱公司和安川公司等，它们的技术水平代表了这个领域的世界先进水平。具有功率大、转速高，采用高速、高刚度轴承，精密加工与精密装配工艺水平高和配套控制系统水平高等特点。 电主轴常用电机 异步主轴电机 　　目前，大多数普通机床通常使用普通异步主轴电机间接驱动主轴。但异步调速主轴电机存在的问题十分明显:效率较低，转矩密度比较小、体积较大、功率因数低。此外，异步电机低速下转矩脉动严重，低速下温升高，而且控制算法的运算量大。但是随着dsp等新型控制器的飞速发展，运算速度可满足异步电机的复杂控制算法，使得异步电机低速性能得到显著提升。

图2　矢量控制系统 　　异步主轴电机主要的控制方法有二种:矢量控制和直接转矩控制。矢量控制系统如图2所示，转子磁链矢量的相角θψ是利用电机电压、电流信号或电流、速度信号观测转子磁链矢量而得到, 磁链采用闭环控制。转子磁链矢量的观测也受某些参数变化的影响,但比起间接矢量控制参数变化的影响更容易得到补偿，高速时可获得更精确的转子磁链矢量相角θψ，而且磁链闭环控制可进一步降低对参数变化的敏感性,提高磁场定向准确度。

图3　直接转矩控制系统 　　直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后发展起来的又一种新型的高性能交流调速技术，直接转矩控制系统如图3所示。它避免了繁琐的坐标变换，充分利用电压型逆变器的开关特点，通过不断切换电压状态使定子磁链轨迹为六边形或近似圆形，控制定子磁链，也即调整定于磁链与转子磁链的夹角，从而对电动机转矩进行直接控制，使异步电动机的磁链和转矩同时按要求快速变化。在维持定子磁链幅值不变的情况下，通过改变定子磁链的旋转速度以控制电机的转速。 　　以上二种控制方法均能达到较好的控制效果，且目前已有许多成熟的应用。如德国keb公司的带编码器反馈的闭环异步伺服系统，采用闭环矢量控制，并且同时支持增量型，正余弦及ssi编码器反馈，给系统的组成带来了极大的灵活性。 永磁同步电机 　　永磁同步电机是另外一种主轴电机，其优点明显:转子温升低，在低限速度下，可以作恒转矩运行。转矩密度高，转动惯量小，动态响应特性更好。对比现有的交流异步电动机，它有以下优点: 　　工作过程中转子不发热; 　　功率密度更高，有利于缩小电主轴的径向尺寸; 　　转子的转速严格与电源频率同步; 　　也可采用矢量控制。 　　但是一般情况下，永磁同步电机的同步转速不会超过3000r/min，这就要求永磁同步电机具有较高的弱磁调速功能。在弱磁控制的区间内，电压通常会非常接近电压极限值，一旦超出电压极限椭圆，d轴和q轴电流调节器就将达到饱和，并相互影响，这样通常会导致电流、转矩输出结果变差。人们在弱磁控制方面也提出过不少方法，如改变转子结构，加上特殊铁心构成磁阻，以加大ld与lq的比值等[3>。但是实际效果并不十分理想，并且主轴电机功率要求较高，用永磁同步电机的稀土材料成本过高。 其他形式电机 　　其他形式电机如开关磁阻电机、同步磁阻电机作为机床主轴的应用，现在也开始慢慢被关注。 　　开关磁阻电机做主轴有如下优点: 　　系统效率高，输出功率大。开关磁阻调速式主轴在宽广的调速范围内，整体效率比其它系统高出10％以上。在低转速下高效率更加明显。普通交流电机驱动的主轴空载时功率因数为0.2～0.4,满载时为0.86～0.8。而开关磁阻调速式主轴的功率因数空载时可达0.995，满载时可达0.98。 　　主轴电机温升低。因转子无绕组，热耗大部分在定子，易于冷却，开关磁阻调速电机及控制器系统的温升低于其它系统的温升。但其缺点也是很明显，转矩脉动较大，电机和控制器的成本和复杂度高。 　　同步磁阻电机是轴向叠片各向异性(axially laminated anisotropic, 简称ala)转子磁阻同步电机的简称，上世纪90年代以来得到较快发展。它是其定子与普通交流电机定子相似, 而转子由高导磁材料和非导磁绝缘材料叠片沿轴向交替高密叠压而成。其独特的转子结构使之可获得很高的凸极比(即ld/lq), 同步磁阻电机的出现对于机床的主轴驱动又有了性价比更好的选择。从本身上看它具有造价低，易于控制，低速性能好，调速范围宽等优势。从控制方面看，他能很好的适应dq轴矢量控制方法，而且算法比感应电动机简单，在高速部分有着比pmsm好的弱磁性能。 结语 　　电主轴的出现，很好的适应了超高速加工的要求，并将逐步取代传统的机床主轴系统。不同的电机应用于电主轴驱动有各自的优劣，具体的情况由加工对象决定。永磁同步电机转矩密度高，转动惯量小，动态响应特性更好，但是永磁同步电机弱磁问题始终较难解决，而且主轴电机功率要求较高，用永磁同步电机的稀土材料成本过高。其他二种磁阻电机具有较高的性价比和独特的性能优势，但目前还处于研究阶段，实际的应用较少。 　　当前的高速电主轴，几乎都是内置异步交流感应电动机。异步型电主轴的优点是结构较简单，制造工艺相对成熟和安装方便，特别是可以更大限度地减弱磁场，易于实现高速化。虽然矢量控制、直接转矩控制需精确计算磁通矢量位置，存在计算量大的问题，但随着具有高速运算能力功能强大的dsp、risc微处理器的应用，各种现代控制理论算法如自适应控制、kalman滤波算法已经能够实时实现，能精确地计算出磁通矢量的位置，完成闭环磁通控制。低速抖动、对参数变化敏感等异步电机的缺点将被弱化，以实现高性能的主轴驱动。所以现阶段异步交流感应电机仍将是实况机床电主轴的主要机型。