電主軸的工作原理

1、電主軸的工作原理目前，隨著電氣傳動(dòng)技術(shù)(變頻調(diào)速技術(shù)、電動(dòng)機(jī)矢量控制技術(shù)等)的迅速發(fā)展和日趨完善，高速數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)已得到極大的簡化，基本上取消了帶輪傳動(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，因此可做成“主軸單元”，俗稱“電主軸(ElectricSpindle,MotorSpindle)。由于當(dāng)前電主軸主要采用的是交流高頻電動(dòng)機(jī)，故也稱為“高頻主軸”(HighFrequencySpindle)。由于沒有中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，

2、有時(shí)又稱它為“直接傳動(dòng)主軸”(DirectDriveSpindle)。電主軸的優(yōu)點(diǎn)電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、振動(dòng)小、噪聲低、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)而且轉(zhuǎn)速高、功率大，簡化機(jī)床設(shè)計(jì)，易于實(shí)現(xiàn)主軸定位，是高速主軸單元中的一種理想結(jié)構(gòu)。電主軸軸承采用高速軸承技術(shù)，耐磨耐熱，壽命是傳統(tǒng)軸承的幾倍。產(chǎn)品特性高轉(zhuǎn)速、高精度、低噪音、內(nèi)圈帶鎖口的結(jié)構(gòu)更適合噴霧潤滑。主要用途數(shù)控機(jī)床機(jī)電設(shè)備微型電機(jī)壓力轉(zhuǎn)子電主軸是最近幾年在數(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)電主軸是最近幾年在數(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)，它與直線電機(jī)技術(shù)、高速刀具技術(shù)一起，將會(huì)把高速加工推向一個(gè)新

3、時(shí)代。電主軸是一套組件，它包括電主軸本身及其附件：電主軸高頻變頻裝置、油霧潤滑器、冷卻裝置、內(nèi)置編碼器、換刀裝置。電主軸所融合的技術(shù)：高速軸承技術(shù)：電主軸通常采用復(fù)合陶瓷軸承，耐磨耐熱，壽命是傳統(tǒng)軸承的幾倍；有時(shí)也采用電磁懸浮軸承或靜壓軸承，內(nèi)外圈不接觸，理論上壽命無限；高速電機(jī)技術(shù)：電主軸是電動(dòng)機(jī)與主軸融合在一起的產(chǎn)物，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子即為主軸的旋轉(zhuǎn)部分，理論上可以把電主軸看作一臺(tái)高速電動(dòng)機(jī)。關(guān)鍵技術(shù)是高速度下的動(dòng)平衡；潤滑：電主軸的潤滑一般采用定時(shí)定量油氣潤滑；也可以采用脂潤滑，但相應(yīng)的速度要打折扣。所謂定時(shí)，就是每隔一定的時(shí)間間隔注一次油。所謂定量，就是通過一個(gè)叫定量閥的器件，精確地控制每次

4、潤滑油的油量。而油氣潤滑，指的是潤滑油在壓縮空氣的攜帶下，被吹入陶瓷軸承。油量控制很重要，太少，起不到潤滑作用；太多，在軸承高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)因油的阻力而發(fā)熱。冷卻裝置：為了盡快給高速運(yùn)行的電主軸散熱，通常對(duì)電主軸的外壁通以循環(huán)冷卻劑，冷卻裝置的作用是保持冷卻劑的溫度。內(nèi)置脈沖編碼器：為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀以及剛性攻螺紋，電主軸內(nèi)置一脈沖編碼器，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的相角控制以及與進(jìn)給的配合。自動(dòng)換刀裝置：為了應(yīng)用于加工中心，電主軸配備了自動(dòng)換刀裝置，包括碟形簧、拉刀油缸等；高頻變頻裝置：要實(shí)現(xiàn)電主軸每分鐘幾萬甚至十幾萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，必須用一高頻變頻裝置來驅(qū)動(dòng)電主軸的內(nèi)置高速電動(dòng)機(jī)，變頻器的輸出頻率必須達(dá)到上千或幾千赫

5、茲。/什么是電主軸電主軸有什么優(yōu)點(diǎn)電主軸概述高速數(shù)控機(jī)床（CNC）是裝備制造業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)和發(fā)展方向之一，是裝備制造業(yè)的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。高速數(shù)控機(jī)床的工作性能，首先取決于高速主軸的性能。數(shù)控機(jī)床高速電主軸單元影響加工系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性及應(yīng)用范圍其動(dòng)力性能及穩(wěn)定性對(duì)高速加工起著關(guān)鍵的作用。高速主軸單元的類型主要有電主軸、氣動(dòng)主軸、水動(dòng)主軸等。不同類型的高速主軸單元輸出功率相差較大。目前，隨著電氣傳動(dòng)技術(shù)（變頻調(diào)速技術(shù)、電動(dòng)機(jī)矢量控制技術(shù)等）的迅速發(fā)展和日趨完善，高速數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)已得到極大的簡化，基本上取消了帶輪傳動(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)鏈的長度縮短

6、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，因此可做成“主軸單元”，俗稱“電主軸(ElectrieSpindle,MotorSpindle)。由于當(dāng)前電主軸主要采用的是交流高頻電動(dòng)機(jī)，故也稱為高頻主軸(HighFrequencySpindle)。由于沒有中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，有時(shí)又稱它為直接傳動(dòng)主軸(DirectDriveSpindle)。電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、振動(dòng)小、噪聲低、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，而且轉(zhuǎn)速高、功率大，簡化機(jī)床設(shè)計(jì)，易于實(shí)現(xiàn)主軸定位，是高速主軸單元中的一種理想結(jié)構(gòu)。電主軸概述主軸是直接體現(xiàn)機(jī)

7、床性能的關(guān)鍵部件。目前，數(shù)控機(jī)床大量采用內(nèi)裝變頻電動(dòng)機(jī)的主軸部件。它是一種機(jī)電一體化的功能部件，其電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與主軸是一體的，無需任何機(jī)械連接。改變供電的頻率，就可以實(shí)現(xiàn)主軸調(diào)速。這種模塊化、系列化的功能部件稱為電主軸。通常由具有設(shè)計(jì)和制造高速、高精度、變頻調(diào)速電主軸豐富經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)公司提供，產(chǎn)品質(zhì)量和供貨容易獲得保證。變頻電主軸制造商通常提供不同結(jié)構(gòu)和用途的系列產(chǎn)品。變頻電主軸按其軸承結(jié)構(gòu)可分為滾動(dòng)軸承電主軸、靜壓軸承電主軸和磁浮軸承電主軸；按其變頻范圍可分為高速(301500Hz)和低速(1040Gs交流伺服驅(qū)動(dòng)器Gs系列交流伺服驅(qū)動(dòng)器-讓機(jī)床擁有非凡品質(zhì)Gs交流伺服驅(qū)動(dòng)器是北京超同步科技有限

8、公司自主研發(fā)、生產(chǎn)的新一代交流伺服驅(qū)動(dòng)器，它完全繼承Ga驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在驅(qū)動(dòng)技術(shù)和控制精度上有大幅度提高。是目前國內(nèi)具有領(lǐng)先水平的交流伺服產(chǎn)品。該產(chǎn)品設(shè)計(jì)超前，功能全面，應(yīng)用廣泛，是各種數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)（主軸）首選的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品。Gs系列交流伺服驅(qū)動(dòng)器采用雙dsp技術(shù)完全實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的全閉環(huán)控制，集速度控制、位置控制、轉(zhuǎn)矩控制于一體。作為機(jī)床動(dòng)力軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以方便地實(shí)現(xiàn)高速、高精度銑削、車削、磨削等加工，在重切削方面比傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)更勝一籌；同時(shí)由于卓越的控制性能，完全有能力參與坐標(biāo)軸的插補(bǔ)控制，完成剛性攻絲、螺紋切削、C軸控制等功能；還可以實(shí)現(xiàn)諸如多頭銑床等設(shè)備的伺服同步驅(qū)動(dòng)。Gs系列交流驅(qū)動(dòng)器接口

9、豐富，操作簡便，標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用可免調(diào)試，給機(jī)床設(shè)計(jì)工程師的選型、設(shè)計(jì)、調(diào)試等工作提供極大的便利。方便地與國內(nèi)外各大知名品牌的數(shù)控系統(tǒng)接口，使您的機(jī)床設(shè)計(jì)更靈活，充分張顯競爭優(yōu)勢。Gs系列驅(qū)動(dòng)器作為大功率的伺服驅(qū)動(dòng)單元，完全有能力和交流同步驅(qū)動(dòng)器在重型機(jī)床的坐標(biāo)軸控制方面進(jìn)行角逐，同時(shí)其良好的性價(jià)比優(yōu)勢，更讓我們相信她完全可以讓您的立車臥鏜、龍門設(shè)備等盡顯非凡優(yōu)勢。發(fā)布日期：2011-4-7返回友情鏈接伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)區(qū)別伺服電機(jī)（伺服系統(tǒng)）比步進(jìn)電機(jī)精度高步進(jìn)電機(jī)屬于伺服電機(jī)的一種，而伺服系統(tǒng)與步進(jìn)電機(jī)才有區(qū)別。伺服系統(tǒng)通常用在高精度微移動(dòng)場合，以及高精度場合，而步進(jìn)電機(jī)則使用在要求并不太高的場合

10、，其二者的造價(jià)目前伺服系統(tǒng)略高于步進(jìn)電機(jī)，但已經(jīng)是越來越便宜了。伺服系統(tǒng)其優(yōu)越性遠(yuǎn)高于步進(jìn)電機(jī)，只是造價(jià)目前看來還略高一些而已。步進(jìn)電機(jī)和交流伺服電機(jī)性能比較步進(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)動(dòng)的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。雖然兩者在控制方式上相似(脈沖串和方向信號(hào))，但在使用性能和應(yīng)用場合上存在著較大的差異?，F(xiàn)就二者的使用性能作一比較。一、控制精度不同兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為、，五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為、。也有一些高性能的

11、步進(jìn)電機(jī)步距角更小。如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機(jī)床的步進(jìn)電機(jī)，其步距角為。；德國百格拉公司(BERGERLAHR)生產(chǎn)的三相混合式步進(jìn)電機(jī)其步距角可通過撥碼開關(guān)設(shè)置為、，兼容了兩相和五相混合式步進(jìn)電機(jī)的步距角。交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以松下全數(shù)字式交流伺服電機(jī)為例，對(duì)于帶標(biāo)準(zhǔn)2500線編碼器的電機(jī)而言，由于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360/10000=。對(duì)于帶17位編碼器的電機(jī)而言，驅(qū)動(dòng)器每接收217=131072個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為360/131072=秒。是步距角為的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/655。二、低頻特性不同步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易

12、出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí)，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象，比如在電機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)等。交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能（FFT）,可檢測出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。三、矩頻特性不同步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300600RPM。交流伺服電機(jī)為

13、恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。四、過載能力不同步進(jìn)電機(jī)一般不具有過載能力。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電機(jī)因?yàn)闆]有這種過載能力，在選型時(shí)為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。五、運(yùn)行性能不同步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證

14、其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問題。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。六、速度響應(yīng)性能不同步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以松下MSMA400W交流伺服電機(jī)為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。但在一些要求不高的場合也經(jīng)常用步進(jìn)電機(jī)來做執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選

15、用適當(dāng)?shù)目刂齐姍C(jī)。FANUC的伺服驅(qū)動(dòng)裝置（2007-06-2314:08:37閱讀數(shù)：418）一、前言伺服裝置是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分。伺服技術(shù)的發(fā)展建立在控制理論、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及電力電子等技術(shù)的基礎(chǔ)上。上世紀(jì)50年代初，世界笫一臺(tái)NC機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)采用液壓驅(qū)動(dòng)。由于液壓系統(tǒng)單位面積產(chǎn)生的力大于電氣系統(tǒng)所產(chǎn)生的力（約為20：1），而且慣性低、反應(yīng)快，因此初期的NC系統(tǒng)的進(jìn)給伺服裝置大多采用液壓驅(qū)動(dòng)裝置。當(dāng)時(shí)的日本富士通公司計(jì)算機(jī)控制部（以后發(fā)展為FANUC公司）從麻省理工學(xué)院學(xué)習(xí)了笫一臺(tái)NC技術(shù)后，用電液脈沖電機(jī)作為數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。70年代初期，由于石油危機(jī)，加上液壓對(duì)環(huán)境的污染以及系統(tǒng)笨

16、重、效率低等原因，美國GETTYS公司開發(fā)出直流大慣量伺服電機(jī)，這種伺服電機(jī)靜力矩和起動(dòng)力矩大，并在NC機(jī)床上得到了應(yīng)用，性能良好。另一方面，1974年FANUC公司在開發(fā)新的低噪聲、大扭矩電液脈沖電機(jī)時(shí)，遇到了技術(shù)困難。而電液脈沖電機(jī)原先是使FANUC數(shù)控系統(tǒng)市場占有率高到幾乎接近獨(dú)占鰲頭的主要原因；當(dāng)時(shí)擔(dān)任公司社長的稻葉先生反復(fù)思考，“我是技術(shù)人員，同時(shí)也是經(jīng)營者。作為技術(shù)人員，我作為電液脈沖電機(jī)的發(fā)明者而感到自豪、自信；但是作為經(jīng)營者，我必須反復(fù)自問：電液脈沖電機(jī)就這樣原封不動(dòng)地持續(xù)下去而沒有危機(jī)嗎通過調(diào)查，我確信有新的電機(jī)來取代電液脈沖電機(jī)。”于是當(dāng)即做出了“割愛”的果斷決擇：廢棄使用

17、多年的電液脈沖電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，同時(shí)轉(zhuǎn)而從美國GETTYS公司引進(jìn)大慣量直流伺服電機(jī)制造技術(shù)，并立即進(jìn)行商品化。從此，在世界最大的CNC公司，開環(huán)的系統(tǒng)由閉環(huán)的系統(tǒng)取代；液壓的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)取代。這件事，一直在NC業(yè)界傳為美談。在這之后，F(xiàn)ANUC又成功地把交流伺服電機(jī)應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床上，然后不斷推出新的驅(qū)動(dòng)裝置：如直線電機(jī)、高速內(nèi)裝電機(jī)、直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)等，提高了數(shù)控機(jī)床的性能，簡化了數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)。二、數(shù)控機(jī)床對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的要求數(shù)控機(jī)床主要有兩種驅(qū)動(dòng)裝置：進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置和主軸驅(qū)動(dòng)裝置。這兩種驅(qū)動(dòng)裝置在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的性能優(yōu)劣。數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服裝置的要求機(jī)械特性的要求要求伺服裝

18、置靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的速降小、剛度大。伺服系統(tǒng)的剛度與機(jī)床機(jī)械構(gòu)件的剛度有相同的意義，即在外部干擾力（切削力、重力等外力）作用下，這些力從工作部件傳到電機(jī)軸上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角位置變化。用C表示單位外力矩作用下的位移：T式中，q為工作部件角位移量，T為外加擾動(dòng)力矩。要求&很小，甚至為零，即通電之后，伺服裝置處于閉環(huán)狀態(tài)，要求任何外力不使機(jī)床的工作部件發(fā)生位移（在限度以內(nèi)）。數(shù)控機(jī)床加工中有時(shí)從插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)過渡到某一軸的直線運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如果待工作的軸伺服剛性不好，加工精度同樣得不到保證，這是顯然的。伺服剛性通常是以對(duì)擾動(dòng)力矩的響應(yīng)來綜合調(diào)節(jié)系統(tǒng)。快速相應(yīng)的要求這在輪廓加工，特別對(duì)曲率大的加工對(duì)象進(jìn)行高速加工時(shí)要

19、求較嚴(yán)格。調(diào)速范圍的要求這可以使數(shù)控機(jī)床適用于各種不同的刀具、加工材質(zhì)；適應(yīng)于各種不同的加工工藝。在機(jī)床加工時(shí)，當(dāng)工作部件處于停止?fàn)顟B(tài)，也即進(jìn)給電機(jī)的速度雖然為零，但要求伺服電機(jī)仍然具有轉(zhuǎn)矩，這樣才能“鎖住”工作部件；因此，進(jìn)給伺服裝置仍然處于“伺服”狀態(tài)。從理論上說，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的調(diào)速范圍為無窮大?；蛘哒f，進(jìn)給的調(diào)速范圍越大越好。比如FANUC的15系統(tǒng)速度范圍可達(dá)1,000,000,000:1。輸出轉(zhuǎn)矩的要求一定的輸出轉(zhuǎn)矩，并要求一定的過載轉(zhuǎn)矩。機(jī)床進(jìn)給機(jī)械負(fù)載的性質(zhì)主要是克服工作部件的摩擦力和切削阻力，因此主要是“恒轉(zhuǎn)矩”的性質(zhì)。數(shù)控機(jī)床對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)裝置的要求足夠的輸出功率數(shù)控機(jī)床的主軸負(fù)載性

20、質(zhì)近似于“恒功率”，也就是當(dāng)機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速高時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩較?。恢鬏S轉(zhuǎn)速低時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩大；即要求主軸驅(qū)動(dòng)裝置也要具有“恒功率”的性質(zhì)。可是當(dāng)主軸電機(jī)工作在額定功率、額定轉(zhuǎn)速時(shí)，按照一般電機(jī)的原理，不可能在電機(jī)為額定功率下進(jìn)行恒功率的寬范圍調(diào)速。因此，往往在主軸的機(jī)械部分需增加一或二檔機(jī)械變速檔，以提高低速的轉(zhuǎn)矩，擴(kuò)大恒功率的調(diào)速范圍；或者降低額定輸出功率，擴(kuò)大恒功率調(diào)速范圍。調(diào)速范圍的要求為保證數(shù)控機(jī)床適用于各種不同的刀具、加工材質(zhì)，適應(yīng)于各種不同的加工工藝，要求主軸驅(qū)動(dòng)裝置具有一定的調(diào)速范圍。對(duì)主軸的驅(qū)動(dòng)裝置，一般較低的要求為1:100，高的要求為1:1,000以上。速度精度的要求一般要求靜差

21、度小于5%，更高的要求為小于1%。如果速降過大，則加工的質(zhì)量就會(huì)受影響，比如光潔度就不好。快速的要求主軸驅(qū)動(dòng)裝置有時(shí)也用在定位功能上，這就要求它也具有一定的快速性。二、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)展進(jìn)給伺服用電機(jī)：從直流電機(jī)到交流電機(jī)，從旋轉(zhuǎn)電機(jī)到直線電機(jī)對(duì)于電動(dòng)機(jī)，其輸出轉(zhuǎn)矩T的大小與激磁磁感應(yīng)強(qiáng)度B和電樞磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小及12B、B之間夾角q的正弦成比例。12即：T二k(BXBXsinB)(2)12其中k為比例系數(shù)；直流電機(jī)由于電刷的位置在幾何中心線上，所以8=90。；因此控制簡單，可以輸出較大的力矩，得到了廣泛的應(yīng)用。但是直流電機(jī)電刷容易磨損，需要經(jīng)常更換，這就給維修造成困難。于是又開發(fā)了交流伺服電機(jī)

22、。由于交流電機(jī)&工90。，為了提高性能，采用交流電機(jī)伺服控制理論和數(shù)字信號(hào)處理器可以對(duì)三相交流感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行矢量控制以得到q=90。；對(duì)于交流同步機(jī)結(jié)構(gòu)的伺服電機(jī)，同樣也可以采用矢量控制的方法，并通過控制磁場夾角的方法得到8=90。；由于它的特性可以與直流電機(jī)相當(dāng)，因此，進(jìn)給伺服應(yīng)用的電機(jī)大多數(shù)采用這種電機(jī)。圖1直線電機(jī)與直接驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)采用電伺服技術(shù)的初期階段，指令的控制為模擬控制；這種控制方法漂移大、精度差，由于數(shù)字控制可以克服上述缺點(diǎn)，因此越來越多地得到應(yīng)用。當(dāng)前，F(xiàn)ANUC最大的伺服電機(jī)3000HVis規(guī)格如下：額定輸出功率250kW,最大功率530kW，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩3000Nm，最大輸出轉(zhuǎn)

23、矩為5300Nm，最高轉(zhuǎn)速為2000r/min，目前，也是世界上最大的伺服電機(jī)。這種電機(jī)主要應(yīng)用在數(shù)控注塑機(jī)和沖壓機(jī)上，原先，這些機(jī)械主要采用液壓驅(qū)動(dòng)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造的NC機(jī)床受制于標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)裝置及控制器，使加工的精度和速度受到限制。在上世紀(jì)80年代末出現(xiàn)了直線伺服電機(jī)。它由兩個(gè)元件組成，電磁力直接作用于移動(dòng)元件而無需機(jī)械連接，沒有螺距周期誤差，精度完全依賴于反饋系統(tǒng)和分級(jí)的支承。由全數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器供電，剛性高，頻響好，因而可獲得高速度。比如L17000C3/2is的直線電機(jī)：最大推力可達(dá)17000N，連續(xù)推力3400N/4080N/6800N（分別對(duì)應(yīng)自然冷/氣冷/水冷），速度可達(dá)4m/s，加

24、速度30g,分辨率可達(dá)m，甚至更高。直線電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，主要有如下幾個(gè)特點(diǎn)：一是結(jié)構(gòu)簡單，由于直線電機(jī)不需要有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)的附加裝置，因而使得系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)大為簡化，重量和體積大大地減少；二是定位精度高，在需要直線運(yùn)動(dòng)的地方，直線電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)直接傳動(dòng)，因而可以消除中間環(huán)節(jié)所帶來的各種定位誤差，故定位精度咼；三是反應(yīng)速度快、靈敏度咼，可做到滑塊和定子之間始終保持一定的空氣隙而不接觸，這就消除了定子、滑塊間的接觸摩擦阻力，因而大大地提高了系統(tǒng)的靈敏度、快速性和隨動(dòng)性；四是工作安全可靠、壽命長。在數(shù)控機(jī)床上把低速力矩電機(jī)直接作為旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)是伺服技術(shù)的又一個(gè)發(fā)展。傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)一般是通過

25、高速伺服電機(jī)帶動(dòng)降速齒輪、蝸輪、蝸桿副進(jìn)行降速。傳動(dòng)鏈長，噪聲大，需要維修。在采用直接驅(qū)動(dòng)的伺服電機(jī)后，由于加大了電機(jī)轉(zhuǎn)子直徑，采用稀土金屬作為磁極材料，因此可以獲得大轉(zhuǎn)矩。并對(duì)磁路進(jìn)行最佳設(shè)計(jì)，以減少低速的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。表1是齒輪傳動(dòng)工作臺(tái)和直接驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)性能比較。表1齒輪工作臺(tái)和直接驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)性能比較項(xiàng)目齒輪工作臺(tái)直接驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)速度低高加速度低高伺服剛度（例如，位置增益）一般高抗干擾相對(duì)強(qiáng)相對(duì)弱夾緊轉(zhuǎn)矩大相對(duì)小定位精度咼（主要決定于編碼器分辨率和降速機(jī)械）高（主要決定于編碼器分辨率、機(jī)械剛度和軸承剛度）機(jī)械噪聲大低維修必需（由于機(jī)械磨損）基本不必要裝配相對(duì)容易需要思考（由于磁拉力）冷卻一般不需

26、要自然冷/氣冷/液冷（決定于連續(xù)轉(zhuǎn)矩和散熱情況）外形尺寸不緊湊（電機(jī)外裝）緊湊（電機(jī)內(nèi)裝）當(dāng)前，F(xiàn)ANUC工作臺(tái)的內(nèi)裝式伺服電機(jī)D3000/150is具體規(guī)格如下：最大輸出轉(zhuǎn)矩可達(dá)3000Nm，連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩可達(dá)1200Nm，最大轉(zhuǎn)速為150r/min,外形高度為160mm，外徑為565mm。主軸電機(jī)由于交流異步電機(jī)變頻調(diào)速容易實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩、恒功率的功能，又沒有直流電機(jī)的炭刷，因此很快就被采用在數(shù)控機(jī)床的主軸上。隨著數(shù)控機(jī)床速度的提高，為了簡化傳動(dòng)鏈，甚至采用“零傳動(dòng)”的結(jié)構(gòu)，因而出現(xiàn)了電主軸。把機(jī)床的主軸與主軸電動(dòng)機(jī)集成在一起，它的機(jī)械結(jié)構(gòu)雖然很簡單，但精度和可靠性卻要求很高。當(dāng)前，一般內(nèi)裝主軸

27、電機(jī)速度達(dá)到1200015000r/min；電機(jī)采用三相異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)，并采用改變極對(duì)數(shù)的方法改變分級(jí)變速。最近，又出現(xiàn)同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)，采用稀土磁鐵，提高輸出轉(zhuǎn)矩，設(shè)計(jì)最佳機(jī)床結(jié)構(gòu)，還開發(fā)了寬范圍恒功率的主軸電機(jī)。這有兩種方法：降低原有電機(jī)的功率，擴(kuò)大恒功率調(diào)速范圍；利用變極對(duì)數(shù)，達(dá)到恒功率。采用FANUC主軸電機(jī)規(guī)格如表2。表2FANUC主軸電機(jī)規(guī)格型號(hào)特點(diǎn)額定功率范圍（kW）速度范圍（r/min）（基速-最大速）應(yīng)用i標(biāo)準(zhǔn)型454,50015,000車床、加工中心ip寬范圍恒功率224,5008,000車床、加工中心iT電機(jī)與機(jī)床主軸直連225,00020,000車床、加工中心iL高精度直

28、連，油冷2215,00020,000車床、加工中心iB內(nèi)裝501,00030,000車床、加工中心iH高壓供電1004,00020,000車床、加工中心三、驅(qū)動(dòng)裝置的發(fā)展FANUC的驅(qū)動(dòng)裝置主要由3部分組成：電源、放大器、控制。電源主要把交流變?yōu)橹绷?，把泵升電壓送回電網(wǎng)或加以處理，在電源故障時(shí)進(jìn)行保護(hù)等功能。早期開發(fā)的晶閘管伺服系統(tǒng)控制簡單，速度范圍能滿足一般數(shù)控機(jī)床的需要，由于晶閘管額定電流大，短時(shí)間過電流能力強(qiáng)，因此對(duì)大慣量直流伺服電機(jī)可以發(fā)揮過負(fù)荷、高速、高加減速的特點(diǎn)。控制一般采用移相控制的方法。晶閘管伺服系統(tǒng)的缺點(diǎn)是功率轉(zhuǎn)換的頻率較低，只能是電網(wǎng)的頻率50Hz或者高達(dá)300Hz。因此

29、，其伺服裝置低速電流波動(dòng)較大、調(diào)速范圍不大、快速響應(yīng)由于上述原因，從技術(shù)上FANUC又推出了PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制的電路。比如，以固定的頻率調(diào)制直流電源電壓V0,當(dāng)方波的占空比Dt/T變化時(shí)，輸出平均電壓V為：1W=t/TV（3）00雖然這種電壓的波形也是脈動(dòng)的，但是由于調(diào)制的頻率可以達(dá)到很高，因此波形仍然可以很好。從上述原理看出，PWM的特點(diǎn)可以使系統(tǒng)的快速性提得很高。如果采用晶體管，其動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間比可控硅快，但允許的電流較小，因此比較適合中、小功率的驅(qū)動(dòng)電路。除了直流進(jìn)給電機(jī)外，F(xiàn)ANUC的交流電機(jī)也采用PWM控制。交流電機(jī)的控制，是通過交流、直流、交流的原理產(chǎn)生交流電壓去控制交流電機(jī)

30、。首先電網(wǎng)的交流電壓經(jīng)過整流變成直流電壓，供電給逆變器，它把直流磁路，減小低速脈動(dòng)。這種電機(jī)非常適合數(shù)控車床和數(shù)控齒輪機(jī)床的應(yīng)用。除此以外，F(xiàn)ANUC還開發(fā)了與機(jī)床主軸直連的主軸電機(jī)，油冷主軸電機(jī)。為了簡化變成交流；而逆變器是由PWM控制的，通過PWM電路，變化交流電壓的幅值，頻率低時(shí)，輸出電壓的幅值也低，頻率高時(shí)，由于采用PWM的控制，輸出電壓的幅值也高。這樣就達(dá)到變頻的同時(shí)也改變了電壓。不但進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用這個(gè)原理；而且交流主軸電機(jī)的調(diào)速也是如此。一般頻率為3kHz10kHz。伺服技術(shù)的發(fā)展與電力電子技術(shù)的發(fā)展有關(guān)，上世紀(jì)50年代初使用的功率電子器件為電子管、閘流管，體積大、壽命短、效率低

31、；60年代之后，又相繼出現(xiàn)了晶閘管SCR（可控硅整流器）、功率晶體管GTR、功率場效應(yīng)管M0SFET、絕緣柵三極管IGBT、智能功率模塊IPM等。把功率放大、觸發(fā)控制、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)電路集成在一起。這些器件的出現(xiàn)，大大提高了系統(tǒng)的控制性能及集成度、可靠性，從而縮小了尺寸，降低了成本。四、控制技術(shù)的發(fā)展FANUC為了提高伺服裝置的性能和實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的功能，對(duì)控制技術(shù)不斷進(jìn)行改進(jìn)。其中最重要的控制功能為HRV控制。如圖2所示。FANUC的CNC采用交流伺服電機(jī)，實(shí)際流過繞組的電流為交流電流。這有二種方法可以進(jìn)行控制：（1）電流控制環(huán)和控制都為AC量；（2）通過坐標(biāo)變換電流變量為DC量進(jìn)行控制。現(xiàn)在一般

32、采用后者進(jìn)行控制。也稱矢量變換控制。矢量控制原理為：交流電機(jī)中，轉(zhuǎn)子由定子繞組感應(yīng)的電流產(chǎn)生磁場；而定子電流含兩個(gè)成份，一個(gè)影響激磁磁場，另一個(gè)影響電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。圖2HRV控制框圖這兩個(gè)電流成份在定子耦合在一起，為了使交流電機(jī)應(yīng)用在既需要速度又需要轉(zhuǎn)矩控制的場合，必須把影響轉(zhuǎn)矩的電流成份解耦控制，采用磁通向量控制法就可以分離這兩個(gè)成份，并進(jìn)行獨(dú)立控制。HRV就是基于后者的控制。由于采用DC控制，它的控制特性不取決于電機(jī)的速度（即電流的頻率），從速度控制的觀點(diǎn)出發(fā)，這意味著由轉(zhuǎn)矩指令決定的實(shí)際的轉(zhuǎn)矩與電機(jī)的速度無關(guān)。交流異步電機(jī)雖然價(jià)格便宜、結(jié)構(gòu)簡單，早期由于電力電子器件笨重、落后，控制理論陳舊

33、，控制性能差，所以交流電機(jī)很長時(shí)間沒有在NC系統(tǒng)上得到應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，1971年，德國西門子的Blaschke發(fā)明了交流異步機(jī)的磁通矢量控制法；1980年，德國人Leonhard為首的研究小組在應(yīng)用微處理器的矢量控制的研究中取得進(jìn)展，使矢量控制實(shí)用化。上世紀(jì)70年代末，NC機(jī)床逐漸采用異步電機(jī)為主軸的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。對(duì)現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)，伺服技術(shù)取得的最大突破可以歸結(jié)為：交流驅(qū)動(dòng)取代直流驅(qū)動(dòng)、數(shù)字控制取代模擬控制（或者把它稱為軟件控制取代硬件控制）。這兩種突破的結(jié)果產(chǎn)生了交流數(shù)字驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，特別是數(shù)字信號(hào)處理器DSP的應(yīng)用，系統(tǒng)的計(jì)算速度大大提高，采樣時(shí)間大大減少。使伺服系統(tǒng)性能改善、可靠性提

34、高、調(diào)試方便、柔性增強(qiáng)。因而推動(dòng)了數(shù)控機(jī)床高精高速加工技術(shù)的發(fā)展。HRV是“高響應(yīng)矢量”（HighResponsVector）的意義。所謂HRV控制是對(duì)交流電機(jī)矢量控制從硬件和軟件方面進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)伺服裝置的高性能化，從而使數(shù)控機(jī)床的加工達(dá)到高速和高精；為了實(shí)現(xiàn)高速和高精，進(jìn)給伺服裝置的HRV主要控制：（1）對(duì)輸入指令具有高精高速的響應(yīng)；減少采樣時(shí)間，對(duì)電流進(jìn)行高精度檢測；優(yōu)化軟件設(shè)計(jì)，對(duì)電流和速度進(jìn)行控制，以加大速度增益和位置增益，從而提高改善系統(tǒng)的性能；（2）對(duì)外部的干擾具有良好的魯棒性；（3）采用高精度編碼器；（4）設(shè)置HRV濾波器，減少機(jī)械諧振影響。通過以上措施可使系統(tǒng)的速度增益達(dá)到

35、5000%，位置增益達(dá)到300/秒。而主軸伺服裝置的HRV主要控制：（1）設(shè)置HRV濾波器，減少機(jī)械諧振影響，加大速度增益；提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；（2）精調(diào)加減速，提高同步性；（3）降低高速時(shí)繞組溫升。五、采用數(shù)字伺服的自調(diào)諧技術(shù)，方便于調(diào)試為了使用戶方便調(diào)試，對(duì)伺服裝置，F(xiàn)ANUC還設(shè)計(jì)了“ServoGuide”軟件工具。它采用自調(diào)諧(selftuning)技術(shù)通過計(jì)算機(jī)可自動(dòng)地把伺服參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，并顯示運(yùn)轉(zhuǎn)的波形，使伺服系統(tǒng)方便、準(zhǔn)確、快速地調(diào)試和進(jìn)行維修。電主軸應(yīng)用特點(diǎn)介紹隨著電氣傳動(dòng)技術(shù)(變頻調(diào)速技術(shù)、電動(dòng)機(jī)矢量控制技術(shù)等)的迅速發(fā)展和日趨完善，高速數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)已得到極大的簡

36、化，基本上取消了帶輪傳動(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，因此可做成“主軸單元”，俗稱“電主軸(ElectricSpindle,MotorSpindle)。由于沒有中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，有時(shí)又稱它為“直接傳動(dòng)主軸”(DirectDriveSpindle)。電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、振動(dòng)小、噪聲低、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，而且轉(zhuǎn)速高、功率大，簡化機(jī)床設(shè)計(jì)，易于實(shí)現(xiàn)主軸定位，是高速主軸單元中的一種理想結(jié)構(gòu)。KollmorgenS700驅(qū)動(dòng)器在電主軸控制上的應(yīng)用介紹S700系列驅(qū)動(dòng)器是科爾摩根高性能、大功率范圍的全數(shù)字化智能驅(qū)動(dòng)器。S700驅(qū)動(dòng)器支持Kollmorgen的永磁伺服旋轉(zhuǎn)電機(jī)，直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)，直接驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)等全系列電機(jī)產(chǎn)品，同時(shí)擁有卓越的第三方電機(jī)匹配驅(qū)動(dòng)特性，能夠方便地配置永磁伺服電機(jī)及交流變頻電機(jī)參數(shù)，進(jìn)行有位置反饋或無反饋控制支持高轉(zhuǎn)速應(yīng)用支持電機(jī)最高運(yùn)行速度可以達(dá)到60,000RPM(二極電機(jī))，50%降容使用最高轉(zhuǎn)速可達(dá)120,000RPM(二極電機(jī)成功的應(yīng)用案例銑削電主軸該客戶的電主軸