淺談電主軸在數(shù)控加工中心的應(yīng)用

摘 要：電主軸最近十年在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域出現(xiàn)的將機(jī)床主軸與主軸電機(jī)融為一體的新技術(shù)，它是高速數(shù)控機(jī)床的\"核心\"部件，它的性能直接決定了機(jī)床的高速加工性能。本文簡(jiǎn)述了電主軸和加工中心的一些基本情況，并重點(diǎn)介紹了一種電主軸的結(jié)構(gòu)及它在數(shù)控加工中心的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：電主軸；數(shù)控加工中心；自動(dòng)換刀系統(tǒng)

1 電主軸簡(jiǎn)介

電主軸是近些年在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域出現(xiàn)的將機(jī)床主軸與主軸電機(jī)融為一體的新技術(shù)。高速數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)取消了帶輪傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)。機(jī)床主軸由內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，從而把機(jī)床主傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動(dòng)”。這種主軸電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸“合二為一”的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，使主軸部件從機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中相對(duì)獨(dú)立出來(lái)，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(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、振動(dòng)小、噪音低、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，可以減少齒輪傳動(dòng)，簡(jiǎn)化機(jī)床外形設(shè)計(jì)，易于實(shí)現(xiàn)主軸定位，是高速主軸單元中一種理想結(jié)構(gòu)。

2 電主軸結(jié)構(gòu)及工作原理

電主軸單元典型的結(jié)構(gòu)布局方式是電機(jī)置于主軸前、后軸承之間（如圖所示），其優(yōu)點(diǎn)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(shù)控機(jī)床；其不足是在封閉的主軸箱體內(nèi)電機(jī)的自然散熱條件差，溫升比較高。下圖為某進(jìn)口品牌電主軸的結(jié)構(gòu)圖。圖中可以看出該電主軸配有旋轉(zhuǎn)編碼器及刀具鎖緊系統(tǒng)（后面將繼續(xù)介紹），這是所有數(shù)控加工中心電主軸都必須具有的元件。旋轉(zhuǎn)編碼器是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀時(shí)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(tǒng)（液壓）是自動(dòng)換刀的執(zhí)行元件，該電主軸實(shí)際還配有自動(dòng)換刀控制器，通過(guò)控制液壓系統(tǒng)來(lái)控制電主軸的松夾刀。

圖1 某進(jìn)口品牌電主軸結(jié)構(gòu)圖

3 數(shù)控加工中心介紹

數(shù)控加工中心是從數(shù)控銑床發(fā)展而來(lái)的。與數(shù)控銑床的最大區(qū)別在于加工中心具有自動(dòng)交換加工刀具的能力，通過(guò)在刀庫(kù)上安裝不同用途的刀具，可在一次裝夾中通過(guò)自動(dòng)換刀裝置改變主軸上的加工刀具，實(shí)現(xiàn)多種加工功能。數(shù)控加工中心是目前世界上產(chǎn)量最高、應(yīng)用最廣泛的數(shù)控機(jī)床之一。它的綜合加工能力較強(qiáng)，工件一次裝夾后能完成較多的加工內(nèi)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(shè)備的5～10倍，特別是它能完成許多普通設(shè)備不能完成的加工，對(duì)形狀較復(fù)雜，精度要求高的單件加工或中小批量多品種生產(chǎn)更為適用。

4 自動(dòng)換刀系統(tǒng)發(fā)展歷史

1956年日本富士通研究成功數(shù)控轉(zhuǎn)塔式?jīng)_床，美國(guó)IBM公司同期也研制成功了APT。

1958年美國(guó)KT公司研制出帶ATC（自動(dòng)刀具交換裝置）的加工中心。

1967年出現(xiàn)了FMS（柔性制造系統(tǒng)）。

1978年以后，CNC加工中心迅速發(fā)展，帶有ATC裝置，可實(shí)現(xiàn)多種工序加工的機(jī)床。

1983年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)換刀系統(tǒng)便形成了統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)模式。

5 電主軸在數(shù)控加工中心的應(yīng)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(yè)制造商，他們生產(chǎn)的電主軸功能部件已經(jīng)系列化，如瑞士的Fischer、Step-Tec和IBAG，德國(guó)的CYTEC，意大利的Gamfior等。

電主軸應(yīng)用在數(shù)控加工中心與普通數(shù)控機(jī)床的區(qū)別就是增加了自動(dòng)換刀裝置（ATC）以及內(nèi)置編碼器。

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

自動(dòng)換刀同樣需要編碼器的定位。下面介紹某電主軸內(nèi)置編碼器。內(nèi)置編碼器采用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用于無(wú)接觸測(cè)量主軸旋轉(zhuǎn)。與普通的光電式編碼器不同，該編碼器測(cè)量單元由電磁檢測(cè)探頭及安裝在電主軸上的高精度測(cè)量齒輪組成，由電磁檢測(cè)探頭執(zhí)行對(duì)測(cè)量齒輪的掃描。該編碼器能準(zhǔn)確的檢測(cè)主軸的角度及轉(zhuǎn)速。

6 加工中心電主軸發(fā)展展望

隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展及實(shí)際應(yīng)用的需要，數(shù)控加工中心對(duì)電主軸的性能也提出越來(lái)越高的要求，電主軸技術(shù)的發(fā)發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）隨著高速電機(jī)技術(shù)、高速刀具技術(shù)的發(fā)展電主軸將繼續(xù)向高速度、高剛度方向發(fā)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(zhuǎn)矩方向發(fā)展。

（3）為滿足各種環(huán)境及安裝要求，電主軸內(nèi)裝電機(jī)性能和形式將向多樣化發(fā)展。

（4）為縮短輔助時(shí)間、提高加工效率，電主軸向快速啟、停方向發(fā)展。

（5）為延長(zhǎng)使用壽命，適應(yīng)各種環(huán)境，電主軸的軸承及其預(yù)載荷施加方式、潤(rùn)滑方式將向多樣化發(fā)展。

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

（7）電主軸的功能及自動(dòng)化將向多功能、智能化方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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