淺談電主軸在數控加工中心的應用

摘 要：電主軸最近十年在數控機床領域出現的將機床主軸與主軸電機融為一體的新技術，它是高速數控機床的\"核心\"部件，它的性能直接決定了機床的高速加工性能。本文簡述了電主軸和加工中心的一些基本情況，并重點介紹了一種電主軸的結構及它在數控加工中心的應用情況。

關鍵詞：電主軸；數控加工中心；自動換刀系統

1 電主軸簡介

電主軸是近些年在數控機床領域出現的將機床主軸與主軸電機融為一體的新技術。高速數控機床主傳動系統取消了帶輪傳動和齒輪傳動。機床主軸由內裝式電動機直接驅動，從而把機床主傳動鏈的長度縮短為零，實現了機床的“零傳動”。這種主軸電動機與機床主軸“合二為一”的傳動結構形式，使主軸部件從機床的傳動系統和整體結構中相對獨立出來，因此可做成“主軸單元”，俗稱“電主軸”（Electric Spindle或Motor Spindle）。電主軸具有結構緊湊、重量輕、慣性小、振動小、噪音低、響應快等優點，可以減少齒輪傳動，簡化機床外形設計，易于實現主軸定位，是高速主軸單元中一種理想結構。

2 電主軸結構及工作原理

電主軸單元典型的結構布局方式是電機置于主軸前、后軸承之間（如圖所示），其優點是主軸單元的軸向尺寸較短，主軸剛度大，功率大，較適合于大、中型高速數控機床；其不足是在封閉的主軸箱體內電機的自然散熱條件差，溫升比較高。下圖為某進口品牌電主軸的結構圖。圖中可以看出該電主軸配有旋轉編碼器及刀具鎖緊系統（后面將繼續介紹），這是所有數控加工中心電主軸都必須具有的元件。旋轉編碼器是實現自動換刀時主軸相位角的定位元件，確保每次主軸都在同樣的位置松抓刀；刀具鎖緊系統（液壓）是自動換刀的執行元件，該電主軸實際還配有自動換刀控制器，通過控制液壓系統來控制電主軸的松夾刀。

圖1 某進口品牌電主軸結構圖

3 數控加工中心介紹

數控加工中心是從數控銑床發展而來的。與數控銑床的最大區別在于加工中心具有自動交換加工刀具的能力，通過在刀庫上安裝不同用途的刀具，可在一次裝夾中通過自動換刀裝置改變主軸上的加工刀具，實現多種加工功能。數控加工中心是目前世界上產量最高、應用最廣泛的數控機床之一。它的綜合加工能力較強，工件一次裝夾后能完成較多的加工內容，加工精度較高，就中等加工難度的批量工件，其效率是普通設備的5～10倍，特別是它能完成許多普通設備不能完成的加工，對形狀較復雜，精度要求高的單件加工或中小批量多品種生產更為適用。

4 自動換刀系統發展歷史

1956年日本富士通研究成功數控轉塔式沖床，美國IBM公司同期也研制成功了APT。

1958年美國KT公司研制出帶ATC（自動刀具交換裝置）的加工中心。

1967年出現了FMS（柔性制造系統）。

1978年以后，CNC加工中心迅速發展，帶有ATC裝置，可實現多種工序加工的機床。

1983年國際標準化組織制定了國際標準，自動換刀系統便形成了統一的結構模式。

5 電主軸在數控加工中心的應用

目前世界上形成了許多著名的加工中心電主軸功能部件專業制造商，他們生產的電主軸功能部件已經系列化，如瑞士的Fischer、Step-Tec和IBAG，德國的CYTEC，意大利的Gamfior等。

電主軸應用在數控加工中心與普通數控機床的區別就是增加了自動換刀裝置（ATC）以及內置編碼器。

自動換刀離不開刀具的鎖緊系統。下面介紹某電主軸的刀具鎖緊系統。該電主軸刀具鎖緊系統配有自帶的控制器用以接收PLC發來的松/夾刀信號，并將信號傳遞至液壓閥，控制刀具的夾緊和松開。該控制器還有另外一個功能，就是接收刀具鎖緊系統液壓油管內的渦輪傳感器發來的松/夾刀時液壓油管的流量脈沖信號，并處理成松/夾刀的實時位置信號，傳遞給PLC，得出刀具的松夾刀動作及松夾刀到位信號。該信號與電主軸前端抓到盤附近的模擬量位置傳感器信號相互比較，最后得出刀具松/夾刀的各種狀態。

自動換刀同樣需要編碼器的定位。下面介紹某電主軸內置編碼器。內置編碼器采用增量式旋轉編碼器，用于無接觸測量主軸旋轉。與普通的光電式編碼器不同，該編碼器測量單元由電磁檢測探頭及安裝在電主軸上的高精度測量齒輪組成，由電磁檢測探頭執行對測量齒輪的掃描。該編碼器能準確的檢測主軸的角度及轉速。

6 加工中心電主軸發展展望

隨著數控技術的發展及實際應用的需要，數控加工中心對電主軸的性能也提出越來越高的要求，電主軸技術的發發展趨勢主要表現在以下幾個方面：

（1）隨著高速電機技術、高速刀具技術的發展電主軸將繼續向高速度、高剛度方向發展。

（2）為滿足低速粗加工是的重切及高速精加工的要求，電主軸向高速大功率及低速大轉矩方向發展。

（3）為滿足各種環境及安裝要求，電主軸內裝電機性能和形式將向多樣化發展。

（4）為縮短輔助時間、提高加工效率，電主軸向快速啟、停方向發展。

（5）為延長使用壽命，適應各種環境，電主軸的軸承及其預載荷施加方式、潤滑方式將向多樣化發展。

（6）為滿足高速重載加工要求，加工刀具接口由傳統的低速BT刀柄逐步趨于高速HSK刀柄技術。

（7）電主軸的功能及自動化將向多功能、智能化方向發展。

參考文獻

[1]嚴道發.電主軸技術綜述[J].機械研究與應用，2006（12）；1-3.

[2]李彥.數控機床高速電主軸技術及應用[J].精密制造與自動化，2011（4）；24-26.