基于高轉速渦輪式數控微主軸單元設計及關鍵技術研究

楚雪平， 申曉龍

（1.河南職業技術學院， 河南 鄭州 450046； 2.湖南工業職業技術學院， 湖南 長沙 410208）

0 引言

隨著直接轉矩控制和電機矢量等變頻調速技術快速發展， 高轉速數控加工中心機床傳動機械結構極大簡化，取消了傳統繁瑣復雜皮帶輪傳動和常規齒輪的傳動，高性能高轉速數控微主軸單元系統已成為現代加工中心機床主要關鍵部件， 高轉速電主軸單元一般可按應用領域、電機類型、支撐軸承型式及潤滑冷卻方式分類[1]。

數控銑削用電主軸通常可與數控銑床、 加工中心機床或雕銑機床配套， 加工中心機床電主軸帶有自動松拉刀系統，其電主軸采用閉環編碼控制并具有準停功能，選用油氣潤滑或高速油脂潤滑減少對環境污染[2-3]。 高速電主軸的內置電機是與主軸一體零傳動， 能將主傳動系統轉動慣量減到最小， 并可在極短時間滿足高轉速的速度改變，同時由于電動機安放在主軸兩支承之間，提高了主軸系統剛度，臨界轉速和系統固有頻率，避免高速共振、提高主軸軸承壽命。

1 高轉速微主軸單元關鍵技術

1.1 高轉速微主軸支撐軸承型式

高轉速數控中心機床微電主軸支撐軸承通常是采用精密高速軸承，軸承的動態承載負荷強，一般有流體動（靜）壓力軸承、磁懸浮軸承等[4-5]。 主軸支撐軸承的組配方式，需同時滿足承受軸向和徑向載荷的工作情況， 一般常采用成對角接觸軸承組成限位支承，依據機床主軸轉速、切削載荷大小和方向及工作布置型式， 介紹以下二種常用方式。

圖1 為前后二端單列角接觸軸承示意圖， 僅適合于負載小的磨削用電主軸。 圖2 為前端兩列角接觸軸承與后端單列滾柱軸承組合示意圖，具有高轉速、高剛度，定位精度和旋轉精度高的特點， 且又滿足結構簡化的優點[6]。

圖1 二端單列角接觸軸承示意圖

圖2 兩列角接觸軸承與單列滾柱軸承組合示意圖

主軸角接觸軸承一般要預加軸向載荷， 適量的預緊和預加載荷可消除軸承的軸向和徑向游隙（或稱軸承內部負游隙狀態），提高主軸軸承剛性、旋轉精度和抗振性，提高運行可靠性、抑制振動和打滑并延長軸承使用壽命[7]。理論上可以采用彈性預加載荷裝置， 需要依據電主軸的負載情況和轉速變化來選擇最佳預加軸向載荷值， 近年來出現了一種新型的可調整預加載荷裝置， 它通過改變氣壓或油壓的壓力值適應不同轉速的最佳預加載荷[8]。

1.2 磁懸浮軸承主軸支撐

磁懸浮軸承支撐主軸是利用磁性原理通過可控電磁力， 將轉軸非接觸地懸浮于空間的一種新型高性能機電耦合軸承，由于轉軸與定子間沒有機械接觸、無摩損，不需潤滑及密封，主軸可達極高轉速。

磁懸浮軸承主要由電磁鐵、傳感器、控制器、功率放大器及被控制對象（轉子）等組成的閉環控制系統，見圖3， 其工作過程是傳感器在線獲得控制對象位置信息，控制器產生控制信號經功率放大器電流推動電磁鐵，產生與被控制對象等價電磁力，從而將控制對象浮懸在空間平衡位置處[9-10]。

圖3 磁懸浮軸承主軸支撐圖

1.3 流體動（靜）壓力軸承主軸支撐

空氣靜壓軸承（又稱氣浮軸承）指是用空氣作為潤滑介質的滑動軸承， 壓縮氣體經過節流器后進入軸承間隙，空氣彈性勢能形成的潤滑氣膜具有一定承載能力和剛度，主軸因載荷出現的偏心和自重建立起軸承相應的剛性和承載， 從而能將轉軸浮起在軸承中，見圖4。氣體與液體相比時，粘度只有液體的千分之一，同時氣體具有可壓縮的特點，空氣靜壓軸承電主軸的轉速可達150000～220000r/min[11-12]。

圖4 空氣靜壓軸承

液體靜壓軸承是指靠外部供給壓力油， 在軸承內建立靜壓承載油膜以實現液體潤滑， 液體靜壓軸承從起動到停止始終在液體潤滑下工作，軸承具有旋轉精度高、轉動平穩、油膜剛度大、能抑制油膜振蕩、無振動等優點，在極低甚至為零的速度下也能應用。

液體動壓軸承是依靠液體潤滑劑動壓力形成液膜從而隔開兩摩擦表面并承受載荷，潤滑劑是被兩摩擦面的相對運動帶入摩擦面之間的。液體動壓軸承啟動和停車時，因速度較低還不能形成足夠隔開兩摩擦表面的油膜易出現磨損，所以液體動壓軸承要求軸瓦和軸頸配合表面幾何形狀光滑正確， 在安裝時精確對中[13-14]。 液體動（靜）壓主軸以液態油膜作為支撐，有著顯著誤差均化和阻尼減震性， 液體動靜壓電主軸難點在控制高速時主軸溫升及熱變形。

1.4 主軸控制技術及潤滑冷卻技術

電主軸電機的矢量控制與直接轉矩控制技術屬于高性能交流調速系統。 矢量控制方法理論上一般具有低速恒轉矩、中高速恒功率的特點，實際驅動控制中矢量控制驅動器在高速端轉矩和功率均會略有下降， 閉環矢量控制驅動器可實現電主軸的C 軸功能和定向停止功能。 直接轉矩控制是以轉矩直接作為被控量進行綜合控制的，其本質是利用空間矢量對定子磁鏈和電磁轉矩進行直接控制，直接轉矩控制具有對電主軸電機參數變化不敏感、轉矩動態特性快速響應的特點。

高速電主軸發熱主要集中在定轉子和軸承的摩擦發熱，潤滑和冷卻系統的關系緊密，潤滑系統設計及性能好，也就相應減輕了冷卻系統負擔。 電機與軸承冷卻常采用冷卻流體的對流、定子冷卻常采用外部冷卻套來實現，轉子冷卻一般通過潤滑油流動帶走熱量。 高速電主軸的潤滑主要有四種方式，即①油脂潤滑；②油氣潤滑；③油霧潤滑；④噴油潤滑。 其中油氣潤滑是一種氣液兩相流體冷卻潤滑的新型潤滑技術，潤滑油經分配閥定時（間歇）、定量（微量）地供給最佳精細微量的連續油滴噴射到潤滑位置，在潤滑部位維持一定正壓，起到良好的密封效果[6]。

圖5 壓力恒定液體靜壓軸承

圖6 油氣潤滑原理系統示意圖

2 數控微主軸單元設計與計算

高速加工中心主軸調速通過對電動機轉速控制來實現，電主軸調速方法常用變頻電動機控制變壓變頻調速。

2.1 數控微主軸單元設計

2.1.1 主軸變頻器及冷卻方式選擇

普通變頻是通過標量驅動和控制， 由于其控制動態性能不理想，輸出功率不穩定，因而較少使用。 矢量控制是一種類似直流電動機的控制技術方式， 以矢量變換方法實現驅動與控制，矢量控制驅動低頻轉矩增大、啟動加速度大，可實現位置速度反饋、控制靈活，動態響應性能好。直接轉矩控制利用電壓空間矢量控制技術方法，由于利用定子磁場定向、PWM 信號對逆變器可實現最優控制，因而具有高轉速、寬調速范圍、高速瞬間準停的動態特性和靜態特性的特點， 是一種更適合高速電主軸的新型高性能交流調速技術[6]。

主軸變頻器選擇需要根據控制方式， 結合電動機規格指標參數（如：額定功率、額定轉速、額定電流、額定電壓、額定頻率等），依據電壓匹配、容量充足，變頻器額定電流應不低于其電動機相應額定電流等原則， 選取適當的變頻器型號。

一般電主軸的基本結構型式是主電機放置于主軸前后支撐軸承之間， 對數控微主軸單元的小型高速數控機床， 為滿足減小電主軸前端徑向尺寸和好的散熱條件要求，通常將主軸箱和主電動機做軸向的同軸布置，即主電機置于主軸后軸承之后。

由于電主軸兩個主要熱源是內置高速主電動機和主軸軸承， 因而冷卻方式選擇要尤其先考慮內置高速主電動機的發熱問題。因電機由鐵芯和繞組等組成，而繞組通電損耗就會產生銅損；電流不標準也會產生諧波損耗；另鐵芯有磁滯引發渦流效應， 在交變磁場中會相應產生鐵損。 這些銅損、鐵損常以熱的形式表現，它們約占電主軸總發熱量的2/3，嚴重影響電動機的效率。 為能將產生的熱量及時傳導出去， 常用有空氣強制對流換熱和循環液體冷卻二種冷卻方式，這也是當今電主軸設計的重點。

2.1.2 主軸軸承選型與電主軸參數的計算

電主軸高速旋轉時承受很大的軸向和徑向切削力，主軸軸承性能要求其具有較低的溫升和高的回轉精度，并要有較高的軸向和徑向剛度，使用壽命長的特點。 電主軸按所用軸承的不同，常有滾動軸承電主軸、液體靜壓軸承電主軸和磁懸浮軸承電主軸三種結構型式。高速電主軸滾動軸承通常選用既可承受軸向載荷也可同時承受徑向載荷的精密角接觸陶瓷軸承， 這種陶瓷球軸承具有質量小、熱膨脹系數小、耐高溫、硬度高等特點，其在超高溫時也有著尺寸穩定、非磁性、耐腐蝕、彈性模量高等優點[6]。

（1）液體靜壓軸承。 液體靜壓力支承外載荷，形成足夠壓力潤滑油膜將軸頸浮起， 靜壓軸承油膜具有均化誤差作用，精度保持性好。液體靜壓軸承系統的設計包括合理選擇軸承、節流器、液壓系統的結構形式和確定各有關參數等。

液體靜壓軸承設計的一般步驟是： ①選擇軸承的結構形式； ②確定主軸支承數目； ③選擇節流器的結構形式；④設計計算確定軸承結構尺寸等；⑤計算油腔有效承載面積等；⑥選擇節流比、供油壓力、潤滑油等；⑦計算軸承流量、驗算油膜剛度和承載能力；⑧計算油泵功率和摩擦功率；⑨選擇油泵規格、設計供油系統。

（2）磁懸浮軸承。 磁懸浮軸承（又稱磁力軸承），功耗很小，僅為普通滑動軸承的1/100～1/10。 可通過電子系統控制軸的位置，調節軸承阻尼與剛度，其轉子有良好動態穩定性能。現在隨著電子控制技術的不斷發展，磁懸浮軸承的應用范圍逐步擴大，可靠性越來越高。磁力軸承一般可分為以下五種： ①有源型磁力軸承； ②無源型磁力軸承；③有源無源混合型磁力軸承；④永磁型磁力軸承；⑤激勵型磁力軸承。

磁懸浮軸承選擇時應注意： 無源型磁力軸承至少在一個方向上要采用有源型， 有源型與無源型相比其剛度高、響應速度快、功耗小，可實現5 個自由度控制，但需要外控回路； 有源型磁力軸承一般具有敏感偏心變化位置傳感器和伺服控制系統的特點。 激勵型磁力軸承配有控制系統或調諧電路，承載能力大、穩定性好、應用廣泛，但功耗較高。

2.1.3 電主軸參數計算

電主軸參數主要包括有：主軸直徑、主軸懸伸量、主軸跨距及電主軸選型等。

主軸直徑決定了主軸剛度和機床加工能力； 主軸懸伸量主要取決主軸端部結構型式和尺寸、 前支承軸承配置形式及密封裝置。

主軸跨距的計算：當主軸端部受切削力F 作用時，主軸和軸承都會產生變形，引起主軸軸端位移，該位移y 是由主軸本體在軸端的彎曲變形y1和因軸承變形而引發主軸的端部位移y2的相應疊加， 故主軸軸端的總位移y 計算如下：

式中：y1—剛性支撐的彈性主軸端的擾度；y2—彈性支撐的剛性主軸軸端位移；a—主軸懸伸量；KA、KB——前、后支撐的彈性變形。

反復迭代求取主軸跨距L：

電主軸選型：電主軸電機基本參數一般指額定功率、額定轉速、額定轉矩、變速范圍。電主軸選型方法與流程是根據切削條件→選擇電主軸類別→計算功率/轉速→確定主軸軸徑→依據最高轉速、額定轉速、額定功率和軸徑確定電主軸型號等。

2.2 數控微主軸單元簡化及剛度計算

根據主軸組件的工作和受力情況， 可以先將數控微主軸組件模型近似簡化為一個截面均勻的簡支梁來進行計算。 見圖7。

圖7 主軸單元前后為雙列圓柱滾子軸承受力模型圖

主軸前后軸頸部分一般由數段不同直徑、長度組成，其當量直徑d 為

圖8 主軸單元前為雙列圓柱滾子、后為三聯角接觸球軸承受力模型圖

將主軸單元模型計算數據與測試實物或同類型樣本給出數據對比，判斷選用是否合理適當。

3 結束語

高速電主軸是高度機電一體化的數控機床關鍵核心功能部件，具有轉速高、功率大，能控制主軸溫升和振動等運行參數，成為承載高速切削技術的主體之一，采用變頻調速、矢量控制、功率因數補償等技術可以改善電動機系統的效率。在控制系統方面，大多數高速電主軸生產企業采用了矢量控制，對感應電動機應用直接轉矩控制、定子優化控制、自適應控制等措施。 選用轉動慣量小、轉矩密度高、 控制精度高的永磁電動機代替感應電動機也成為了電主軸發展的重要方向。

本文在分析高速數控電主軸變頻調速技術現狀基礎上，說明了其結構上的主要特點及應用。從高轉速微主軸支撐軸承型式、磁懸浮軸承主軸支撐、流體動（靜）壓力軸承主軸支撐、 主軸控制技術及潤滑冷卻技術等高轉速微主軸單元關鍵技術上進行分析；并對主軸變頻器及冷卻方式選擇、主軸軸承選型與電主軸參數的計算、數控微主軸單元簡化及剛度計算， 可將計算出數據與實物測試數據對比，來判定是否合理。